LTE移动通信系统第3章 MIMO多天线技术.pdf
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1、第3章MIMO多天线技术第3章MIMO多天线技术 MIMO的引入A空间分集技术AMIMO空时编码技术AMIMO空间复用技术AMIMO预编码技术AMIMO与OFDM技术的结合AMIMO其他相关技术第3章MIMO多天线技术 MIMO的引入A空间分集技术AMIMO空时编码技术AMIMO空间复用技术AMIMO预编码技术AMIMO与OFDM技术的结合AMIMO其他相关技术rsi3.1 MIMO的引入20世纪80年代以来,无线移动通信发展迅速,由单 纯的模拟语音通信系统发展到数字语音、基于IP的多媒 体数据通信系统。LTE项目是3G的演进,它改进并增强了3G的空中接 入技术,采用FDM和MIM作为其无线网
2、络演进的唯一 标准。LTE系统可以实现上行峰值达到50Mbps、下行峰值 达到100Mbps的目标,极大的提高了传输速率和频谱利 用率。rsi3.1 MIMO的引入3GPPLTE/LTE-A国际标准中提出的几种研究方案和拟解决技术 MIM增强技术 FDM技术 多点协作(CoMP)中继(Relay)异构网络(HetNet)MIM技术利用空间的随机衰落和延迟扩展,对达到用户平均吞吐量和频谱效率要求起着至关重要的作用,是实现高速 无线数据传输的关键技术。,mrsi3.1 MIMO的引入MIM概述多输入多输出(Mu用pie Input Multipleutput)技术 是种用描述多天线无线通信系统的抽
3、象数学模型。发射端:输入的串行码流通过某种方式(编码、调 制、加权、映射)转换成并行的多路子码流,通过不同 的天线同时同频发送出去。接收端:利用信道传输特性与发送子码流之间一定 的编码关系,对多路接收信号进行处理,从而分离出发 送子码流,最后转换成串行数据输出。rsi3.1 MIMO的引入 MIM技术发展历史1908年Marconi提出通过使用多根天线来抑制信道衰落70年代 提出将MIM技术用于通信系统1995年Teladar给出了在衰落情况下的MIMO容量1996年Foshini提出了对角分层空时(D-BLAST)算法1998年Tarokh等讨论了用于多入多出的空时码1998年Wolnian
4、sky等人采用垂直分层空时(V-BLAST)算 法建立了一个MIM实验系统第3章MIMO多天线技术 MIMO的引入A空间分集技术AMIMO空时编码技术AMIMO空间复用技术AMIMO预编码技术AMIMO与OFDM技术的结合AMIMO其他相关技术,mrsi3.2空间分集技术3.2.1分集技术概述多径衰落:无线电波在传播过程中,由于受到周围 障碍物和反射体的反射、绕射和散射作用,所以接收端 接收到的信号是来自不同传播路径的多个信号的叠加。分集技术:接收端对收到的携带同一信息的多个衰 落特性相互独立的信号按一定规则进行合并,从而获得 信号噪声功率比的改善。在无线移动通信中广泛使用分集技术来减小多径衰
5、 落的影响。(1)时间分集同一信号,多次发送,当两次发送信号的时间间隔足 够大时,每次发送信号的衰落将是相互独立的。通常要求 重传的时间间隔满足以下关系:AT =-一 2厶 2(v/2),是最大多普勒频移,V是移动速度,是工作波长(2)频率分集移动通信中,当频率间隔大于相关带宽时,两个信 号的衰落是不相关的。利用这种多径衰落的频率独立性 可以实现频率分集。图3.1频率分集接收示意图相关带宽通常按下式计算:Bc其中,为时延扩展。2必(3)空间分集在移动环境中,同一时间不同地点的信号衰落是不同 的,当相距的距离足够远时,信号的衰落特性是相互独立的。这种利用多径衰落空间独立性的分集方式称为空间分集。
6、不同天线信号的相关系数随着天线间距离的增加而呈 波动衰减。当相关系数小于0.2时,可以近似地认为两个信 号是不相关的。空间分集分为分集发送和分集接收。rsi3.2空间分集技术极化分集定向双极化天线:把垂直极化和水平极化两副接收 天线集成到个物理实体中,通过极化分集接收来达到 空间分集接收的效果。双极化天线的要求:空间上的位置分离 正交特性 水平跟踪特性 较高的交叉极化分辨率 隔离度3.2空间分集技术3.2.2多天线分集技术单输入多输出(SIM)系统:采用接收分集技术,可以提高接收端的信噪比,从而提 高信道的信道容量和频谱利用率。3.2空间分集技术多输入单输出(MISO)系统:MIS系统采用发射
7、分集技术,同样可以提高系统的性能。3.2空间分集技术絃a多输入多输出(MIMO)系统:MIM系统在无线链路的两端都使用多根天线,与SIMO 和MIS系统相比,可以取得巨大的信道容量。图3.4MIMO系统3.2.3分集接收合并方法分集接收即在接收端将不相关的信号副本进行组合。常用的分集合并方法:选择合并 最大比合并 等增益合并rsi3.2空间分集技术(1)选择合并接收机对多 个接收分支一直进 行扫描,从中选择 每个信号间隔处具 有最大瞬时信噪比 的信号作为输出信 号。选择合并器号信 出 输V-射频前端图3.5选择合并方案图(2)最大比合并最大比合并是种线性合并方法,它对各路信号分别进 行加权,权
