第5章4移動(dòng)通信系統(tǒng)-關(guān)鍵技術(shù)2MIMO

張文勝zhangwsh@zhang8181@SchoolofInformationScienceandEngineeringShandongUniversity第5章移動(dòng)通信系統(tǒng)II.關(guān)鍵技術(shù)—MIMO通信系統(tǒng)概論2移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展中的顛覆性技術(shù)移動(dòng)通信系統(tǒng)每一次更新?lián)Q代都有顛覆性技術(shù)引領(lǐng)1G2G3G4G5G大區(qū)制到蜂窩，F(xiàn)DMA接入模擬到數(shù)字，TDMA接入單一話音到多媒體，CDMA接入OFDM-MIMO，空域資源利用？：頻譜，接入，組網(wǎng)容量話音業(yè)務(wù)和容量多媒體業(yè)務(wù)和容量高速高質(zhì)多媒體業(yè)務(wù)和容量容量，能耗，業(yè)務(wù)移動(dòng)通信系統(tǒng)每一次更新?lián)Q代都解決了當(dāng)時(shí)的最主要需求31G：模擬蜂窩+FDMAPowerFrequencyTimeFDMA高功率（200－250w）的發(fā)射天線幾百甚至上千平方公里的范圍的覆蓋每個(gè)大區(qū)的可用信道數(shù)很少

蜂窩系統(tǒng)是一種革命性的變革提高了頻譜利用率和系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量FDMA：每個(gè)用戶占用一個(gè)頻率特點(diǎn)：以頻率復(fù)用為基礎(chǔ)，以頻帶劃分小區(qū)頻率受限，需要嚴(yán)格的頻率規(guī)劃以頻道區(qū)分用戶地址大區(qū)制蜂窩最主要需求：系統(tǒng)容量42G：數(shù)字技術(shù)+TDMAFrequencyPowerTimeFDMA/TDMA數(shù)字化技術(shù)，如數(shù)字語(yǔ)音編碼技術(shù)，是2G移動(dòng)通信的主要突破

意義：

提高通話質(zhì)量（數(shù)字化＋信道編碼糾錯(cuò)） 提高頻譜利用率（低碼率編碼） 提高系統(tǒng)容量（低碼率，語(yǔ)音激活技術(shù)）TDMA:每個(gè)用戶占用一個(gè)時(shí)隙，提高系統(tǒng)容量特點(diǎn)：以頻率復(fù)用為基礎(chǔ)，小區(qū)內(nèi)以時(shí)隙區(qū)分用戶每個(gè)時(shí)隙傳輸一路數(shù)字信號(hào)，軟件對(duì)時(shí)隙動(dòng)態(tài)配置最主要需求：高質(zhì)量話音，系統(tǒng)容量53G：Turbo碼+CDMATurbo碼90年代以前，主流的前向糾錯(cuò)技術(shù)是線性分組碼和卷積碼，其性能與Shannon在1948年提出的理論可達(dá)限之間存在較大距離。1993年，C.Berrou等人提出了Turbo碼，徹底顛覆了所有人們認(rèn)為成功的糾錯(cuò)碼所要具備的因素。在復(fù)雜度可控的譯碼器的協(xié)助下,達(dá)到了近Shannon限的性能。Turbo碼在3G的應(yīng)用，使得3G能夠支持多媒體業(yè)務(wù)，打破了2G只支持話音和短消息業(yè)務(wù)的局限。FrequencyCDMAPowerTimeCDMA：每個(gè)用戶使用一個(gè)碼型，頻率/時(shí)間共享特點(diǎn)每個(gè)碼傳輸一路數(shù)字信號(hào)每個(gè)用戶共享時(shí)間和頻率軟容量、軟切換，系統(tǒng)容量大最主要需求：多媒體業(yè)務(wù)，系統(tǒng)容量64G：OFDM-MIMO+空分多址SDMA最主要需求：高質(zhì)量多媒體業(yè)務(wù)，更大系統(tǒng)容量6MIMO：多根發(fā)射天線與多根接收天線打破利用時(shí)、頻、碼三維資源傳輸數(shù)據(jù)的局限，有效開(kāi)發(fā)了新的空域資源。基于MIMO的SDMA進(jìn)一步提高頻譜效率。OFDM：多個(gè)低速數(shù)據(jù)流同時(shí)調(diào)制在相互正交的子載波上傳送，適用于無(wú)線寬帶信道下的高速傳輸。與CDMA相比，OFDM傳送數(shù)據(jù)的速度更快，并且能夠更好地對(duì)抗無(wú)線傳輸環(huán)境中的多徑效應(yīng)。7提高容量——更高頻譜效率：多址接入多址技術(shù)是移動(dòng)通信系統(tǒng)升級(jí)換代的核心之一1G：頻分多址（FDMA）2G：時(shí)分多址（TDMA）3G：碼分多址（CDMA）4G：空分多址（OFDMA+SDMA）4G以O(shè)FDM-MIMO為核心的OFDMA和SDMA具有很強(qiáng)的生命力新型無(wú)線接入的嘗試：非正交？？趨勢(shì)：?jiǎn)我毁Y源到多維資源聯(lián)合使用,提高資源利用率頻率時(shí)間功率FDMA頻率時(shí)間功率TDMACDMA時(shí)間頻率功率1G2G3G4GMIMO(Multiple-InputMultiple-Output)即是多輸入多輸出技術(shù)，是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線和接收天線，信號(hào)通過(guò)發(fā)射端和接收端的多個(gè)天線傳送和接收，從而改善每個(gè)用戶的服務(wù)質(zhì)量（誤比特率或數(shù)據(jù)速率）。

