第5章 链路性能增强技术-MIMO

1、第第5章章 链路性能增强技术链路性能增强技术 华南理工大学广州学院华南理工大学广州学院 电信学院电信学院 主讲：曹英烈主讲：曹英烈 2016/5/10华南理工大学广州学院1 n5.1 扩频通信扩频通信 n5.2 分集技术分集技术 n5.3 发射分集和发射分集和MIMO技术技术 n5.4 均衡技术均衡技术 第第5章章 链路性能增强技术链路性能增强技术 2016/5/102华南理工大学广州学院 分集知识回顾分集知识回顾 n什么是分集？什么是分集？ n使用分集的基础是什么？使用分集的基础是什么？ n分集的特点是什么？分集的特点是什么？ n分集有哪几种？分集有哪几种？ n接收分集的合并有哪几种方式？其

2、性能如何？接收分集的合并有哪几种方式？其性能如何？ nRAKE接收机的基本原理是什么？实现方式接收机的基本原理是什么？实现方式 有哪几种？有哪几种？ 2016/5/10华南理工大学广州学院3 5.3 发射分集和发射分集和MIMO技术技术 n5.3.1 发射分集发射分集 n5.3.2 MIMO技术技术 2016/5/10华南理工大学广州学院4 5.3.1 发射分集发射分集 n采用发射分集的原因采用发射分集的原因 传统接收分集的缺点：传统接收分集的缺点： 代价高昂、用户设备成本增加（多接收机）代价高昂、用户设备成本增加（多接收机） 移动台体积受限、接收分集条件不易满足移动台体积受限、接收分集条件不

3、易满足 使用效率低（单用户受益）使用效率低（单用户受益） 发射分集的特点：发射分集的特点： 基站的设备可多个移动台共用基站的设备可多个移动台共用(将使用多个天线的复杂将使用多个天线的复杂 性置于发射机处，而多个接收机共同使用该发射机性置于发射机处，而多个接收机共同使用该发射机) 主要主要提供额外的可用多径，提供额外的可用多径，对抗慢衰落造成的影响对抗慢衰落造成的影响 代价：增加多址干扰，多使用了正交码代价：增加多址干扰，多使用了正交码 相同阶数的发射分集和接收分集具有相同的分集相同阶数的发射分集和接收分集具有相同的分集 增益增益 52016/5/10华南理工大学广州学院 5.3.1 发射分集发

4、射分集 n发射分集方式发射分集方式(根据发射天线的使用规则根据发射天线的使用规则) 选择发射分集：选择发射分集： TDD中，基站处理所有天线上收到的信号，在中，基站处理所有天线上收到的信号，在 下一次就选用具有最高码元信噪比的天线。下一次就选用具有最高码元信噪比的天线。 时间切换发射分集：时间切换发射分集： FDD中，由于信道不互逆，将信号通过两个或中，由于信道不互逆，将信号通过两个或 多个独立的天线发送。多个独立的天线发送。 延时发射分集：延时发射分集： 将同一码元的副本在不同时间通过多个天线发将同一码元的副本在不同时间通过多个天线发 射出去。射出去。 62016/5/10华南理工大学广州学

5、院 5.3.1 发射分集发射分集 n发射分集方式发射分集方式(根据是否存在反馈根据是否存在反馈) 开环方式（空时分组码）开环方式（空时分组码） 发射端不需要知道信道信息发射端不需要知道信道信息 无反馈回路，典型的空间发射分集无反馈回路，典型的空间发射分集 闭环方式闭环方式 （利用信道状态信息）（利用信道状态信息） 发射端需要知道信道信息发射端需要知道信道信息 利用上行信道从移动台向基站及时报告信道信利用上行信道从移动台向基站及时报告信道信 息，用于发射加权。息，用于发射加权。 闭环发射分集信号在接收端的平均闭环发射分集信号在接收端的平均SINR是开环是开环 发射分集信号在接收端的平均发射分集信

6、号在接收端的平均SINR的两倍的两倍 72016/5/10华南理工大学广州学院 发射 分集 接收 分集 空间 分集 空间分集包括发射分集和接收分集 优点 易获得相对稳定的信号可获得分集处理增益提高信噪比 5.3.1 发射分集发射分集 2016/5/108华南理工大学广州学院 5.3.2 MIMO技术技术 n一、一、MIMO技术的概念技术的概念 n二、二、MIMO的种类的种类 n三、三、MIMO的系统模型的系统模型 n四、四、MIMO的核心技术的核心技术 2016/5/10华南理工大学广州学院9 n一、一、MIMO技术的概念技术的概念 Multiple-Input Multiple-Output

