多天線和空時(shí)編碼

4.6多天線和空時(shí)編碼提綱MIMO背景MIMO綜述MIMO信道容量空時(shí)編碼機(jī)制空間分集提高鏈路質(zhì)量-STBC/STTC通過空間復(fù)用提高頻帶利用率-LSTC無線系統(tǒng)中的MIMO3GPPIEEE802.11nIEEE802.16(-2004:WiMAX)MIMO綜述無線通信的發(fā)展趨勢(shì)未來的無線應(yīng)用創(chuàng)造了不滿足：要求無線訪問具有高的數(shù)據(jù)率和高的鏈路質(zhì)量頻譜已經(jīng)稀缺而且成為昂貴的資源帶寬有限規(guī)范，設(shè)備和系統(tǒng)容量的考慮決定了傳輸功率是有限的。時(shí)間和頻域處理是受限的，但是空間不受限→MIMO多輸入多輸出(MIMO)基本概念MIMO的基本理念：通過多個(gè)發(fā)射和接收天線改變傳輸質(zhì)量(BER)和數(shù)據(jù)率MIMO的核心機(jī)制：空時(shí)編碼(STC)STC的兩個(gè)主要功能：分集&復(fù)用最大的性能需要在分集和復(fù)用之間進(jìn)行平衡MIMO技術(shù)的主要?dú)v史空間分集延時(shí)分集：Wittneben,1991(inspired);Seshadri&Winters,1994(firstattempttodevelopSTC)STTC:Tarokhetal.,1998(keydevelopmentofSTC)Alamoutischeme:Alamouti,1998STBC:Tarokhetal.,1998空間復(fù)用FirstresultshintcapacitygainofMIMO:Winters,1987Groundbreakingresults:Paulraj&Kailath,1994BLAST:Foschini,1996MIMOcapacityanalysis:Telatar1995;Foschini1995&98Spatio-temporalvectorcodingforchannelwithmultipathdelayspread:Raleigh&Cioffi,1998四個(gè)基本模型MIMO信道容量多徑V.S容量多徑傳播由于產(chǎn)生信號(hào)衰落一直被認(rèn)為是一種“傷害”為了消除這個(gè)問題，引入了分集技術(shù)天線分集是一種廣義上的分集技術(shù)最近的研究表明多徑傳播實(shí)際上對(duì)容量是有貢獻(xiàn)的。SISO的香農(nóng)界限根據(jù)香農(nóng)定理，單天線鏈路的信息論容量受限于鏈路的信噪比每個(gè)格外的bps/Hz大約需要幾倍的發(fā)射功率（從1bps/Hz到11bps/Hz，發(fā)射功率必須增加大約1000倍)單TX天線組：MISO一個(gè)天線組提供發(fā)射分集對(duì)抗衰落和單天線比容量成慢的對(duì)數(shù)增長(zhǎng)單Rx天線組：SIMO一個(gè)天線組提供接受分集對(duì)抗衰落和單天線比容量成慢的對(duì)數(shù)增長(zhǎng)雙天線組：MIMO雙天線組提供了發(fā)射和接收端的分集和單發(fā)單收比較容量成對(duì)數(shù)增長(zhǎng)雙天線組：MIMO雙天線組提供了并行的空間信道和單發(fā)單收比較容量成線性增長(zhǎng)MIMO相關(guān)技術(shù)-天線選擇技術(shù)MIMO相關(guān)技術(shù)-預(yù)編碼MIMO相關(guān)技術(shù)-空時(shí)編碼空時(shí)編碼綜合考慮分集、編碼和調(diào)制，它的最大特點(diǎn)是將編碼技術(shù)和天線陣技術(shù)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了空分多址，提高了系統(tǒng)的抗衰落性能，且能通過發(fā)射分集和接收分集提供高速率、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸。與不使用空時(shí)編碼的編碼系統(tǒng)相比，空時(shí)編碼可以在不犧牲帶寬的情況下獲得較高的編碼增益，進(jìn)而提高了抗干擾和抗噪聲的能力，特別是在無線通信系統(tǒng)的下行(基站到移動(dòng)端)傳輸中，空時(shí)編碼將移動(dòng)端的設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)轉(zhuǎn)移到了基站，減輕了移動(dòng)端的負(fù)擔(dān)。目前已經(jīng)有了很多成熟的空時(shí)編碼方案?？諘r(shí)編碼分類空時(shí)編碼技術(shù)（提高誤碼性能，傳輸速率下降）

