LTE移动通信系统第3章 MIMO多天线技术.pdf

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Wolniansky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 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。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 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,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+|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3.10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-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 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,Minimum 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,所谓的迫零 是把多个数据流之间的相互干扰完全抑制掉,从而得到所 有期望信号的估计值:X=H+y=x+H+nrsi3.4 MIMO空间复用技术为期望信号X的估计值,H+=(HHH为信道矩阵H的伪 逆。最小均方误差检测(MMSE)算法为了改善ZF检测算法的性能,在设计检测矩阵时可以将噪声的影响考虑进来,这就是MMSE算法。接收端可以得到发送信号的估计量为:=(HH+GH仇为噪声方差,I为单位阵,mrsi3.4 MIMO空间复用技术(3)排序的连续干扰抵消算法V-BLAST算法:采用结合检测顺序优化的逐层阵列加 权合并与层间连续干扰抵消(SIC)方式进行接收处理。根据不同的零化准则,可分为ZF-BLAST检测方法和 MMSE-BLAST检测方法。ZF-BLAST检测算法检测流程:初始化,，=1，G1=(H)+；排序=arg护2(G.)；度L1 求加权矩阵:WL(G),；rsi3.4 MIMO空间复用技术获得判决统计量:Zki=W:;判决5 W=Q(zJ;干扰消除:X+1=yH帚;将H的第k2.列置零后得到更新信道矩阵H仆令伍画；Z=Z+1,跳至第步。(为的伪逆矩阵,(GJ表示G，的第行,W为加权矢量矩 阵,W(即对应第左个迫零向量,Q(a)表示对估计值。的判 决,H.表示H的第，列,k2.为此算法的检测顺/丄 N/L序。rsi3.4 MIMO空间复用技术10-1ZFZF-SIC MMSE MMSE-SICMLDCLU mio-2io-30123456789 10仿真环境:M=N=2QPSK调制 瑞利衰落信道SNR in dB图3.15几种经典检测算法的性能3.4 MIMO空间复用技术制面mver即3.4.3 T-BLASTT-BLAST的层在空间与时间上呈螺纹(Threaded)状分布。b4/C2 。-图3.16 T-BLAST中数据子流与天线的对应关系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。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rsi3.5 MIMO预编码技术预编码技术是以MIM系统和空时编码技术为基础,逐 步发展起来的一项多天线技术。它的基本思想是,通过矩阵 运算把经过调制的符号信息流和信道状态信息进行有机结合,变换成适合当前信道的数据流,然后通过天线发送出去。