多天线技术和信道编码

1、无无 线线 移移 动动 创创 新新 中中 心心 多天线技术和信道编码多天线技术和信道编码 无无 线线 移移 动动 创创 新新 中中 心心 无无 线线 移移 动动 创创 新新 中中 心心 多天线技术多天线技术 信道编码信道编码 目录目录 无无 线线 移移 动动 创创 新新 中中 心心 空时处理技术背景空时处理技术背景 背景情况：背景情况： 空时处理始终是通信理论界的一个活跃领域。在早期研 究中，学者们主要注重空间信号传播特性和信号处理，对 空间处理的信息论本质探讨不多。上世纪九十年代中期， 由于移动通信爆炸式发展，对于无线链路传输速率提出了 越来越高的要求，传统的时频域信号设计很难满足这些需 求

2、。工业界的实际需求推动了理论界的深入探索。 无无 线线 移移 动动 创创 新新 中中 心心 空时处理技术背景空时处理技术背景 多天线技术分类（根据天线形态）：多天线技术分类（根据天线形态）： SISO MISO SIMO MIMO MU-MIMO SU-MIMO 无无 线线 移移 动动 创创 新新 中中 心心 空时处理技术背景空时处理技术背景 多天线技术分类（根据传输方案）：多天线技术分类（根据传输方案）： 发送分集技术 空间复用技术 波束赋形技术（智能天线） 无无 线线 移移 动动 创创 新新 中中 心心 p LTE系统的天线配置系统的天线配置 n 下行下行 利用公共天线端口，LTE系统可以

3、支持单天线发送（1x），双天线发送（ 2x）以及4天线发送（4x），从而提供不同级别的传输分集和空间复用增 益 利用专用天线端口以及灵活的天线端口映射技术，LTE系统可以支持更多 发送天线，比如8天线发送，从而提供传输分集、空间复用增益同时，提 供波束赋形增益 n 上行上行 LTE系统上行支持发送分集和空间复用技术（最大4层数据流并行传输） 无无 线线 移移 动动 创创 新新 中中 心心 发送分集技术发送分集技术 发送分集技术概述：发送分集技术概述： 分集技术通常用于对抗衰落、提高链路可靠性。分集技术需要接收端接收 到多个重复的发射信号，这些发射信号携带同样的信息，其衰落在统计上有较 低的相关

4、性。分集的基本思想是，如果能够传输多个独立衰落的信号，从统计 意义来说，合成信号的衰落比每一路信号衰落要降低很多。这是因为在独立衰 落的假设下，当一些信号发生深衰落时，可能另一些信号的衰落较轻，各路信 号同时发生深衰落的概率是很低的，从而合成信号发生深衰落的概率也被大大 降低。 空间发射分集通过在发射端对所要发射的信号进行预处理，以引入接收端 可以利用的分集，在接收端通过检测算法获得该分集。为了改善发射分集的性 能，可以将编码与发射分集结合。通过编码，在空间和时间（频率）域内引入 冗余。由于对编码和发射分集进行了联合优化设计，空时编码在不牺牲带宽的 情况下，可以同时获得发射分集与编码增益，空时

5、编码还可以与多天线接收一 起来对抗多径衰落，提高信道容量。 无无 线线 移移 动动 创创 新新 中中 心心 发送分集技术发送分集技术 主要的发送分集类型：主要的发送分集类型： 延迟发射分集 发送端使用多个天线进行传输，人为地为不同的天线上发射的信号引入不 同延迟，使各个延迟路径的信号在统计意义上相互独立。 延迟发射分集原理框图 无无 线线 移移 动动 创创 新新 中中 心心 发送分集技术发送分集技术 主要的发送分集类型：主要的发送分集类型： 循环延迟发射分集 各个天线支路的信号经过循环移位后并行发送，各天线支路的信号间不存 在真正的延迟，因而不会产生码间干扰的问题，循环偏移量也不会受到 循环前

