MIMO-lecture3

null华泓信息2010年移动培训系列课程 MIMO技术原理与应用华泓信息2010年移动培训系列课程 MIMO技术原理与应用张琳 isszl@mail.sysu.edu.cn第三部分：MIMO 关键技术－空时编码第三部分：MIMO 关键技术－空时编码null频谱资源的严重不足己经日益成为遏制无线通信事业的瓶颈，如何充分开发利用有限的频谱资源，提高频谱利用率，是当前通信界研究的热点课题之一。 MIMO技术非常适用于城市内复杂无线信号传播环境下的无线宽带通信系统使用，在室内传播环境下的频谱效率可以达到20-40bit/s/Hz而使用传统无线通信技术在移动蜂窝中的频谱效率仅为1-5bit/s/HZ，在点到点的固定微波系统中也只有10-12bits/s/Hz。MIMO技术作为提高数据传输速率的重要手段得到人们越来越多的关注，被认为是新一代无线通信技术的革命。 null无线系统采用空时处理技术进行信号处理。在多径环境下，MIMO无线系统可以极大地提高频谱利用率，增加系统的数据传输率。 MIMO技术实质上是为系统提供空间复用增益和空间分集增益，目前针对MIMO信道所进行的研究也主要围绕这两个方面。 空间复用技术可以大大提高信道容量，而空间分集则可以提高信道的可靠性，降低信道误码率。 null在 MIMO 系统中，分集增益和复用增益不能同时获得最大 分集增益能改善通信链路的可靠性，提高系统的误码特性， 复用增益可提高系统的速率，在系统获得最大的复用增益时，分集增益可能不是最大 因此在 MIMO 系统的设计时要折衷考虑两者，以使系统达到优化。nullMIMO通信技术通常分为两类空时编码和空间复用。 空时编码包括空时网格码和空时分组码。 空时复用最著名的例子是贝尔实验室分层空时结构。 这两种方法拥有不同的发展历史和不同的研究动机。 前者源于美国电报电话公司的实验室，用于早期的传输分集 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。所以其主要动机为提高系统的分集性能，从而增强通信链路的可靠性。 后者源自贝尔实验室，受到研究信道潜在容量的影响，其主要目的是提高通信链路的容量，即提高数据传输速率。在某些方面，它的先导技术是多用户检测而非分集，因为它可被看成一个多用户系统。空时编码技术空时编码技术空时编码在不同天线所发送的信号中引入时间和空间的相关性，从而不用牺牲带宽就可以为接收端提供未编码系统所没有的分集增益和编码增益。 空时编码的基本工作原理如下： 从信源给出的信息数据流，到达空时编码器后，形成同时从多个发射天线上发射出去的矢量输出，称这些调制符号为空时符（STS）或者空时矢量符（STVS）。 与通常用一个复数 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示调制符号类似，一个空时矢量符 STVS 可以表示成为一个复数的矢量空时分组码主要可以分为以下三种空时分组码主要可以分为以下三种（1）分层空时编码技术 LSTC（Layered Space-Time Coding） （2）空时网格编码技术 STTC（Space-Time Trellis Coding） （3）正交空时分组编码(OSTBC)null（1）分层空时编码技术 LSTC（Layered Space-Time Coding） 分层空时码最初是由 Bell 实验室的 Foschini[3]提出的空时编码模型。它将信源数据分为几个子数据流，独立地进行编码、调制，因而它不是基于发射分集的。 分层空时码的基本结构：发射机有 N 根发射天线，接收机有M 根接收天线，且 M > N。在发射机内经过信道编码的数据被分为 N 路，分别流向 N 根天线。接收端M 根接收天线同时接收 N 根发射天线的信号，然后进行解调、信道估计、译码。由于分层空时码无法获得最大分集增益,接收端在检测信号时选用的检测算法对提高整个系统性能至关重要null根据编码和调制输出符号映射到发送天线的方法的不同以及编码的有无，可以将分层空时分组码分为 3 类：对角分层空时编码（D-BALST）、垂直分层空时编码（V-BLAST）和水平分层空时编码（H-BLAST）。 