空時(shí)編碼新技術(shù)講座

1、MIMO及其空時(shí)編碼技術(shù)及其空時(shí)編碼技術(shù)授課教師：王惠琴介紹內(nèi)容：nMIMO技術(shù)及其信道模型nMIMO的信道容量nSTBC編碼nBLAST空時(shí)結(jié)構(gòu)n混合空時(shí)編碼1 MIMO技術(shù)技術(shù)1.1 傳統(tǒng)無(wú)線通信方式的缺點(diǎn)：傳統(tǒng)無(wú)線通信方式的缺點(diǎn)： 通信業(yè)務(wù)的增多和用戶數(shù)量的增加，要求提高系統(tǒng)的傳輸速度； 無(wú)線信道中存在衰落，嚴(yán)重影響通信的質(zhì)量，要求提高系統(tǒng)的可靠性； 無(wú)線資源有限，尤其是頻譜資源變得越來(lái)越緊張； 功率過(guò)高產(chǎn)生較大的輻射，對(duì)人體有害。1.2 MIMO技術(shù)技術(shù) 研究表明，使用多天線的MIMO技術(shù)能夠充分利用空間資源，在不額外增加系統(tǒng)帶寬和天線總發(fā)送功率的情況下，可有效對(duì)抗無(wú)線信道衰落的影響，

2、大大提高系統(tǒng)的頻譜利用率和信道容量，是實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)選技術(shù)之一。 BELL實(shí)驗(yàn)室的公布結(jié)果：采用8天線系統(tǒng)對(duì)角分層空時(shí)編碼時(shí)，系統(tǒng)可獲和42bps/Hz的頻譜利用率，是單天線系統(tǒng)收發(fā)系統(tǒng)的40多倍。1 MIMO技術(shù)技術(shù) MIMO系統(tǒng)在無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)送端和接收端都安置多個(gè)天線元素，其簡(jiǎn)化框圖如圖1.1所示。可見(jiàn)，MIMO技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)是將發(fā)送天線與接收天線相結(jié)合以改善每個(gè)用戶的通信質(zhì)量（如差錯(cuò)率)或者通信效率（如數(shù)據(jù)速率)。1.2.1 MIMO技術(shù)的概念技術(shù)的概念 1.2.2 MIMO系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 圖1.2 MIMO系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1、分集原理 分集技術(shù)是無(wú)線通信系統(tǒng)中為對(duì)抗各種衰落、提

3、高傳輸性能的一項(xiàng)基本技術(shù)。 其基本原理是：將接收到的多個(gè)不相關(guān)的信號(hào)（時(shí)間、頻率或空間）的能量（其強(qiáng)度也具有可比性）按一定規(guī)則合并起來(lái)，使得組合后得到的有用信號(hào)能量最大化。 對(duì)數(shù)字系統(tǒng)而言，使接收端的誤碼率最?。粚?duì)模擬系統(tǒng)而言，提高接收端的信噪比。 分集接收的實(shí)質(zhì)就是在接收端如何將得到的這些不相關(guān)的信號(hào)副本進(jìn)行組合。 1.3 MIMO技術(shù)中的幾個(gè)概念技術(shù)中的幾個(gè)概念2、合并準(zhǔn)則 常用的合并方法有：n選擇性合并：接收機(jī)對(duì)多個(gè)接收分支一直進(jìn)行掃描，從中選擇信噪比最大的一條支路作為輸出。n等增益合并：n最大比合并：在信號(hào)合并之前，需要對(duì)多個(gè)接收分支進(jìn)行加權(quán)，其加權(quán)系數(shù)正比于每一支路各自的接收信噪比。