7、 在发送端和接收端同时采用多个天线，从而在共在发送端和接收端同时采用多个天线，从而在共 享的无线信道上建立多条并行的信息传输通道。享的无线信道上建立多条并行的信息传输通道。 5.3.2 MIMO技术技术 2016/5/1010华南理工大学广州学院 发展历史：发展历史： 1995年，年，Teladar给出了衰落情况下的给出了衰落情况下的MIMO容量容量 1996年，年，Foschini给出了给出了MIMO处理算法处理算法(D-BLAST 对角分层时空码对角分层时空码) 1998年，年，Tarokh等讨论了用于等讨论了用于MIMO的空时码的空时码 同年，同年，Wolinansky等采用等采用V-B

8、LAST算法建立了一个算法建立了一个 MIMO实验系统，达到了实验系统，达到了20bps/Hz。 2006年，年，NTT DoCoMo公司结合公司结合MIMO和和OFDM的优的优 点，实现了点，实现了5Gbps(12*12)的无线传输峰值速率的无线传输峰值速率。 MIMO成为成为ITU的标准（高速下行链路）的标准（高速下行链路） 5.3.2 MIMO技术技术 2016/5/1011华南理工大学广州学院 n二、二、MIMO的种类的种类 空间复用空间复用(spatial multiplexing) 空间空间分集分集(spatial diversity ) 波束赋形波束赋形(beamforming)

9、 开环和闭环开环和闭环MIMO 5.3.2 MIMO技术技术 2016/5/1012华南理工大学广州学院 n二、二、MIMO的种类的种类 空间复用空间复用(spatial multiplexing) 将高速数据流分成多路低速数据流，经过编码将高速数据流分成多路低速数据流，经过编码 后调制到多个发射天线上进行发送。后调制到多个发射天线上进行发送。 这种方式下，使用相同的频率资源可以获取更这种方式下，使用相同的频率资源可以获取更 高的数据传输速率，频谱效率和峰值速率都得高的数据传输速率，频谱效率和峰值速率都得 到改善和提高。到改善和提高。 5.3.2 MIMO技术技术 发送 接收 (最小均方误差或

10、串 行干扰消除) 多路信道传 送不同信息 2016/5/1013华南理工大学广州学院 n二、二、MIMO的种类的种类 空间空间分集分集(spatial diversity ) 将同一信息进行正交编码后从多个天线上发射出去。将同一信息进行正交编码后从多个天线上发射出去。 这种方式下，接收端将信号区分出来进行合并，从而获这种方式下，接收端将信号区分出来进行合并，从而获 得分集增益。得分集增益。 编码相当于增加了信号的冗余度，因此可以降低由于信编码相当于增加了信号的冗余度，因此可以降低由于信 道衰落和噪声所导致的符号错误率，使传输可靠性提高道衰落和噪声所导致的符号错误率，使传输可靠性提高 和覆盖面积

11、增大。和覆盖面积增大。 5.3.2 MIMO技术技术 发送分集合并接收 多路信道传 送相同信息 2016/5/1014华南理工大学广州学院 n二、二、MIMO的种类的种类 波束赋形波束赋形(beamforming) 通过对信道的准确估计，采用多个天线产生一个具有指通过对信道的准确估计，采用多个天线产生一个具有指 向性的波束，将信号能量集中在欲传输的方向，从而提向性的波束，将信号能量集中在欲传输的方向，从而提 高信号质量，降低用户间干扰。高信号质量，降低用户间干扰。 波束赋形充分利用了阵列增益、分集增益和干扰抑制增波束赋形充分利用了阵列增益、分集增益和干扰抑制增 益，以改善系统覆盖性能，提高网络

12、容量及频谱效率。益，以改善系统覆盖性能，提高网络容量及频谱效率。 可通过智能天线实现。可通过智能天线实现。 5.3.2 MIMO技术技术 发送最大比值合并 2016/5/1015华南理工大学广州学院 n二、二、MIMO的种类的种类 开环和闭环开环和闭环MIMO 开环：开环： 接收端不反馈任何信息给发射端，因而发射接收端不反馈任何信息给发射端，因而发射 端无法了解信道状态信息。端无法了解信道状态信息。 功率在发射端各天线间平均分配。功率在发射端各天线间平均分配。 5.3.2 MIMO技术技术 发射端接收端 MIMO信道 H n 2016/5/1016华南理工大学广州学院 n二、二、MIMO的种类

13、的种类 开环和闭环开环和闭环MIMO 闭环：闭环： 接收端对发射端进行信息反馈，发射端可以接收端对发射端进行信息反馈，发射端可以 了解全部或者部分信道状态信息。了解全部或者部分信道状态信息。 根据反馈信息，在各数据流间调整发射功率。根据反馈信息，在各数据流间调整发射功率。 5.3.2 MIMO技术技术 发射端接收端 MIMO信道 H n 2016/5/1017华南理工大学广州学院 n二、二、MIMO的种类的种类 下行下行MIMO技术技术： 目前目前MIMO技术下行基本天线配置为技术下行基本天线配置为2*2,即即2天天 线发送和线发送和2天线接收，最大支持天线接收，最大支持4天线进行下行天线进行