对于水平分层空时编码，输入比特流经过串并转换后先在时域内进行编码/调制，然后第i路编码和调制模块输出的符号恒定地由第i根天线发射出去。 对角分层空时编码与水平分层空时码的区别是，它对所编的码进行重新排序，将 M 路编码与调制模块输出的符号循环地通过 M 根天线发射出去，形成了有规律的对角线。 垂直分层空时编码与水平分层空时码不同的是，编码与调制模块并不对比特流进行编码。null假设接收端已知信道信息，分层空时码的译码主要分成三步： 第一，干扰抑制，将来自其他接收天线未经检测过的符号干扰和噪声干扰抑制掉。 第二，干扰消除，将来自其他接收天线以及检测过的符号干扰消除掉。 第三，对各路信号分别进行解调和译码。D-BLAST 在 BLAST 的基础上采用了类似交织的处理，因此码的性能要优于 V-BLAST，但其编译码过程要比 V-BLAST 复杂nullnullVBLAST系统框图 null（2）空时网格编码技术 STTC（Space-Time Trellis Coding） 这种空时编码以网格编码调制（TCM）为基础，具有很高的编码增益和分集增益， 能够有效地抵抗衰落和抑制干扰及噪声。但其缺点是编译码算法复杂，在天线数目较多和发射速率较高时，接收机的结构变得极其复杂而难于实现。null空时格型编码STTC实现框图 空时网格编码的框图如上图所示null空时网格编码 STTC 编译码的基本原理如下: TCM 编码器的基本结构在多数情况下可以看作一个有限状态的状态转移器,最新的信息源比特流数据用来确定编码器的从当前状态到下一个状态的状态转移,状态转移的结果就是要从多个发射天线上同时发射出去的一个空时矢量符 STS。 STS 的组成符号从原理上可以选择任何星座图,如 QPSK，8PSK，16QAM 等。null（3）正交空时分组编码(OSTBC) 正交空时分组编码（OSTBC）包括两大类： 第一种是空时发射分集（STTD） 最初由 Alamouti 于 1998 年以两个发射天线的简单发射分集技术为例提出，其基本思想类似于接收分集中的最大比接收合并 MRC；然后经 Tarokh 等人于 1999 年利用正交化设计思想推广到多天线情况，称为空时分组编码。 数据经过空时编码后，编码数据分为多个支路数据流，分别经过多个发射天线同时发射出去；接收端的最大似然译码可以通过把不同天线发射的数据解偶来得到更简单的实现形式，利用的是空时码字矩阵的正交性从而得到基于线性处理的最大似然译码算法。 第二种是正交发射分集（OTD） 由 Motorola 作为 CDMA2000 的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 提出。这两种方法都具有不扩展信号带宽的优点，即可以不同牺牲频谱效率；并且解码可以由线性运算按照最大似然算法给出，优于标准的 Viterbi 译码，接收机可以比较简单，但是它们也不能够提供编码增益，其原理框图如下图所示null这三种空时编码 LSTC，STTC，OSTBC 在解码时都假设接收端已知信道状态（Channel State Information）的确切信息，需要在接收端进行信道估计空时编码空时编码空时编码空时编码null图 空时编码在MIMO系统中的应用空时编码空时编码在高速率的无线通信应用中，STC受到关注的原因有： 能够使接收端在不应用多天线时改善下行链路的性能，而这正是不对称通信网络的瓶颈。 能够将信道编码很好地与空间传输分集结合，除了获得编码增益之外，更重要的是获得分集增益。 采用STC不需要使发送端知道CSI，所以省去了昂贵的反馈链路的搭建。即使搭建反馈链路，由于信道的快速变化，反馈信息也会变得不可靠。 对信道估计错误、天线相干和多普勒效应等情况的鲁棒性。 空时编码主要可以分为空时网格编码(Space-Time Trellis Code, STTC)和空时分组码(Space-Time Block Code, STBC)。 