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1、1 现代通信系统MIMO及MIMOOFDM自适应技术 数字通信 现代通信系统（MIMO部分） dswang 华中科技大学 电信学院 （常规MIMO、容量分析、空时码编译码） 2 现代通信系统MIMO及MIMOOFDM自适应技术 Wireless Channels 3 现代通信系统MIMO及MIMOOFDM自适应技术 问题 带宽需求有限频谱资源：GSM、GPRS、3G牌照及 其昂贵 可靠性挑战性的无线随机衰落信道传播媒介：衰 落、路径衰减、ISI、CCI、Doppler频移、载波频 偏、噪声等 功率:有限的电池寿命、昂贵的功率放大器 小区覆盖面积 4 现代通信系统MIMO及MIMOOFDM自适应
2、技术 MIMO System Performance Improvement MIMO及空时二维处理技术：天线阵列、编码、调制、 分集等通信技术与信号处理技术有机结合形成的编码调 制技术 5 现代通信系统MIMO及MIMOOFDM自适应技术 发送接收的都是矩阵 利用空分复用增益提高频谱效率：容量随发射、接收阵列 的较小天线数线性增长 无需额外带宽 利用MIMO分集增益提高传输可靠性、覆盖、QOS 同信道干扰减小、蜂窝容量增加 不增加发送功率：分割高SNR的单个信道成多个低SNR信道 ，利用阵列增益提高小区覆盖面积 本质是提供了更多的自由度 MIMO System Performance Imp
3、rovement 6 现代通信系统MIMO及MIMOOFDM自适应技术 能与OFDM、UWB等很好的结合， MIMO技术是 3GPP，IEEE 802.16等的可选技术，是国内“FuTURE” 项目的框架技术之一 基于分布式MIMO的分布式通信技术有望成为下一代移 动通信技术的候选技术 7 现代通信系统MIMO及MIMOOFDM自适应技术 8 现代通信系统MIMO及MIMOOFDM自适应技术 第8章 MIMO信道建模与系统性能分析 u 信道建模简单回顾 u 基于射线跟踪和相关衰落特征统计的Kronecker信道模型 u 基于散射描述的VCR信道模型 u 模型比较 u MIMO系统收发模型 u
4、容量分析 u 空间分集 9 现代通信系统MIMO及MIMOOFDM自适应技术 o 数字通信第2章、第14章； 通信信号处理第3章 o 以前的信道建模主要是研究用数学模型描述无线信 道的时域衰落特征，重点在于建立存在移动无线衰 落信道中的散射体、折射体和绕射体的统计模型或 几何模型，从而用于无线信道衰落分布的预测、估 计和测量。并按大尺度效应和小尺度效应来划分信 道对接收信号的影响。 o 大尺度效应主要体现在相应的路径损耗和基于对数 正态分布的阴影衰落 o 小尺度效应主要体现在多径现象导致的时域扩展和 链路两端相对位置的快速移动导致的多普勒扩展 10 现代通信系统MIMO及MIMOOFDM自适应
5、技术 Attenuation in Wireless Channels o Path loss: Signals attenuate due to distance o Shadowing loss : absorption of radio waves by scattering structures o Fading loss :constructive and destructive interference of multiple reflected radio wave paths o Channel parameters: coherence time, coherence ban
6、dwidth o If symbol periodcoherence time, the channel is time selective o If symbol periodi.i.d. CN(0,1), 幅值服从Rayleigh分布 发射端不知道信道状态，而接收端具有信道状态的精确信息 发射天线的总功率恒定，与发射天线数无关 所有天线同步地发送具有相同符号周期的信号 所有天线使用相同的频带 39 现代通信系统MIMO及MIMOOFDM自适应技术 oH为MN信道增益矩阵，它的元素给出了发射接收天线 对间的信道衰减系数。 oS为NL发射矩阵，R为ML接收矩阵，N是ML高斯白 噪声矩阵。在L个
7、符号周期定义的分组发射时间单元内 ， S的元素snl规定了在时刻l从天线n上发送的基带符号 ， R的元素rml表示在时刻l从天线上m接收的基带符号， N的元素nml表示在时刻l天线m上的AWGN。 o为归一化最大平均发送功率，在噪声功率归一化的情 况下，等于信噪比，并且与发送天线数无关。 o 为保持平均发射功率恒定，发射矩阵须满足功率约束 o 设 则准静态情况下 40 现代通信系统MIMO及MIMOOFDM自适应技术 理想MIMO信道容量分析 41 现代通信系统MIMO及MIMOOFDM自适应技术 理想MIMO信道各态历经容量（Foschini,Telatar） 42 现代通信系统MIMO及M
8、IMOOFDM自适应技术 Capacity in Ideal MIMO Systems 43 现代通信系统MIMO及MIMOOFDM自适应技术 43 信号方程： 奇异值分解 定义 MIMOMIMO系统的容量系统的容量 其中 是 的奇异值， 是 的特征值。 H=rand(4,4) U,S,V=svd(H) U1=U(:,1) U1*U1 44 现代通信系统MIMO及MIMOOFDM自适应技术 设的非负对角元素为 n一个MIMO信道可以等效转换成个有功率增益为 的并行SISO子信道，MIMO系统的容量是这m 个子信道的容量之和。 Pre-processing Post-processing 酉相似