MISO系統(tǒng)

SIMO系統(tǒng)

MIMO的技術(shù)特點(diǎn)點(diǎn)到點(diǎn)的固定微波系統(tǒng)中也只有10~12bit/s/Hz

MIMO技術(shù)在室內(nèi)傳播環(huán)境下的頻譜效率可以達(dá)到20~40bit/s/Hz傳統(tǒng)無(wú)線通信技術(shù)在移動(dòng)蜂窩中的頻譜效率僅為1~5bit/s/HzMIMO信道是在收發(fā)兩端使用多個(gè)天線，每個(gè)收發(fā)天線之間形成一個(gè)MIMO子信道，假定發(fā)送端存在nR個(gè)發(fā)送天線，接收端有nT個(gè)接收天線，系統(tǒng)框圖如圖所示：MIMO的基本原理MIMO的基本原理MIMO系統(tǒng)的信道用一個(gè)nR×nT的復(fù)數(shù)矩陣H描述，其中hij表示從第i個(gè)發(fā)送天線到第j個(gè)接收天線的信道衰落系數(shù)。

MIMO的基本原理

接收信號(hào)和噪聲可以分別用兩個(gè)nR×1的列向量y和n表示。n均值為0，功率為σ2。通過(guò)這樣一個(gè)線性模型，接收信號(hào)可以表示為

接收信號(hào)的功率可表示為MIMO的基本原理

對(duì)于分別配有nT

根發(fā)射天線和nR

根接收天線的MIMO信道，發(fā)射端在不知道傳輸信道的狀態(tài)信息條件下，如果信道的幅度固定，則信道容量可以表示為

式中的min為nT

和nR的最小數(shù)，?為信噪比，矩陣Q的定義如下：空時(shí)編碼空時(shí)塊編碼（STBC）空時(shí)格碼（STTC）分層空時(shí)碼（LST）

具有良好的分集增益。

不僅具有優(yōu)良的分集增益，還具有良好的編碼增益?？色@得較高的復(fù)用增益。

STBC編碼

空時(shí)塊編碼（STBC）能使MIMO系統(tǒng)獲得良好的分集增益，其本質(zhì)是將信號(hào)經(jīng)過(guò)正交編碼后由多根天線發(fā)送，由于經(jīng)過(guò)正交編碼后的信號(hào)相互獨(dú)立，所以在接收端可以很容易的將信號(hào)區(qū)別開(kāi)來(lái)。在接收端只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的線性合并即可獲得發(fā)送信號(hào)。

