1、LOGOLI Xu/441分集、分集、MIMO、空时编码、空时编码State Key Laboratory of Rail Traffic Control and Safety Beijing Jiaotong U第七章第七章目录目录/4427.3 空时编码空时编码7.2 MIMO7.1 分集分集7.1 分集分集/4437.1.5 小结小结7.1.4 分集实现例子分集实现例子7.1.3 集中方式集中方式7.1.2 分集接收方式分集接收方式7.1.1 分集接收分集接收7.1 分集分集/444引言：多径衰落在移动通信中引起误码率的上升甚至通信中断。因此必须采取有效措施进行处理。由于多径效应引起的衰
2、落有时达30-40dB，因此用加大发射功率（1000到10000倍）是不可能的。分集接收技术是抑制多径衰落的有效途径。7.1 分集分集/445v7.1.1 分集接收分集接收v原理：携带同一信息的不同信号在多径传输中它的衰落是不一样的，因此可利用不同方式的信号携带同一信号在同一信道传输（分散传输），接收端按一定的方式将这些信号集中起来，选择衰落最小的信号作为有效信号。v分集技术：将要传输的信息分成几路分散传输，在接收端集中处理，以实现抗衰落。v分集接收：分解为互不相关的信号；不需要训练序列；易于实现；改善的幅度为20-30dB 7.1 分集分集/446v7.1.2 分集接收方式分集接收方式v宏分
3、集对抗大尺度衰落v微分集对抗小尺度衰落v包括空间分集、频率分集、极化分集、场分量分集、角度分集、时间分集，它是一种减小快衰落影响的分集技术。v数字移动通信中采用的分集方式：频率、空间、时间 7.1 分集分集/447v7.1.3 集中方式集中方式v最大比合并v等增益合并v选择式合并 1.最大比合并最大比合并在接收端由多个分集支路，经过相位调整后，按照适当的增益系数，同相相加，再送入检测器进行检测。在接收端各个不相关的分集支路经过相位校正，并按适当的可变增益加权再相加后送入检测器进行相干检测。在做的时候可以设定第i个支路的可变增益加权系数为该分集之路的信号幅度与噪声功率之比。/4482.等增益合并
4、等增益合并等增益合并也称为相位均衡，仅仅对信道的相位偏移进行校正而幅度不做校正。等增益合并不是任何意义上的最佳合并方式，只有假设每一路信号的信噪比相同的情况下，在信噪比最大化的意义上，它才是最佳的。它输出的结果是各路信号幅值的叠加。对CDMA系统，它维持了接收信号中各用户信号间的正交性状态，即认可衰落在各个通道间造成的差异，也不影响系统的信噪比。/4493.选择式合并选择式合并采用选择式合并技术时，N个接收机的输出信号先送入选择逻辑，选择逻辑再从N 个接收信号中选择具有最高基带信噪比的基带信号作为输出。每增加一条分集支路，对选择式分集输出信噪比的贡献仅为总分集支路数的倒数倍。/44104.三种
5、合并方式比较三种合并方式比较最大比合并在收端只需对接收信号做线性处理，然后利用最大似然检测即可还原出发端的原始信息。其译码过程简单、易实现。合并增益与分集支路数N 成正比。当N 较大时，等增益合并与最大比值合并后相差不多。等增益合并实现比较简单，其设备也简单。通常来讲，最大比合并的性能最好，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合并的合并增益。选择式合并性能差的原因在于合并其N输出只利用了最强一路信号，而其它各支路都没有被利用。/44117.1 分集分集/4412v7.1.4 分集实现例子分集实现例子vRAKE接收技术（CDMA中）7.1 分集分集/4413v7.1
6、.5 小结小结v1）分集技术包含两层意思：分散传输、集中处理；v2）分集分为宏分集和微分集；v3）微分集包括：空间、时间、频率、极化、场分量、角度六种；v4）集中处理常用：选择式合并 最大比值合并 等增益合并；v5）RAKE接收机是用于CDMA中的分集接收机。7.2 MIMO/44147.2.4 小结小结7.2.3 MIMO应用应用7.2.2 MIMO技术技术7.2.1 MIMO概述概述7.2 MIMO/4415引言：随着无线通信技术的快速发展，频谱资源的严重不足已经日益成为遏制无线通信事业的瓶颈。如何充分开发利用有限的频谱资源，提高频谱利用率，是当前通信界研究的热点课题之一。7.2 MIMO
