MIMO技术原理及关键技术课件.pptx

1、CONTENTS MIMO技术原理及关键技术p MIMO技术概述p MIMO系统的基本原理p MIMO系统中的空时处理技术p MIMO的关键技术p MIMO系统在通信系统中的应用第五章 MIMO技术原理及关键技术1.MIMO1.MIMO技术概述技术概述0505核桃AI随着无线通信技术的快速发展，频谱资源的严重不足己经日益成为遏制无线通信事业的瓶颈。所以如何充分开发利用有限的频谱资源，提高频谱利用率，是当前通信急需解决的挑战之一。MIMO技术被认为是未来移动通信与个人通信系统实现高速率数据传输，提高传输质量的重要途径。5.1 MIMO技术概述技术概述MIMO技术指的是多天线发多天线收，从理论上可

2、以证明，如果在发射端和接收端同时使用多天线，那么这种MIMO系统的内在信道并行性必然在提高整个系统容量的同时，提高系统性能。MIMO技术利用多个发射天线和多个接收天线来抑制信道衰落，提高信道容量，提高频谱利用率，总之MIMO技术有效利用了随机衰落和多径传播力量，在同样的带宽条件下为无线通信的性能带来改善核桃AIMIMO技术原理及关键技术2 2.MIMO.MIMO系统的基本原理系统的基本原理0505核桃AI 5.2.1 MIMO系统模型系统模型考虑一个点到点的MIMO通信系统，该系统包括 个发送天线和 个接收天线。系统框图如图5.1所示：核桃AI图5.1 MIMO系统结构图5.2.2 MIMO信

3、道信道在此以基站和移动台作为发射端和接收端来分析。图5-1所示的两个线性天线阵列，在基站的天线阵列上的信号表示为,同理在移动台天线阵列上的信号为。1信道模型信道模型核桃AI1）非频率选择性信道模型在非频率选择性衰落情况下，MIMO信道模型相对比较简单，由于各天线间的子信道等效成一个瑞利的子信道。2）频率选择性信道模型此时MIMO信道模型矩阵可以表示为 其中 5.2.2 MIMO信道信道图5.2给出的将频率选择性信道表示为抽头延时模型，不过在这里L个时延的信道系数用矩阵表示，如图5.2所示。矢量 和 之间的关系可以表示为。1信道模型信道模型核桃AI 图5.2 抽头延时模型5.2.2 MIMO信道

4、信道1）信道相关模型对于典型的城区环境进行研究，设定移动台被许多散射体包围，基站天线附近不存在本地散射物，基站天线阵列位于本地散射物之上，这样使得在基站观察到的功率方位谱（PAS）被限制在相对窄的波束内。2相关信道相关信道核桃AI 2）信道相关系数天线间的相关系数 具有指数形式、Salz-Winters形式等，这一小节将对这两种形式进行具体的分析。5.2.3 MIMO信道容量信道容量1平均功率分配的平均功率分配的MIMO信道容量信道容量核桃AI 假定信道容量的分析模型为复数基带线性系统，发送端配有 根天线，接收端配有 根天线，发射端未知信道的状态信息，总的发射功率为P，每根天线的功率为P/,接

5、收天线接收到的总功率等于总的发射功率，信道受到加性白高斯噪声（AWGN）的干扰，且每根天线上的噪声功率为，于是每根接收天线上的信噪比（SNR）为，并且假定发射信号的带宽足够窄，信道的频率响应可以认为是平坦的，且 的复矩阵H来表示信道矩阵，H的第ji元素 表示第i根发射天线到第j根接收天线的信道衰落系数。下面分别分析单输入单输出（SISO）、多输入单输出（MISO）、单输入多输出（SIMO）和多输入多输出（MIMO）4中情况的信道容量。一般来说，当平均发射功率一定时，信道容量与最小的天线数成正比。因此在理论上，对于理想的随机信道，可以获得无限大的信道容量，只要能为多根天线和相应的射频链路付出足够

6、的代价和提供更大的空间，实际上这是不可能的，因为它要受到实现方法和物理信道本身的限制。5.2.3 MIMO信道容量信道容量2自适应功率分配的自适应功率分配的MIMO信道容量信道容量核桃AI 1）奇异值与特征值分析法MIMO技术的研究的目的时为了探求在丰富的多径环境下，如何去获得多个有效的通信正交子信道，以便进一步增加链路两端的信道容量。正交性意味着这些子信道互相之间是独立的，在数学上，两个终端之间的独立子信道数目可以通过信道矩阵H进行奇异值分解（SVD）或者对瞬时相关矩阵R进行特征值（EVD）来估计。2）信道容量的特征值表示与分析前面的小节中已经给出了平均功率分配方案下的MIMO信道容量的计算