14、下行 方向四层传输。方向四层传输。 上行上行MIMO技术技术： 包括空间复用和传输分集，目前包括空间复用和传输分集，目前MIMO技术上技术上 行基本天线配置为行基本天线配置为1*2,即即1天线发送和天线发送和2天线接天线接 收收。 5.3.2 MIMO技术技术 2016/5/1018华南理工大学广州学院 5.3.2 MIMO技术技术 n三、三、MIMO的系统模型的系统模型 MIMO技术的实质是为系统提供了空间复用增益技术的实质是为系统提供了空间复用增益 和空间分集增益。和空间分集增益。 信号在传送中遇到物体发生反射和散射，产生多信号在传送中遇到物体发生反射和散射，产生多 条路径，条路径，MIM

15、O技术将这些路径变为传送信息子技术将这些路径变为传送信息子 流的流的“虚拟信道虚拟信道”。在接收端可用单一天线，也。在接收端可用单一天线，也 可用多个天线进行接收，当然每个接收天线接收可用多个天线进行接收，当然每个接收天线接收 到的是所有发送信号与干扰信号的叠加，到的是所有发送信号与干扰信号的叠加，MIMO 的空时解码系统利用数学算法拆开和恢复纠缠在的空时解码系统利用数学算法拆开和恢复纠缠在 一起的传输信号并将它们正确地识别出来。一起的传输信号并将它们正确地识别出来。 2016/5/1019华南理工大学广州学院 nMIMO系统在发射端和接收端均采用多个天系统在发射端和接收端均采用多个天 线和多

16、个通道，如图所示线和多个通道，如图所示 图 MIMO系统原理 5.3.2 MIMO技术技术 2016/5/1020华南理工大学广州学院 5.3.2 MIMO技术技术 n 传输信息流传输信息流S（k）经过空时编码形成）经过空时编码形成M个信息子流个信息子流 ，这，这M个子流由个子流由M个天线发送出去，经个天线发送出去，经 空间信道后由空间信道后由N个接收天线接收，多天线接收机能个接收天线接收，多天线接收机能 够利用先进的空时编码处理技术分开并解码这些数够利用先进的空时编码处理技术分开并解码这些数 据子流，从而实现最佳处理。据子流，从而实现最佳处理。MIMO是在收发两端是在收发两端 使用多个天线，

17、每个收发天线之间对应一个使用多个天线，每个收发天线之间对应一个MIMO 子信道，在收发天线之间形成子信道，在收发天线之间形成 信道矩阵信道矩阵H，在，在 某一时刻某一时刻t，信道矩阵如下式所示。，信道矩阵如下式所示。 n 其中其中H的元素是任意一对收发的元素是任意一对收发 天线之间的增益。天线之间的增益。 i C ( ),1,2,.,k iM MN 1,12,1,1 1,22,2,2 1,2, . . ( ) . . . ttt M ttt M ttt NNM N hhh hhh H t hhh 2016/5/1021华南理工大学广州学院 5.3.2 MIMO技术技术 n M个子流同时发送到信

18、道，各发射信号占用同一个频带，因个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一个频带，因 而并未增加带宽。而并未增加带宽。 n 若各发射天线间的通道响应独立，则若各发射天线间的通道响应独立，则MIMO系统可以创造多系统可以创造多 个并行空间信道。通过这些并行的信道独立传输信息，必然个并行空间信道。通过这些并行的信道独立传输信息，必然 可以提高数据传输速率。可以提高数据传输速率。 n 对于信道矩阵参数确定的对于信道矩阵参数确定的MIMO信道，假定发射端总的发射信道，假定发射端总的发射 功率为功率为P，与发送天线的数量，与发送天线的数量M无关；接收端的噪声用无关；接收端的噪声用 矩阵矩阵n表示，其元素是

19、独立的零均值高斯复数变量，各个接表示，其元素是独立的零均值高斯复数变量，各个接 收天线的噪声功率均为收天线的噪声功率均为 ；为接地端平均信噪比。此时，为接地端平均信噪比。此时， 发射信号是发射信号是M维统计独立，能量相同，高斯分布的复向量。维统计独立，能量相同，高斯分布的复向量。 发射功率平均分配到每一个天线上，则容量公式为：发射功率平均分配到每一个天线上，则容量公式为： 1N 2 )det(log 2 H N HH M IC 2016/5/1022华南理工大学广州学院 5.3.2 MIMO技术技术 n 固定固定N，令，令M增大，使得增大，使得 ，这时可以获，这时可以获 得到容量的近似表达式：

