第七章-分集、MIMO、空時編碼

1、LOGO LI Xu /441 分集、分集、MIMO、空時編碼、空時編碼 State Key Laboratory of Rail Traffic Control and Safety Beijing Jiaotong University 第七章第七章 目錄目錄 /44 2 7.3 空時編碼空時編碼 7.2 MIMO 7.1 分集分集 7.1 分集分集 /44 3 7.1.5 小結(jié)小結(jié) 7.1.4 分集實現(xiàn)例子分集實現(xiàn)例子 7.1.3 集中方式集中方式 7.1.2 分集接收方式分集接收方式 7.1.1 分集接收分集接收 7.1 分集分集 /44 4 引言：多徑衰落在移動通信中引起誤碼率的上升

2、甚 至通信中斷。因此必須采取有效措施進行處理。由于 多徑效應(yīng)引起的衰落有時達30-40dB，因此用加大發(fā) 射功率（1000到10000倍）是不可能的。分集接收技 術(shù)是抑制多徑衰落的有效途徑。 7.1 分集分集 /44 5 v7.1.1 分集接收分集接收 原理：攜帶同一信息的不同信號在多徑傳輸中它 的衰落是不一樣的，因此可利用不同方式的信號 攜帶同一信號在同一信道傳輸（分散傳輸），接 收端按一定的方式將這些信號集中起來，選擇衰 落最小的信號作為有效信號。 分集技術(shù)：將要傳輸?shù)男畔⒎殖蓭茁贩稚鬏敚?在接收端集中處理，以實現(xiàn)抗衰落。 分集接收：分解為互不相關(guān)的信號；不需要訓(xùn)練 序列；易于實現(xiàn)；改善

3、的幅度為20-30dB 7.1 分集分集 /44 6 v7.1.2 分集接收方式分集接收方式 宏分集對抗大尺度衰落 微分集對抗小尺度衰落 包括空間分集、頻率分集、極化分集、場分量分 集、角度分集、時間分集，它是一種減小快衰落 影響的分集技術(shù)。 數(shù)字移動通信中采用的分集方式：頻率、空間、 時間 7.1 分集分集 /44 7 v7.1.3 集中方式集中方式 最大比合并 等增益合并 選擇式合并 1.最大比合并最大比合并 在接收端由多個分集支路，經(jīng)過相位調(diào)整后，按 照適當(dāng)?shù)脑鲆嫦禂?shù)，同相相加，再送入檢測器進 行檢測。在接收端各個不相關(guān)的分集支路經(jīng)過相 位校正，并按適當(dāng)?shù)目勺冊鲆婕訖?quán)再相加后送入 檢測器

4、進行相干檢測。在做的時候可以設(shè)定第i個 支路的可變增益加權(quán)系數(shù)為該分集之路的信號幅 度與噪聲功率之比。 /44 8 2.等增益合并等增益合并 等增益合并也稱為相位均衡，僅僅對信道的相位 偏移進行校正而幅度不做校正。等增益合并不是 任何意義上的最佳合并方式，只有假設(shè)每一路信 號的信噪比相同的情況下，在信噪比最大化的意 義上，它才是最佳的。它輸出的結(jié)果是各路信號 幅值的疊加。 對CDMA系統(tǒng)，它維持了接收信號中各用戶信號 間的正交性狀態(tài)，即認可衰落在各個通道間造成 的差異，也不影響系統(tǒng)的信噪比。 /44 9 3.選擇式合并選擇式合并 采用選擇式合并技術(shù)時，N個接收機的輸出信號 先送入選擇邏輯，選擇

5、邏輯再從N 個接收信號中 選擇具有最高基帶信噪比的基帶信號作為輸出。 每增加一條分集支路，對選擇式分集輸出信噪比 的貢獻僅為總分集支路數(shù)的倒數(shù)倍。 /44 10 4.三種合并方式比較三種合并方式比較 最大比合并在收端只需對接收信號做線性處理，然 后利用最大似然檢測即可還原出發(fā)端的原始信息。 其譯碼過程簡單、易實現(xiàn)。合并增益與分集支路數(shù) N 成正比。當(dāng)N 較大時，等增益合并與最大比值合 并后相差不多。等增益合并實現(xiàn)比較簡單，其設(shè)備 也簡單。 通常來講，最大比合并的性能最好，選擇式合并的 性能最差。當(dāng)N較大時，等增益合并的合并增益接 近于最大比合并的合并增益。 選擇式合并性能差的原因在于合并其N輸