4、 1.3 MIMO技術(shù)中的幾個(gè)概念技術(shù)中的幾個(gè)概念 MIMO系統(tǒng)的核心思想是空時(shí)信號(hào)處理，即在原來(lái)時(shí)間維的基礎(chǔ)上，通過(guò)使用多副天線來(lái)增加空間維，從而實(shí)現(xiàn)多維信號(hào)處理，獲得空間復(fù)用增益或空間分集增益。 信道容量信道容量 Bell實(shí)驗(yàn)室的學(xué)者分別對(duì)高斯噪聲下的MIMO系統(tǒng)信道容量進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：在假設(shè)個(gè)天線獨(dú)立的情況下，MIMO系統(tǒng)比單天線系統(tǒng)有顯著的提高，有時(shí)可提高40多倍 ； 空間復(fù)用提高頻譜利用率空間復(fù)用提高頻譜利用率 MIMO系統(tǒng)采用空時(shí)處理技術(shù)進(jìn)行信號(hào)處理，在豐富的散射環(huán)境下，空分復(fù)用MIMO系統(tǒng)(如BLAST結(jié)構(gòu))可以獲得與天線數(shù)成正比的容量增長(zhǎng)，從而極大地提高頻譜效率，增加系統(tǒng)

5、的數(shù)據(jù)傳輸速率 ； 1.4 MIMO系統(tǒng)的主要特征系統(tǒng)的主要特征利用發(fā)送分集提高系統(tǒng)的傳輸性能利用發(fā)送分集提高系統(tǒng)的傳輸性能 它可以將多徑作為一個(gè)有利因素加以利用。研究結(jié)果表明，MIMO系統(tǒng)能利用多副天線所帶來(lái)的多條傳輸路徑來(lái)獲得空間分集增益，從而提高系統(tǒng)傳輸性能?；诎l(fā)送分集的空時(shí)編碼技術(shù)就屬于這種系統(tǒng)。 空間復(fù)用和發(fā)送分集的折中空間復(fù)用和發(fā)送分集的折中 空間復(fù)用技術(shù)通過(guò)增加系統(tǒng)的自由度，追求的是頻譜效率的極大化，但卻并不適用于低信噪比的環(huán)境；發(fā)送分集技術(shù)追求的是分集增益的極大化，卻有可能會(huì)導(dǎo)致速率的損失。 1.4 MIMO系統(tǒng)的主要特征系統(tǒng)的主要特征1. 5 當(dāng)前研究進(jìn)展當(dāng)前研究進(jìn)展 一方

6、面，由于MIMO技術(shù)具有很多誘人的優(yōu)點(diǎn)，所以它一經(jīng)提出就得到了廣泛的關(guān)注。另一方面，由于MIMO系統(tǒng)是一個(gè)時(shí)變、非平穩(wěn)多輸入多輸出系統(tǒng)，故目前對(duì)它的研究可謂方興未艾，對(duì)其基本理論、關(guān)鍍技術(shù)的研究正在全面展開(kāi)，主要集中在：MIMO系系統(tǒng)中的發(fā)送分集和空間復(fù)用、波束成形、空時(shí)編碼、統(tǒng)中的發(fā)送分集和空間復(fù)用、波束成形、空時(shí)編碼、空時(shí)彌散碼、定時(shí)向步、信道估計(jì)、自適應(yīng)編碼調(diào)制空時(shí)彌散碼、定時(shí)向步、信道估計(jì)、自適應(yīng)編碼調(diào)制以及多用戶以及多用戶MIMO系統(tǒng)系統(tǒng)，以及MIMO-OFDM系統(tǒng)等等。 2 MIMO系統(tǒng)的信道模型系統(tǒng)的信道模型2.1 RF信道模型信道模型 )()()(ttHxtyNMMMNNhhh

7、hhhhhhH,2,1 ,22,21 ,2, 12, 11 , 1.無(wú)線通信的信道模型其中：輸入信號(hào)矩陣為： TNtxtxtxtx)(),.,(),()(21輸出信號(hào)矩陣為： TMtytytyty)(),.,(),()(21噪聲矩陣為： TMtttt)(),.,(),()(21信道衰減系數(shù)為： 2.2 MIMO系統(tǒng)的信道容量系統(tǒng)的信道容量 2.2.1 信道系數(shù)確定時(shí)的信道系數(shù)確定時(shí)的MIMO系統(tǒng)的容量系統(tǒng)的容量 根據(jù)信息論，可定義MIMO信道的容量為：其中， ： 是矢量 的概率密度函數(shù) ； ： 是矢量 和 之間的互信息量；其中， 和 分別是接收信號(hào)矢量和噪聲矢量的熵； ：是在給定 的條件下收到