7、公式为了突出L条并行子信道的作用MIMO技术原理及关键技术5.3 MIMO5.3 MIMO系统中的空时处理技系统中的空时处理技术术0505核桃AI目录 文件概念 文件属性、操作、类型 目录结构 树形目录 无环图目录 文件系统支持 VFS NFS FAT13文件概念 文件 操作系统对存储设备的物理属性加以抽象，定义的逻辑存储单位 文件是逻辑外存的最小分配单元 数据只能通过文件才能写入外存中 可存储许多不同类型的信息 文件保存在目录中 通过目录可以找到目标文件14文件属性每个文件除了保存的信息外，还有额外的属性 用于辨识、分类、定位、保护等根据不同的操作系统，文件属性主要包括 名称 标识符 类型

8、位置 尺寸 保护 时间、日期和用户标识15文件属性 名称名称 文件名称是以人类可读形式来保存的唯一信息 用户通过文件名称引用文件 标识符标识符 标识符通常为数字，用于唯一标识文件系统中的文件 标识符是文件人类不可读的名称16文件属性 类型类型 支持不同类型文件的操作系统需要该属性 在Windows和Linux操作系统中，通过文件名的扩展名标识文件类型.txt为文本文件.exe为可执行文件 位置位置 指向设备与设备上下文位置的指针 操作系统通过该指针访问文件内容17文件属性 尺寸尺寸 用于标识文件大小（以字节、字或块为单位）包括文件当前大小和可能允许的最大尺寸 保护保护 用于文件的控制访问权限

9、包括读取、写入、执行等操作权限 时间、日期和用户标识时间、日期和用户标识 保存文件创建、最后修改和最后使用的信息18文件类型 文件类型用于标识文件的含义与用途 操作系统可以阻止用户用不合理的方式操作文件 例如，执行一个文本文件 操作系统通常通过文件扩展名判断文件类型 用户同样可以通过文件名得知文件类型 应用程序也可根据扩展名找到自己感兴趣的文件19文件类型 物联网操作系统支持的常见文件类型20文件类型文件类型常用扩展名常用扩展名含义含义 可执行文件.exe，.com，.bin可运行的机器语言程序目标文件.obj，.o已编译的、尚未链接的机器语言源代码文件.c，.cpp，.java，.perl，

10、.asm各种语言的源代码批处理文件.bat，.sh命令解释程序的命令标记文件.xml，.html，.tex文本数据、文档文字处理文件.xml，.rtf，.docx各种文字处理程序的文件库文件.lib，.a，.so，.dll为程序员提供的程序库打印或可视文件.gif，.pdf，.jpg打印或图像格式的二进制文件档案文件.rar，.zip，.tar压缩文件，用于归档存储多媒体文件.mpeg，.mov，.mp3，.mp4包含音频或视频信息的二进制文件文件操作 文件是抽象的数据类型 需要考虑可对文件执行的操作 操作系统提供了基本的文件操作 创建文件 写入文件 读取文件 重新定位文件 删除文件 截断文件

11、21文件操作 创建文件创建文件 创建文件需要两个步骤 在文件系统中找到足够的空间 在目录中创建新的文件条目 写入文件写入文件 使用系统调用指明文件名和要写入的文件信息 根据给定的文件名称，系统搜索目录以查找文件位置 系统保留写指针（Write Pointer），指向写操作的位置 写入时，通过写指针写入信息并更新写指针22文件操作 读取文件读取文件 使用系统调用指明文件名称和目标内存地址 根据给定的文件名称，系统搜索目录以查找文件位置 系统保留读指针（Read Point），指向读操作的位置 读取时，根据读指针读取内容并更新读指针 读和写操作可公用指针，以节省空间 重新定位文件重新定位文件 搜索

12、目录以寻找指定文件的条目 将当前文件位置指针重新定位到初始值23文件操作 删除文件删除文件 在目录中搜索给定名称的文件 找到关联的目录条目后，释放所有文件空间 删除目录条目 截断文件截断文件 用户可以删除文件的内容，但保留它的属性 除文件长度外，所有属性保持不变 文件重置为零，释放其文件空间24目录概述 系统中存在大量的文件，需要额外的管理 目录对文件进行分类存储，以方便管理和索引 文件转换为目录条目，保存了文件所有的信息 目录结构有多种类型 单级目录 树形目录 无环图目录25目录概述目录支持的操作 搜索文件搜索文件根据文件名称或符号，找到指定文件 创建目录创建目录创建新的目录并添加到原有目录