7、/4416v7.2.1 概述（概述（1/2）v多输入多输出(Multi Input Multi Output,MIMO)无线通信技术的概念非常简单，任何一个无线通信系统，只要其发射端和接收端均采用了多个天线或者天线阵列，就构成了一个无线MIMO系统。v在多径环境下，该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，是新一代移动通信系统必须采用的关键技术。7.2 MIMO/4417v7.2.1 概述（概述（2/2）vMIMO技术实质上是为系统提供空间复用增益和空间分集增益，目前针对MIMO信道所进行的研究也主要围绕这两个方面。空间复用技术可以大大提高信道容量，而空间分集则可以提高
8、信道的可靠性，降低信道误码率。v根据收发两端天线数量，相对于普通的SISO(Single-Input Single-Output)系统，MIMO还可以包括SIMO(Single-Input Multi-ple-Output)系统和MISO(Multiple-Input Single-Output)系统。7.2 MIMO/4418v7.2.2 MIMO技术（技术（1/2）MIMO系统可以用一种非常简单的方式来定义：在收发两端使用多个天线，假定发送端有n个发送天线，接收端有m个接收天线，这就可认为是一个 MIMO系统。传统信道容量传统信道容量MIMO信道容量信道容量 其中M是最小的发送天线数量或最
9、小的接收天线数量，表示空间信息流的数量。MIMO系统容量随着天线的数量呈线性增加。2log(1)SCfN2log(1)SCMfN7.2 MIMO/4419v7.2.2 MIMO技术（技术（2/2）v利用 MIMO技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。前者是利用 MIMO 信道提供的空间复用增益，后者是利用MIMO信道提供的空间分集增益。v实现空间复用增益的算法主要有BLAST 算法、ZF 算法、MMSE 算法、ML 算法。vML 算法具有很好的译码性能，但是复杂度比较大。ZF 算法简单易实现，但是对信道的信噪比要求较高。BLAST 算法实际上是使用 ZF 算法加上干扰
10、删除技术得出的，兼顾性能与复杂度。7.2 MIMO/4420v7.2.3 MIMO应用（应用（1/2）v在CDMA2000标准中，分别定义了两种开环发送分集方案和两种闭环发送方案。开环方案包括：正交发送分集（OTD）、空时扩频发送分集（STS）；闭环方案包括：选择式发送分集（STD）、发射自适应阵列发送分集（TXAA）。v在WCDMA中，开环发送分集采用了空时发送分集STTDv在TD-SCDMA中，采用的是智能天线以及空间分集接收的MIMO技术来消除干扰和抵抗多径，提高通信系统性能。7.2 MIMO/4421v7.2.3 MIMO应用（应用（2/2）vMIMO在WLAN（IEEE802.11n
11、）、WiMAX（IEEE802.16e）中都采用MIMO-OFDM技术v利用OFDM技术把频率选择性深衰落信道转变成多个子载波的平坦衰落信道；利用MIMO技术在不增加带宽的前提下，成倍的提高通信系统的容量和频谱利用率。MIMO-OFDM利用了时间、频率和空间3种分集技术，使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。7.2 MIMO/4422v7.2.4小结：小结：v1）MIMO提高通信系统的容量和频谱利用率；v2）MIMO技术实质上是为系统提供空间复用增益和空间分集增益；v3）MIMO系统的关键特性：变不利因素（多径传播）为有利条件。7.3 空时编码空时编码/44237.3.6 其他种类的空时
12、编码技术其他种类的空时编码技术7.3.5 常见的空时编码常见的空时编码7.3.4 空时编码的设计准则空时编码的设计准则7.3.3 空时编码模型空时编码模型7.3.2 空时编码分类空时编码分类7.3.1 空时编码概念空时编码概念7.3.7 小结小结7.3 空时编码空时编码/4424引言：上一小节讲过利用 MIMO技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。前者是利用 MIMO 信道提供的空间复用增益，后者是利用MIMO信道提供的空间分集增益。目前 MIMO 技术领域的一个研究热点就是空时编码。空时编码利用了空间和时间上的分集，从而降低信道误码率。7.3 空时编码空时编码/44
