移动通信原理第12次课-第11章MIMO空时处理技术讲解

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1、第11章 MIMO空时处理技术 MIMO（Multi-input Multi-output ）多输入多输出 是一种多天线无线通信技术，它利用多个发射/接 收天线各自独立发射/接收信号。该技术最早由马 可尼于1908年提出，当时他是利用多天线来克服多 路径衰落。 上世纪90年代中期，随着移动通信爆发式增长，对 于无线链路传输速率提出了越来越高的要求。传统 的时频域信号设计很难满足这些需求，通信专家对 多天线空时处理技术展开了深入的研究，希望发明 一种能指向接收者的波束成型技术，即所谓智能天 线，一种能使波束聪明地追踪接收者（移动终端） 的技术，以便利用有限的频率和发射时间传输更多 的信息。如同有

2、人用手电筒射出的光束追踪在黑暗 中移动的一个目标一样。 波束成型技术面临的最大挑战是在都市环境中， 信号波束遭遇到建筑物和移动车辆等目标时极容 易发散，波束的集中特性被破坏，信号受到大幅 衰减，抗干扰能力降低。 这项挑战随着MIMO空时处理技术在1990年代末的 发展，而得到解决。MIMO天线间距通常大于发送 信号波长，以确保MIMO子信道间的低相关性和高 分集阶数（diversity order）。MIMO利用多径信道 提高数据速率、增加传送距离和减少比特错误率 。 MIMO特别适合于平坦衰落信道，MIMO多与 OFDM结合为复合技术。MIMO-OFDM被IEEE 802.16和IEEE 8

3、02.11n 标准采用。3G的WCDMA、 cdma2000和TD-SCDMA标准也采用了MIMO技术。 除MIMO外，根据收发天线数量，还有 SISO(Single-Input Single-Output)单输入单输出； SIMO（Single-Input Multi-Output）单输入多输 出和MISO（Multiple-Input Single-Output）多输 入单输出等技术。 MIMO的突出特点是在不需要增加带宽或总发射 功率的情况下，利用多副发射天线和多副接收 天线提供的多维空间有效提升无线通信系统的 频谱利用率和传送距离，实现提升传输速率和 改善通信质量的目标。 lMIMO包

4、括以下技术： 1)空间复用（spatial multiplexing）：MIMO在不增加 带宽的条件下，相比SISO系统可以成倍地提升信息 传输速率，从而极大地提高频谱利用率。在发射端 ，高速率的数据流被分为多个较低速率的子数据流 ，各子数据流在不同的发射天线上同时以相同频率 发射出去。发射端天线阵列为各子数据流在空间形 成一个独立的不与其它子波束相互混叠的子波束， 一副接收天线只被一个子波束覆盖。这就避免了各 子波束之间的同频率干扰。空间复用技术在高信噪 比条件下能够极大提高信道容量，并且能够在“开 环” 条件下使用。 贝尔实验室的“贝尔实验室分层空时”(V-BLAST)是典 型的空间复用技

5、术。 2)空间分集（spatial diversity）：空间分集以空时分组码(STBC) 和空时格码(STTC)为代表。自从Alamouti提出两天线正交空 时码以来，立即引起了研究者的注意。Tarokh等人将其推广 到多天线情形。由于正交发分集技术编译码算法简单，且能 够获得分集增益，已经在3G移动通信系统中得到广发应用。 空时格码是将信道编码和多天线系统做联合优化，在天线数 目较小的条件下就可以获得相当大的编码增益。 3)空时预编码（Space-time precoding）:以波束成型和有限反馈 技术为代表。智能天线是波束成型技术的典型代表，由多天 线产生一个具有指向性的波束，将能量集

