第5章 链路性能增强技术-MIMO课件

第5章链路性能增强技术华南理工大学广州学院电信学院主讲：曹英烈2016/5/10华南理工大学广州学院15.1扩频通信5.2分集技术5.3发射分集和MIMO技术5.4均衡技术第5章链路性能增强技术2016/5/102华南理工大学广州学院分集知识回顾什么是分集？使用分集的基础是什么？分集的特点是什么？分集有哪几种？接收分集的合并有哪几种方式？其性能如何？RAKE接收机的基本原理是什么？实现方式有哪几种？2016/5/10华南理工大学广州学院35.3发射分集和MIMO技术5.3.1发射分集5.3.2MIMO技术2016/5/10华南理工大学广州学院45.3.1发射分集采用发射分集的原因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）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）发射分集的特点：基站的设备可多个移动台共用(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)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，多使用了正交码相同阶数的发射分集和接收分集具有相同的分集增益52016/5/10华南理工大学广州学院5.3.1发射分集发射分集方式(根据发射天线的使用规则)选择发射分集：TDD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。时间切换发射分集：FDD中，由于信道不互逆，将信号通过两个或多个独立的天线发送。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发射分集发射分集方式(根据是否存在反馈)开环方式（空时分组码）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闭环方式（利用信道状态信息）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息，用于发射加权。闭环发射分集信号在接收端的平均SINR是开环发射分集信号在接收端的平均SINR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2016/5/108华南理工大学广州学院5.3.2MIMO技术一、MIMO技术的概念二、MIMO的种类三、MIMO的系统模型四、MIMO的核心技术2016/5/10华南理工大学广州学院9一、MIMO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，从而在共享的无线信道上建立多条并行的信息传输通道。5.3.2MIMO技术2016/5/1010华南理工大学广州学院发展历史：1995年，Teladar给出了衰落情况下的MIMO容量1996年，Foschini给出了MIMO处理算法(D-BLAST－对角分层时空码)1998年，Tarokh等讨论了用于MIMO的空时码同年，Wolinansky等采用V-BLAST算法建立了一个MIMO实验系统，达到了20bps/Hz。2006年，NTT

DoCoMo公司结合MIMO和OFDM的优点，实现了5Gbps(12*12)的无线传输峰值速率。MIMO成为ITU的标准（高速下行链路）5.3.2MIMO技术2016/5/1011华南理工大学广州学院二、MIMO的种类空间复用(spatial

multiplexing)空间分集(spatial

diversity

)波束赋形(beamforming)开环和闭环MIMO5.3.2MIMO技术2016/5/1012华南理工大学广州学院二、MIMO的种类空间复用(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。5.3.2MIMO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二、MIMO的种类空间分集(spatial

diversity

)将同一信息进行正交编码后从多个天线上发射出去。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。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，使传输可靠性提高和覆盖面积增大。5.3.2MIMO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二、MIMO的种类波束赋形(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。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。可通过智能天线实现。5.3.2MIMO技术发送最大比值合并2016/5/1015华南理工大学广州学院二、MIMO的种类开环和闭环MIMO开环：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。功率在发射端各天线间平均分配。5.3.2MIMO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二、MIMO的种类开环和闭环MIMO闭环：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。根据反馈信息，在各数据流间调整发射功率。5.3.2MIMO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二、MIMO的种类下行MIMO技术：目前MIMO技术下行基本天线配置为2*2,即2天线发送和2天线接收，最大支持4天线进行下行方向四层传输。上行MIMO技术：包括空间复用和传输分集，目前MIMO技术上行基本天线配置为1*2,即1天线发送和2天线接收。5.3.2MIMO技术2016/5/1018华南理工大学广州学院5.3.2MIMO技术三、MIMO的系统模型MIMO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。信号在传送中遇到物体发生反射和散射，产生多条路径，MIMO技术将这些路径变为传送信息子流的“虚拟信道”。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MIMO系统在发射端和接收端均采用多个天线和多个通道，如图所示图