预编码技术的分类:开环预编码和闭环预编码 单用户MIM预编码和多用户MIM预编码 线性预编码和非线性预编码 基于码本的预编码技术和基于非码本的预编码技术rsi3.5 MIMO预编码技术3.5.1单用户MIMO预编码算法单用户MIM预编码的系统结构如下:噪声图3.17单用户MIM预编码系统示意图rsi3.5 MIMO预编码技术单用户MIM预编码系统中,收发信号之间的关系为:y=HFs+nH为信道矩阵,n为噪声。预编码器的设计就是求解最 优的预编码矩阵F。基于SVD分解的预编码假定MIM系统中有N个发射天线,M个接收天线,则 信道矩阵H为Mx N信道矩阵,可以表示为:H=UZVrsi3.5 MIMO预编码技术H=UZV其中,U和V分别是舷义加和NxN的酉矩阵,满足UU=,VV=5为Mx N非负对角矩阵,对角元素是矩阵HH 的特征值的非负平方根。HH”的特征值（用表示）定义为:HHy=2y,ywOy是与对应的Mxl维矢量,称为特征矢量。特征值的非负 平方根也称为H的奇异值。rsi3.5 MIMO预编码技术接收向量为:y=UE VHFs+n引入几个变换豆=uy,x=Fs,F=V,n=Un发送信号的检测结果可表示为:=Es+nf对于xN矩阵H,秩的最大值根=min(M,N),也就是 说有根个非零奇异值。rsi3.5 MIMO预编码技术将爲代入式w=Z S+H可得:S=4isi+4=12,根）=4（，=根+1,m+2,M）通过上式可以看出,等效的MIM信道是由根个去耦平行 子信道组成的。口为每个子信道分配矩阵H的奇异值,相当于 信道的幅度增益。因此信道功率增益等于矩阵HH的特征值。/%N 图3.18发射天线大于接收天线时的等效MIM信道西安好大学、rsi3.5 MIMO预编码技术在等功率分配的情况下,利用香农容量公式可以估 算出总的信道容量（川。表示）为:m0=畛叫2Z=1其中,W是每个子信道的带宽,P是所有发射天线的总功rsi3.5 MIMO预编码技术基于码本的预编码接收端和发送端共享同一个已知的码本集合,码本 集合中包含多个预编码矩阵,接收端根据信道估计的信 道矩阵以某性能目标在码本集合中选择使系统性能更 优的预编码矩阵,再将其码本序号反馈给发送端,发送 端根据序号选择预编码矩阵进行预编码。常用的码本主要有:格拉斯曼码本(Grassmanian Codebook)基于Householder变换的码本 离散傅里叶变化(DFT)的码本.;rsi3.5 MIMO预编码技术基于DFT的码本的产生依据离散傅里叶变换,产生的各 预编码矩阵中的向量两两正交,因此能够有效地抑制多用户 MIM系统中的用户间干扰。考虑W为包含一系列酉矩阵的码本,码本的大小为,即:W=wp w2,.wLW,为码本中第i个酉预编码矩阵,由酉矩阵的性质可知w,w:二 ww,.Lrsi3.5 MIMO预编码技术基于DFT的码本通过抽取DFT矩阵的前几行组成一个新的 矩阵,并在新的矩阵中抽取几个列向量构成所需的码字。N阶 DFT矩阵为:1 11N,N-1网WN-l vyN-lNxN.2兀 e N，N 1求33.5 MIMO预编码技术DFT码本的生成过程:生成义阶的DFT矩阵抽取DFT矩阵的前行,此时的列向量集合为:C=,c2,cML通过对列向量进行组合从而生成码本,其中第1个酉矩阵 可表示为w，二的凡i+f+(M-l)L一:13.5 MIMO预编码技术也可用公式表示DFT码本的构成过程。码本屮的第，个 码字为:M1 _ 2是W,的第m个列向量,贝:vm 二 1 一 国IrM,m心,2兀（1）U，n-exp吁 1+3Mrsi3.5 MIMO预编码技术当取M=2,L=2时,对应的码本空间大小为2,该 码本空间包含以下2个预编码矩阵:72卩1丄卩1 一寸也1-J对于配置有两根发射天线的单用户MIM系统,LTE规 定的线性预编码矩阵的码本,就是基于以上码本得出的。rsi3.5 MIMO预编码技术在个预编码通信系统中,除了设计出码本之外,还要 根据些接收端的判决准则正确选取码本中的最优码字。