13、25v7.3.1 空时编码概念空时编码概念v从信源给出的信息数据流，到达编码器后，形成同时从许多个发射天线上发射出去的矢量输出，称这些调制符号为空时符号或者空时矢量符号。与通常用一个复数表示调制符号类似(复的基带表示)，一个空时矢量符可以表示成为一个复数的矢量，矢量中数的个数等于发射天线的个数。v使用空时编码是达到或接近多输入多输出无线信道容量的一种可行、有效的方法。7.3 空时编码空时编码/4426v7.3.2 空时编码分类空时编码分类v从设计目的的角度，目前已提出的各种空时编码方法可分为3类:v第1类以改善传输性能为目的，利用MIMO系统所能提供的分集度，设计具有满分集度的空时码，以提高信
14、息传输的可靠性，代表性的有空时网格码(STTC)、空时正交设计(STOD)码以及对角代数空时(DAST)块码等。7.3 空时编码空时编码/4427第2类以提高信息符号传输速率为目的，利用MIMO系统所能提供的传输自由度，设计达到全速率信息传输的空时码，以提高信息传输的有效性，典型的有贝尔分层空时结构(BLAST)、线性弥散(LD)码等。第3类是最近两三年提出的，同时以提高信息传输性能和速率为目的，力图设计达到满分集度全速率的空时码，如线状代数空时(TAST)块码、线性复数域预编码(LFC)空时码等。7.3 空时编码空时编码/4428v7.3.3 空时编码模型空时编码模型若干个信息比特C由空时编
15、码器编码成N个码元,其中 表示时隙t从第i个天线上发送的信号,若表示时隙t天线j收到的信号(假定理想的定时和频率信息)，则接收信号可以写成itc1Njijtijttirh c7.3 空时编码空时编码/4429则接收信号也可表示为：从N个发射天线到M个接收天线的无线信道可以用MN信道矩阵H表示为：111212122212NNMMMNhhhhhhhhhrH c其中TTTtt(,),(),(,)12M12Mttttrrr r=c=12Ntttc,c,L,c 7.3 空时编码空时编码/4430v7.3.4 空时编码的设计准则空时编码的设计准则v采用多个发射天线和多个接收天线所获得的分集增益，它决定了信
16、噪比误码率曲线的斜率；v编码所能获得的编码增益，它在分集增益确定的情况下，决定信噪比误码率曲线的平移。7.3 空时编码空时编码/4431v7.3.5 常见的空时编码常见的空时编码v当前比较成熟的空时编码技术是：空时分组码（Space-Time Block Code）和空时网格码（Space-Time Trellis Code）。v空时分组码提供分集增益，不提供编码增益；空时网格码是一种将差错控制编码、调制、发射和接收分集联合在一起进行设计的空时编码。7.3 空时编码空时编码/4432v7.3.5.1 STTC7.3 空时编码空时编码/4433空时格型码（STTC）是较早提出的一类空时编码技术，
17、适用于多种无线信道环境。STTC把编码和调制结合起来，能够达到编译码复杂度、性能和频带利用率之间的最佳折中，是一种最佳码。空时格型码每次输入一个码元产生一列向量码元，其长度代表天线，并把输入码片流编码成输出向量码片流。因为译码器具有记忆性，所以这些向量码片在时间上是相关的。译码借助最大似然序列估计来完成。像用于单天线信道的传统 TCM(Trellis Coded Modulation，格型编码调制)一样，空时格型码提供了一定的编码增益，此外还提供了全部的分集增益。7.3 空时编码空时编码/4434v7.3.5.2 STBCv空时格型码在编码时考虑了前后输入的关联，因此其性能是比较好的，但是由于
18、空时格型码的复杂度是与传输数据速率呈指数关系上升的，因此在提高性能的同时，整个系统的复杂度也大大提升。v空时分组码通常利用其正交性，采用最大似然译码，使得译码复杂度大大下降，同时还能够获得最大的分集增益。7.3 空时编码空时编码/4435复信号星座的STBC编码*1234*2143*3412*32141234214334124321xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxc4XSTBC的译码*11,12,23,34,45,16,27,38,41()()()()Rnjjjjjjjjjjjjjjjjjxr hr hr hr hrhrhrhrh*21,22,13,44,35,
19、26,17,48,31()()()()Rnjjjjjjjjjjjjjjjjjxr hr hr hr hrhrhrhrh*31,32,43,14,25,36,47,18,21()()()()Rnjjjjjjjjjjjjjjjjjxr hr hr hr hrhrhrhrh*41,42,33,24,15,46,37,28,11()()()()Rnjjjjjjjjjjjjjjjjjxr hr hr hr hrhrhrhrh7.3 空时编码空时编码/4436STTC与STBCv空时格型码与空时分组码之间的一个不同特性是典型的空时分组码是复数域上的线性码。这些复数实质上是带有M个点星座图的二维调制域上的码