13、中 删除目录删除目录删除目录及其所有文件 遍历目录遍历目录遍历目录内的文件，获取文件属性或内容 重命名文件重命名文件重命名文件允许改变目录结构内的位置 遍历文件系统遍历文件系统访问每个目录和目录中的每个文件26树形目录 目录分级是常用的目录结构划分思路 目录分级将文件划分成多个类，便于文件索引 根据不同的功能和需求，目录分级包括 单级目录 两级目录 多级目录27树形目录 单级目录 最简单的目录结构 所有文件保存在同一个目录中 根据文件名定位文件28树形目录 单级目录的缺点 所有文件必须拥有唯一的名称用于索引 通过文件名称进行索引的过程十分耗时 不同用户的文件也不能重名 单级目录的适用场景 单用

14、户 文件数量少29树形目录 两级目录 每个用户拥有单独的目录（User File Directory，UFD）用户的所有文件保存在自己的目录中30树形目录 两级目录的用户隔离特性 每个用户拥有独立的文件空间 不同用户可以拥有相同名称的文件 删除文件时，仅删除自己UFD中的文件 避免意外删除其他用户的文件 文件路径 当访问其他用户的文件时，需要同时给出用户名和文件名，即组成了文件路径名 文件拥有唯一的路径名31树形目录 多级目录 将两级目录推广到更多层 允许用户创建自己的子目录 子目录同样是一个文件，以目录条目的形式存在 目录条目中标识该条目为文件或子目录 子目录中包含了多个文件或子目录325.

15、3 MIMO系统中的空时处理技术系统中的空时处理技术核桃AI MIMO系统通过多天线发送并由多天线接收实现最佳处理，可达到很高的信道容量且具有很强的抗衰落能力。这种最佳处理是通过空时编码和解码实现的，即在继续使用传统通信系统具有的时间维的基础上，通过使用多副天线来增加空间维，从而实现多维的信号处理。空时块编码（STBC）、空时格码（STTC）和分层空时码（LST）是三种常见的空时编码，其中，STBC具有良好的分集增益；STTC不仅具有优良的分集增益，还具有良好的编码增益；LST结构可获得较高的复用增益。以下主要就STBC，STTC和LST三种空时码的编码原理和译码准则进行详细地介绍。5.3.1

16、 空时码的设计空时码的设计核桃AI在MIMO系统中，信号的输入输出关系可用矩阵式（5.38）表示其中 y、x、n分别表示输出、输入、噪声向量，为信道的冲激响应矩阵1最大似然最大似然检测检测若接收端已知信道的冲激响应矩阵H。对于给定的接收矩阵Y，最大似然发送矩阵 满足式（5.40）yHxn221arg minarg minnpnpTTTiiFXXiXYHXyHx从式 可以得到空时码的设计准则2空时码的设计准则空时码的设计准则5.3.2 空时空时块编码块编码（STBC）图5.6 Alamouti STBC编码器结构STBC能使MIMO系统获得良好的分集增益，其本质是将信号经过正交编码后由两根天线发

17、送，由于经过正交编码后的信号相互独立，所以在接收端可以很容易的将两路信号区别开来。在接收端只需进行简单的线性合并即可获得发送信号。1Alamouti STBC在Alamouti STBC编码器结构如图5.6所示图5.6 Alamouti STBC编码器结构5.3.2 空时空时块编码块编码（STBC）核桃AI在接收端采用如图5.7的译码器结构进行译码。图5.7 两发一收的Alamouti STBC译码器结构5.3.2 空时空时块编码块编码（STBC）核桃AI假设在接收端可以获得理想的信道估计，且每个信号落到信号星座图上的概率是等概的，则最大似然译码算法要求在信号星座图上选择一对信号 来最小化与接

18、收信号之间的欧氏距离3多接收天线下的译码多接收天线下的译码算法算法两发一收的STBC最大似然译码准则可以很容易地推广到多个接收天线。令第 个接收天线相邻连续两个符号周期的信号为 2Alamouti STBC最大似然译码算法最大似然译码算法4STBC编码编码STBC编码器的基本原理如图5.8所示，信源发出的数据首先经过调制，然后进行STBC，经过STBC后的数据被分别送至 根天线，经 根天线发送。STBC的输出可以用一个 的矩阵 x表示，其中 为发送天线的数目，P 为发送每个块所需要的周期5.3.2 空时空时块编码块编码（STBC）5STBC最大似然译码最大似然译码核桃AI假设信道的冲击响应 在