空时编码空时编码空时网格编码 文献将卷积码扩展入MIMO系统中演变为STTC，它同时包含了传统的Trellis信道编码及调制。 STTC可以由一个网格表示，其中的网格点表示一个符号状态，而网格边缘表示一组编码符号。空时网格编码器在发送端采用卷积编码，而在接收端采用Viterbi译码实现最大似然估计，码字呈现Trellis结构(如图)。 空时网格编码是在空时延时分集(Delay Diversity)和多进制网格编码调制(Trellis Coding Modulation, TCM)基础上提出的，但STTC的频谱效率是TCM的Nt倍。空时编码空时编码两天线4状态2bit/s/Hz下的网格图 空时编码空时编码图中存在四个状态，分别为0，1，2，3，而左边的数字表示输入为0，1，2，3时的输出。例如在状态1时，输入为3时，对应的输出为13，那么编码器输出到两个天线上的码字分别为1和3，同时根据状态转移分支，其状态由1变为3。 STTC的优点在于不会产生频带扩展，提供最大的分集和编码增益，然而，当固定发送天线时，它的解码复杂度随着发送速率的增加而呈指数增加，所以使其应用受到很大的限制。空时编码空时编码空时分组码 为了解决STTC的解码复杂度问题，Alamouti为具有两个发送天线的系统构造了一个具有划时代意义的空时编码方式——，该方案仅仅需要接收端线性处理接收信号后就可以采用最大似然估计算法进行译码，另外，该方案能够达到与传统接收端两根天线的最大比合并MRC相同的分集增益。目前，在WCDMA和CDMA2000中，都引入了Alamouti编码 空时编码空时编码空时编码空时编码1 Alamouti空时分组码 1 Alamouti空时分组码 Alamouti在文献中构造了一个空时分组码的 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 ，方案的系统包括两个发送天线和一个接收天线(如图)，null系统实现包括三个过程： 发送端的编码和发送 接收端的合并接收 最大似然判决 1 编码和发送 1 编码和发送 1 编码和发送 1 编码和发送 1 编码和发送 1 编码和发送 2 合并接收 2 合并接收 3 ML判决解码 3 ML判决解码 null正交空时分组码 Alamouti 准正交空时分组码1 正交空时分组码 Alamouti1 正交空时分组码 AlamoutiAlamouti编码方式其实就是一种正交空时分组码(Orthogonal space-time block codes, OSTBC)，它的接收端仅需要简单的ML译码就可以获得全分集，但它的系统只有两个发送天线。Tarokh在Alamouti的基础将以正交设计为基础的空时分组码应用到多天线的系统中，形成了完整的正交空时分组理论。 OSTBC的优势在于性能与复杂度的完美平衡，由于正交设计准则，在接收端已知CSI情况下，可以通过最大比接收方式加权系数为信道矩阵的正交矩阵，这样就可以对每个发送符号单独进行ML估计，大大降低了译码复杂度，同时又可以获得全分集增益 null1、编码和发送nullnull2 接收和译码 2 接收和译码 nullnullnullnull正交空时分组码 Alamouti 准正交空时分组码准正交空时分组码 准正交空时分组码 nullnull1 编码和发送 QOSTBC的码型设计与OSTBC相似，但是传输矩阵所用时间隙要少于OSTBC。Alamouti是满足全分集全速率的OSTBC码型，而Jafarkhani在Alamouti基础上提出了QOSTBC， null 2 接收和译码 nullnull不同STBC编码下的性能比较 null分层空时编码分层空时编码null分层空时码(Layered Space-Time Code,LST)最初由贝尔实验室的Foschini提出，因而被称为BLAST(Bell Labs Layered Space-Time Code) 它将一维编码方法同空间维度的传输结合起来，是一种同时在空间维度和时间维度上进行编码的技术，使得解码端的复杂度仅仅随天线数目的增加线性增长分层空时码的发送模型分层空时码的发送模型分层空时码的编码步骤分层空时码的编码步骤第一步，将输入的信息比特流分接成NT个低速比特流，分别独立地进行信道编码。 