6、出只利用 了最強一路信號，而其它各支路都沒有被利用。 /44 11 7.1 分集分集 /44 12 v7.1.4 分集實現(xiàn)例子分集實現(xiàn)例子 RAKE接收技術(shù)（CDMA中） 7.1 分集分集 /44 13 v7.1.5 小結(jié)小結(jié) 1）分集技術(shù)包含兩層意思：分散傳輸、集中處理； 2）分集分為宏分集和微分集； 3）微分集包括：空間、時間、頻率、極化、場分量 、角度六種； 4）集中處理常用：選擇式合并 最大比值合并 等增 益合并； 5）RAKE接收機是用于CDMA中的分集接收機。 7.2 MIMO /44 14 7.2.4 小結(jié)小結(jié) 7.2.3 MIMO應(yīng)用應(yīng)用 7.2.2 MIMO技術(shù)技術(shù) 7.2.

7、1 MIMO概述概述 7.2 MIMO /44 15 引言：隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，頻譜資源的 嚴(yán)重不足已經(jīng)日益成為遏制無線通信事業(yè)的瓶頸。如 何充分開發(fā)利用有限的頻譜資源，提高頻譜利用率， 是當(dāng)前通信界研究的熱點課題之一。 7.2 MIMO /44 16 v7.2.1 概述（概述（1/2） 多輸入多輸出 (Multi Input Multi Output, MIMO)無線通信技術(shù)的概念非常簡單，任何一個 無線通信系統(tǒng)，只要其發(fā)射端和接收端均采用了 多個天線或者天線陣列，就構(gòu)成了一個無線 MIMO系統(tǒng)。 在多徑環(huán)境下，該技術(shù)能在不增加帶寬的情況下 成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率，是新

8、 一代移動通信系統(tǒng)必須采用的關(guān)鍵技術(shù)。 7.2 MIMO /44 17 v7.2.1 概述（概述（2/2） MIMO技術(shù)實質(zhì)上是為系統(tǒng)提供空間復(fù)用增益和 空間分集增益，目前針對MIMO信道所進行的研 究也主要圍繞這兩個方面?？臻g復(fù)用技術(shù)可以大 大提高信道容量，而空間分集則可以提高信道的 可靠性，降低信道誤碼率。 根據(jù)收發(fā)兩端天線數(shù)量，相對于普通的 SISO(Single-Input Single-Output)系統(tǒng)， MIMO還可以包括SIMO(Single-Input Multi- ple-Output)系統(tǒng)和MISO(Multiple-Input Single-Output)系統(tǒng)。 7.2

9、 MIMO /44 18 v7.2.2 MIMO技術(shù)（技術(shù)（1/2） MIMO系統(tǒng)可以用一種非常簡單的方式來定義： 在收發(fā)兩端使用多個天線，假定發(fā)送端有n個發(fā)送 天線，接收端有m個接收天線，這就可認為是一 個 MIMO系統(tǒng)。 傳統(tǒng)信道容量傳統(tǒng)信道容量 MIMO信道容量信道容量 其中M是最小的發(fā)送天線數(shù)量或最小的接收天線 數(shù)量，表示空間信息流的數(shù)量。MIMO系統(tǒng)容量 隨著天線的數(shù)量呈線性增加。 2 log (1) S Cf N 2 log (1) S CMf N 7.2 MIMO /44 19 v7.2.2 MIMO技術(shù)（技術(shù)（2/2） 利用 MIMO技術(shù)可以提高信道的容量，同時也可 以提高信道

10、的可靠性，降低誤碼率。前者是利用 MIMO 信道提供的空間復(fù)用增益，后者是利用 MIMO信道提供的空間分集增益。 實現(xiàn)空間復(fù)用增益的算法主要有BLAST 算法、 ZF 算法、MMSE 算法、ML 算法。 ML 算法具有很好的譯碼性能，但是復(fù)雜度比較 大。ZF 算法簡單易實現(xiàn)，但是對信道的信噪比要 求較高。BLAST 算法實際上是使用 ZF 算法加上 干擾刪除技術(shù)得出的，兼顧性能與復(fù)雜度。 7.2 MIMO /44 20 v7.2.3 MIMO應(yīng)用（應(yīng)用（1/2） 在CDMA2000標(biāo)準(zhǔn)中，分別定義了兩種開環(huán)發(fā)送 分集方案和兩種閉環(huán)發(fā)送方案。開環(huán)方案包括： 正交發(fā)送分集（OTD）、空時擴頻發(fā)送分

