無線通訊中的基本問題

1、現(xiàn)代無線移動(dòng)通信中的基本問題現(xiàn)代無線移動(dòng)通信中的基本問題沈承科沈承科2013.5.9哇恰恰哇恰恰, ,比特比特磚怎么搬呀磚怎么搬呀? ?如何傳輸數(shù)字信號(hào)呢如何傳輸數(shù)字信號(hào)呢? ?告訴你吧，數(shù)字通信就是搬比特磚的過程If 0, then send Cos(wt + 0)If 1, then send Cos(wt + p)00111010010101哈哈哈哈, ,這叫這叫BPSKBPSK調(diào)制調(diào)制If 00, then send Cos(wt + p/4)If 10, then send Cos(wt + 3p/4)00 11 10 10 01 01 01哈哈哈哈, ,這叫這叫QPSKQPSK調(diào)制

2、調(diào)制If 11, then send Cos(wt + 5p/4)If 01, then send Cos(wt + 7p/4)如何傳輸數(shù)字信號(hào)呢如何傳輸數(shù)字信號(hào)呢? ?IQ01BPSK1 bit per symbolIQ00QPSK2 bits per symbol01101116QAM3 bits per symbol星座圖如何傳輸數(shù)字信號(hào)呢如何傳輸數(shù)字信號(hào)呢? ?你看我的傳輸系統(tǒng)做的如何!01cos(wt+p)cos(wt+0)010101cos(wt+p)cos(wt+0)cos(wt+p)cos(wt+0)cos(wt+p)cos(wt+0)調(diào)制錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)錯(cuò)!如何傳輸數(shù)字信號(hào)呢如何傳

3、輸數(shù)字信號(hào)呢? ?如何傳輸數(shù)字信號(hào)呢如何傳輸數(shù)字信號(hào)呢? ?f(t)cos(w wt)-f(t)cos(w wt)f(t)cos(w wt)-f(t)cos(w wt)f(t)cos(w wt)-f(t)cos(w wt)f(t)cos(w wt)-f(t)cos(w wt)升余弦濾波器cos(wt)系統(tǒng)系統(tǒng): : 信道信道Channel Attenuation only s1s2s4s3s1s2s4s3Detected as s2 Channel Attenuation + Guassian noises1s2s4s3s2 or s3 ?信道：簡(jiǎn)單的高斯信道信道：簡(jiǎn)單的高斯信道QPSK2/

4、1 :DrateSend s1系統(tǒng)系統(tǒng): : 信道信道信道：多經(jīng)與衰落信道：多經(jīng)與衰落s1s2s4s3系統(tǒng)系統(tǒng): : 信道信道平坦衰落與選擇性衰落：平坦衰落平坦衰落與選擇性衰落：平坦衰落t1t2t3t4平坦衰落平坦衰落ffff窄帶信號(hào)模型窄帶信號(hào)模型系統(tǒng)系統(tǒng): : 信道信道平坦衰落與選擇性衰落平坦衰落與選擇性衰落t1選擇性衰落選擇性衰落ft2ft3ft4f當(dāng)信號(hào)帶寬很寬是，當(dāng)信號(hào)帶寬很寬是， 分解成多徑，分解成多徑， 每一條徑是一個(gè)平坦衰落每一條徑是一個(gè)平坦衰落信號(hào)嚴(yán)重畸變信號(hào)嚴(yán)重畸變系統(tǒng)系統(tǒng): : 信道信道平坦衰落引起的問題：信號(hào)沒有畸變但會(huì)有奇異的空間黑洞平坦衰落引起的問題：信號(hào)沒有畸變但

5、會(huì)有奇異的空間黑洞fffff黑洞黑洞系統(tǒng)系統(tǒng): : 信道信道選擇性衰落引起的問題：信號(hào)嚴(yán)重畸變選擇性衰落引起的問題：信號(hào)嚴(yán)重畸變系統(tǒng)系統(tǒng): : 信道信道解決衰落引起的問題的兩種截然不同的解決方法：解決衰落引起的問題的兩種截然不同的解決方法： 頻域擴(kuò)展（擴(kuò)頻）以充分利用頻率分集增益頻域擴(kuò)展（擴(kuò)頻）以充分利用頻率分集增益代表性系統(tǒng)：代表性系統(tǒng)： 第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)CDMA，TD-SCDMA 時(shí)域擴(kuò)展以將選擇性信道轉(zhuǎn)成平坦信道時(shí)域擴(kuò)展以將選擇性信道轉(zhuǎn)成平坦信道代表性系統(tǒng)：代表性系統(tǒng)： 第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)LTE，LTE-A系統(tǒng)系統(tǒng): : 信道信道1。頻域擴(kuò)展（擴(kuò)頻）