6、缀长度的限制。 循环延迟分集原理示意框图 无无 线线 移移 动动 创创 新新 中中 心心 发送分集技术发送分集技术 主要的发送分集类型：主要的发送分集类型： 切换发射分集 按照预定模式进行发射天线的切换，包括时间切换发射（TSTD）分集和频 率切换发射（FSTD）分集。 TSTD FSTD 无无 线线 移移 动动 创创 新新 中中 心心 发送分集技术发送分集技术 主要的发送分集类型：主要的发送分集类型： 空时（频）编码 将发送分集与编码结合，在利用发射分集的基础上，近可能地提升传输数 据速率。主要方式包括ST(F)BC、分层空时码和空时格码(STTC)。 STBC SFBC 无无 线线 移移

7、动动 创创 新新 中中 心心 发送分集技术发送分集技术 TD-LTE下行采用的发送分集技术：下行采用的发送分集技术： 两天线采用SFBC方案 4天线采用SFBC+FSTD结合方案 无无 线线 移移 动动 创创 新新 中中 心心 发送分集技术发送分集技术 TD-LTE上行行采用的发送分集技术：上行行采用的发送分集技术： 发射天线选择（TAS：Transmit Antenna Selection） 包括：开环和闭环方式，TDD主要采用开环，而FDD主要采用闭环。 PUCCH信道的发送分集方案： SORTD（Spatial orthogonal resources transmit diversit

8、y，空间正交资源发送分集） 无无 线线 移移 动动 创创 新新 中中 心心 空间复用技术空间复用技术 空间复用技术概述：空间复用技术概述： 空间复用通过在发送端和接收端采用多根天线进行发送和接收。空间复用 通过利用无线传输信道的多径可分性特性，通过相同时频资源上发送并行传输 的数据流，可以大大的提高数据的峰值速率和传输效率。 MIMO信道所能支持的数据流数量取决于信道的空间相关性以及信噪比情况 ，因此空间复用技术主要适用于传播环境中散射体较丰富且信道质量较好的场 景中。 无无 线线 移移 动动 创创 新新 中中 心心 空间复用技术空间复用技术 空间复用空间复用MIMO原理：原理： 非相关准静态

9、平坦Rayleigh衰落信道中，使用 M个天线等功率发送并使用 N 个天线接收的MIMO系统信道容量： 进一步表示为： MIMO信道可以等效为多个并行的子信道。MIMO系统所能支持的最大数据流 数 由信道矩阵的秩决定，而每个数据流的传输能力由与之对应的奇异值 决 定。 在非相关信道中，当信噪比足够高时MIMO信道容量近似随 线性增 长。 H 2 logdet N C M IHH 2 2 1 log1 S M i i C M min,kM N 2 log1Ck 无无 线线 移移 动动 创创 新新 中中 心心 空间复用技术空间复用技术 空间复用空间复用MIMO分类：分类： 开环MIMO 发送端不知

10、道信道特征信息（CSI），只在接收端采用与信道相匹配的方式 进行接收，而发送信号并未与信道相匹配。开环MIMO的链路性能在很 大程度上受到接收算法的影响。当接收机采用了ZF或MMSE等简单的线 性处理算法时，开环MIMO的差错概率性能往往较差。采用SIC等干扰抵 消算法时，能够有效地改善差错概率性能，但是又会引起接收机计算复 杂度的增加。 闭环预编码MIMO 发射机能够通过某种方式获得一定的CSI（可以是瞬时值，也可以是短期或 中长期统计信息），就可以通过一定的预处理方式对各个数据流加载的 功率、速率乃至发射方向进行优化，并有可能通过预处理在发射机预先 消除数据流之间的部分或全部干扰，以获得更

11、好的性能。在预编码系统 中，发射机可以根据信道条件，对发送信号的空间特性进行优化，使发 送信号的空间分布特性与信道条件相匹配，因此可以有效地降低对接收 机算法的依赖程度。即使采用简单的ZF或MMSE等线性处理算法，也能 够获得较好的性能。 无无 线线 移移 动动 创创 新新 中中 心心 空间复用技术空间复用技术 闭环预编码闭环预编码MIMO： 线性和非线性预编码 线性预编码的信道模型： MIMO的信道容量为： HF为新的等效信道，HF可以对信道H进行改造，使得信道更接近满足最大 信道容量。 预编码器优化准则 最小奇异值准则（MSV-SC，Minimum Singular Value Crite