11、集（ STS）；閉環(huán)方案包括：選擇式發(fā)送分集（STD ）、發(fā)射自適應(yīng)陣列發(fā)送分集（TXAA）。 在WCDMA中，開環(huán)發(fā)送分集采用了空時發(fā)送分 集STTD 在TD-SCDMA中，采用的是智能天線以及空間分 集接收的MIMO技術(shù)來消除干擾和抵抗多徑，提 高通信系統(tǒng)性能。 7.2 MIMO /44 21 v7.2.3 MIMO應(yīng)用（應(yīng)用（2/2） MIMO在WLAN（ IEEE802.11n ）、WiMAX（ IEEE802.16e ）中都采用MIMO-OFDM技術(shù) 利用OFDM技術(shù)把頻率選擇性深衰落信道轉(zhuǎn)變成 多個子載波的平坦衰落信道；利用MIMO技術(shù)在 不增加帶寬的前提下，成倍的提高通信系統(tǒng)的容

12、 量和頻譜利用率。MIMO-OFDM利用了時間、頻 率和空間3種分集技術(shù)，使無線系統(tǒng)對噪聲、干擾 、多徑的容限大大增加。 7.2 MIMO /44 22 v7.2.4小結(jié)：小結(jié)： 1）MIMO提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率； 2）MIMO技術(shù)實質(zhì)上是為系統(tǒng)提供空間復(fù)用增益 和空間分集增益； 3）MIMO系統(tǒng)的關(guān)鍵特性：變不利因素（多徑傳 播）為有利條件。 7.3 空時編碼空時編碼 /44 23 7.3.6 其他種類的空時編碼技術(shù)其他種類的空時編碼技術(shù) 7.3.5 常見的空時編碼常見的空時編碼 7.3.4 空時編碼的設(shè)計準(zhǔn)則空時編碼的設(shè)計準(zhǔn)則 7.3.3 空時編碼模型空時編碼模型 7.3.2 空

13、時編碼分類空時編碼分類 7.3.1 空時編碼概念空時編碼概念 7.3.7 小結(jié)小結(jié) 7.3 空時編碼空時編碼 /44 24 引言：上一小節(jié)講過利用 MIMO技術(shù)可以提高信 道的容量，同時也可以提高信道的可靠性，降低 誤碼率。前者是利用 MIMO 信道提供的空間復(fù)用 增益，后者是利用MIMO信道提供的空間分集增 益。 目前 MIMO 技術(shù)領(lǐng)域的一個研究熱點就是空時編 碼。空時編碼利用了空間和時間上的分集，從而 降低信道誤碼率。 7.3 空時編碼空時編碼 /44 25 v7.3.1 空時編碼概念空時編碼概念 從信源給出的信息數(shù)據(jù)流，到達編碼器后，形成 同時從許多個發(fā)射天線上發(fā)射出去的矢量輸出， 稱

14、這些調(diào)制符號為空時符號或者空時矢量符號。 與通常用一個復(fù)數(shù)表示調(diào)制符號類似(復(fù)的基帶表 示)，一個空時矢量符可以表示成為一個復(fù)數(shù)的矢 量，矢量中數(shù)的個數(shù)等于發(fā)射天線的個數(shù)。 使用空時編碼是達到或接近多輸入多輸出無線信 道容量的一種可行、有效的方法。 7.3 空時編碼空時編碼 /44 26 v7.3.2 空時編碼分類空時編碼分類 從設(shè)計目的的角度，目前已提出的各種空時編碼 方法可分為3類: 第1類以改善傳輸性能為目的，利用MIMO系統(tǒng)所 能提供的分集度，設(shè)計具有滿分集度的空時碼， 以提高信息傳輸?shù)目煽啃裕硇缘挠锌諘r網(wǎng)格 碼(STTC)、空時正交設(shè)計(STOD)碼以及對角代 數(shù)空時(DAST)