20、得到容量的近似表达式： n det代表行列式，代表行列式， 代表代表M维单位矩阵，维单位矩阵， 表示的表示的 共扼转置。共扼转置。 n 从上式可以看出，此时的信道容量随着天线数的增从上式可以看出，此时的信道容量随着天线数的增 加而线性增大。即可以利用加而线性增大。即可以利用MIMO信道成倍地提高信道成倍地提高 无线信道容量，在不增加带宽和天线发射功率的情无线信道容量，在不增加带宽和天线发射功率的情 况下，频谱利用率可以成倍地提高，充分展现了况下，频谱利用率可以成倍地提高，充分展现了 MIMO技术的巨大优越性。技术的巨大优越性。 H 1 N HHI M )1 (log2 NC N I H H 2

21、016/5/1023华南理工大学广州学院 nSU-MIMO Single-User MIMO（单用户MIMO），可通过空 时编码技术，在不需要额外带宽的情况下实现了 近距离的频谱资源重复利用，提高了传输效率， 同时增加了抗干扰，抗衰落的能力。 5.3.2 MIMO技术技术 2016/5/1024华南理工大学广州学院 nMU-MIMO Multi-User MIMO（多用户MIMO），虚拟MIMO， 将两个单天线的UE配成一对，可以组成虚拟MIMO 链路，利用多天线所提供的多个信号来复用多个UE 的数据。 5.3.2 MIMO技术技术 2016/5/1025华南理工大学广州学院 n四、四、MIM

22、O的核心技术的核心技术 MIMO技术的核心是空时信号处理，也就是利用技术的核心是空时信号处理，也就是利用 在空间中分布的多个天线将时间域和空间域结合在空间中分布的多个天线将时间域和空间域结合 起来进行信号处理，它有效地利用了随机衰落和起来进行信号处理，它有效地利用了随机衰落和 可能存在的多径传播来成倍地提高业务传输速率。可能存在的多径传播来成倍地提高业务传输速率。 BLAST STTC STBC 5.3.2 MIMO技术技术 2016/5/1026华南理工大学广州学院 27 分层分层空时码空时码 BLAST n分层分层空时码空时码(Layer Space-Time Codes，简称，简称 LS

23、T)最早是贝尔实验室的最早是贝尔实验室的Foschini等人提出等人提出 的。的。 n他们他们最初提出的对角化分层空时码可以达到最初提出的对角化分层空时码可以达到 MIMO信道容量的下界。分层空时码最大优信道容量的下界。分层空时码最大优 点在于允许采用一维的处理方法对多维空间点在于允许采用一维的处理方法对多维空间 信号进行处理，因此极大的降低了译码复杂信号进行处理，因此极大的降低了译码复杂 度。一般的，分层空时码的接收机复杂度与度。一般的，分层空时码的接收机复杂度与 数据速率成线性关系数据速率成线性关系。 2016/5/10华南理工大学广州学院 28 分层空时码分层空时码 BLAST n 分层

24、分层空时码实际上描述了空时多维信号发送的结构，空时码实际上描述了空时多维信号发送的结构， 它可以和信道编码进行级联。最简单的未编码分层它可以和信道编码进行级联。最简单的未编码分层 空时码就是著名的空时码就是著名的V-BLAST，即垂直结构的分层空，即垂直结构的分层空 时码时码(VLST)。它的编码方式如下图所示，比较简单。它的编码方式如下图所示，比较简单。 n 如果如果与编码器结合，可以得到各种结构的分层空时与编码器结合，可以得到各种结构的分层空时 码码。 S/P 调制器 调制器 1 t x T n t x VLST的结构 2016/5/10华南理工大学广州学院 29 分层空时码分层空时码 B

25、LAST S/P 调制器 调制器 1 t x T n t x 编码器 交织器 交织器 S/P 调制器 调制器 1 t x T n t x 交织器 交织器编码器 编码器 HLST的两种结构 2016/5/10华南理工大学广州学院 30 分层空时码分层空时码 BLAST n HLST只利用了时域上的交织作用，如果采用空时只利用了时域上的交织作用，如果采用空时 二维交织，可以获得更好的性能。下图给出了对角二维交织，可以获得更好的性能。下图给出了对角 化分层空时码化分层空时码(DLST)和螺旋分层空时码和螺旋分层空时码(TLST)的结的结 构，他们采用了空时二维交织。构，他们采用了空时二维交织。 n

26、DLST结构中，每一层的编码调制符号流沿着发送结构中，每一层的编码调制符号流沿着发送 天线进行对角线分布，因此得名天线进行对角线分布，因此得名。 S/P 调制器 调制器 1 t x T n t x 交织器 交织器编码器 编码器 空间 交织 DLST和TLST的一般结构 2016/5/10华南理工大学广州学院 31 分层空时码分层空时码 BLAST n 这种这种处理可以分为两步，以处理可以分为两步，以nT=4为例，第一步处理，为例，第一步处理， 各层数据之间要引入相对时延，对应的符号矩阵为：各层数据之间要引入相对时延，对应的符号矩阵为： n 第二第二步处理，每个天线沿对角线发送符号，因此符步处理