8、 的條件熵。 );(max)(yxICxp)(xp);( yxIxyx)()()()();(HyHxyHyHyxI)(yH)(H)( xyHxy則互信息量為：)(detlog);(*02HHRNNEIyxIxxsMxxRx其中， 為發(fā)送信號(hào)矩陣 的協(xié)方差矩陣； 為發(fā)送天線上的總功率。 sE可得MIMO系統(tǒng)的信道容量為： )(detlogmax);(max*02)(,)(,HHRNNEIyxICxxsMNRtrRNRtrRxxxxxxxx該式的信道容量C為MIMO系統(tǒng)鏈路無(wú)差錯(cuò)傳輸?shù)念l譜效率或者單位帶寬上的數(shù)據(jù)速率。若給定的帶寬為B赫茲，則MIMO系統(tǒng)的最大傳輸速率就為每秒BC比特。 H矩陣的奇

9、異值分解：其中， 和 都是酉矩陣； 為對(duì)角矩陣： 是 的正特征值， 因此，MIMO信道可以等效為由矩陣 的特征值表征的特征信道 。 VUHUV)0 , 0 ,(21mdiagm,1 HHW,minMNm W 發(fā)送端已知信道發(fā)送端已知信道CSI的情形的情形信道容量可以化簡(jiǎn)為其中， 考慮到 和 為半正定矩陣，采用注水分布原則來(lái)分配發(fā)送功率，則系統(tǒng)的信道容量為： 為非零的 的正特征根數(shù)目，有 ； 為“水平線 “。 )det(logmax02)(,NDICMEDtrDsVRVNEDxxsxxRD)(log012NCimimxxRmm 發(fā)送端未已知信道發(fā)送端未已知信道CSI的情形的情形 由于發(fā)送端很難得

10、到有關(guān)信道的知識(shí)，在分析信道容量時(shí)，此時(shí)只能選擇發(fā)送信號(hào)的互協(xié)方差矩陣為 ，即在每副發(fā)送天線上發(fā)送等功率、不相關(guān)的信號(hào)，此時(shí)能最大化互信息量的輸入信號(hào)是高斯分布，則其信道容量可化簡(jiǎn)為： 考慮酉矩陣及行列式的性質(zhì)，可得信道容量為：NxxIR)(detlog*02HHNNEICsM)1 (log012NNECismi 幾種特殊情形幾種特殊情形 SISO系統(tǒng)： SIMO系統(tǒng)： 采用最大比合并： 選擇性合并： MISO系統(tǒng)： MIMO系統(tǒng)：（正交并行信道）)1 (log202hNECs)1 (log21102jMjshNEC)max1 (log2102jjshNEC)1 (log21102iNishN

11、NEC)1 (log02NNENCs歷經(jīng)信道容量與信噪比間關(guān)系N=M 2.2.2 信道系數(shù)隨機(jī)時(shí)的信道系數(shù)隨機(jī)時(shí)的MIMO系統(tǒng)的容量系統(tǒng)的容量 平均信道容量： 中斷信道容量 ： 定義定義：如果系統(tǒng)的信道容量小于某一固定值 的概率為一個(gè)較小的數(shù)值 ，即有則稱 為中斷概率，稱 為中斷容量。)(CECavgoutCoutCoutPoutroutPP CCoutCoutP中斷信道容量與信噪比間關(guān)系中斷概率為10%，N=M結(jié)論：結(jié)論：當(dāng)發(fā)送天線數(shù)一定時(shí)，信道容量隨著接收天線數(shù)的增加而增加；當(dāng)接收天線數(shù)一定時(shí)，信道容量隨著發(fā)送天線數(shù)的增加而增加，但增加的幅度要小一些，即存在“地板效應(yīng)”。246810468