19、 个符号周期内不变，即在接收端采用最大似然译码，同Alamouti译码一样，也可以利用统计判决理论来估计发送信号 。5.3.3 空时格码（空时格码（STTC）核桃AISTTC是由空时延时分集发展而来的，它利用网格图将同一信号通过多根天线发送，在接收端采用Viterbi译码。STTC将编码、调制、和发射分集结合在一起，可同时获得编码增益和分集增益，同时还可提高MIMO系统的频谱利用率。1STTC的的模型模型STTC系统模型如图5.9所示图5.9 STTC系统模型5.3.3 空时格码（空时格码（STTC）2STTC编码器编码器核桃AI STTC编码器实际上是定义在有限域上的卷积编码器。对于 根发送

20、天线，采用MPSK调制的STTC编码器的结构如图5.10所示。5.3.3 空时格码（空时格码（STTC）3STTC编码设计准则编码设计准则核桃AI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2）快衰落信道条件STTC设计准则（1）距离准则（2）乘积准则5.3.4 分层空时码（分层空时码（LST）核桃AILSTC能构极大的提高MIMO系统的频谱利用率，即可以获得良好的复用增益。其最大的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，因此极大地降低了译码的复杂度。1LST的分类的分类根据LST结构中是否进行纠错编码和调制后信号的分配形式的不同，LST可分为VLST、

21、HLST、DLST、TLST等。LST实际上描述了空时多维信号发送的结构。最简单的未进行编码的LST结构就是贝尔实验室提出的VLST或称为V-BLST（vertical Bell Laboratories layered space-time，垂直结构的分层空时码），其结构如图5.12所示。5.3.4 分层空时码（分层空时码（LST）2VLST的接收的接收核桃AIVLST可以采用最大似然译码算法进行译码，但最大似然译码算法复杂度较高。因此提出了许多简化的算法如ZF（迫零）算法、QR算法及MMSE（最小均方误差）算法.1）ZF算法2）QR算法3）MMSE算法5.3.4 分层空时码（分层空时码（L

22、ST）2VLST的接收的接收核桃AIVLST可以采用最大似然译码算法进行译码，但最大似然译码算法复杂度较高。因此提出了许多简化的算法如ZF（迫零）算法、QR算法及MMSE（最小均方误差）算法.1）ZF算法2）QR算法3）MMSE算法5.3.5 STBC、STTC、LST的改善方案的改善方案核桃AI为进一步提高空时处理技术的性能，目前主要的研究方向主要有空时处理的性能及设计和空时技术的应用。这些经过改良的技术在一定程度上都提高了空时处理技术的有效性和可靠性，能进一步提高MIMO系统的性能。1.基于基于STBC的改善方案的改善方案线性预编码是一种纠错编码，用于纠正由于信道衰落在子载波上的出现零点而

23、引起的误码。其主要特点是译码复杂度低，延迟较小且引入的冗余信息比其他纠错编码小。在发送端，线性预测编码将 个符号线性变换到 个符号（）。在接收端，可以根据复杂度和性能要求，选择ML译码、球形译码、迫零译码、MMSE均衡或者Viterbi译码算法。线性编码和STBC编码结合可进一步提高MIMO系统的性能。1）STBC与LST结合2）STBC与天线优选技术结合5.3.5 STBC、STTC、LST的改善方案的改善方案核桃AI2.基于基于STTC的改善方案的改善方案STTC不仅可以获得很高的分集增益，还可以获得较高的编码增益。但是由于STTC一般要采用Viterbi译码，复杂度比较高。基于STTC的

24、改善方案一般采用延迟发射分集。延迟发射分集可以看作是STTC的特例，它结构简单，性能也较好，因此具有较大的实用价值。延迟发射分集的原理是：将发送信号从一个天线上发射出去，同时将相同的发送信号延迟一定时间从另一发射天线上发射出去，相当与信道有两径，且时延是已知的，信道在频域上就体现为频率选择性。于是，通过适当的编码和交织，就可以获得空间和频域上的分集增益。延迟发射分集的最大优点在于它的结构简单。Turbo码的性能逼近Shannon极限，许多编码都可以利用Turbo码这种级联加交织的方法来提高编码的性能。译码时，Turbo迭代次数越多得到的结果就越好，而且就一次迭代的效果来说，都较传统的Viter

25、bi译码效果好。不过，Turbo码的译码本身复杂度就相当高了，加上STTC有较高的网络复杂度，使得Turbo-STTC虽然有很好的性能，但是实用性较差。5.3.5 STBC、STTC、LST的改善方案的改善方案核桃AI3.基于基于LST结构的改善方案结构的改善方案采用LST结构的MIMO系统可以明显地提高数据的传输速率和较高频谱利用率，可获得空间复用增益。但是LST结构要求接收天线数必须大于发射天线数且译码复杂度较高。若将LST与空间分集技术相结合和自适应技术可极大地提高系统的性能，即当信道条件好时，采用LST结构，在信道条件差时，采用发送分集技术。MIMO技术原理及关键技术5.4 MIMO5