STBC編碼

以雙天線為例，又稱為AlamoutiSTBC編碼器，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。STBC編碼

信源發(fā)出的二進(jìn)制比特信息首先進(jìn)行數(shù)字調(diào)制，調(diào)制為M=2m進(jìn)制的符號(hào)。然后AlamoutiSTBC編碼器選取連續(xù)的兩個(gè)符號(hào)，根據(jù)下式映射為發(fā)送信號(hào)矩陣。

STBC編碼

天線1發(fā)送信號(hào)矩陣X的第一行，天線2發(fā)送信號(hào)矩陣的第二行。AlamoutiSTBC是在時(shí)域和空域上進(jìn)行編碼。令天線1和天線2的發(fā)送信號(hào)矢量分別為

可以明顯地看出兩根天線發(fā)送的信號(hào)矢量是相互正交的，即STBC編碼相應(yīng)地，編碼矩陣的特征如下式所示：其中，I2是2×2的單位矩陣。

假設(shè)接收機(jī)采用單天線接收。天線1和2所發(fā)送的信號(hào)所經(jīng)歷的信道響應(yīng)系數(shù)分別為STBC編碼

在接收端，相鄰兩個(gè)符號(hào)周期接收到的信號(hào)可以表示為

其中，n1和n2

表示第一個(gè)符號(hào)和第二個(gè)符號(hào)所受到的加性白高斯噪聲的干擾。STBC譯碼

在接收端采用最大似然譯碼器進(jìn)行譯碼，其結(jié)構(gòu)如圖：

假設(shè)在接收端可以獲得理想的信道估計(jì)，且每個(gè)信號(hào)落到信號(hào)星座圖上的概率是等概的，則最大似然譯碼算法要求在信號(hào)星座圖上選擇一對(duì)信號(hào)來(lái)最小化與接收信號(hào)之間的歐氏距離，即STBC譯碼將代入可得最大似然譯碼準(zhǔn)則為

STBC譯碼MIMO的前景展望信道建模和信道容量

與傳播相關(guān)的研究方向

MIMO在未來(lái)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

MIMO系統(tǒng)的信號(hào)設(shè)計(jì)和信號(hào)處理四大技術(shù)難點(diǎn)即研究熱點(diǎn)：

傳統(tǒng)單天線系統(tǒng)向多天線系統(tǒng)演進(jìn)MIMO無(wú)線通信技術(shù)智能天線向多天線系統(tǒng)演進(jìn)MIMO的演進(jìn)MIMO技術(shù)的優(yōu)勢(shì)1.利用了多徑效應(yīng)，抵抗瑞利衰落2.提高信道容量（系統(tǒng)容量幾乎與天線數(shù)成正比）提高頻帶利用率空時(shí)編碼與OFDM技術(shù)大大提高頻帶利用率，室內(nèi)環(huán)境下可達(dá)20～40bps/Hz，而蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中為1～5bps/HzOFDM頻譜空分復(fù)用與OFDM相輔相成

OFDM是一種高效的多載波調(diào)制技術(shù)，它能夠有效地對(duì)抗多徑傳播，從而可靠地接收受到干擾的信號(hào)。到目前為止，對(duì)于OFDM系統(tǒng)的研究已經(jīng)相當(dāng)深人，我們知道OFDM系統(tǒng)獨(dú)自對(duì)抗無(wú)線環(huán)境中的多徑衰落是不夠的，它必須和相應(yīng)的分集技術(shù)結(jié)合起來(lái)，才能更好地發(fā)揮其功效。因此我們可以將MIMO系統(tǒng)和OFDM系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，即構(gòu)成MIMOOFDM系統(tǒng)。3.高速無(wú)線傳輸（802.11n中采用MIMO技術(shù)，傳輸速率最高可達(dá)320Mbps）4.抗干擾能力強(qiáng)2.MIMO技術(shù)數(shù)據(jù)通過(guò)多重切割之后，經(jīng)過(guò)多重天線進(jìn)行同步傳送，為了避免發(fā)生干擾起見(jiàn)