《多天线技术和信道编码综述》由会员分享，可在线阅读，更多相关《多天线技术和信道编码综述（40页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、无 线 移 动 创 新 中 心 多天线技术和信道编码 无 线 移 动 创 新 中 心 无 线 移 动 创 新 中 心 多天线技术 信道编码 目录 无 线 移 动 创 新 中 心 空时处理技术背景 背景情况： 空时处理始终是通信理论界的一个活跃领域。在早期研 究中，学者们主要注重空间信号传播特性和信号处理，对 空间处理的信息论本质探讨不多。上世纪九十年代中期， 由于移动通信爆炸式发展，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。工业界的实际需求推动了理论界的深入探索。 无 线 移 动 创 新 中 心 空时处理技术背景 多天线技术分类（根据天线形态）： SI
2、SO MISO SIMO MIMO MU-MIMO SU-MIMO 无 线 移 动 创 新 中 心 空时处理技术背景 多天线技术分类（根据传输方案）： 发送分集技术 空间复用技术 波束赋形技术（智能天线） 无 线 移 动 创 新 中 心 p LTE系统的天线配置 n 下行 利用公共天线端口，LTE系统可以支持单天线发送（1x），双天线发送（ 2x）以及4天线发送（4x），从而提供不同级别的传输分集和空间复用增 益 利用专用天线端口以及灵活的天线端口映射技术，LTE系统可以支持更多 发送天线，比如8天线发送，从而提供传输分集、空间复用增益同时，提 供波束赋形增益 n 上行 LTE系统上行支持发送
3、分集和空间复用技术（最大4层数据流并行传输） 无 线 移 动 创 新 中 心 发送分集技术 发送分集技术概述： 分集技术通常用于对抗衰落、提高链路可靠性。分集技术需要接收端接收 到多个重复的发射信号，这些发射信号携带同样的信息，其衰落在统计上有较 低的相关性。分集的基本思想是，如果能够传输多个独立衰落的信号，从统计 意义来说，合成信号的衰落比每一路信号衰落要降低很多。这是因为在独立衰 落的假设下，当一些信号发生深衰落时，可能另一些信号的衰落较轻，各路信 号同时发生深衰落的概率是很低的，从而合成信号发生深衰落的概率也被大大 降低。 空间发射分集通过在发射端对所要发射的信号进行预处理，以引入接收端
4、 可以利用的分集，在接收端通过检测算法获得该分集。为了改善发射分集的性 能，可以将编码与发射分集结合。通过编码，在空间和时间（频率）域内引入 冗余。由于对编码和发射分集进行了联合优化设计，空时编码在不牺牲带宽的 情况下，可以同时获得发射分集与编码增益，空时编码还可以与多天线接收一 起来对抗多径衰落，提高信道容量。 无 线 移 动 创 新 中 心 发送分集技术 主要的发送分集类型： 延迟发射分集 发送端使用多个天线进行传输，人为地为不同的天线上发射的信号 引入不同延迟，使各个延迟路径的信号在统计意义上相互独立。 延迟发射分集原理框图 无 线 移 动 创 新 中 心 发送分集技术 主要的发送分集类
5、型： 循环延迟发射分集 各个天线支路的信号经过循环移位后并行发送，各天线支路的信号 间不存在真正的延迟，因而不会产生码间干扰的问题，循环偏移量也不 会受到循环前缀长度的限制。 循环延迟分集原理示意框图 无 线 移 动 创 新 中 心 发送分集技术 主要的发送分集类型： 切换发射分集 按照预定模式进行发射天线的切换，包括时间切换发射（TSTD）分 集和频率切换发射（FSTD）分集。 TSTD FSTD 无 线 移 动 创 新 中 心 发送分集技术 主要的发送分集类型： 空时（频）编码 将发送分集与编码结合，在利用发射分集的基础上，近可能地提升 传输数据速率。主要方式包括ST(F)BC、分层空时码