8、重是由各支路信号所对应的信噪比所分配的,各 支路输入的信号分别按权重相加由此获得输出信号。由于各支路信号在叠加的时候需要确保它们具有相同的 相位,所以每根天线都必须有各自的调相电路。位TSI3.2空间分集技术最大比合并射频前端射频前端图3.6最大比合并方案图号,信出 输线性合并器-接收信号rsi3.2空间分集技术每个天线的加权因子的大小与其信号的信噪比成正比。可以设表示接收信号的相位,表示接收信号的幅度,则 加权因子:or.=A 曲输出信号:Ni=l,mrsi3.2空间分集技术等增益合并等增益合并 不需要计算每条 分集支路上的信 噪比,只需要把 每条分集支路信 号进行同相调制 后直接叠加,要
9、求各支路的权重 相等。射频前端权重国二eV射频前端图3.7等增益合并方案图线性合并器输出信节第3章MIMO多天线技术 MIMO的引入A空间分集技术AMIMO空时编码技术AMIMO空间复用技术AMIMO预编码技术AMIMO与OFDM技术的结合AMIMO其他相关技术rsi3.3 MIMO空时编码技术概述空时编码:利用信号空间及时间的相关性,在不 牺牲信道带宽的前提下,可以在接收端提供编码增益 以及分集增益,从而提高信息传输速率。空时编码技术的三种主要方案:分层空时码 分组空时码 网格空时码,mrsi3.3 MIMO空时编码技术3.3.1 空时网格码空时网格码(STTC)利用的是网格编码技术进行编码
10、,在接收端采用维特比译码算法进行译码。空时网格码技术将编码和调制结合在起,既不降低 频带利用率,又不降低功率利用率,而是以增加系统复杂度 为代价换取编码增益。1998年Tarokh等人通过差错控制编码、调制、发射和 接收分集等技术进行联合设计,提出了空时网格码,并且给 出了基于平坦慢衰落、快衰落信道假设条件下的空时网格码 设计准则。rsi3.3 MIMO空时编码技术准静态瑞利衰落信道下的空时网格码的基本设计准则:秩准则:假设对于所有不同码X1和X对,矩阵A=(X1-X2)H(X1-X2)是满秩的,那么可以获得最大的增益。行列式准则:若采用秩准则获得了满秩条件,为最大可能地获得编码优 势,对所有
11、的不同码A的特征值乘积的最小值(即可能的A矩 阵的最小行列式)应该最大。rsi3.3 MIMO空时编码技术3.3.2 空时分组码空时分组码(STBC)利用码字的正交设计原理将输入信 号编码成相互正交的码字,在接收端再利用最大似然检测 算法得到原始信号。图3.8 Alamouti STBC编码器的原理框图rsi3.3 MIMO空时编码技术假设采用“进制调制方案,在Alamouti空时编码中,首 先调制每组机(根二 log2M)个信息比特。然后,编码器在 每一次编码操作中取两个调制符号和的一个分组,并根 据如下给出的编码矩阵将它们映射到发射天线:rsi3.3 MIMO空时编码技术假设接收端只有一根
12、接收天线,两根发射天线到接收天线 的信道衰落系数分别为4和鱼。),则在接收天线端,两个 连续符号周期中的接收信号为:=h1x1+h2x2+4r2-rx2+/z2x1+n2厶,分别为两个连续符号周期中的接收信号,丹和的加性 高斯白噪声。3.3 MIMO空时编码技术絃aSTBC的译码采用最大似然译码方案:2 元12(2)=arg 加W+2(1)+2(22)+其中,。为调制符号对(床)的所有可能集合,屋(表示欧 氏距离的平方,和是通过合并接收信号和信道状态信 息构造产生的两个判决统计,表示为:7*7*=+h2r=2厶+弓rsi3.3 MIMO空时编码技术则统计结果可以表示为:十瓦疋芯=(|4|2+|
13、色|4/+広统计结果司=1,2)仅仅是不1=1,2)的函数,因此,可以 将最大译码准则式分为对于和的两个独立的译码算法,即:a二 arg min%2+|/z2|2-lj|%12+屋(吊,4)x2=arg min X2ES(同2+间292 2+d2(x29x2)3.3 MIMO空时编码技术AlamoutiI-TT1010-110210-310-4106信噪比/dB图3.9 Alamouti的误码率性能Nt=1,Nr=1Nt=1,Nr=2Nt=2,Nr=1Nt=2,Nr=2齊跳擊3.3 MIMO空时编码技术多发射天线的STBC将Alamouti方案推广到多个发射天线的情况对于“=2根发射天线,传输