15、塊碼等。 7.3 空時編碼空時編碼 /44 27 第2類以提高信息符號傳輸速率為目的，利用 MIMO系統(tǒng)所能提供的傳輸自由度，設(shè)計達到全 速率信息傳輸?shù)目諘r碼，以提高信息傳輸?shù)挠行?性，典型的有貝爾分層空時結(jié)構(gòu)(BLAST)、線性 彌散(LD)碼等。 第3類是最近兩三年提出的，同時以提高信息傳輸 性能和速率為目的，力圖設(shè)計達到滿分集度全速 率的空時碼，如線狀代數(shù)空時(TAST)塊碼、線性 復(fù)數(shù)域預(yù)編碼(LFC)空時碼等。 7.3 空時編碼空時編碼 /44 28 v7.3.3 空時編碼模型空時編碼模型 若干個信息比特C由空時編碼器編碼成N個碼元,其中 表示 時隙t從第i個天線上發(fā)送的信號,若表示

16、時隙t天線j收到的信號 (假定理想的定時和頻率信息)， 則接收信號可以寫成 i t c 1 N jij tijtt i rh c 7.3 空時編碼空時編碼 /44 29 則接收信號也可表示為： 從N個發(fā)射天線到M個接收天線的無線信道可以用MN信道 矩陣H表示為： 11121 21222 12 N N MMMN hhh hhh hhh rH c 其中 TTT tt (,) ,() ,(,) 12M12M tttt rrr r =c = 12N ttt c , c ,L, c 7.3 空時編碼空時編碼 /44 30 v7.3.4 空時編碼的設(shè)計準(zhǔn)則空時編碼的設(shè)計準(zhǔn)則 采用多個發(fā)射天線和多個接收天線

17、所獲得的分集 增益，它決定了信噪比誤碼率曲線的斜率； 編碼所能獲得的編碼增益，它在分集增益確定的 情況下，決定信噪比誤碼率曲線的平移。 7.3 空時編碼空時編碼 /44 31 v7.3.5 常見的空時編碼常見的空時編碼 當(dāng)前比較成熟的空時編碼技術(shù)是：空時分組碼（ Space-Time Block Code）和空時網(wǎng)格碼（ Space-Time Trellis Code）。 空時分組碼提供分集增益，不提供編碼增益；空 時網(wǎng)格碼是一種將差錯控制編碼、調(diào)制、發(fā)射和 接收分集聯(lián)合在一起進行設(shè)計的空時編碼。 7.3 空時編碼空時編碼 /44 32 v7.3.5.1 STTC 7.3 空時編碼空時編碼 /

18、44 33 空時格型碼（STTC）是較早提出的一類空時編碼技 術(shù)，適用于多種無線信道環(huán)境。STTC把編碼和調(diào)制 結(jié)合起來，能夠達到編譯碼復(fù)雜度、性能和頻帶利 用率之間的最佳折中，是一種最佳碼。 空時格型碼每次輸入一個碼元產(chǎn)生一列向量碼元， 其長度代表天線，并把輸入碼片流編碼成輸出向量 碼片流。因為譯碼器具有記憶性，所以這些向量碼 片在時間上是相關(guān)的。譯碼借助最大似然序列估計 來完成。像用于單天線信道的傳統(tǒng) TCM(Trellis Coded Modulation，格型編碼調(diào)制)一樣，空時格 型碼提供了一定的編碼增益，此外還提供了全部的 分集增益。 7.3 空時編碼空時編碼 /44 34 v7.

19、3.5.2 STBC 空時格型碼在編碼時考慮了前后輸入的關(guān)聯(lián)，因此 其性能是比較好的，但是由于空時格型碼的復(fù)雜度 是與傳輸數(shù)據(jù)速率呈指數(shù)關(guān)系上升的，因此在提高 性能的同時，整個系統(tǒng)的復(fù)雜度也大大提升。 空時分組碼通常利用其正交性，采用最大似然譯碼 ，使得譯碼復(fù)雜度大大下降，同時還能夠獲得最大 的分集增益。 7.3 空時編碼空時編碼 /44 35 復(fù)信號星座的STBC編碼 * 1234 * 2143 * 3412 * 3214 1234 2143 3412 4321 xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx c 4 X STBC的譯碼 * 11,12,23,34,4