MIMO系统原理5.3.2MIMO技术2016/5/1020华南理工大学广州学院5.3.2MIMO技术传输信息流S（k）经过空时编码形成M个信息子流，这M个子流由M个天线发送出去，经空间信道后由N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据子流，从而实现最佳处理。MIMO是在收发两端使用多个天线，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信道矩阵H，在某一时刻t，信道矩阵如下式所示。

其中H的元素是任意一对收发天线之间的增益。2016/5/1021华南理工大学广州学院5.3.2MIMO技术M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。若各发射天线间的通道响应独立，则MIMO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，必然可以提高数据传输速率。对于信道矩阵参数确定的MIMO信道，假定发射端总的发射功率为P，与发送天线的数量M无关；接收端的噪声用矩阵n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；ρ为接地端平均信噪比。此时，发射信号是M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：

2016/5/1022华南理工大学广州学院5.3.2MIMO技术固定N，令M增大，使得，这时可以获得到容量的近似表达式：

det代表行列式，代表M维单位矩阵，表示的共扼转置。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MIMO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。2016/5/1023华南理工大学广州学院SU-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。5.3.2MIMO技术2016/5/1024华南理工大学广州学院MU-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复用多个UE的数据。5.3.2MIMO技术2016/5/1025华南理工大学广州学院四、MIMO的核心技术MIMO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。BLASTSTTCSTBC5.3.2MIMO技术2016/5/1026华南理工大学广州学院27分层空时码BLAST分层空时码(LayerSpace-TimeCodes，简称LST)最早是贝尔实验室的Foschini等人提出的。他们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。2016/5/10华南理工大学广州学院28分层空时码BLAST分层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空时码就是著名的V-BLAST，即垂直结构的分层空时码(VLST)。它的编码方式如下图所示，比较简单。如果与编码器结合，可以得到各种结构的分层空时码。VLST的结构

2016/5/10华南理工大学广州学院29分层空时码BLAST

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BLASTHLST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。下图给出了对角化分层空时码(DLST)和螺旋分层空时码(TLST)的结构，他们采用了空时二维交织。

DLST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。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BLAST这种处理可以分为两步，以nT=4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：第二步处理，每个天线沿对角线发送符号，因此符号矩阵为：2016/5/10华南理工大学广州学院32分层空时码BLAST由于DLST引入了空间交织，因此它的性能要比VLST和HLST更好。但由于在矩阵的左下方引入了一些0，导致码率或频谱效率小于1，有一定损失。为了消除这种损失，可以采用螺旋分层空时码(TLST)结构。以nT=4为例，这种处理对应的符号矩阵为：2016/5/10华南理工大学广州学院33VLST的接收——迫零算法

分层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MLD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。其中常用的检测算法包括：迫零(ZF)算法、QR分解算法以及MMSE算法。下面介绍ZF算法。

ZF算法的迭代过程如下:

初始化：迭代过程：2016/5/10华南理工大学广州学院34VLST的接收——迫零算法其中，表示自然序数的某种排列,H+表示Moore-Penrose广义逆，表示令列为0得到的矩阵的广义逆，表示矩阵的第j行，函数表示根据星座图对检测信号进行硬判决解调。2016/5/10华南理工大学广州学院35VLST的接收——迫零算法上述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，这种排序是一种本地最优化方法。下图给出了准静态衰落信道，QPSK调制情况下，2发2收、2发4收和2发8收系统采用迭代迫零算法检测的BER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，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——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——QR算法

一般的，当信道响应矩阵H满足条件时，则矩阵可以进行QR分解，得其中，UR是nR×nT酉矩阵，而R是nT×nT的上三角矩阵,故

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：

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：2016/5/10华南理工大学广州学院38VLST的接收——QR算法