26、.4 MIMO的关键技术的关键技术0505核桃AIMIMO无线通信技术源于天线分集技术与智能天线技术，它是多入单出(MISO)与单人多出(SIMO)技术的结合，具有两者的特征。MIMO系统在发端与收端均采用多天线单元，运用先进的无线传输与信号处理技术，利用无线信道的多径传播，因势利导，开发空间资源，建立空间并行传输通道，在不增加带宽与发射功率的情况下，成倍提高无线通信的质量与数据速率，堪称现代通信领域的重要技术突破。5.4.1 分集技术分集技术核桃AI分集的基本原理是通过信道特性不同的多个信道（时间、频率或者空间特性等不同），接收到承载相同信息的多个发送信号的副本。由于多个信道的传输特性不同，

27、信号多个副本受衰落的影响就不会相同。使用接收到的多个信号副本，帮助接收端正确恢复出原发送信号。分集技术充分利用之前造成干扰的信号的多径特性，来提高接收信号的正确判决率，这要求不同信号副本之间具有不相关性。如果不采用分集技术，为了克服快衰落影响，发射端必须要提高发射功率。而手持移动终端的电池容量有限，所以反向链路中所能获得的功率也非常有限，而采用分集方法可以降低发射功率，延长移动终端使用时间。目前常用的分集方式主要有两种：宏分集和微分集1宏分集宏分集宏分集也称为“多基站分集”，主要是用于蜂窝系统的分集技术。在宏分集中，把多个基站设置在不同的地理位置和不同的方向上，同时和小区内的一个移动台进行通信

28、。只要在各个方向上的信号传播不是同时受到阴影效应或地形的影响而出现严重的慢衰落，这种办法就可以保证通信不会中断。它是一种减少慢衰落的技术5.4.1 分集技术分集技术2微分集微分集核桃AI微分集是一种减少快衰落影响的分集技术，在各种无线通信系统中都经常使用。目前微分集采用的主要技术有：空间分集、频率分集、时间分集、极化分集等分集技术。1）空间分集空间分集是一种常用的分集形式。所谓空间分集，指将同一信息进行编码后从多根天线上发射出去的方式，接收端将信号区分出来并进行合并，从而获得分集增益，其模型如图5.16所示：5.4.1 分集技术分集技术2）频率分集核桃AI频率分集主要应用于频率衰落型信道，就是

29、在多于一个载频上对同一信号进行重复发送，发送信号副本以频率冗余的方式到达接收端，形成独立的衰落，然后对接收信号进行合成或选择。频率分集需要利用不同频段的信号经衰落信道后在特性上的差异来实现。其模型如图5.17所示：频率分集的基本原理是频率间隔大于相关带宽的两个信号的衰落是不相关的，因此，可以用多个频率传送同一信息，以实现频率分集。5.4.1 分集技术分集技术3）时间分集核桃AI时间发射分集是将同一信号以超过信道相干时间的时间间隔进行重复发送，则各次发送间隔出现相互统计独立的的衰落。在实现抗时间选择性衰落时，就是通过时间分集利用时间上衰落在统计上互不相关的特性上的差异。其模型如下图5.18所示：

30、5.4.1 分集技术分集技术核桃AI4）极化分集：在移动环境下,两副在同一地点,极化方向相互正交的天线发出的信号呈现出不相关的衰落特性。利用这一特点,在收发端分别装上垂直极化天线和水平极化天线,就可以得到2 路衰落特性不相关的信号。所谓定向双极化天线就是把垂直极化和水平极化两副接收天线集成到一个物理实体中，通过极化分集接收来达到空间分集接收的效果，所以极化分集实际上是空间分集的特殊情况,其分集支路只有2 路。这种方法的优点是它只需一根天线，结构紧凑，节省空间，缺点是它的分集接收效果低于空间分集接收天线，并且由于发射功率要分配到两副天线上，将会造成3dB的信号功率损失。分集增益依赖于天线间不相关