27、，每个天线沿对角线发送符号，因此符 号矩阵为：号矩阵为： 11111111 12345678 2222222 1234567 333333 123456 44444 12345 0 00 000 xxxxxxxx xxxxxxx xxxxxx xxxxx 12341234 11115555 1234123 2222666 123412 333377 12341 44448 0 00 000 xxxxxxxx xxxxxxx xxxxxx xxxxx 2016/5/10华南理工大学广州学院 32 分层空时码分层空时码 BLAST n 由于由于DLST引入了空间交织，因此它的性能要比引入了空间交织

28、，因此它的性能要比 VLST和和HLST更好。但由于在矩阵的左下方引入了更好。但由于在矩阵的左下方引入了 一些一些0，导致码率或频谱效率小于，导致码率或频谱效率小于1，有一定损失。，有一定损失。 为了消除这种损失，可以采用螺旋分层空时码为了消除这种损失，可以采用螺旋分层空时码 (TLST)结构。以结构。以nT=4为例，这种处理对应的符号矩为例，这种处理对应的符号矩 阵为：阵为： 11111111 12345678 22222222 12345678 33333333 12345678 44444444 12345678 14321432 12345678 21432143 12345678 3

29、2143214 12345678 432 123 xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxx 14321 45678 xxxx 2016/5/10华南理工大学广州学院 33 VLST的接收的接收迫零算法迫零算法 n 分层分层空时码的译码有多种算法。最优算法当然是最空时码的译码有多种算法。最优算法当然是最 大似然译码算法。但大似然译码算法。但MLD算法是指数复杂度，无法算法是指数复杂度，无法 实用化，因此学者们提出了各种简化算法。其中常实用化，因此学者们提出了各种简化算法。其中常 用的检测算法包括：迫零用

30、的检测算法包括：迫零(ZF)算法、算法、QR分解算法以分解算法以 及及MMSE算法算法。下面介绍。下面介绍ZF算法。算法。 ZF算法的迭代过程如下算法的迭代过程如下: : 初始化：初始化： 迭代过程：迭代过程： 1 1i GH 121 2 , argmin i i i ii j js ss si s s G wG 2016/5/10华南理工大学广州学院 34 VLST的接收的接收迫零算法迫零算法 n其中其中， 表示自然序数表示自然序数 的某种排的某种排 列列,H+表示表示Moore-Penrose广义逆，广义逆， 表示表示令令 列为列为0得到的矩阵的广义逆，得到的矩阵的广义逆， 表示表示矩阵矩

31、阵 的第的第 j行，行， 函数表示根据星座图对检测信号进行硬判决解函数表示根据星座图对检测信号进行硬判决解 调。调。 1 1 1 ii ii i i i T ssi ss iis s i s y xQ y x ii w r rrH GH 12 , T n Ss ss 1,2, T n i j G i s H 12 , i s ss i G Q 2016/5/10华南理工大学广州学院 35 VLST的接收的接收迫零算法迫零算法 n上述上述算法中的干扰抵消顺序是根据每次迭代算法中的干扰抵消顺序是根据每次迭代 的广义逆矩阵接收列向量信号能量来排序的，的广义逆矩阵接收列向量信号能量来排序的， 这种排序

32、是一种本地最优化方法。这种排序是一种本地最优化方法。 n下下图给出了准静态衰落信道，图给出了准静态衰落信道，QPSK调制情调制情 况下，况下，2发发2收、收、2发发4收和收和2发发8收系统采用迭收系统采用迭 代迫零算法检测的代迫零算法检测的BER性能。由图可知，随性能。由图可知，随 着接收天线数目的增加，分集增益越来越大，着接收天线数目的增加，分集增益越来越大， 系统性能得到了极大改善系统性能得到了极大改善。 2016/5/10华南理工大学广州学院 36 VLST的接收的接收迫零算法迫零算法 不同接收天线数目采用迫零算法的性能比较 2016/5/10华南理工大学广州学院 37 VLST的接收的

33、接收QR算法算法 一般的，当信道响应矩阵一般的，当信道响应矩阵H满足满足 条件时，则矩阵条件时，则矩阵 可以进行可以进行QR分解，得分解，得 其中，其中，UR是是nRnT酉矩阵，而酉矩阵，而R是是nTnT的上三角矩阵的上三角矩阵, 故故 表示白噪声向量经过正交变换后的噪声向量，表示白噪声向量经过正交变换后的噪声向量， 上面的表达式还可以写成以下的形式：上面的表达式还可以写成以下的形式： 根据系数矩阵的上三角特性，可以采用迭代方法从下根据系数矩阵的上三角特性，可以采用迭代方法从下 到上逐次解出各个发送信号分量：到上逐次解出各个发送信号分量： RT nn R HU R TTT tttttt RRR