20、元。空时格型码可以是有限域上的线性码，但它们在复数域上不是线性的。v空时格型码被设计用来实现高端的信噪比性能，空时分组码用来设计中低信噪比性能。v由于空时分组码具有相对简单的译码算法和较好的性能，所以可以将其和其它前沿技术相结合，如与OFDM相结合，不但可以得到极佳的性能，而且还可以有效地降低OFDM盲信道估计的难度。7.3 空时编码空时编码/4437v7.3.5.3 Alamouti空时编码空时编码v假定采用M进制调制方案。在 Alamouti 空时编码中，首先调制每一组m（）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他们映射到发射天线。
21、v分别用 和 来表示天线1 和2上的发射序列。2logmM*12*21xxxxX=1*12Xxx2*21Xxx7.3 空时编码空时编码/4438 Alamouti 方案的主要特征是两根发射天线的发射序列是正交的，也就是说，序列和的内积为 0，如下式 在t时刻从第一和第二根发射天线到接收天线的衰落信道系数分别用h1和h2表示。假定衰落系数在两个连续符号发射周期之间不变，则可以表示为 式中，和（i=1,2）分别是发射天线到接收天线的幅度增益和相移，T为持续时间。在接收天线端，两个连续符号周期中的接收信号（t时刻和t+T时刻）分别表示如下：12*12210XXx xx x11111()()|ejh
22、th tThh22222()()|ejh th tThh11 1221rh xh xn*212212rh xh xn 7.3 空时编码空时编码/4439v7.3.6 其它种类的空时编码技术其它种类的空时编码技术不论是STTC、STBC这样的基于发射分集的空时码，还是分层空时码，在接收端译码时都需要了解信道状态信息(CSI)，有没有不需要对信道状态信息进行估计的空时编码？（若信道属于快变衰落信道，即信道参数变化比较快，或者收发天线数目比较多时，接收端进行信道估计就会非常困难，有时甚至根本无法估计）酉空时码和差分空时码7.3 空时编码空时编码/4440v7.3.6.1酉空时码酉空时码（Unitar
23、y Space-Time Codes）在形式上类似于STBC，是Hochwald所构造的一种接收端不需进行信道估计的空时码，要求发送码矩阵为酉矩阵。酉空时码的设计与前述几种空时码截然不同，它不再优化欧氏距离，而是要优化相关矩阵的矩阵范数,它的值越小，酉空时码的性能越好。酉空时码作为快变衰落信道下的一种空时码解决方案，具有一定的实际意义，但如何简单有效地构造性能较好的酉空时码是个难点。7.3 空时编码空时编码/4441v7.3.6.2 差分空时码差分空时码差分空时码的概念最早由Tarokh提出，它类似于单天线条件下的差分调制技术。如果采用差分编码，在不进行信道估计的情况下使用第1类空时码也可获得
24、较好的性能，唯一的差别是比进行信道估计的情况下有3dB的性能损失，同样，在进行信道估计的情况下使用第1类空时码也能获得较好的性能。这一结论和单天线条件下采用差分调制的情况十分相似。差分空时码提出的意义就在于它建立了两种信道环境下空时码之间的联系。7.3 空时编码空时编码/4442v7.3.6.3 联合编码联合编码所谓联合编码就是将新兴的空时码技术与发展已经比较成熟的其他信道编码技术结合起来，同时发挥两者的优点，以期更好的改善信道的质量。联合编码可以采用传统的信道编码与空时编码级联的形式，即发送端先对数据进行传统的信道编码(如卷积码、RS码等)，然后进行空时编码和调制，接收端先进行空时译码，再进行信道译码。采用这样的方式，可以同时利用空时码的抗多径干扰能力，又可以发挥成熟信道编码的纠错能力，也可以将空时码作为传统信道编码的内码使用。7.3 空时编码空时编码/4443v7.3.7 小结小结1）空时编码利用了空间和时间上的分集；2）空时编码分类：满分集度的、全速率信息传输的、满分集度全速率的；3）空时编码的设计准则：分集增益（SNR-BER斜率）、编码增益（SNR-BER平移）；4）常见的空时编码：STTC、STBC、Alamouti空时编码；5）其它种类的空时编码技术：酉空时码、差分空时码、联合编码。LOGO/4444