6、以充分利用頻率分集增益。頻域擴(kuò)展（擴(kuò)頻）以充分利用頻率分集增益寬帶接收機(jī)有一組接收機(jī)組成：寬帶接收機(jī)有一組接收機(jī)組成：每個(gè)接收機(jī)解一條徑（對(duì)應(yīng)于一個(gè)平坦衰落）。每個(gè)接收機(jī)解一條徑（對(duì)應(yīng)于一個(gè)平坦衰落）。每條徑上都有黑洞，但多個(gè)黑洞不會(huì)出現(xiàn)在同一個(gè)地方。于是多條徑合并后黑每條徑上都有黑洞，但多個(gè)黑洞不會(huì)出現(xiàn)在同一個(gè)地方。于是多條徑合并后黑洞就不會(huì)存在了。這就是頻率分集增益。洞就不會(huì)存在了。這就是頻率分集增益。信號(hào)沒有畸變信號(hào)沒有畸變單徑接收機(jī)單徑接收機(jī)單徑接收機(jī)單徑接收機(jī)單徑接收機(jī)單徑接收機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng): : 信道信道2。 時(shí)域擴(kuò)展以將選擇性信道轉(zhuǎn)成平坦信道時(shí)域擴(kuò)展以將選擇性信道轉(zhuǎn)成平坦信道DFT信

7、號(hào)信號(hào)信道信道DFT在時(shí)域上擴(kuò)展（拉長(zhǎng)）在全頻帶上傳輸，由于各頻段衰落不均勻，造成信號(hào)畸變嚴(yán)重只在一個(gè)窄頻帶上傳輸，由于是平坦衰落， 沒有信號(hào)畸變fftt窄帶長(zhǎng)信號(hào)寬帶短信號(hào)如何將信號(hào)的頻帶展寬如何將信號(hào)的頻帶展寬二者相乘得到寬帶信號(hào)這部分稱作擴(kuò)頻碼接收到的寬頻信號(hào)二者相乘恢復(fù)原窄帶信號(hào)信號(hào)1 23465123465f信號(hào)帶寬時(shí)域擴(kuò)展什么是高階信道？什么是高階信道？MIMO = MIMO = 多輸入多輸出信道！多輸入多輸出信道！什么是高階信道？什么是高階信道？MIMO = MIMO = 多輸入多輸出信道！多輸入多輸出信道！MS1Receiver 1Receiver 1SU-MIMOMS1Rec

8、eiver 1MS1Receiver 1Receiver 1Receiver 1SU-MIMOMS1MS2MIMO EQ to de-correlate the channelRevr for MS 1Revr for MS 2MU-MIMO擠擠擠擠, ,再擠擠再擠擠! ! 再擠進(jìn)一個(gè)再擠進(jìn)一個(gè).容量加倍容量加倍! !二人占同一個(gè)的帶寬.MS1Receiver 1X1(t)h11h22h21h12Receiver 2用戶間串?dāng)_用戶間串?dāng)_!nHXY21212221121121nnXXhhhhYY用戶間串?dāng)_用戶間串?dāng)_ IUI !X2(t)Y1(t)Y2(t)MS1Receiver 1X1(t)h1

9、1h22Receiver 2無用戶間串?dāng)_無用戶間串?dāng)_!nHXY212122112100nnXXhhYY用戶間串?dāng)_用戶間串?dāng)_ IUI !X2(t)Y1(t)Y2(t)理想信道理想信道MS1Receiver 1X(t)h11h22h21h12Receiver 2用戶間串?dāng)_用戶間串?dāng)_!nHXY21212221121121nnXXhhhhYYH-121XXXZF equalizernHnHHXHYHX122112221121111121XXYYhhhhXX串?dāng)_全消!MS1MS MRevr for MS 1Revr for MS NHXHXHHHYHHHXHXYHHHH11HHMLHHHG1What h