一般的选择准则:基于性能的选取方式系统根据某种性能指标,遍历码本空间中的预编码矩阵,选择最优的预编码矩阵。基于量化的选取方式系统通过对信道矩阵的右奇异矩阵进行量化,遍历码本 空间中的预编码矩阵,选择最匹配的预编码矩阵。,mrsi3.5 MIMO预编码技术352多用户MIMO预编码算法在多用户MIM下行链路中,基站将发送多个用户的多个 数据流,每个用户在收到自己的信号之外还接受到其他用 户的干扰信号。对于下行链路的用户干扰消除情况,典型的非线性预编 码算法是脏纸编码(DPC),它可以提供较高的信道容量,但计 算复杂度很高。因此,在实际应用中普遍釆用线性预编码技 术。常见的多用户线性预编码方法包括迫零(ZF)预编码和块 对角化(BD)预编码。3.5 MIMO预编码技术图3.19多用户MIM预编码系统,刀rsi3.5 MIMO预编码技术假设基站有M个天线用于发送经预编码处理的信号,系统中用户数为K,用户有M个接收天线。若所有用 户接收到的信号矢量为y,则y可表示为:、珥SInly=y2H2国 F2.FK：S2+%_y_RK._SK_一11K_其中,为第个用户与基站间的信道矩阵,为第个用 户的预编码矩阵。3.5 MIMO预编码技术迫零预编码算法:基站根据用户反馈的信道状态信息 为用户计算预编码向量,使得传输给某个用户的信号对其它 用户构成零陷。在基站侧进行数据流的分离,从而消除或降 低多用户干扰。假设K 个用户所对应的下行多用户的空间信道矩阵为:H=H：H；.H仃那么在ZF准则下,将信道矩阵H的伪逆矩阵作为预编码矩阵,即:F=HH(HHH)1使得FH=L即使得信道完全对角化。rsi3.5 MIMO预编码技术块对角化(BD)预编码算法:多用户MIM系统中普遍 认可的一种有效的线性的预编码方案,其基本思想是将等 效全局信道矩阵转化为块对角化形式。定义矩阵 H=H；H；.HJ,F=国 F2.FR，则BD预编码的基本思想是通过设计预编码矩阵F,使得HF分块对角化,即:HF=dhg(HE H2F2HE)A A/rsi3.5 MIMO预编码技术BD预编码的关键问题是为用户(左=1 2.K)寻找 恰当的预编码矩阵,使其满足:H耳=0,ik对于用户左,将其所有干扰用户的信道矩阵级联,形成级联 矩阵H为:迅=H：.HL HL.对行进行SVD分解,贝有:-1”Hk=u 耳 vrrsi3.5 MIMO预编码技术其中k的（N一成闻）个正交列矢量是构成反零空间的 标准正交基,这里的滋。）表示矩阵的秩。于是有:0H-进步定义用户的等效信道,并对其进行SVD分解可得:H _ TT V V则用户的预编码矩阵表示为:-I/O此为功率分配对角阵,相应地用户的接收矩阵为U挑。rsi3.5 MIMO预编码技术预编码技术的优点:当预编码应用于多天线分集系统时,可以帮助分集系统 获得分集增益当预编码应用于多天线空间复用系统,预编码技术可以 通过使各发射天线上的信号彼此正交来抑制不同天线间 的相互干扰预编码技术还可以用于多用户系统,使得不同用户间的 发射信号彼此正交,从而使系统可以获得更多的用户分 集增益预编码技术还可以与其他多天线技术相结合,进步改 善多天线系统的性能第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3.6 MIMO与OFDM技术的结合MIMO技术在利用多径效应的同时,也避免不了频 率选择性衰落的影响。经过FDM可以将子信道变为平 坦衰落,有效的对抗了频率选择性衰落。借助MIM的分集,也可以对OFDM中不同信号的 增益进行自适应调整,使FDM也同时采用分集和复用 两种方式进行发射和接收的灵活应用。3.6 MIMO与OFDM技术的结合根据采用的不同分集技术,可以将MIMFDM系统分 为如下三类:带空时分组码的FDM系统(STBC-FDM)时间分集 空频分组码的FDM系统(SFBC-FDM)频率分集 VBLASTFDM系统空间分集分集技术使得MIMFDM无线系统对噪声、干扰、多 径的容限大大增加。