34、 yU rU HxU nRxv T tt R vU n ,1,2, T n iji tijttT j i yR xv in 2016/5/10华南理工大学广州学院 38 VLST的接收的接收QR算法算法 其中其中 函数表示根据星座图对检测信号进行硬判决解调。函数表示根据星座图对检测信号进行硬判决解调。 1 1,2, T n ij tijt j ii tT ii yR x xQin R Q 2016/5/10华南理工大学广州学院 39 VLST的接收的接收MMSE算法算法 另一种常用的另一种常用的VLST检测算法是检测算法是MMSE算法，即最小均方误算法，即最小均方误 差算法。该算法的目标函数是

35、最小化发送信号向量差算法。该算法的目标函数是最小化发送信号向量xt与接收与接收 信号向量线性组合信号向量线性组合wHrt之间的均方误差，即：之间的均方误差，即： 其中其中w是是nRnT的线性组合系数矩阵的线性组合系数矩阵,由于上述目标函数是凸由于上述目标函数是凸 函数，因此可以求其梯度得到最优解。函数，因此可以求其梯度得到最优解。 2 argmin H tt E W xW r 2 2 22 22 T H HHH tttttt HHH tttt HHH n EE EE WW xW rxW rxW r r W rr x H HIWH 2016/5/10华南理工大学广州学院 40 VLST的接收的接

36、收MMSE算法算法 在上式推导过程中，利用了以下三个关系式：在上式推导过程中，利用了以下三个关系式： 令令 ,得得MMSE检测的系数矩阵为：检测的系数矩阵为： MMSE检测与干扰抵消组合可以得到如下的算法迭代流程：检测与干扰抵消组合可以得到如下的算法迭代流程： 初始化：初始化： 2 , TT HHH ttnttntt EEEx xIn nIx n0 2 0 H tt E W xW r 1 2 T HHH n WH HIH T T n tt in rr 2016/5/10华南理工大学广州学院 41 VLST的接收的接收MMSE算法算法 n 当当 时，进行如下的迭代操作：时，进行如下的迭代操作：

37、n 下下图给出了图给出了nT= nR=4条件下，未编码的条件下，未编码的VBALST系统采用系统采用 QR分解、分解、MMSE检测和检测和MMSE迭代干扰抵消迭代干扰抵消(排序和不排序排序和不排序) 算法的性能。由图可知，当采用排序和干扰抵算法的性能。由图可知，当采用排序和干扰抵 1i 1 2 1 11121,1 21222,1 1 ,1,2,1 () 1 T RRR HHH n iHi ti tt ii iii ti i i i d nnni y xQ y x hhh hhh hhh ii WH HIH W r rrh HH 2016/5/10华南理工大学广州学院 42 0510152025

38、 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 Eb/N0 (dB) BER QR BPSK LMMSE BPSK MMSE-IC without order BPSK MMSE-IC with order BPSK VLST的接收的接收MMSE算法算法 消的消的MMSE检测时，系统性能最好。检测时，系统性能最好。 几种VBALST检测算法的性能比较 2016/5/10华南理工大学广州学院 43 空空时格码时格码(STTC) n分层分层空时码能够极大的提高系统的频谱效率，空时码能够极大的提高系统的频谱效率， 但一般的，它不能获得完全的分集增益。但一般的，它不能获得完全的

39、分集增益。 Tarokh、Seshadri和和Calderbank首次首次提出将提出将 信道编码、调制及收发分集联合优化的思想，信道编码、调制及收发分集联合优化的思想， 构造了空时格码构造了空时格码(STTC)。STTC既可以获得既可以获得 完全的分集增益，又能获得非常大的编码增完全的分集增益，又能获得非常大的编码增 益，同时还能提高系统的频谱效率。益，同时还能提高系统的频谱效率。 n介绍介绍STTC编码器的结构，设计和优化准则，编码器的结构，设计和优化准则， 并通过仿真评估并通过仿真评估STTC码的性能。码的性能。 2016/5/10华南理工大学广州学院 44 11.4.1 STTC信号模型

40、信号模型 STTC数学模型可以用下式表示：数学模型可以用下式表示： STTC 编码系统 s ERHXN 2016/5/10华南理工大学广州学院 45 11.4.1 STTC信号模型信号模型 n其中，其中，Nf是数据帧长，是数据帧长， 维接收信号维接收信号矩阵矩阵 表示一表示一帧的接收数据，帧的接收数据， 维发维发 送信号矩阵送信号矩阵 表示表示一帧的发送数据一帧的发送数据， 维信道维信道响应矩阵响应矩阵 表示表示 一帧时间内的信道响应，一帧时间内的信道响应， 维矩阵维矩阵 为噪声矩阵。为噪声矩阵。 Rf nN 12 , f N Rr rrTf nN 12 , f N Xx xx RTf nn