12、rion） 均方误差准则（MSE-SC，Minmum Square Error Criterion） 最大容量准则（MC-SC，Maximum Capacity Criterion） 最大似然准则（ML-SC，Maximum Likelihood Criterion） rHFsn T HH 2 T logdet N C N IF H HF min argmax i i F FHF F argmin i i m F FMSE F F 1 HH iii MSE FIF H HF S HH 2 S argmaxlog det i iNii N F FIF H HF F s 12 2 , argmax

13、min N ij i ij i s s ss ss F FHF F 无无 线线 移移 动动 创创 新新 中中 心心 空间复用技术空间复用技术 闭环预编码闭环预编码MIMO方案：方案： 基于码本方式的预编码方案基于码本方式的预编码方案 接收端通过接收发送端的已知信号（如导频）获得信道信息，通过预编码 的优化准则，根据等效信道，获得预编码方案。由于反馈信道所能支持 的数据速率一般较为有限。为了降低反馈开销，一般都采用基于码本的 有限反馈条件下的预编码方案。设计通信系统时，可以用若干个预编码 矩阵构成一个码本，这一码本的内容是发射机和接收机都是确知的。接 收端将码本反馈给发送端，发送端通过码本信息来

14、获得相应的信道信息 。基于码本的预编码方法存在量化精度损失的问题，因此预编码矩阵不 能与信道精确地匹配。随着码本大小的增加，基于码本的预编码的性能 会有所提升，但是同时也应当考虑到PMI上报与下行控制信令的开销。 基于非码本方式的预编码方案基于非码本方式的预编码方案 非码本预编码利用了信道的互易性特性，eNode B根据上行发送信号获得上 行信道信息，并基于信道互易性，获得下行信道信息，利用所获得的信 道信息进行矩阵分解，生成所需的预编码矩阵。非码本预编码方法在 TDD系统中有突出的优势，减少了上行反馈的开销，有利于eNode B灵活 选取预编码矩阵。 无无 线线 移移 动动 创创 新新 中中

15、 心心 空间复用技术空间复用技术 闭环预编码闭环预编码MIMO方案：方案： 单用户单用户SU-MIMO 多用户多用户MU-MIMO 受限于应用场景和终端的尺寸及天线数量，单个用户往往难以支持高rank 数据传输。而当系统的用户数较多时，一般基站总是可以找到信道空间 独立性较强的两个用户，这时如果基站配备多天线，则可以利用波束赋 形的信号空间隔离度实现对多个用户的并行传输，即MU-MIMO技术。 无无 线线 移移 动动 创创 新新 中中 心心 波束赋形（智能天线）波束赋形（智能天线） 波束赋形技术概述：波束赋形技术概述： 波束赋形技术是一种天线信号预处理技术，发射机 利用的是多个阵元接收信号的相

16、关性，根据信道状态信 息对各阵元的加权系数的调整，使得功率集中在期望的 方向性的波束内，以此实现接收SINR（Signal-to- Interference plus Noise Ratio）的提高并降低对其他用户 的干扰。一般的波束赋形技术特指基于小间距天线阵列 （阵元间距 ）的线性预处理技术。从信号处理角度来看 ，波束赋形与预编码都属于阵列信号的预处理技术。 波束赋形可以利用天线间的相关性，形成指向性的 成型波束，便于控制和协调干扰。 无无 线线 移移 动动 创创 新新 中中 心心 波束赋形（智能天线）波束赋形（智能天线） 波束赋形技术：波束赋形技术： 早期的波束赋形技术主要通过发送信号赋