31、特性的好坏，通过在水平或垂直方向上天线位置间的分离来实现空间分集。而且若采用交叉极化天线，同样需要满足这种隔离度要求。对于极化分集的双极化天线来说，天线中两个交叉极化辐射源的正交性是决定微波信号上行链路分集增益的主要因素。该分集增益依赖于双极化天线中两个交叉极化辐射源是否在相同的覆盖区域内提供了相同的信号场强。两个交叉极化辐射源要求具有很好的正交特性，并且在整个120扇区及切换重叠区内保持很好的水平跟踪特性，代替空间分集天线所取得的覆盖效果。为了获得好的覆盖效果，要求天线在整个扇区范围内均具有高的交叉极化分辨率。双极化天线在整个扇区范围内的正交特性，即两个分集接收天线端口信号的不相关性，决定了

32、双极化天线总的分集效果。为了在双极化天线的两个分集接收端口获得较好的信号不相关特性，两个端口之间的隔离度通常要求达到30dB以上5.4.2 合并技术合并技术核桃AI在分集接收中，在接收端从不同的N个独立信号支路所获得的信号，可以通过不同形式的合并技术来获得分集增益。如果从合并所处的位置来看：合并可以在检测器以前，即中频和射频上进行合并，且多半是在中频上合并；也可以在检测器以后，即在基带上进行合并。合并时采用的准则与方式主要可以分为三种：最大比值合并、等增益合并和选择式合并。1.最大比值合并最大比合并是在接收端有N个分集支路，经过相位调整后，按适当的增益系统，同相相加，再送入检测器进行检测2等增

33、益合并等增益合并是各支路的信号等增益相加3选择式合并选择式合并是检测所有分集支路的信号，以选择其中信噪比最高的那一个支路作为合并器的输出。可以看出，在这三种合并方式中，最大比值合并的性能最好，选择式合并的性能最差。当N较大时，等增益合并的合并增益接近于最大比值合并的合并增益。5.4.3 空间复用技术空间复用技术核桃AI实现空间复用增益的算法主要有贝尔实验室的BLAST算法、ZF（zero-forcing，迫零）算法、MMSE（minimum mean square error，最小均方差）算法、ML（maximum likelihood，最大似然）算法。ML算法具有很好的译码性能，但是复杂度比

34、较大，对于实时性要求较高的无线通信不能满足要求。ZF算法简单容易实现，但是对信道的信噪比要求较高。性能和复杂度最优的就是BLAST算法。根据子数据流与天线之间的对应关系，空间多路复用系统大致分为三种模式：D-BLAST、V-BLAST以及T-BLAST。1D-BLASTD-BLAST最先由贝尔实验室的Gerard J.Foschini提出。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，每一个子流与一根天线相对应，但是这种对应关系周期性改变，如图5.20所示，它的每一层在时间与空间上均呈对角线形状，称为D-BLAST(Diagonally-BLAST)。5.4.3

35、空间复用技术空间复用技术核桃AI5.4.3 空间复用技术空间复用技术核桃AID-BLAST的好处是，使得所有层的数据可以通过不同的路径发送到接收机端，提高了链路的可靠性。其主要缺点是，由于符号在空间与时间上呈对角线形状，使得一部分空时单元被浪费，或者增加了传输数据的冗余。如图5.20（b）所示，在数据发送开始时，有一部分空时单元未被填入符号(对应图中右下角空白部分)，为了保证D-BLAST的空时结构，在发送结束肯定也有一部分空时单元被浪费。如果采用burst模式的数字通信，并且一个burst的长度大于M(发送天线数目)个发送时间间隔，那么burst的长度越小，这种浪费越严重。它的数据检测需要一

36、层一层的进行，如图5.20（b）所示：先检测c0、c1和c2，然后a0、a1和a2，接着b0、b1和b25.4.4 波束赋形波束赋形技术技术核桃AI1V-BLAST另外一种简化了的BLAST结构同样最先由贝尔实验室提出。它采用一种直接的天线与层的对应关系，即编码后的第k个子流直接送到第k根天线，不进行数据流与天线之间对应关系的周期改变。如图5.20（c）所示，它的数据流在时间与空间上为连续的垂直列向量，称为V-BLAST(Vertical-BLAST)。由于V-BLAST中数据子流与天线之间只是简单的对应关系，因此在检测过程中，只要知道数据来自哪根天线即可以判断其是哪一层的数据，检测过程简单。

37、2T-BLAST考虑到D-BLAST以及V-BALST模式的优缺点，一种不同于D-DBLAST与V-BLAST的空时编码结构被提出：T-BLAST。它的层在空间与时间上呈螺纹(Threaded)状分布，如图5.21所示。原始数据流被多路分解为若干子流之后，每个子流被对应的天线发送出去，并且这种对应关系周期性改变，与D-BLAST系统不同的是，在发送的初始阶段并不是只有一根天线进行发送，而是所有天线均进行发送，使得单从一个发送时间间隔来看，它的空时分布很像V-BALST，只不过在不同的时间间隔中，子数据流与天线的对应关系周期性改变。更普通的T-BLAST结构是这种对应关系不是周期性改变，而是随机