信道编码器如图所示： null第二步， NT个已编码的比特流通过矢量编码器的变换映射到对应的发射天线上。 分层空时码对信道编码器输出序列的处理实际是实现一种映射关系，根据映射方式的不同，从NT个并行信道编码器送出的信号就具有不同的编码方案，其中 最常见的是以下三种分层空时编码方案:对角分层空时码(D-BLAST)、垂直分层空时码(V-BLAST)和水平分层空时码(H-BLAST)，下面对其分别进行介绍。对角分层空时码对角分层空时码对角分层空时码 对角分层空时码提出的最早，顾名思义，它是编码器对接收的并行信道编码器的输出按对角线方向进行空间编码，其原理如图 “0”表示不发送任何符号，第1个信道编码器输出的最开始的前Nt垂直分层空时码垂直分层空时码垂直分层空时码 同样道理，垂直分层空时码就是编码器接收并行信道编码器的输出后，按照垂直方向进行空间编码，编码原理如图：水平分层空时码水平分层空时码水平分层空时码 水平分层空时码最简单，是编码器接收并行信道编码器的输出后，直接送入对应的天线进行发射，编码原理如图： 比较比较比较上述的三种编码方案， 对角分层空时码具有较好的空时特性及层次结构，但具有传输冗余，存在频谱利用率损耗。 垂直分层空时码和水平分层空时码的空时特性及层次结构较对角分层空时编码差，但没有传输冗余，其中，垂直分层空时码的空时特性及层次结构比水平分层空时码要好，水平分层空时码不存在子数据流之间的编码，只有通常的子数据流内的编码，空时特性最差 因而，在实际中,V-BLAST的应用更为广泛仿真结果仿真结果下图：在瑞利平坦衰落信道下，发射天线数分别为2和4的MIMO系统，发射端采用V-BLAST编码，接收端采用迫零检测的仿真结果，其中，发送信号采用BPSK调制，接收端已知信道状态，噪声是高斯白噪声。 发射天线数为2，采用V-BLAST编码的MIMO系统性能仿真发射天线数为4，采用V-BLAST编码的MIMO系统性能仿真发射天线数为4，采用V-BLAST编码的MIMO系统性能仿真分析分析nullBLAST系统的特点可以概括如下 1、每根发射天线使用同一频带和同样的星座图，并且符号同步。 2、每根天线上发射的信号对应的信源是不同的，故分层空时码不是基于发送分集的。 3、发射单元天线的总功率恒定，与发射天线数Nt无关。 4、BLAST系统的各发射信号是同时占用某个信道的整个带宽，它不是在各发送信号之间引入正交关系来实现各个同时发送信号之间的不相关性，而是充分利用无线信道的多径传播特性来达到区分同波道信号的目的。null5、分层空时码的优点是当接收天线数大于发射天线数时，可以证明频带利用率与发射天线个数近似成正比。它所能达到的频带利用率和传输速率是单天线系统永远无法达到的。目前的试验系统，系统频带利用率可达25.9bits/s/Hz，在30kHz的带宽下传输速率高达621kbits/s。如果使用单天线系统，要达到同样的信号符号集至少为226，这是根本无法实现的。 6、BLAST系统的天线间距大约为半个波长，此时天线之间的干扰比较小，可以认为各信道之间的衰落特性是独立分布的，不同的收发天线对之间信道增益不相关。STBC与V-BLAST结合的混合空时编码STBC与V-BLAST结合的混合空时编码null分层空时码在发送速率方面具有很大的优势，但不具有分集增益， 而空时分组码具有良好的分集增益， 在多数实际应用场合中，需要的并不是极端的全分集或全速率，而是两者的折衷考虑，因而人们提出了V-BLAST与STBC相结合的混合空时编码结构，实现在分集度和速率两者之间的折衷。STBC和V-BLAST结合的混合空时编码的MIMO系统结构框图STBC和V-BLAST结合的混合空时编码的MIMO系统结构框图混合空时编码的MIMO系统结构框图 nullnull不失一般性，定义t时刻发送信号矢量和接收信号矢量分别为： nullnull例如一个6发6收的MIMO混合空时编码系统。发射天线1、2和发射天线3、4分别发送一组STBC，采用Alamouti在文献中提出的2×2空时正交结构， 使用2个天线在2个符号间隔内发射2个复信号。