41、N 12 , f N HH HH Rf nN 12 , f N Nn nn 2016/5/10华南理工大学广州学院 46 STTC编码器结构编码器结构 TT TT 1 c m c 0,10,20, , T mmm n ggg 111 111 ,1,2, , T vvv n ggg 111 1,11,21, , T n ggg 111 0,10,20, , T n ggg 1,11,21, , T mmm n ggg ,1,2, , mmmT mmm vvvn ggg 12 , T n x xx STTC编码器的一般结构 2016/5/10华南理工大学广州学院 47 STTC编码器结构编码器结构

42、 如上图，如上图，t时刻第时刻第i个天线编码器的输出符号个天线编码器的输出符号 可以可以 表示为：表示为： STTC编码器用生成多项式描述编码器用生成多项式描述 如下：如下： STTC编码器对应的多项式生成矩阵为：编码器对应的多项式生成矩阵为： i t x , 10 mod,1,2, k v m ikk tj itjT kj xg cM in ,0,1, 0 ()mod 1,2,1,2, k k k v vkkjkkk ij iiivi j T GDg Dgg DgDM km in 111 12 222 12 12 ()()() ()()() () ()()() T T T n n mmm n

43、 G DG DGD GDGDGD D GDGDGD G 2016/5/10华南理工大学广州学院 48 STTC编码设计准则编码设计准则 n 定义定义 维的维的Hermitian矩阵矩阵 ，如如 果果 ，满足，满足 ，则称矩阵是非负定的。，则称矩阵是非负定的。 一个一个 维的矩阵维的矩阵 ，如果满足，如果满足 的条的条 件，则称为酉矩阵。一个件，则称为酉矩阵。一个 维维的矩阵的矩阵 ， 如果满足如果满足 的条件，则称它为矩阵的条件，则称它为矩阵 的平方的平方 根。根。 采用最大似然采用最大似然(ML)译码准则，即：译码准则，即： 其中其中 表示表示矩阵矩阵 的的Frobenius范数，即范数，即

44、 nn n n A n u 0 H uAu nn n n V H VVI nN n N B H BBAA 22 argmax ss FF EE X RHXRHX m n F U 2 11 mn ij F ij u U U 2016/5/10华南理工大学广州学院 49 n 上式左端是均值为上式左端是均值为0的高斯随机变量，在理想估计条件的高斯随机变量，在理想估计条件 下，右端为常数，定义修正的平方欧式距离下，右端为常数，定义修正的平方欧式距离 为：为： n 则在给定信道响应矩阵的条件下的则在给定信道响应矩阵的条件下的ML译码错误概率为：译码错误概率为： 2 * 111111 argmax2Re

45、ff RTRT NN nnnn jtiitii stjittsjitt tjitji E rxxExx X 2 2 2 111 (,) f RT N nn tii jitt F tji dxx X XHXX 2 (,)dX X 22 00 11 ,exp, 2424 ss EE Perfcdd NN X X HX XX X 2016/5/10华南理工大学广州学院 50 n1. 准静态衰落信道条件下准静态衰落信道条件下STTC设计准则设计准则 n 在在Rayleigh衰落信道下，则上式变为：衰落信道下，则上式变为： 0 11 00 14 ,exp 11 44 RT ji s inn ss ji

46、ii E K N P EE NN X X 1 0 1 , 1 4 R T n n s i i P E N X X 2016/5/10华南理工大学广州学院 51 n在高信噪比条件下，可以表示为：在高信噪比条件下，可以表示为： nSTTC编码的收发分集增益为编码的收发分集增益为 ，与信噪比成负指数关，与信噪比成负指数关 系，而在相同分集增益条件下，与未编码系统相比，系，而在相同分集增益条件下，与未编码系统相比， STTC的编码增益为的编码增益为 。 n因此因此STTC编码的性能主要由分集增益和编码增益决定。编码的性能主要由分集增益和编码增益决定。 从而可以得到准静态衰落信道条件下从而可以得到准静态

47、衰落信道条件下STTC码的设计准则：码的设计准则： n(1) 秩准则秩准则 n(2) 行列式准则行列式准则 1 0 , 4 R R rn n r s i i E P N X X R rn 1 1 r r i i 2016/5/10华南理工大学广州学院 52 n 2. 快衰落信道条件下快衰落信道条件下STTC设计准则设计准则 n快衰落信道条件下的成对差错概率为：快衰落信道条件下的成对差错概率为： n快衰落信道条件下，快衰落信道条件下，STTC编码的收发分集增益为编码的收发分集增益为 与信噪比成负指数关系，而在相同分集增益条件下，与与信噪比成负指数关系，而在相同分集增益条件下，与 未编码系统相比，