20、5,16,27,38,4 1 ()()()() R n jjjjjjjj jjjjjjjj j xr hr hr hr hrhrhrhrh * 21,22,13,44,35,26,17,48,3 1 ()()()() R n jjjjjjjj jjjjjjjj j xr hr hr hr hrhrhrhrh * 31,32,43,14,25,36,47,18,2 1 ()()()() R n jjjjjjjj jjjjjjjj j xr hr hr hr hrhrhrhrh * 41,42,33,24,15,46,37,28,1 1 ()()()() R n jjjjjjjj jjjjjjjj

21、 j xr hr hr hr hrhrhrhrh 7.3 空時編碼空時編碼 /44 36 STTC與STBC 空時格型碼與空時分組碼之間的一個不同特性是典 型的空時分組碼是復(fù)數(shù)域上的線性碼。這些復(fù)數(shù)實 質(zhì)上是帶有M個點星座圖的二維調(diào)制域上的碼元。 空時格型碼可以是有限域上的線性碼，但它們在復(fù) 數(shù)域上不是線性的。 空時格型碼被設(shè)計用來實現(xiàn)高端的信噪比性能，空 時分組碼用來設(shè)計中低信噪比性能。 由于空時分組碼具有相對簡單的譯碼算法和較好的 性能，所以可以將其和其它前沿技術(shù)相結(jié)合，如與 OFDM相結(jié)合，不但可以得到極佳的性能，而且還 可以有效地降低OFDM盲信道估計的難度。 7.3 空時編碼空時編碼

22、 /44 37 v7.3.5.3 Alamouti空時編碼空時編碼 假定采用M進制調(diào)制方案。在 Alamouti 空時編碼 中，首先調(diào)制每一組m （ ）個信息比特。然 后，編碼器在每一次編碼操作中取兩個調(diào)制符號和 的一個分組，并根據(jù)如下給出的編碼矩陣將他們映 射到發(fā)射天線。 分別用 和 來表示天線1 和 2上的發(fā)射序列。 2 logmM * 12 * 21 xx xx X = 1* 12 Xxx 2* 21 Xxx 7.3 空時編碼空時編碼 /44 38 Alamouti 方案的主要特征是兩根發(fā)射天線的發(fā)射序列是正 交的，也就是說，序列和的內(nèi)積為 0，如下式 在t時刻從第一和第二根發(fā)射天線到接

23、收天線的衰落信道系 數(shù)分別用h1和h2表示。假定衰落系數(shù)在兩個連續(xù)符號發(fā)射 周期之間不變，則可以表示為 式中，和（i=1,2）分別是發(fā)射天線到接收天線的幅度增益 和相移，T為持續(xù)時間。 在接收天線端，兩個連續(xù)符號周期中的接收信號（t時刻和 t+T時刻）分別表示如下： 12* 1221 0XXx xx x 1 1111 ( )()| e j h th tThh 2 2222 ( )()| e j h th tThh 11 1221 rh xh xn * 212212 rh xh xn 7.3 空時編碼空時編碼 /44 39 v7.3.6 其它種類的空時編碼技術(shù)其它種類的空時編碼技術(shù) 不論是STT

24、C、STBC這樣的基于發(fā)射分集的空時 碼，還是分層空時碼，在接收端譯碼時都需要了 解信道狀態(tài)信息(CSI)，有沒有不需要對信道狀態(tài) 信息進行估計的空時編碼？（若信道屬于快變衰 落信道，即信道參數(shù)變化比較快，或者收發(fā)天線 數(shù)目比較多時，接收端進行信道估計就會非常困 難，有時甚至根本無法估計） 酉空時碼和差分空時碼 7.3 空時編碼空時編碼 /44 40 v7.3.6.1酉空時碼 酉空時碼（Unitary Space-Time Codes）在形式 上類似于STBC，是Hochwald所構(gòu)造的一種接收 端不需進行信道估計的空時碼，要求發(fā)送碼矩陣 為酉矩陣。 酉空時碼的設(shè)計與前述幾種空時碼截然不同，它 不再優(yōu)化歐氏距離，而是要優(yōu)化相關(guān)矩