6、和空时格码(STTC)。 STBC SFBC 无 线 移 动 创 新 中 心 发送分集技术 TD-LTE下行采用的发送分集技术： 两天线采用SFBC方案 4天线采用SFBC+FSTD结合方案 无 线 移 动 创 新 中 心 发送分集技术 TD-LTE上行行采用的发送分集技术： 发射天线选择（TAS：Transmit Antenna Selection） 包括：开环和闭环方式，TDD主要采用开环，而FDD主要采用闭环。 PUCCH信道的发送分集方案： SORTD（Spatial orthogonal resources transmit diversity，空间正交资源发送分集） 无 线 移 动
7、 创 新 中 心 空间复用技术 空间复用技术概述： 空间复用通过在发送端和接收端采用多根天线进行发送和接收。空间复用 通过利用无线传输信道的多径可分性特性，通过相同时频资源上发送并行传输 的数据流，可以大大的提高数据的峰值速率和传输效率。 MIMO信道所能支持的数据流数量取决于信道的空间相关性以及信噪比情况 ，因此空间复用技术主要适用于传播环境中散射体较丰富且信道质量较好的场 景中。 无 线 移 动 创 新 中 心 空间复用技术 空间复用MIMO原理： 非相关准静态平坦Rayleigh衰落信道中，使用 M个天线等功率发送并使用 N 个天线接收的MIMO系统信道容量： 进一步表示为： MIMO信
8、道可以等效为多个并行的子信道。MIMO系统所能支持的最大数据流 数 由信道矩阵的秩决定，而每个数据流的传输能力由与之对应的奇异值 决 定。 在非相关信道中，当信噪比足够高时MIMO信道容量近似随 线性增 长。 无 线 移 动 创 新 中 心 空间复用技术 空间复用MIMO分类： 开环MIMO 发送端不知道信道特征信息（CSI），只在接收端采用与信道相匹配的方式 进行接收，而发送信号并未与信道相匹配。开环MIMO的链路性能在很 大程度上受到接收算法的影响。当接收机采用了ZF或MMSE等简单的线 性处理算法时，开环MIMO的差错概率性能往往较差。采用SIC等干扰抵 消算法时，能够有效地改善差错概率
9、性能，但是又会引起接收机计算复 杂度的增加。 闭环预编码MIMO 发射机能够通过某种方式获得一定的CSI（可以是瞬时值，也可以是短期或 中长期统计信息），就可以通过一定的预处理方式对各个数据流加载的 功率、速率乃至发射方向进行优化，并有可能通过预处理在发射机预先 消除数据流之间的部分或全部干扰，以获得更好的性能。在预编码系统 中，发射机可以根据信道条件，对发送信号的空间特性进行优化，使发 送信号的空间分布特性与信道条件相匹配，因此可以有效地降低对接收 机算法的依赖程度。即使采用简单的ZF或MMSE等线性处理算法，也能 够获得较好的性能。 无 线 移 动 创 新 中 心 空间复用技术 闭环预编码
10、MIMO： 线性和非线性预编码 线性预编码的信道模型： MIMO的信道容量为： HF为新的等效信道，HF可以对信道H进行改造，使得信道更接近满足最大 信道容量。 预编码器优化准则 最小奇异值准则（MSV-SC，Minimum Singular Value Criterion） 均方误差准则（MSE-SC，Minmum Square Error Criterion） 最大容量准则（MC-SC，Maximum Capacity Criterion） 最大似然准则（ML-SC，Maximum Likelihood Criterion） 无 线 移 动 创 新 中 心 空间复用技术 闭环预编码MIMO
11、方案： 基于码本方式的预编码方案 接收端通过接收发送端的已知信号（如导频）获得信道信息，通过预编码 的优化准则，根据等效信道，获得预编码方案。由于反馈信道所能支持 的数据速率一般较为有限。为了降低反馈开销，一般都采用基于码本的 有限反馈条件下的预编码方案。设计通信系统时，可以用若干个预编码 矩阵构成一个码本，这一码本的内容是发射机和接收机都是确知的。接 收端将码本反馈给发送端，发送端通过码本信息来获得相应的信道信息 。基于码本的预编码方法存在量化精度损失的问题，因此预编码矩阵不 能与信道精确地匹配。随着码本大小的增加，基于码本的预编码的性能 会有所提升，但是同时也应当考虑到PMI上报与下行控制