48、未编码系统相比，STTC的编码增益为的编码增益为 。因此。因此 STTC编码的性能也主要由分集增益和编码增益决定。编码的性能也主要由分集增益和编码增益决定。 从而可以得到快衰落信道条件下从而可以得到快衰落信道条件下STTC码的设计准则：码的设计准则： n(1) 距离准则距离准则 n(2) 乘积准则乘积准则 2 2 1 , 1 0 1 ,exp 24 R n t s ttj tj E P N x x X X Hxx 2 , 0 , 4 R n s tt t E P N x x X Xxx , R n x x 2 , tt t x x xx 2016/5/10华南理工大学广州学院 53 STTC编

49、码的性能编码的性能 n (a)两发两发1收条件下各种状态的收条件下各种状态的TSC码性能码性能 n (b)两发两收条件下各种状态的两发两收条件下各种状态的TSC码性能码性能 (a) (b) 2016/5/10华南理工大学广州学院 54 空空时块编码时块编码 (STBC) nSTBC编码最先是由编码最先是由Alamouti引入的，采用了引入的，采用了 简单的两天线发分集编码的方式。这种简单的两天线发分集编码的方式。这种STBC 编码最大的优势在于，采用简单的最大似然译编码最大的优势在于，采用简单的最大似然译 码准则，可以获得完全的天线增益。码准则，可以获得完全的天线增益。Tarokh进进 一步将

50、一步将2天线天线STBC编码推广到多天线编码推广到多天线形式，形式，提提 出了通用的正交设计准则。出了通用的正交设计准则。 2016/5/10华南理工大学广州学院 55 两两天线空时块码天线空时块码 1.Alamouti STBC编码编码 在这种编码方案中，每组在这种编码方案中，每组m比特信息首先调制比特信息首先调制 为为M=2m进制符号。然后编码器选取连续的两个符号，进制符号。然后编码器选取连续的两个符号， 根据下述变换将其映射为发送信号矩阵。根据下述变换将其映射为发送信号矩阵。 天线天线1发送信号矩阵的第一行，而天线发送信号矩阵的第一行，而天线2发送发送 信号矩阵的第二行。编码器结构如下图

51、所示。信号矩阵的第二行。编码器结构如下图所示。 * 12 * 21 xx xx X 2016/5/10华南理工大学广州学院 56 两两天线空时块码天线空时块码 由图可知，由图可知，Alamouti空时编码是在空域和时域上进空时编码是在空域和时域上进 行编码。令天线行编码。令天线1和和2的发送信号向量分别为：的发送信号向量分别为： 这种空时编码的关键思想在于两个天线发送的信号这种空时编码的关键思想在于两个天线发送的信号 向量相互正交向量相互正交 ，编码矩阵具有如下性质编码矩阵具有如下性质 ： 信源调制器 编码器 * 12 12 * 21 , xx x x xx 时 域 空 域 Tx1 Tx2 1

52、* 12 ,xxx 2* 21 ,x xx Alamouti空时块编码器结构 1*2* 1221 ,xxx x xx 2016/5/10华南理工大学广州学院 57 两两天线空时块码天线空时块码 其中其中I2是是22的单位矩阵。的单位矩阵。 假设假设接收机采用单天线接收。发送天线接收机采用单天线接收。发送天线1和和2的块衰的块衰 落信道响应系数为：落信道响应系数为： 在接收端，相邻两个符号周期接收到的信号可以表在接收端，相邻两个符号周期接收到的信号可以表 示为：示为： 其中，其中，n1和和n2表示第一个符号和第二个符号的加性表示第一个符号和第二个符号的加性 白高斯噪声样值。这种两发一收的接收机结

53、构如下白高斯噪声样值。这种两发一收的接收机结构如下 图所示图所示: 22 22 12 122 22 12 0 0 H xx xx xx X XI 12 1122 , jj hh ehh e 11 1221 * 212212 rh xh xn rh xh xn 2016/5/10华南理工大学广州学院 58 两两天线空时块码天线空时块码 信道估计信号合并 最大似然译码器 Tx1Tx2 1 * 2 x x 2 * 1 x x 1 h 2 h Rx 1 2 n n 1 h 2 h 1 h 2 h 1 x 2 x 1 x 2 x 2发1收STBC译码器结构 2016/5/10华南理工大学广州学院 59

54、两两天线空时块码天线空时块码 2.STBC最大似然译码最大似然译码(MLD)算法算法 假设接收机可以获得理想信道估计，则最大似假设接收机可以获得理想信道估计，则最大似 然译码算法要求在信号星座图上最小化如下的欧式然译码算法要求在信号星座图上最小化如下的欧式 距离度量：距离度量： 其中其中 都是星座图上的信号点。都是星座图上的信号点。 将上式展开可得：将上式展开可得： 22* 11 12221221 2 2 * 11 12221221 ( ,)( ,) dr h xh xdrh xh x rh xh xrh xh x 12 ,x x 2 2 * 11 12221221 22222222 12121212 22 * 1 12 212 11 22 11 rh xh xrh xh x hhrrhhxx h rh rxh rhrx 2016/5/10华南理工大学广州学院 60 两两天线空