MIMO多天线技术

1、移动通信-第三课 MIMO多天线技术多天线技术 MIMO多天线技术 v概述 vMIMO系统容量 vMIMO传输方案 vMIMO-OFDM技术 概述 vMIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技术又称 多发多收天线技术，能在不增加带宽和发送功率的 情况下，成倍提高通信系统的容量和频谱利用率， 是第四代移动通信的关键技术。 vMIMO的奠基工作是在20世纪90年代由贝尔实验室 和AT,.2, 1 1 0, V-BLAST的检测方法 最小均方误差算法（MMSE）：目标函数是最小 化发送信号矢量与接收信号矢量线性组合WHr之 间的均方误差，即： 式中的W是mn的线性组合

2、系数矩阵。从上式可 以求解其梯度得到最优解。MMSE检测算法的系 数矩阵为： HIHHW n 12 )( V-BLAST的检测方法 V-BLAST的检测方法 v最小均方误差译码算法性能更好，因为考虑了噪声 的影响，而迫零算法则没有。 v干扰对消技术：基本思想是在进行第k次检测时， 首先抵消掉已经检测出的（k-1）个符号的影响。 v干扰对消技术可用于迫零检测或MMSE检测。解调 的顺序对性能有很大影响。 vMMSE流程（结合干扰对消技术）： 根据MMSE准则计算出当前的权向量矩阵： 选取当前最优检测元素： V-BLAST的检测方法 检测当前信号： 判决发射信号： 消除前面一层的干扰： 缩小矩阵的

3、维数，进行下一迭代： V-BLAST的检测方法 V-BLAST的分集复用折中 (0,n-1) (0, 1) V-BLAST(1)：固定顺序检测 V-BLAST(2)：最优顺序检测 V-BLAST(3)：子信道速率可分配+固定顺序检测 回顾 vMIMO的性能指标 v分集复用折中函数 v分层空时码 空时分组码（STBC） v空时分组码是根据码字的正交设计原理来构造空时 码字，最早由Alamouti提出。其设计原则就是要求 设计出来的码字各发送天线之间满足正交性。 接 收时采用最大似然检测算法进行解码，由于码字之 间的正交性，在接收端只需做简单的线性处理即可 。 v优缺点：结构简单，译码复杂度是线性

4、的，能够实 现完全分集，但没有引入编码增益，可认为是一种 分集技术，故应考虑与其他编码方式结合。 2021-8-154 空时分组码 信息源调制器 12 ,x x * 12 12 * 21 xx x x xx 1* 12 1 , X T Xxx 2* 21 2 , X T Xx x 两根发射天线，一组编码取两个符号，传输一组编码需要两个周期 Alamouti STBC编码： 2021-8-155 空时分组码 很显然，这种方法既在空间域进行编码，又在时间域进 行了编码，且天线1，2上的发射序列为： 发射序列是正交的：两根天线的发射序列的内积为0； 编码矩阵具有如下特性： 1*2* 1221 ,Xx

5、xXx x 12* 1221 0XXx xx x 22 22 12 122 22 12 0 0 H xx X XxxI xx 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 空时分组码（STBC） 其中，发送天线1和2的块衰落信道响应系数为： 在接收端，相邻两个符号周期接收到的信号可以表示为： 其中，n1和n2表示第一个符号和第二个符号的加性白高斯 噪声样值。 12 1122 , jj hh ehh e 11 1221 * 2

6、12212 rh xh xn rh xh xn 空时分组码（STBC） STBC最大似然译码(MLD)算法： 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距离度量： 其中 都是星座图上的信号点。 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

7、rxh rhrx 空时分组码（STBC） 由于上式中第一项是公共项，与信号点无关，可以去掉， 这样可得最大似然译码判决准则为： 其中，C表示调制符号对的组合， 是判决统计量，表 示为： 由此可知，两个判决统计量分别只是各自发送信号的函数 。则最大似然译码准则可以分解为独立的两个准则： 12 2222 22 1212121122 , ,arg min1, x xC x xhhxxdx xdx x 12 ,x x 22 * 11 12 11111122 22 * 22 11 21121221 xh rh rhhxh nh n xh rhrhhxhnh n 1 2 222 2 112111 222

8、2 212222 argmin1, argmin1, xS xS xhhxdx x xhhxdx x 空时分组码（STBC） 当采用MPSK调制方式时，对于所有的信号点 都有： 是常量，因此最大似然判决准则可以 进一步简化为： 上述MLD算法可以推广到多个接收天线的情况： 222 12 1,1,2 i hhxi 11 22 2 2* 1111 12 11 2 2* 2222 11 22 argmin,argmin argmin,argmin xSxS xSxS xdx xh rh rx xdx xh rhrx 1 2 22 2 2 1,1,2111 1 22 2 2 2,1,2222 1 ar