38、改变。这样T-BLAST不仅可以使得所有子流共享空间信道，而且没有空时单元的浪费，并且可以使用V-BLAST检测算法进行检测。5.4.4 波束赋形波束赋形技术技术核桃AI波束成形，源于自适应天线的一个概念。接收端的信号处理，可以通过对多天线阵元接收到的各路信号进行加权合成，形成所需的理想信号。从天线方向图（pattern）视角来看，这样做相当于形成了规定指向上的波束。例如，将原来全方位的接收方向图转换成了有零点、有最大指向的波瓣方向图。同样原理也适用用于发射端。对天线阵元馈电进行幅度和相位调整，可形成所需形状的方向图。如果要采用波束成形技术，前提是必须采用多天线系统。例如，多进多出（MIMO）

39、，不仅采用多接收天线，还可用多发射天线。由于采用了多组天线，从发射端到接收端无线信号对应同一条空间流（spatial streams），是通过多条路径传输的。在接收端采用一定的算法对多个天线收到信号进行处理，就可以明显改善接收端的信噪比。即使在接收端较远时，也能获得较好的信号质量。如图5.22所示，为两个相邻的蜂窝小区，每个蜂窝小区都与位于两个蜂窝小区之间边界上的单独用户设备进行通信。如图显示，eNB1 正在与目标设备 UE1 通信，eNB1 发射使用波束赋形来最大限度提高 UE1 方位方向中的信号功率。同时，我们还可看到，eNB1 正尝试通过控制 UE2 方向中的功率零点位置，最大限度地减少

40、对 UE2 的干扰。同样，eNB2 正使用波束赋形最大限度提高其在 UE2 方向上的发射接收率，同时减少对 UE1 的干扰。在此情景中，使用波束赋形显然能够为蜂窝小区边缘用户提供非常大的性能改善。必要时，可以使用波束赋形增益来提高蜂窝小区覆盖率5.4.5 多用户多用户MIMO技术技术核桃AI波束赋形技术已经在TD-SCDMA系统中得到了成功的应用，在TD-LTE R8中也采用了波束赋形技术。在TD-LTE R8的PDSCH传输模式7中定义了基于单端口专用导频的波束赋形传输方案。TD-LTE R9中则将波束赋形技术扩展到了双流传输方案中，通过新定义的传输模式8引入了双流波束赋形技术，并定义了新的

41、双端口专用导频与相应的控制、反馈机制。5.4.5 多用户多用户MIMO技术技术核桃AI多用户MIMO上行链路通常被称作多址接入信道（MAC），下行链路则为广播信道（BC）。在上行链路中，所有用户工作在相同的频段上，向同一个基站发送信号，然后基站通过适当的方法来区分用户数据，主要问题是基站如何针对不同的多址接入方式采用阵列处理、多用户检测（MUD）或者其他有效方法来分离各个用户的数据。下行链路中，基站将通过处理的数据串并转换成多个数据流，每一路数据流经脉冲成形、调制，然后通过多根天线同时发送到无线空间，每一个接收天线接收到的是基站发送给所有通信用户的信号与干扰噪声的叠加，主要问题是如何消除由此带

42、来的多址干扰（MAI）。由于多用户MIMO系统中各用户的信道彼此独立，因此，用户一般能够知道自己的信道状态信息，却很难获得其他用户的信道信息，而获得其他用户信道信息需要付出很大的代价。也就是说用户之间很难进行协作。与此相反，基站有条件获得所有通信用户的信道状态信息，对于时分双工系统（TDD），这可由基站接收的上行链路的训练或者导频序列来获得，对于频分双工（FDD）系统则可以通过反馈获得。另外，基站的处理能力也要比移动台（MS）强得多，因此一般都是由基站在发射信号前做信号预处理（比如波束成形），以消除、抑制干扰或者在接收到信号之后进行后处理来区分用户。如图5.23描述了与两个空间分离的设备（UE

43、3 和 UE4）同时进行的单小区（eNB3）通信。由于可以独立地对每个空间多路复用传输层应用不同的波束赋形加权值，所以可以结合使用空分多址（SDMA）和 多用户MIMO（MU-MIMO）传输，提供经过改善的小区容量。5.4.5 多用户多用户MIMO技术技术核桃AI与单用户MIMO不同的是，多用户MIMO系统的容量是一个多维的区域。假设总的发送功率一定，对于不同用户有可能分配不同的功率，从而产生许多不同的信息速率，结果就形成了以用户数目为维数的信道容量区域。例如，对于K个用户，信道容量区域则用K维的容量来表示。虽然多用户通信的传统领域已经被充分研究过了，但在无线网络中引入多天线之后，问题又变得复