发射天线5、6上的比特数据则直接通过调制发送出去，即这2个天线可以在2个符号间隔内发射4个不同的复信号。通过这样的发射方案，6个发射天线在2个符号间隔上总共可以发送8个不同的复信号，取得在分集数与传输速率之间的折衷。nullnullnullnullnull由STBC和V-BLAST结合的混合空时编码的最大的好处就是可以根据实际对于分集增益和传输速率的不同需求，设计不同的编码方案。 举例：首层采用STBC的V-BLAST,并对该系统性能进行仿真。首层采用STBC的垂直分层空时码首层采用STBC的垂直分层空时码如果有且仅有第一组子数据流采用STBC，其余的子数据流均采用垂直分层空时编码（V-BLAST），就是这里要详细介绍的首层采用STBC的V-BLAST 这种编码方案主要是针对传统的V-BLAST译码过程中，最先译出的信息符号由于没有分集增益，性能差的情况提出的。 在V-BLAST的译码过程中，越晚译码的信息，分集增益就越大，第一层译码的信息一方面不具有分级增益，另一方面其译出的信息符号要带入到下一级的译码，因而第一层的检测准确度会在很大程度上影响整个V-BLAST系统的性能首层采用STBC的垂直分层空时码首层采用STBC的垂直分层空时码为了提高系统性能，应该想 办法 鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载企业年金办法下载企业年金办法下载 增加V-BLAST系统第一层的信息符号的分集增益，增加接收天线可以实现这个目的，但实际的应用中增加接收天线常常是不可行的。 利用上述与空时分组编码相结合的混合空时编码也可以达到这个目的。对最先译码的首层采用STBC编码增加了分集度，既保护最可能出错的信息、提高了系统的性能，也因为只有一组STBC而最大限度的不影响整个系统的发送速率。下面就给出其发射端原理框图首层采用STBC的垂直分层空时码首层采用STBC的垂直分层空时码首层采用STBC的V-BLAST系统发射端框图 首层采用STBC的垂直分层空时码首层采用STBC的垂直分层空时码首层采用STBC的垂直分层空时码首层采用STBC的垂直分层空时码首层采用STBC的垂直分层空时码首层采用STBC的垂直分层空时码首层采用STBC的垂直分层空时码首层采用STBC的垂直分层空时码首层采用STBC的垂直分层空时码首层采用STBC的垂直分层空时码首层采用STBC的垂直分层空时码－4发4收的系统首层采用STBC的垂直分层空时码－4发4收的系统以一个4发4收的系统来举例说明： 第一路数据流采用Alamouti发射分集方案变成两路并行数据流分别从两根天线发射出去，参照式，t时刻和t+1时刻接收端收到的信号合并表示为仿真仿真第一层天线的发射功率是其后天线发射功率的2倍，传统的V-BLAST编码采用QPSK调制，给出的首层采用STBC的V-BLAST采用8PSK调制，保证两个系统具有相同的频谱效率，信道是准静态瑞利衰落信道，帧长120比特，帧数是5000帧，接收端采用传统的干扰消除检测译码，系统的性能仿真如图所示：null4发4收的传统V-BLAST与首层采用STBC的V-BLAST系统性能比较 首层采用STBC的V-BLAST的系统性能明显优于传统的V-BLAST。 这是以牺牲一定的数据传输速率为代价的——在上述举例的4发4收方案中，传统的V-BLAST编码可以在两个符号间隔中发送8个不同的符号，而混合空时编码在两个符号间隔中仅能发送6个不同的符号小结小结多入多出(MIMO)技术的出现是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破。 该技术能在有限的频谱上提供更高的传输速率和系统容量。一方面，MIMO技术可以利用信道提供的空间复用增益来提高信道的容量，另一方面，利用MIMO信道提供的空间分集增益可以提高信道的可靠性，降低误码率。 从一定意义说，MIMO技术仅仅是一个通信系统构架，优秀的构架还需要配合优秀的信息传送控制技术才能发挥应有的效能，而空时编码正是作为MIMO的一项核心技术而出现的。 null