9、gmin1, argmin1, R R n jj xS j n jj xS j xhhxdx x xhhxdx x 空时分组码（STBC） Alamouti编码设计的关键在于保证两天线发送信号 序列之间的正交性。STBC码可以获得完全的分集增益， 并且只需要利用线性信号处理进行简单的最大似然译码。 空时分组码（STBC） 空时分组码 信息源调制器 空间分组编码器 S 根发射天线，一组编码取k个符号，传输一组编码需要p个周期T n 1 1 S T S S n T n S 空时分组码 传输矩阵要基于正交设计构造： 其中 的第i行第j列的元素 代表第i根发射天线在j时刻发送的信号，且传输矩 阵的行是

10、相互正交的： 222 12 T H kn S Sc sssI X , (1,2,1,2, ) i jT xinjp * , 1 0, ,1,2, p iji tj tT t s sxxij i jn Alamouti STBC的分集复用折中 2*2天线分集复用折中比较 v空时分组码能够获得分集增益，但不能提供编码 增益。分层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。 vTarokh首次提出将信道编码、调制及收发分集联 合优化的思想，构造了空时格码(STTC)。STTC 既可以获得完全的分集增益，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。 空时网格码

11、 空时网格码编码网格图 v 基于基于QPSKQPSK调制的调制的4 4状态状态STTCSTTC编码器及对应状态转移图编码器及对应状态转移图 T0 T1 调制 调制 0 b 1 b 空时网格码 举例：假定发射天线数为2的4状态空时网格编码 QPSK结构的生成序列为： 12 02 , 20,01 , 10gg 00/00 01/01 10/02 11/03 00/10 01/11 10/12 11/13 00/20 01/21 10/22 11/23 00/30 01/31 10/32 11/33 输入序列：输入序列：c=(10,01,11,00,01,) 输出序列：输出序列：x=(02,21,1

12、3,30,01,) 空时网格码 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 如上图，t时刻第i个天线编码器的输出符号 可以表示为 ： STTC编码器用生成多项式描述 如下： STTC编码器对应的多项式生成矩阵为： i t x , 10 mod,1,2, k v m ik

13、k tj itjT kj xg cM in ,0,1, 0 ()mod 1,2,1,2, k k k v vkkjkkk ij iiiv i j T GDg Dgg DgDM km in 111 12 222 12 12 ()()() ()()() () ()()() T T T n n mmm n G DG DGD GDGDGD D GDGDGD G 空时网格码 v准静态衰落信道条件下STTC设计准则： v 在Rayleigh衰落信道下： v在高信噪比条件下，可以表示为： 1 0 1 , 1 4 R T n n s i i P E N X X 空时网格码 1 0 , 4 R R rn n r

14、 s i i E P N X X vSTTC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，与未编码系 统相比，STTC的编码增益为 。 v因此STTC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STTC码的 设计准则： (1) 秩准则 (2) 行列式准则 R rn 1 1 r r i i 空时网格码 v优点：在给定分集增益和发送速率条件下，空时网 格码引入编码增益，性能要优于空时分组码。在不 损失带宽效率的前提下，可提供最大的编码增益和 分集增益。 v缺点：当发射天线数固定时，空时网格码的译码复 杂度随着分集增益和发送速率的增加呈指数增长

15、， 使其应用受到一定的限制。 空时网格码的优缺点 三种空时编码方式比较 分层空时码 （BLAST） 空时分组码 (STBC) 空时网格码 (STTC) 是否基于发射 分集 否是是 对信道环境的 要求 一般为室内环境无要求无要求 对接收天线的 要求 接收天线不少于 发射天线 无要求无要求 速率nb bitsb bitsb bits 分集nnmnm 译码复杂度 较低 （MMSE译码） 低 （ML译码） 较高 （维特比译码） STBC和V-BLAST混合编码 空时编码与OFDM技术相结合 空时编码与OFDM技术相结合，可克服无线信道 的频率选择性衰落 发送端 空时编码与OFDM技术相结合 接收端 M

16、IMO-OFDM中的关键技术 v同步技术 v信道估计 v自适应技术 同步技术 v载波同步 v采样同步 v符号同步 v帧同步 信道估计 v信道估计，就是利用信号的确知信息来估计出实 际信道的径数和径的系数，识别每副发送天线与 接收天线之间的信道冲激相应。 v主要方法： 基于训练序列或导频的方法 盲估计方法 自适应技术 vMIMO-OFDM将信号从时频分集扩展为空时频分集 ，进一步分割信道为空时频信道。 v自适应传输的基本思想是根据传输信道的实际情况 ，灵活地改变发射功率的水平、每个子信道的符号 传输速率、QAM星座大小、编码等参数和这些参 数的组合，最大限度的提高系统容量。 v具体方法是在不牺牲误码率的情况下，通过质量好 的子信道采用高速传输，在质量不好的子信道降低 传输速率等方式来提供较高的频谱使用效率。 空时码在3G中的应用 0 b 1 b 2 b 3 b 0 b 1 b 2 b 3 b 2 b 1 b 3 b 0 b Antenna 1 Antenna 2 3G中的STTD空时编码方式（空时发射分集） 空时码在3G中的应用HSDPA Ant + 1 x 扰码 多码 复用 扩频码 N 扩频码 1 N x 3G中HSDPA的解决方式之一传统解决方式 STTD Ant 1 Ant 2 +STTD STT