空時(shí)分組編碼分層空時(shí)編碼水平分層空時(shí)編碼垂直分層空時(shí)編碼對(duì)角分層空時(shí)編碼空時(shí)格形編碼酉空時(shí)編碼差分空時(shí)編碼級(jí)連空時(shí)編碼預(yù)編碼空時(shí)技術(shù)全碼率全分集技術(shù)MIMO無線信道中兩個(gè)主流技術(shù)發(fā)射和接收的分集消除多徑顯著改善鏈路質(zhì)量空間復(fù)用使頻譜效率大幅度提升

通過空間分集提高鏈路質(zhì)量

—空時(shí)塊編碼(STBC)/空時(shí)格形碼(STTC)STC是一種新的編碼/信道處理框架，可為MIMO無線系統(tǒng)顯著改善鏈路質(zhì)量對(duì)于一個(gè)輸入符號(hào)序列，空時(shí)編碼選擇星座點(diǎn)在所有的天線上同時(shí)發(fā)射因此可同時(shí)獲得最大的編碼和分級(jí)增益空時(shí)格柵碼（Spacetimetrelliscodes）8－PSK八狀態(tài)時(shí)延分集用作空時(shí)格行碼空時(shí)格柵碼（Spacetimetrelliscodes）

空時(shí)格柵碼可以提供最大可能的分集增益和編碼增益，而不會(huì)犧牲發(fā)射帶寬。然而。這種碼的譯碼確需要使用Viterbi譯碼器的向量形式，當(dāng)天線數(shù)目固定時(shí)，譯碼復(fù)雜度隨著發(fā)射速率的增大呈指數(shù)增加，顯然不太實(shí)用?？諘r(shí)塊碼（Spacetimeblockcodes）使用空時(shí)分組編碼的發(fā)射分集（Almouti空時(shí)機(jī)制）空時(shí)編碼技術(shù)空時(shí)塊碼（Spacetimeblockcodes）定義：則：其中空時(shí)編碼技術(shù)空時(shí)塊碼（Spacetimeblockcodes）簡(jiǎn)化方法解碼方法（ML的方法）二維一維

結(jié)論：正交空時(shí)碼的采用，有利于降低解碼的復(fù)雜度。這是因?yàn)?，通過一定的線性變換，原來的二維最大似然決策問題，簡(jiǎn)化為兩個(gè)一維的最大似然決策問題。分組空時(shí)編碼（GroupSTBC）

對(duì)于天線數(shù)目較多或者發(fā)射天線數(shù)目少于接收天線數(shù)目的情況，可以考慮使用分組的方法來減少空時(shí)編碼的規(guī)模，避免使用大天線數(shù)目的空時(shí)碼。具體的說，對(duì)于發(fā)射天線數(shù)很大的情況，可以考慮將發(fā)射天線分成若干組。而對(duì)于其中的每一分組，則可以采用較小維數(shù)的空時(shí)碼，如采用最簡(jiǎn)單、且性能效果不錯(cuò)的Alamouti機(jī)制。

分組空時(shí)編碼（GroupSTBC）例如：對(duì)于8發(fā)4收的情況，通過分組可以使用2個(gè)4天線的空時(shí)碼或者4個(gè)2天線的空時(shí)碼來實(shí)現(xiàn)編碼傳輸。8發(fā)4收系統(tǒng)中4組2天線空時(shí)編碼方案