6、中在欲传输的方向 ，抑制用户间的和小区间的干扰，提高信号质量，增加系统 容量。已经在TD-SCDMA系统得到应用。有限反馈技术能够 灵活地与前两种技术结合，基于接收端反馈的量化信道响应 信息，通过预编码码本选择，提高系统容量，简化接收机结 构，抑制小区间干扰。有限反馈技术已经广泛应用于LTE、 WiMax等BEG移动通信系统中 。 以上MIMO技术在提高频谱利用率、降低传输差错率方面够 侧重，可以相互配合应用。例如，一个MIMO系统可以包含 空间复用和空间分集两种技术。 11.1.2 MIMO系统信道容量 图11.2是MIMO系统原理图。这个点到点MIMO 系统具有nT个发射天线，nR个接收天

7、线。 设系统发射总功率为P，有nT副发射天线，每 副天线的发射功率为P/nT，每副发射天线的噪 声功率为s2，利用香农信道容量公式，可得 MIMO系统的信道容量为： 其中，li是第i个子信道的增益；W是每个子信 道带宽。 11.6 MIMO技术在宽带移动通信系统中的应用 第8章介绍了空间接收分集，它是克服平坦衰落最为有 效的方法。 根据线性系统互易原理，在一个线性系统中，分集的位 置是可以互易的，可根据实际需要，将分集放在接收端 ，称为分集接收，也可以放在发送端，称为分集发送( 发送分集)。 不过，在移动通信的下行(前向)链路中，由于移动台， 特别是手机严重受到体积、电池容量和价格限制，不允

8、许手机采用分集接收，必须采用分集发送。 值得注意的是，实际的移动信通信道是一个复杂的时变 信道，并不完全遵从严格的线性规律，只能算是近似的 线性时变系统。互易原理对移动信道来说只是近似适用 ，实际的发送分集效果并不如接收分集效果好。尽管如 此，由于移动终端的局限性，我们还是必须根据互易原 理，放弃接收分集而采用发射分集。 11.6.1 发送分集分类 根据是否需要在发送与接收之间建立反馈回路 ，提供发送信道（下行信道或正向信道）实时 状态信息，可将发送分集划分为开环与闭环两 大类型。 1.开环发送分集 不需要在发送与接收之间建立反馈回路，提供 发送信道实时状态信息。基站利用接入期间收 到的移动终

9、端功率估算出发送信道的传输损耗 变化方向，调节各发送信道的发射功率。 现有的发送分集有空时发送分集STTD(Space-Time Transmit Diversity)、正交发送分集OTD(Orthogonal Transmit Diversity)、空时扩频STS(Space-Time Spreading)发送分集、时间切换发送分集 TSTD(Time-Switch Transmit Diversity)、延时发送分 集DTD(Delay Transmit Diversity)等等。 2.闭环发送分集 闭环发送分集，需要在发送与接收之间建立反馈 回路，并利用这一反馈回路传送发送信道实时状 态

10、信息。通常是基站在下行链路信号中周期性地 加入训练序列，移动终端根据接收到的训练序列 检测出下行链路的实时状态信息，然后通过反馈 回路反馈回基站。基站根据信道状态的反馈信息 调节相关发射天线的加权增益系数，实现最合理 的发送分集。 12 闭环发送分集的一般性原理结构如图11.25所示。 闭环分集较开环分集复杂，但是分集效果较好。典 型的闭环发送分集技术有：选择发送分集STD和发 送自适应阵列TXAA( Transmit Adaptive Array)等。 13 11.6.2 发送分集在WCDMA系统中的应用 WCDMA定义了两种开环发送分集：时间切换发送分集TSTD和 空时发送分集STTD，以

11、及两种不同反馈模式的闭环发送分集。 1. 空时发送分集(STTD) 在WCDMA系统中，下行信道除同步信道外，均可采 用空时发送分集STTD。图11.26是下行专用物理信道 (DPCH)的空时发送分集编码原理图。 14 2. 时间切换发送分集(TSTD) 在WCDMA中，同步信道采用TSTD，根据时隙号的奇 偶，两个天线轮流交替发送主同步码PSC和辅同步码 SSC。TSTD方式可以提高用户端正确同步的概率和缩 短同步搜索的时间，它的主要特点是可以很简单的实 现与最大比值合并(MRC)性能相当的效果。 15 3. 闭环发送分集 闭环发送分集主要用于DPCH 信道。图11.28是 DPCH信道的闭