9、不影响各态历经容量 分析 45 现代通信系统MIMO及MIMOOFDM自适应技术 o 由上述推导，H可以分解为r 个平行SISO信道 46 现代通信系统MIMO及MIMOOFDM自适应技术 Example : Rayleigh fading channelExample : Rayleigh fading channel Hij CN (0,1) nr=1nr= nt Ordered eigenvalue distribution for nr= nt = 4 case. 47 现代通信系统MIMO及MIMOOFDM自适应技术 47 奇异值分解（SVD）可将MIMO信道转化成并行信道： MIM
10、OMIMO信道容量信道容量 48 现代通信系统MIMO及MIMOOFDM自适应技术 o 容量分析 with rCSI（） SISO：Hh11，Es。 定义和分别为接收和发送矢量 n 为Mr维AWGN矢量 49 现代通信系统MIMO及MIMOOFDM自适应技术 SIMO： 选择性合并接收： MRC接收： Capacity increases logarithmically with number of receive antennas. H11 H21 50 现代通信系统MIMO及MIMOOFDM自适应技术 MISOMISO H11 H12 3 dB SNR increase if transm
11、itter knows H Capacity increases logarithmically with Mt Capacity increases logarithmically with Mt, 这句话所包含内容需查阅； 发端若没有完整信道信息时，发射功率均匀分配；有完整信道信息时，功率是注水分配的； 51 现代通信系统MIMO及MIMOOFDM自适应技术 51 MIMO MIMO 信道容量信道容量 o 未知信道信息情况 n 平均发送功率 o 已知信息信息情况 n 注水发送功率 52 现代通信系统MIMO及MIMOOFDM自适应技术 H11 H22 Multiple Input Mult
12、iple Output systemsMultiple Input Multiple Output systems H12 H21 Cdiversity = log2detI +(PT/2s2 )HH= Where the i are the eigenvalues to HH 1 2 m=min(nr, nt) parallel channels, equal power allocated to each ”pipe” Interpretation: Receiver Transmitter 53 现代通信系统MIMO及MIMOOFDM自适应技术 MIMO capacity in gene
13、ralMIMO capacity in general H unknown at TX H known at TX Where the power distribution over ”pipes” are given by a water filling solution 1 2 3 4 p1 p2 p3 p4 54 现代通信系统MIMO及MIMOOFDM自适应技术 o 发送端可以接入空间子信道，在空间子信道中分配可变 能量可以最大化互信息 o 最佳能量分配政策： 55 现代通信系统MIMO及MIMOOFDM自适应技术 o 推导过程 56 现代通信系统MIMO及MIMOOFDM自适应技术 W
14、ater-filling in AWGN Channels Water Filling算法详细过程参见后几页； 57 现代通信系统MIMO及MIMOOFDM自适应技术 空时分集与复用 具体信号传输 58 现代通信系统MIMO及MIMOOFDM自适应技术 问题：接收端有完美CSI，如何利用理论上的信道容量 A1：空分复用 提高速率，获取高频谱效率 额外独立信号路径增加自由度资源 空分复用：多天线提供并行空间信道，发送独立子数据流 空分复用增益定义r： 直接提高频谱效率 59 现代通信系统MIMO及MIMOOFDM自适应技术 A2：空间分集：提高链路可靠性、功率效率 o分集：典型的分集技术包括时间
15、分集、频率分集及空间 分集(也称天线分集) o在传统的蜂窝移动通信系统中，空间分集的优势没能充 分发挥，其应用领域仅局限在接收分集方面。 60 现代通信系统MIMO及MIMOOFDM自适应技术 Diversity Gain o Intuitively, the more independently fading, identical copies of a given signal the receiver is provided with, the faster the bit error rate (BER) decreases as a function of the per signa
16、l SNR. At high SNR values, it has been shown that where d represents the diversity gain o Definition: 分集/ 复用增益，主要体现在SNR指数的变化上； 61 现代通信系统MIMO及MIMOOFDM自适应技术 Diversity Options in Wireless Channels o Receive replicas of signal via independently fading channels n Time diversity oChannel coding + interleaving oNot effective in slow fading n Freq