通過空間復(fù)用提供高的頻譜效率

-分層空時(shí)碼(LSTC)水平分層空時(shí)碼（HLST）對(duì)角分層空時(shí)碼（DLST）MIMO-OFDM系統(tǒng)將MIMO系統(tǒng)與OFDM技術(shù)相結(jié)合，可以充分利用二者的優(yōu)勢(shì)，而又互相彌補(bǔ)不足之處。

1、MIMO-OFDM系統(tǒng)不僅有很高的頻譜利用率，而且在OFDM基礎(chǔ)上合理的開發(fā)了空間資源，可以提供更高的數(shù)據(jù)速率，提高系統(tǒng)容量，改善系統(tǒng)性能。

2、另一方面，加入了OFDM調(diào)制技術(shù)的MIMO系統(tǒng)在抗多徑方面表現(xiàn)出了很大的優(yōu)勢(shì)，使得MIMO系統(tǒng)在頻率選擇性衰落信道中也能取作用MIMO-OFDM信道估計(jì)假設(shè)某時(shí)刻n發(fā)射的是導(dǎo)頻數(shù)據(jù)，則頻域正交的塊狀導(dǎo)頻方案MIMO-OFDM信道估計(jì)基于STBC的信道估計(jì)MIMO應(yīng)用未來無線標(biāo)準(zhǔn)中的MIMO應(yīng)用3GPP：MIMO-CDMA空間分集空間復(fù)用IEEE802.11n波束成形空間分集空間復(fù)用IEEE802.16(-2004:WiMAX):MIMO-OFDM波束成形空間分集空間復(fù)用3GPP開環(huán)時(shí)間轉(zhuǎn)換的傳輸分集:3GPP正交傳輸分集:3GPP空時(shí)傳輸分集:3GPP空時(shí)擴(kuò)頻：3GPP2IST-METRA(HSDPA):3GPPCDMA-BLAST(HSDPA):3GPP閉環(huán)轉(zhuǎn)換傳輸分集（STD):3GPP傳輸自適應(yīng)數(shù)組(TXAA):3GPP正交發(fā)射分集采用OTD方式時(shí)，同一移動(dòng)終端發(fā)送的經(jīng)編碼的數(shù)據(jù)分成兩數(shù)據(jù)流分別用不同的天線發(fā)送。數(shù)據(jù)在編碼、交織后用QPSK調(diào)制，解復(fù)用成兩個(gè)數(shù)據(jù)流，兩個(gè)數(shù)據(jù)流分別用兩個(gè)正交的Walsh碼發(fā)送，不同的發(fā)射天線采用不同的正交Pilot倍道。OTD格原始數(shù)據(jù)流分成兩路并分別在兩個(gè)天線上傳輸，即每個(gè)編碼后的比特只在一個(gè)天線上傳輸。在接收端，分別解調(diào)兩個(gè)數(shù)據(jù)流，然后復(fù)用、解交織和解碼。接收端必須跟蹤2L個(gè)多徑部分，從而恢復(fù)出兩個(gè)連續(xù)的編碼比特。IEEE802.11nIEEE802.11工作組n為下一代高速無線局域網(wǎng)定義下一代標(biāo)準(zhǔn)目前的IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)典型的是通過它們的峰值物理數(shù)據(jù)率來進(jìn)行設(shè)計(jì)的IEEE802.11n試圖改進(jìn)峰值流量達(dá)到至少100Mbps，實(shí)在MAC數(shù)據(jù)服務(wù)訪問點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量的和目前的IEEE802.11系統(tǒng)相比改善流量的4倍IEEE802.11n的主要特點(diǎn)OFDM物理層的增強(qiáng)采用2*2的MIMO在20MHz帶寬可達(dá)到100Mbps的流量采用4*4MIMO可實(shí)現(xiàn)500+Mbps帶寬擴(kuò)展選擇信道提升雙倍（40MHz)來進(jìn)一步增加數(shù)據(jù)率IEEE802.16(-2004:WMAX)WiMAX:WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccessbasedonIEEE802.16(-2004)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.16：適合把有限，可持和移動(dòng)的無線尋址整合在一起MIMO技術(shù)在WiMAX的應(yīng)用IEEE802.16-2004的主要特