17、形，使得信号到达接收端时形成幅 度和相位的正向叠加，从而提高接收信号的SINR。 波束赋形技术可以充分的利用TDD系统的信道对称性。 目前，随着技术的发展，采用智能天线形态的天线也能实现空间复用的单用 户SU-Beamforming 和SDMA的多用户MU-Beamforming 。 单用户/多用户波束赋形示意图 无无 线线 移移 动动 创创 新新 中中 心心 p 下行多天线传输模式下行多天线传输模式 n 单天线传输（单天线传输（port0） n 传输分集传输分集 n发送分集模式两天线用SFBC模式，4天线用SFBC+FSTD模式。 n 开环空间复用开环空间复用 n开环复用模式依据信道矩阵Ra

18、nk进行判断，如果RI=1,此时变成发送分 集模式，如果RI1, 使用大时延CDD进行空间复用。 n 闭环空间复用闭环空间复用 n闭环空间复用需要反馈PMI，由PMI指示codebook。 n MU-MIMO n 闭环闭环Rank1预编码预编码 n闭环单流，需要反馈PMI，适用于RANK=1的场景。 n 单天线传输（单天线传输（port5） TD-LTE下行多天线传输模式下行多天线传输模式 无无 线线 移移 动动 创创 新新 中中 心心 p 上行多天线传输模式上行多天线传输模式 n 单天线传输单天线传输 n 传输分集传输分集 n控制信道PUCCH 采用SORTD方式； n 天线性选择方式； n

19、 闭环空间复用闭环空间复用 n SU-MIMO n MU-MIMO TD-LTE上行行多天线传输模式上行行多天线传输模式 上行虚拟MIMO 无无 线线 移移 动动 创创 新新 中中 心心 多天线技术多天线技术 信道编码信道编码 目录目录 无无 线线 移移 动动 创创 新新 中中 心心 信道编码的基本概念信道编码的基本概念 信道编码的定义：信道编码的定义： 信道编码是为了保证通信系统的传输可靠性，克服信道中的噪声和干扰， 专门设计的一类抗干扰技术和方法。它根据一定的(监督)规律在待发送的信息 码元中(人为的)加入一些必要的(监督)码元，在接收端利用这些监督码元与信息 码元之间的(监督)规律，发现

20、和纠正差错，以提高信息码元传输的可靠性。 称待发送的码元为信息码元，人为加入多余码元为校验码元。信道编码的 目的，试图以最少的监督码元为代价，以换取最大程度的可靠性提高。 无无 线线 移移 动动 创创 新新 中中 心心 信道编码的基本概念信道编码的基本概念 信道编码的分类：信道编码的分类： 从功能上可分为三类从功能上可分为三类 仅具有发现差错功能的检错码，比如循环冗余校验CRC码、自动请求重 传ARQ等。 具有自动纠正差错功能的纠错码，比如循环码中BCH码、RS码以及卷积 码、级联码、Turbo码等。 既能检错又能纠错的信道编码，最典型的是混合ARQ，又称为HARQ。 从结构上分为两类从结构上

21、分为两类 线性码：校验关系方程是线性方程的信道编码称为线性码，目前大部 分实用化的信道编码均属于线性码，比如线性分组码，线性卷积码都是 经常采用的信道编码。 非线性码：一切校验关系方程不满足线性规律的信道编码均称为非线性 码。 无无 线线 移移 动动 创创 新新 中中 心心 信道编码的基本概念信道编码的基本概念 信道编码的分类：信道编码的分类： 从功能上可分为三类从功能上可分为三类 仅具有发现差错功能的检错码，比如循环冗余校验CRC码、自动请求重 传ARQ等。 具有自动纠正差错功能的纠错码，比如循环码中BCH码、RS码以及卷积 码、级联码、Turbo码等。 既能检错又能纠错的信道编码，最典型的

22、是混合ARQ，又称为HARQ。 从结构上分为两类从结构上分为两类 线性码：校验关系方程是线性方程的信道编码称为线性码，目前大部 分实用化的信道编码均属于线性码，比如线性分组码，线性卷积码都是 经常采用的信道编码。 非线性码：一切校验关系方程不满足线性规律的信道编码均称为非线性 码。 无无 线线 移移 动动 创创 新新 中中 心心 几种典型的信道编码概述几种典型的信道编码概述 线性分组码线性分组码 线性分组码中的分组是指编码方法是按信息分组来进行的，而线性则是 指编码规律即监督位(校验位)与信息位之间关系遵从线性规律。线性分 组码一般可记为(n,k)码，即k位信息码元为一个分组，编成n位码元长度

