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1n5.1 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？其性能如何？接收分集的合并有哪几种

2、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35.3 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45.3.1 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、接收分集条件不易满足 使用效率低（单用户受益）使用效率低（单用户受

3、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) 主要提供额外的可用多径，对抗慢衰落造成的影响主要提供额外的可用多径，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

4、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

5、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

6、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9n一、一、MIMO技术的概念技术的概念Multiple-Input Multiple-Output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

7、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-BLAST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

8、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)开环和闭环开环和闭环MIMO5.3.2 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(spatia

9、l 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

10、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)

11、 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

12、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 n2016/5/1016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 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

13、调整发射功率。5.3.2 MIMO技术技术发射端接收端MIMO信道H n2016/5/1017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

14、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，MIMO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，MI

15、MO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

16、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，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。iC ( ),1,2,.,k

17、iMMN1,12,1,11,22,2,21,2,.( ). .tttMtttMtttNNM NhhhhhhH thhh2016/5/1021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

18、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： 1N2)det(log2HNH

19、HMIC2016/5/1022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：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

20、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。H1NHHIM)1 (log2 NCNIHH2016/5/1023华南理工大学广州学院nSU-MIMOSingle-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-MIMOMulti-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

21、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、MIMO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。BLASTSTTCSTBC5.3.2 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 BLASTn分

22、层分层空时码空时码(Layer Space-Time Codes，简称，简称LST)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

23、工大学广州学院28分层空时码分层空时码 BLASTn 分层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1txTntxVLST的结构 2016/5/10华南理工大学广州学院29分

24、层空时码分层空时码 BLAST S/P调制器调制器1txTntx编码器交织器交织器S/P调制器调制器1txTntx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 BLASTn 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 DLST结构中，每一层的编码调制符号流沿着发

25、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1txTntx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 BLASTn 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，每个天线沿对角线发送符号，因此符号矩阵为：号矩阵为： 1111111112345678

26、222222212345673333331234564444412345000000 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx1234123411115555123412322226661234123333771234144448000000 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx2016/5/10华南理工大学广州学院32分层空时码分层空时码 BLASTn 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，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

27、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： 1111111112345678222222221234567833333333123456784444444412345678143214321234567821432143123456783214321412345678432123xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx1432145678xx

28、xx2016/5/10华南理工大学广州学院33VLST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： 11iGH121

29、2,argminiiiiijjs sssissGwG2016/5/10华南理工大学广州学院34VLST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。 111iiiiiiiTssissiissisyxQ yxii w rrrHGH12,TnSs ss1,2,TnijGisH12,is ssiG Q 2016/

30、5/10华南理工大学广州学院35VLST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

31、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36VLST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37VLST的接收的接收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

32、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： RTnnRHU RTTTttttttRRRyU rU HxU nRxvTttRvU n,1,2,TnijitijttTj iyR xv in2016/5/10华南理工大学广州学院38VLST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。 11,2,Tnijtijtj iitTiiyR xxQinR Q 2016/5/10华南理工大学广州学院39VLST的接收的接收MM

33、SE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。 2argminHttEWxW r 222222THHHHttttttHHHttttHHHnEEEE WWxW rxW rxW rr W

34、 rr xH HIWH2016/5/10华南理工大学广州学院40VLST的接收的接收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,TTHHHttnttnttEEEx xIn nIx n020HttEWxW r12THHHnWH HIHTTnttinrr2016/5/10华南理工大学广州学院41VLST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

35、，进行如下的迭代操作： 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 12111121,121222,11,1,2,1()1TRRRHHHniHitittiiiiitiiiidnnniyxQ yxhhhhhhhhhii WH HIHW rrrhHH2016/5/10华南理工大学广州学院42051015202510-510-410-310-210-1100Eb/

36、N0 (dB)BERQR BPSKLMMSE BPSKMMSE-IC without order BPSKMMSE-IC with order BPSKVLST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

37、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4411.4.1 STTC信号模型信号模型 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 sERHXN2016/5/10

38、华南理工大学广州学院4511.4.1 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。 RfnN12,fNRr rrTfnN12,fNXx xxRTfnn N12,fNHH HHRfnN12,fNNn nn2016/5/10华南理工大学广州学院46STTC编码器结构编码器结构 TTTT1cmc0,10,20,Tmm

39、mnggg111111,1,2,Tvvv nggg1111,11,21,Tnggg1110,10,20,Tnggg1,11,21,Tmmmnggg,1,2,mmmTmmmvvvnggg12,Tnx xxSTTC编码器的一般结构 2016/5/10华南理工大学广州学院47STTC编码器结构编码器结构 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： itx,10mod,1,2,kvmikktj itjTkj

40、xg cM in,0,1,0()mod1,2,1,2,kkkvvkkjkkkij iiivijTGDg Dgg DgDMkm in111122221212()()()()()()()()()()TTTnnmmmnG DG DGDGDGDGDDGDGDGDG2016/5/10华南理工大学广州学院48STTC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

41、，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 nnn nAn u0HuAunnn nVHVVInNn NBHBBAA22argmaxssFFEEXRHXRHXm nFU211mnijFijuUU2016/5/10华南理工大学广州学院49n 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

42、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*111111argmax2ReffRTRTNNnnnnjtiitiistjittsjitttjitjiE rxxExxX222111(,)fRTNnntiijittFtjidxxX XHXX2(,)dX X220011,exp,2424ssEEPerfcddNNX X HX XX X2016/5/10华南理工大学广州学院50n1. 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： 0110014,exp1144RTjisinnssjiii

43、EKNPEENN X X101,14RTnnsiiPEN X X2016/5/10华南理工大学广州学院51n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衰落信道条件下STTC码的设计准则：码的设计准则：n(1) 秩准

44、则秩准则n(2) 行列式准则行列式准则10,4RRrnnrsiiEPNX XRrn11rrii2016/5/10华南理工大学广州学院52n 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，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

45、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221 ,101,exp24RntsttjtjEPN x xX X Hxx2 ,0,4RnstttEPNx xX Xxx ,Rn x x2 ,tttx xxx2016/5/10华南理工大学广州学院53STTC编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

46、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

47、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。编码器结构如下图所示。信号矩阵的第二行。编码器结构如下图所示。 *12*21xxxxX2016/5/10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。

48、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*1212*21 ,xxx xxx 时 域空域Tx1Tx21*12 ,xxx2*21,x xxAlamouti空时块编码器结构 1*2*1221,xxx xxx2016/5/10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

49、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: 222212122221200HxxxxxxX XI121122,jjhh ehh e11 1221*212212rh xh xnrh 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Tx1Tx21*2

50、xx2*1xx1h2hRx12nn1h2h1h2h1x 2x 1 x2 x2发1收STBC译码器结构 2016/5/10华南理工大学广州学院59两两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 1222122122*11 12221221( ,)( ,)dr h xh xdrh xh xrh xh xrh xh x12 ,x x 22*11 12221221222222221212121222*1 12 212 11 2211rh xh xrh xh xhhrrhhxxh rh rxh rhrx2016/5/10华南理工大学广州学院60两两天线空时块码天线空时块码 由于上式中第一项是公共项，