其中函数表示根据星座图对检测信号进行硬判决解调。2016/5/10华南理工大学广州学院39VLST的接收—MMSE算法

另一种常用的VLST检测算法是MMSE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xt与接收信号向量线性组合wHrt之间的均方误差，即：

其中w是nR×nT的线性组合系数矩阵,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。2016/5/10华南理工大学广州学院40VLST的接收—MMSE算法

在上式推导过程中，利用了以下三个关系式：令,得MMSE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：初始化：

2016/5/10华南理工大学广州学院41VLST的接收—MMSE算法当时，进行如下的迭代操作：

下图给出了nT=nR=4条件下，未编码的VBALST系统采用QR分解、MMSE检测和MMSE迭代干扰抵消(排序和不排序)算法的性能。由图可知，当采用排序和干扰抵2016/5/10华南理工大学广州学院42VLST的接收—MMSE算法消的MMSE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空时格码(STTC)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。Tarokh、Seshadri和Calderbank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。介绍STTC编码器的结构，设计和优化准则，并通过仿真评估STTC码的性能。2016/5/10华南理工大学广州学院4411.4.1STTC信号模型

STTC数学模型可以用下式表示：STTC编码系统

2016/5/10华南理工大学广州学院4511.4.1STTC信号模型其中，Nf是数据帧长，维接收信号矩阵表示一帧的接收数据，维发送信号矩阵表示一帧的发送数据，维信道响应矩阵

表示一帧时间内的信道响应，维矩阵为噪声矩阵。2016/5/10华南理工大学广州学院46STTC编码器结构

STTC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

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：

2016/5/10华南理工大学广州学院48STTC编码设计准则

定义维的Hermitian矩阵，如果，满足，则称矩阵是非负定的。一个维的矩阵，如果满足的条件，则称为酉矩阵。一个维的矩阵，如果满足的条件，则称它为矩阵的平方根。采用最大似然(ML)译码准则，即：

其中表示矩阵的Frobenius范数，即2016/5/10华南理工大学广州学院49上式左端是均值为0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为：则在给定信道响应矩阵的条件下的ML译码错误概率为：2016/5/10华南理工大学广州学院501.准静态衰落信道条件下STTC设计准则在Rayleigh衰落信道下，则上式变为：

2016/5/10华南理工大学广州学院51在高信噪比条件下，可以表示为：STTC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。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2016/5/10华南理工大学广州学院522.快衰落信道条件下STTC设计准则快衰落信道条件下的成对差错概率为：快衰落信道条件下，STTC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。因此STTC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STTC码的设计准则：(1)距离准则(2)乘积准则2016/5/10华南理工大学广州学院53STTC编码的性能(a)两发1收条件下各种状态的TSC码性能(b)两发两收条件下各种状态的TSC码性能

(a)(b)

2016/5/10华南理工大学广州学院54空时块编码

(STBC)STBC编码最先是由Alamouti引入的，采用了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码准则，可以获得完全的天线增益。Tarokh进一步将2天线STBC编码推广到多天线形式，提出了通用的正交设计准则。2016/5/10华南理工大学广州学院55两天线空时块码

1.AlamoutiSTBC编码

在这种编码方案中，每组m比特信息首先调制为M=2m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。天线1发送信号矩阵的第一行，而天线2发送信号矩阵的第二行。编码器结构如下图所示。

2016/5/10华南理工大学广州学院56两天线空时块码由图可知，Alamouti空时编码是在空域和时域上进行编码。令天线1和2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向量相互正交，编码矩阵具有如下性质：Alamouti空时块编码器结构

2016/5/10华南理工大学广州学院57两天线空时块码

其中I2是2×2的单位矩阵。假设接收机采用单天线接收。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。这种两发一收的接收机结构如下图所示:2016/5/10华南理工大学广州学院58两天线空时块码

2发1收STBC译码器结构

2016/5/10华南理工大学广州学院59两天线空时块码2.STBC最大似然译码(MLD)