44、杂起来了。多用户MIMO具有很多优点，比如利用多天线的复用增益来扩大系统的吞吐量，利用多天线的分集增益来提高系统性能，利用天线的方向性增益来区分用户而消除用户间的干扰等等。然而，如果联系实际应用的实现问题，则必须把算法实现的复杂度也考虑进来，需要在性能和复杂度之间找一个折衷点。复杂度可以说是多用户MIMO技术所带来的众多优点所必需付出的代价。MIMO技术原理及关键技术5.5 MIMO5.5 MIMO系统在通信系统中的应用系统在通信系统中的应用0505核桃AI5.5 MIMO系统在通信系统中的应用系统在通信系统中的应用核桃AI1MIMO技术在技术在3G中的应用中的应用随着用户的对数据传输速率和空

45、中接口带宽的需求不断增加，在3G系统中采用了HSPA+技术，作为3G到4G的过渡。HSPA+吸收了LTE中不少先进技术，MIMO就是其中重要的一环。综合使用空间复用技术和空时编码技术，使得MIMO能够在不同的使用场景下都发挥出良好的效果出于成本及性能的综合考虑，HSPA+中的MIMO采用的是22的天线模式：下行是双天线发射，双天线接收；上行为了降低终端的成本，缩小终端的体积，采用了单天线发射。也就是说，MIMO的效用主要只是用在下行，上行只是进行传输天线选择。5.5 MIMO系统在通信系统中的应用系统在通信系统中的应用核桃AI2MIMO技术在技术在WIMAX中的应用中的应用WiMAX802.1

46、6e正越来越多地被运营商采用为首选的固定和移动宽带接入策略，为终端用户提供丰富的高宽带多媒体业务。这些策略对运营商的无线网络提出了极大的挑战。为了建立和维持赢利的商业模式，需要对网络容量、用户吞吐量、网络覆盖质量作较大的改进。MIMO多天线技术的应用，使802.16e能够应对这些挑战，同时MIMO技术与OFDMA技术结合使用，可以大幅提高网络覆盖能力，使WiMAX系统容量倍增，从而大幅降低网络建设成本和维护成本，有力推动了移动WiMAX发展。5.5 MIMO系统在通信系统中的应用系统在通信系统中的应用核桃AI3MIMO技术在技术在LTE中的应用中的应用LTE协议从2006年开始制定，MIMO技

47、术从一开始就成为LTE中频谱效率提升的关键技术。TD-LTE协议的进展程度和FDD类似。LTE-FDD协议目前支持的最大天线数为基站4发，终端2发。TDD协议可支持大于4天线的天线配置。5.5 MIMO系统在通信系统中的应用系统在通信系统中的应用核桃AI4LTE的的MIMO模式协议：模式协议：1）单天线端口，端口=0，主要适用于单天线传输的场景；2）发射分集，适用于小区边缘情况比较复杂，干扰较大的情况，高速或者SNR低的场景；3）开环空间复用，适合于终端（UE）高速移动和反射环境复杂的区域；4）闭环空间复用，适用于信道条件比较好的场景，用于提供比较高的数据传输速率；5）多用户MIMO（MU-M

48、IMO），主要用来提供小区的容量，用于能找到两个UE正交的场景；6）闭环RANK=1预编码，主要适用于小区边缘的厂家，低速移动和低SINR的场景；7）单天线端口，端口=5，单流Beamforming主要也是用于小区边缘，能够有效地对抗干扰，TDD专用；8）单双流自适应BF，双流Beamforming可以用于小区边缘，也可以用于低速移动，高SNR的场景，TDD专用；9）单双四流自适应BF，LTE-A中新增加的一种模式，可以支持最大到8层的传输，主要为了提升数据传输的速率，适用于低速移动，高SNR的场景。5.5 MIMO系统在通信系统中的应用系统在通信系统中的应用核桃AI5LTE主要支持的多天线主要支持的多天线类型类型1）发射分集2TxSFBC，4TxSFBC+FSTD，PVS（预编码向量的周期切换），天线选择：用扰码隐式显示上行发射天线选择。2）SU-MIMO支持不多于两个独立码字、支持Rank适配、支持酉预编码，恒模Householder码本、支持CDD。3）MU-MIMO多用户合成的预编码矩阵可以为酉也可以为非酉。基于TDD的技术特点，LTETDD相比FDD还增加了下行的波束赋形技术。