14、矩阵为:对于=4根发射天线,传输矩阵为:X2%一 一2rsi3.3 MIMO空时编码技术对于=8根发射天线,传输矩阵为:根据这些矩阵可以看出,发射天线数”和传输这组码的 时间周期都等于消息符号的长度。rsi3.3 MIMO空时编码技术当 V8时,时间周期P的最小值为:nt=2 P=2=3 p=4%=4 p=4n=5 p=8nt=6 p=8%=7 p=8n=8 2=8正交原理构造出来的码字并不是唯一的,当发射天线数 为3时,其传输矩阵为:-21疝沛勿 1:照、3.3 MIMO空时编码技术前面的传输矩阵适用于实信号星座的情况,下面给出 复信号星座的情况。Alamouti方案可以看做发射天线数为2的
15、复信号空时分 组码,其传输矩阵可以表示为:*2 该方案提供了完全分集2、全速率1的传输。rsi3.3 MIMO空时编码技术对于=3,4的情况,其复传输矩阵为:空时分组码能够克服空时网格码复杂的问题,合理设计的空时分组码能提供一定的发送分集度。,mrsi3.3 MIMO空时编码技术3.3.3 酉空时码Hughes等学者研究了接收端没有信道参数估计的盲空 时块码,Hochwald等根据信息论中瑞利衰落信道的信道容 量推导出了酉空时码(USTC),它要求发送码块为酉矩阵,接收端可以在信道状态未知的情况下进行最大似然译码。3.3 MIMO空时编码技术出并转换厚 空码 酉编信息比特流-VV:VN图3.1
16、0酉空时码编码器将信息流串并转换为M个并行的子比特流,酉空时 调制器将M个子比特流映射到复酉空时信号上,其元素 由此在个符号间隔中从M根天线上发射出去。,mrsi3.3 MIMO空时编码技术3.3.4差分空时码假定信道响应从个符号周期到下个符号周期近似 为常数,差分编码是将发射信息编码为两个连续符号之间 的相位差。先发送参考符号,然后发送差分相移符号。接 收端通过比较当前符号和前符号的相位差进行译码。第3章MIMO多天线技术 MIMO的引入A空间分集技术AMIMO空时编码技术AMIMO空间复用技术AMIMO预编码技术AMIMO与OFDM技术的结合AMIMO其他相关技术rsi3.4 MIMO空间
17、复用技术空间复用技术:在相互独立的多个并行的子信道上 传输不同的信息流。采用BLAST技术,系统频谱效率可 以随天线个数成线性增长。分层空时码(BLAST)技术:如同在原有频段上建立 了多个互不干扰、并行的子信道,并利用先进的多用户 检测技术,同时准确高效地传送用户数据。其结果是极 大提高前向和反向链路容量。3.4 MIMO空间复用技术图3.11空间复用技术原理图rsi3.4 MIMO空间复用技术空间多路复用系统的三种模式:对角分层空时码(D-BLAST,Diagonal BLAST)垂直分层空时码(V-BLAST,Vertical BLAST)螺旋分层空时编码(T-BLAST)3.4.1 D
18、-BLAST原始数据被分为若干子流,每个子流之间分别进行 编码,但子流之间不共享信息比特,每个子流与一根天 线相对应,但是这种对应关系周期性改变。瓦。,-%q-I4%-图3.12 D-BLAST它的每层在时间与空间上均呈对角线形状,称为D-BLASTrsi3.4 MIMO空间复用技术3.4.2 V-BLASTV-BLAST采用种直接的天线与层的对应关系,即编码 后的第/个子流直接送到第1根天线,不进行数据流与天线之 间对应关系的周期改变。H3.13 V-BLAST数据流在时间与空间上为连续的垂直列向量,称为V-BLAST。3.4 MIMO空间复用技术向量编码器V.BALST信号检测图3.14
19、V-BLAST系统基本框图国 Z W)为发送端发送的数据,(以 收端接收到得数据。rsi3.4 MIMO空间复用技术V-BLAST系统输入和输出之间的关系:y=Hx+nH为信道矩阵,X为发送的数据向量,y为接收到的数据 向量,n为噪声。发送端将单的数据流被分成M个子数据流,每个子 数据流被编码成符号串,之后送到各自的发射端,发射器 以1/符号每秒的速率工作,并且要求符号定时同步。rsi3.4 MIMO空间复用技术常用的检测技术:最大似然检测(ML,Maximum Likelihood)算法 迫零检测(ZF,Zero-Forcing detection)算法 最小均方误差(MMSE,Minimu
20、m Mean-Square Error)算法 串行干扰消除检测算法rsi3.4 MIMO空间复用技术最大似然检测(ML)算法ML算法是计算接收信号向量y与所有可能的后处理向 量(所有可能的发射信号向量X与给定信道矩阵H的乘积)之间的欧氏距离,并找到个最小的距离。ML检测将发送的信号向量估计为:=arg min|y-Hx XGQ2Q表示在旳个发射天线中所有可能的星座点组合。,mrsi3.4 MIMO空间复用技术线性检测算法线性MIM检测:通过对接收信号向量进行线性滤波,分离不同发射天线上的发射信号,然后对分离后的信号进 行独立检测。迫零检测(ZF)算法ZF线性检测算法基于最小二乘估计原理,所谓的
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