3.6 MIMO与OFDM技术的结合MIMFDM技术的基本思想:MIMFDM系统在发射端使用多个发射天线,将输 入数据经过一定的空时编码(STC)或者空频编码(SFC)之后,经FDM调制从多个天线同时发送出去。在接收端,各个 接收天线接收到的信号经过一定的空时或空频处理,检测 出原始信号。3.6 MIMO与OFDM技术的结合FFTIFFT空 时 解 码空时 编码 器空时处理器图320 STBC-FDM系统框图输入数据3.6 MIMO与OFDM技术的结合SFBC-OFDM系统:将信号调制、串并转换之后就直 接进行空频编码,编码之后的码字被分配到不同的发射天 线上,分别进行FDM调制,然后发送出去。VBLST-OFDM系统:在VBLST系统中应用FDM调 制技术的种组合系统,所以它的整个工作流程和VBLST 系统是相似的,其信号检测算法也和VBLST相同。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rsi3.7 MIMO其他相关技术MIMO信息理论的研究结论展现了 MIMO系统广 阔的应用前景,因此MIM技术的研究工作得到了迅 速发展。近年来MIM的相关技术的研究涉及各个方 面,具体而言,包括虚拟MIM和认知MIMO等。G/J厶cn.耳3.7 MIMO其他相关技术3.7.1 虚拟 MIMO在LTE上行系统中,还支持种特殊的MIM技术 虚拟MIMO。虚拟MIM技术通过动态地将多个单天线发送的 用户配成一对,以虚拟MIM形式发送。rsi3.7 MIMO其他相关技术虚拟MIM是种多用户MIMO,属于SDMA系统。虚 拟MIM主要涉及用户配对、功率分配和分组调度等方面的 技术。(1)用户配对虚拟MIM系统中,要求选择合适的用户配对形成虚拟 MIMOo配对方法有以下几种:正交配对:选择信道正交性最大的两个用户进行配对。随机配对:进行配对的用户随机生成。基于路径损耗和慢衰落排序配对:将用户路径损耗与慢衰 落值的和进行排序,配对用户为排序后相邻的用户。rsi3.7 MIMO其他相关技术(2)功率控制技术在上行LTE系统功率控制技术中,由于小区内用户间相 互正交,不存在用户间干扰,消除了“远近”效应的影响,因此无须采用快速功率控制,而是采用慢速功率控制来补偿 路径损耗和阴影衰落,以削弱小区间的同频干扰。(3)分组调度调度是为用户分配合适的资源,系统根据用户设备的能、待发送的数据量、信道质量信息(CQI)的反馈等因素对资 源进行分配,并发送控制信令通知用户。3.7 MIMO其他相关技术经典的调度算法有:最大载干比调度算法根据基站相应接收信号的载干比预测值,对所有待服 务移动设备排序,优先发送预测值高的。轮询调度算法(Round Robin)保证待调度用户的公平性,按照某种给定的顺序,所 有待传的非空用户以轮询的方式接收服务,每次服务占用 相等时间的无线通信资源。基于分数调度算法(Scor+Based)考虑了信道的分布情况和用户的速率,尽量将信道分配给最难达到当前速率的用户。rsi3.7 MIMO其他相关技术3.7.2认知MIMO技术认知无线电:无线电设备具有学习能力,能与周围环 境交互信息,通过感知以及利用获得的环境信息来自适应 地调整自身参数,以提高其性能。认知MIM系统:认知无线电技术与MIM技术相结 合的产物。将多天线技术引入认知无线电系统中,可以提 高认知无线电系统的频率效率。rsi3.7 MIMO其他相关技术根据认知MIM系统网络拓扑的不同,认知MIM系 统分为认知MIM点对点信道、认知MIM干扰信道、认 知MIM多址接入信道以及认知MIM广播信道等。目前认知MIM系统研究的主要问题是如何在保证对 授权用户系统干扰功率受限的条件下,通过功率控制提高 非授权用户系统的传输速率。rsi3.8本章小结 LTE等系统采用MIM的必要性 MIM常用的分集技术和分集合并准则 MIM空时编码技术中几种常用的空时码,各种空时码 的编码结构以及相应的检测或译码方法 单用户和多用户预编码算法 近年来MIM研究所涉及的技术