12、信令的开销。 基于非码本方式的预编码方案 非码本预编码利用了信道的互易性特性，eNode B根据上行发送信号获得上 行信道信息，并基于信道互易性，获得下行信道信息，利用所获得的信 道信息进行矩阵分解，生成所需的预编码矩阵。非码本预编码方法在 TDD系统中有突出的优势，减少了上行反馈的开销，有利于eNode B灵活 选取预编码矩阵。 无 线 移 动 创 新 中 心 空间复用技术 闭环预编码MIMO方案： 单用户SU-MIMO 多用户MU-MIMO 受限于应用场景和终端的尺寸及天线数量，单个用户往往难以支持高rank 数据传输。而当系统的用户数较多时，一般基站总是可以找到信道空间 独立性较强的两个
13、用户，这时如果基站配备多天线，则可以利用波束赋 形的信号空间隔离度实现对多个用户的并行传输，即MU-MIMO技术。 无 线 移 动 创 新 中 心 波束赋形（智能天线） 波束赋形技术概述： 波束赋形技术是一种天线信号预处理技术，发射机 利用的是多个阵元接收信号的相关性，根据信道状态信 息对各阵元的加权系数的调整，使得功率集中在期望的 方向性的波束内，以此实现接收SINR（Signal-to- Interference plus Noise Ratio）的提高并降低对其他用户 的干扰。一般的波束赋形技术特指基于小间距天线阵列 （阵元间距 ）的线性预处理技术。从信号处理角度来看 ，波束赋形与预编码
14、都属于阵列信号的预处理技术。 波束赋形可以利用天线间的相关性，形成指向性的 成型波束，便于控制和协调干扰。 无 线 移 动 创 新 中 心 波束赋形（智能天线） 波束赋形技术： 早期的波束赋形技术主要通过发送信号赋形，使得信号到达接收端时形成幅 度和相位的正向叠加，从而提高接收信号的SINR。 波束赋形技术可以充分的利用TDD系统的信道对称性。 目前，随着技术的发展，采用智能天线形态的天线也能实现空间复用的单用 户SU-Beamforming 和SDMA的多用户MU-Beamforming 。 单用户/多用户波束赋形示意图 无 线 移 动 创 新 中 心 p 下行多天线传输模式 n 单天线传输
15、（port0） n 传输分集 n发送分集模式两天线用SFBC模式，4天线用SFBC+FSTD模式。 n 开环空间复用 n开环复用模式依据信道矩阵Rank进行判断，如果RI=1,此时变成发送分 集模式，如果RI1, 使用大时延CDD进行空间复用。 n 闭环空间复用 n闭环空间复用需要反馈PMI，由PMI指示codebook。 n MU-MIMO n 闭环Rank1预编码 n闭环单流，需要反馈PMI，适用于RANK=1的场景。 n 单天线传输（port5） TD-LTE下行多天线传输模式 无 线 移 动 创 新 中 心 p 上行多天线传输模式 n 单天线传输 n 传输分集 n控制信道PUCCH 采
16、用SORTD方式； n 天线性选择方式； n 闭环空间复用 n SU-MIMO n MU-MIMO TD-LTE上行行多天线传输模式 上行虚拟MIMO 无 线 移 动 创 新 中 心 多天线技术 信道编码 目录 无 线 移 动 创 新 中 心 信道编码的基本概念 信道编码的定义： 信道编码是为了保证通信系统的传输可靠性，克服信道中的噪声和干扰， 专门设计的一类抗干扰技术和方法。它根据一定的(监督)规律在待发送的信息 码元中(人为的)加入一些必要的(监督)码元，在接收端利用这些监督码元与信息 码元之间的(监督)规律，发现和纠正差错，以提高信息码元传输的可靠性。 称待发送的码元为信息码元，人为加入多余码元为校验码元。信道编码的