12、101214信道容量(Hz*bit/s)天線數(shù)n(個(gè)) 信噪比SNR=15dB 發(fā) 天 線 數(shù) -1 收 天 線 數(shù)-1 收 發(fā) 天 線 數(shù) 相 等信噪比一定時(shí)，信道容量與天線數(shù)量間的關(guān)系3 空時(shí)編碼空時(shí)編碼n空時(shí)編碼技術(shù)：空時(shí)編碼技術(shù)： 空時(shí)分組碼：（利用正交性） 空時(shí)分層編碼： 空時(shí)格形碼：（發(fā)射分集和網(wǎng)格碼結(jié)合） 差分/酉空時(shí)編碼： 空頻碼 ： 3.1 空時(shí)分組碼：空時(shí)分組碼： Alamouti提出了兩個(gè)發(fā)射天線的空時(shí)分組碼。其性能、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)滿速率、滿分集。 3.3.1 編碼原理：編碼原理：STBC的發(fā)送原理 3.3.1 STBC編碼原理：編碼原理：二進(jìn)制信號(hào)經(jīng)星座映射后得到調(diào)制

13、符號(hào) ，再經(jīng)STBC編碼后得到碼子矩陣為：*12*21xxxxX,21xx碼字矩陣滿足的關(guān)系： （正交性）12120TXXx xx x3.1.2 STBC譯碼原理譯碼原理圖 Alamouti空時(shí)碼的接收機(jī)接收天線在時(shí)刻t和t+T的接收信號(hào)分別為r1、r2,有 采用極大似然譯碼，即從星座中找出一對(duì)符號(hào) ，使下式的歐式距離最?。?*12*212122111)(xhxhrxhxhr),(21xxmin),(),(122122221112xhxhrdxhxhrd接收端得到合并后的信號(hào)為1212222121122221112221221112)()()()(hhxhhrhrhxhhxhhrhrhx3.1

14、.3 正交空時(shí)分組碼正交空時(shí)分組碼 為了將空時(shí)分組碼推廣到多個(gè)天線，通常有著兩種思路： 一種：是vapid Tarokh等人基于滿分集提出了正交空時(shí)分組碼; 另一種：是H.Jafarkhani等基于滿傳輸率提出了準(zhǔn)正交空時(shí)分組碼。3.1.3 正交空時(shí)分組碼正交空時(shí)分組碼 實(shí)信號(hào)的空時(shí)分組碼設(shè)計(jì)：MIMO系統(tǒng)的編碼矩陣碼率：?jiǎn)挝粫r(shí)間片內(nèi)平均發(fā)送的調(diào)制符號(hào)的個(gè)數(shù)。1PKR2N4N12221xxXxx結(jié)論： 碼率為1，頻譜效率為m ; 沒(méi)有帶寬損失。即在獲得最大分集增益的同時(shí)可以獲得m 的頻譜效率； 由于各天線上發(fā)送的信號(hào)是相互正交的，這使得接收端的極大似然譯碼算法容易實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行簡(jiǎn)單的線性處理即可。

15、HZbps/HZbps/8N1R5N基于方陣的實(shí)正交碼設(shè)計(jì)困難，可推廣到非方陣：1R3N1R6N7N1R 復(fù)信號(hào)的空時(shí)分組碼設(shè)計(jì)：復(fù)信號(hào)的空時(shí)分組碼設(shè)計(jì)：3N4N21R21R瑞利衰落，16QAM調(diào)制，不同合并準(zhǔn)則下的誤碼率曲線（慢衰落）1x2 和2x1系統(tǒng)的斜率相同，2x2 和1x4系統(tǒng)的斜率相同，說(shuō)明具有相同的分集增益。接收天線數(shù)為1時(shí)，瑞利衰落下的誤碼率曲線4 BLAST分層空時(shí)碼分層空時(shí)碼4.1分層空時(shí)碼的模型分層空時(shí)碼的模型4.2 分層空時(shí)碼的分類：分層空時(shí)碼的分類：按發(fā)送端分路的不同方式可分為： 水平分層空時(shí)編碼（VBLAST coding）； 垂直分層空時(shí)編碼（HBLAST cod