23、 的码组，而nk位为监督码元长度。 在线性分组码中，最具有理论和实际价值的一个子类，称为循环码，它 因为具有循环移位性而得名，它产生简单且具有很多可利用的代数结构 和特性。目前一些主要的有应用价值的线性分组码均属于循环码。例如 ：在每个信息码元分组k中，仅能纠正一个独立差错的汉明(Hamming)码 ；可以纠正多个独立差错的BCH码；可以纠正单个突发差错的Fire码；可 纠正多个独立或突发差错的RS码。 无无 线线 移移 动动 创创 新新 中中 心心 几种典型的信道编码概述几种典型的信道编码概述 卷积码卷积码 记为(n,k,m)码，其中k表示每次输入编码器的位数，n则为每次输出编码 器的位数，

24、而m则表示编码器中寄存器的节(个)数，它的约束长度为m 1位。正是因为每时刻编码器输出n位码元它不仅与该时刻输入的k位码 元有关，而且还与编码器中m级寄存器记忆的以前若干时刻输入的信息 码元有关，所以称它为非分组的有记忆编码。 卷积码的译码既可以采用与分组码类似的代数译码方法，也可以采用概 率译码方法，两类方法中概率方法更常用。而且在概率译码方法中最常 用是具有最大似然译码特性的Viterbi译码算法。 无无 线线 移移 动动 创创 新新 中中 心心 几种典型的信道编码概述几种典型的信道编码概述 级联码级联码 级联码是一种复合结构的编码，它不同于上述单一结构线性分组码和卷 积码，它是由两个以上

25、单一结构的短码，复合级联成更长编码的一种有 效方式。 级联码分为串行级联码和并行级联码两种类型 :典型的串行级联码是由 内码为卷积码，外码为RS码串接级联构成一组长码，其性能优于单一结 构长码，而复杂度又比单一结构长码简单的多;最典型的并行级联码是 Turbo码，是由直接输出和有、无交织的同一类型的递归型简单卷积码 三者并行的复合结构共同构成。 外码（RS）内码（卷积码） 无无 线线 移移 动动 创创 新新 中中 心心 卷积码设计卷积码设计 卷积码卷积码 编码器设计编码器设计 卷积码一般可记为(n，k，m)码。其中k表示编码器输入端信息数据位， n表示编码器输出端码元数，而m表示编码器中寄存器

26、的节数。 从编码器输入端看, 卷积码仍然是每k位数据一组，分组输入。 从编码器输出端看，卷积码是非分组的，它的输出n位码元不仅与当时 输入的k位数据有关，而且还进一步与编码器中寄存器的以前分组的m位 输入数据有关。 卷积码为有记忆编码，其记忆或称约束长度l=m+1，其中m为编码器中 寄存器的节数。 无无 线线 移移 动动 创创 新新 中中 心心 卷积码设计卷积码设计 TD-LTE的卷积编码器 无无 线线 移移 动动 创创 新新 中中 心心 卷积码设计卷积码设计 卷积码卷积码 咬尾码的应用咬尾码的应用 减少归零的结尾操作，提高传输效率； 通过将输入比特的最后m位输入寄存器进行初始化； 性能稍有下降，译码复杂度有一定提高。 卷积码的速率匹配卷积码的速率匹配 为了支持高效、灵活的传输方式，信道编码技术需要考虑到各种不同的传 输码率和调制方式，兼顾重传技术以及链路自适应技术。为此，信道编 码技术常常使用打孔或者重复的方法，从编码比特流中提取预定长度比 特序列，这个过程称为速率匹配。 无无 线线 移移 动动 创创 新新 中中 心心 卷积码设计卷积码设计 TD-LTE卷积码速率匹配 卷积码速率匹配交织器 无无 线线 移移 动动 创创 新新 中中 心心 Turbo 码设计码设计 Turbo码编码器设计码编码器设计 典型的Turbo码编码器由两个递归系统卷积码（RSC，R