12、环发送分集原理方框图。 WCDMA的DPCH闭环发送分集有两类模式， 参数如表11.1所示。表中NFED表示每个时隙的 反馈信息比特数；NW是一个或几个时隙中反 馈指令长度；Npo是幅度比特数；Nph是相位 比特数。 模式1和模式2的最大区别在于模式1的反馈加 权因子和既包含相位调正信息也包含幅度调 正信息。 17 11.6.3 发送分集在CDMA2000系统中的应用 CDMA2000标准中也定义了两种开环发送分集：正交发送分 集(OTD)和空时扩展发送分集(STS)；两类闭环发送分集：选 择式发送分集(STD)和发送分集天线阵(TXAA)。 1. 正交发送分集(OTD) 正交发送分集(OTD

13、)的原理框图如图11.29所示。 交织后的数据经过串/并转换后按照奇偶顺序分 离为两路b1和b2，分别经QPSK调制后进行符号重 复处理。其中一路的重复规律是(+,+)，另一路的 重复规律是(+,-)，然后分别采用Walsh码扩频和 乘以增益系数，再用伪随机(PN)序列加扰后送人 两副天线发射。两副天线间隔大于10个波长，以 便保证空间非相关性。 OTD的关键部分是利用Walsh码的正交性来实现 正交分集，两副天线分别使用不同的Walsh码 扩频。并且，由于符号重复，扩频码长度加倍 ，扩频增益G增加3分贝，提高了系统抗多址干 扰的能力，扩大了系统通信容量。 19 2. 空时扩展发送分集(STS

14、) STS是另一种开环发送分集技术，输入数据b按奇偶分 为并行的两组b1和b2，它们分别乘以Walsh函数W1和 W2后再乘以归一化系数2-0.5。两路发送信号分别为： 20 3. 选择式发送分集(STD) 选择式发送分集(STD)是开环的时间切换发送分 集TSTD方式的进一步扩展。移动台从基站每个 天线发送的公共导频信号中估计出接收到的各 发射天线信号能量(或信噪比)，并通过一个反 馈回路将上述信道状态信息反馈给基站，再由 基站根据反馈信息选择能给移动台最大接收能 量(或信噪比)的发送天线。选择式发送分集在 闭环发送分集中结构最为简单，但性能也是最 差。 21 4. 发送自适应阵列发送分集(

15、TXAA) 自适应阵列发送分集(TXAA)原理如图11.31所示。基 站收到移动终端反馈来的 实时信道状态信息后，调 整相关发射天线的增益。两副天线除了发射增益不 一样而外，它们采用相同的扩频码。两副天线发射 同一信号的目的是为了抗多径衰落，提高传输可靠 性。 思考题 MIMO与其它的时、频域信号处理技术相比 较有什么特点？ 10.9 假设系统要求的总业务速率为R = 54Mbps，可以容忍的多径时延为 rms= 500ns，系统信道带宽为W 48MHz，按照 10.2 节描述的 OFDM 系统设计方 法，确定 OFDM 符号周期、保护时间、子载波数目及纠错编码码率等基本 的系统参数。补充条件

16、：系统采用QPSK数字调制和码率为3/4的信道编码。 解： 1.确定保护时间TG。 保护时间的合理范围是多径时延均方根值的2-4倍。现取4倍，得到 TG=4 rms=2000ns = 2s 2.确定符号周期Ts。 OFDM符号周期的合理长度至少是保护时间的5倍。现取6倍，得到 Ts=6TG=12s 3. 确定子载波数目。 已知总业务速率为R = 54Mbps，每个 OFDM 符号必须承载的信息量是 IOS =54 Mbps 12 s = 648bit 因为系统采用码率为3/4的信道编码和QPSK数字调制，因此每一OFDM符号 中的每一子载波携带2(3/4)=1.5(bit)信息。需要的子载波数目是： N = 648/1.5=432 l 验证设计合理性： 相邻载波间隔为， Df=1/(Ts-TG)=1/10s=100kHz 信号带宽是100103432=43.2（MHz） 48MHz，符合要求。