16、ing）； 對(duì)角空時(shí)分層編碼（DBLAST coding）；4.2 分層空時(shí)碼的編碼原理分層空時(shí)碼的編碼原理對(duì)角空時(shí)分層碼對(duì)角空時(shí)分層碼三種碼的特點(diǎn)：n對(duì)角分層空時(shí)碼：具有較好的空時(shí)特性和層次結(jié)構(gòu)，它是可以達(dá)到MIMO系統(tǒng)理論容量的一種空時(shí)復(fù)用方案，但具 有的 傳輸冗余，且由于其編碼與譯碼都比較復(fù)雜，故在實(shí)際應(yīng)用中并不多見(jiàn)。n水平分層空時(shí)碼：編碼雖然容易實(shí)現(xiàn)，但由于空時(shí)特性最差也很少使用。n垂直分層空時(shí)碼：其空時(shí)特性及其層次結(jié)構(gòu)較對(duì)角分層空時(shí)編碼要差一些，但沒(méi)有傳輸冗余，且由于垂直分層空時(shí)碼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故在實(shí)際中應(yīng)用較多。bitNN2)1(4.3 分層空時(shí)碼的譯碼分層空時(shí)碼的譯碼 最大似然譯碼算

17、法（ML）： 線性譯碼算法：n迫零算法：n最小均方誤差譯碼算法：4.3 分層空時(shí)碼的譯碼（算法）分層空時(shí)碼的譯碼（算法）2minargHXrXGrx HHHHHG1)(rHINHHGrxHMH10)( 非線性譯碼算法n不排序的串行干擾消除： 首先從接收向量中檢測(cè)出某一天線發(fā)送數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)分量.再?gòu)慕邮障蛄恐邢テ溆绊?然后繼續(xù)依次檢測(cè)剩余的分量。每個(gè)分量被檢測(cè)出后.便用于消除其對(duì)剩下的信號(hào)的影響。n排序的串行干擾消除： 按照信噪比的大小進(jìn)行排序，首先檢測(cè)出信噪比最大的一路信號(hào)，再?gòu)慕邮障蛄恐邢テ溆绊?然后再次按信噪比的大小進(jìn)行排序，繼續(xù)依次檢測(cè)剩余的分量。 依據(jù)不同的線性檢測(cè)方法.可以分為ZF

18、 SIC和 MMSE SIC。n并行干擾抵消（PIC）： 首先進(jìn)行初始判決，得到初值；再消除干擾的影響 ，進(jìn)行判決。n球形解碼(Sphere-Decode)： 和最大似然譯碼有相似的性能，但算法簡(jiǎn)單。當(dāng)發(fā)送信息符號(hào)向量是等概率時(shí)，它等價(jià)于求解如下的代價(jià)函數(shù)問(wèn)題， n迭代譯碼算法： 非線性譯碼算法2minargHxrxxML譯碼算法的誤碼性能譯碼算法的誤碼性能瑞利衰落下，4QAM調(diào)制，M=4誤碼率曲線瑞利衰落下，16QAM調(diào)制，M=4誤碼率曲線5 STBC+BLAST的混合空時(shí)編碼nBLAST碼的優(yōu)點(diǎn)：復(fù)用增益高，能夠獲得極高的頻譜效率；nBLAST碼的缺點(diǎn)是：誤碼率大，譯碼算法復(fù)雜；nSTBC碼的優(yōu)點(diǎn)：分集增益大，誤碼率較??；nSTBC碼的缺點(diǎn)：損失了復(fù)用增益，系統(tǒng)的傳輸速率較低。5 STBC+BLAST的混合空時(shí)編碼5 STBC+BLAST的混合空時(shí)編碼不