10、appened if H is not a square matrix?Decorrelator;Zero-force;ML;MS1MS MRevr for MS 1Revr for MS NHNow, Lets add noise termnRHHRHXnRHHRHHXRHHRHYRHHRHXnHXY111111111111HHHHHHHH111RHHRHGHHMLSpace noise covariance matrixMS1MS MRevr for MS 1Revr for MS NH111RHHRHGHHMLNow, Lets add noise termIRRRRnnRR2/2/12

11、/2/1HHHnRnnRHHRHnRRHHRHnRHHRHm2/12/1112/12/111111HHHHHHWhitened noiseMS1MS MRevr for MS 1Revr for MS NH問題！111RHHRHGHHMLnRHHRHXnRHHRHHXRHHRHYRHHRHXnHXY111111111111HHHHHHHH噪聲被放大了！噪聲被放大了！干擾被完全消掉了！干擾被完全消掉了！MS1MS MRevr for MS 1Revr for MS NHMMSE Equalizer！1121RHIHRHGHHMMSE干擾沒被完全消掉了！干擾沒被完全消掉了！噪聲被壓抑了！噪聲被壓抑

12、了！nRHIHRHHXRHIHRHYRHIHRHXnHXY112111211121HHHHHH上面所有信道參數(shù)都是常數(shù)上面所有信道參數(shù)都是常數(shù), ,即必須是噪聲即必須是噪聲信道或平坦衰落信道信道或平坦衰落信道. .對(duì)于選擇性衰落對(duì)于選擇性衰落, ,問題比較麻煩問題比較麻煩. .OFDM OFDM 將將選擇性衰落信道轉(zhuǎn)換成選擇性衰落信道轉(zhuǎn)換成平坦衰落信平坦衰落信道道. . 上面的理論可用上去上面的理論可用上去. .載波載波 1載波載波 2載波載波 3載波載波 NH1H2H3HN均衡均衡 1均衡均衡 2均衡均衡 3均衡均衡 N接收1接收k接收1接收k接收1接收k接收1接收k信源1信源 k12L a

13、ntennas per carrierM antennas per carrierOFMD with N carriers need N NxM equalizersNarrow Band SU-MIMO System ModelPrecoder matrix FDecoder matrix GHs+Fns GNMTMRMRNGnGHFsGysnHFsnHxyFsxWith , Matrix F is tall and matrix G is wide.,min)(RTMMrankNHA model for a single subcarrierG and F can be designed

14、to comprise HxyNarrow Band SU-MIMO System ModelHnnHHHHEMSEGGRIGHFIGHFssssGF,sGnGHFsss)()(:)(The purpose of the optimization is to minimize the MSE(F,G)So, we first find out Gopt with F as a parameter, then Based on Gopt, we further find out the Fopt based on transmit power restriction.Narrow Band SU

15、-MIMO System ModelWe do eigenvector de-composition (since HHRnn-1H is Hermitian matrix):HnnHVVHRH1L LVVHVMTNrankrankQnnH)()(1HHRHQQMTVH=Diagonal matrix arranged with decrease order NNN=Since N=Q, select V & L L to be N is the number of data streams to be transmitted;Q is the channel rank and Q=

16、MinMT, MR;We assume NQ.Narrow Band SU-MIMO System Model 11VFRHVGoptnnHHoptIHssH12)(Fopt =VNMTf11f22fNN推導(dǎo)推導(dǎo),推倒推倒,再推導(dǎo)再推導(dǎo),再推倒再推倒,再推導(dǎo)再推導(dǎo). 最后最后:Narrow Band SU-MIMO System ModelHs+Vns MTMRMR11nnHHoptRHVG1nnRHHHVII0I0IIVVVVHssHHssHHssHHH121212)()()(1VFoptI0I0IVVVVHVRHV11111:channel EquivalentHHnnHH對(duì)角陣對(duì)角陣對(duì)角陣對(duì)角陣Narrow Band SU-MIMO System Model111111 -11 -1-11)(:point at this covariance noise, :NoiseHVRRRHVHVRnnRHV