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1、3G移动通信系统笔记整理3G移动通信 16班老师：刘耕兴PPT0 MIMO技术内容提要：MIMO 技术的背景，MIMO 技术的实质，MIMO 的系统模型，MIMO 的信道模型MIMO技 术 背景随着 3G 及后 3G 移动通信 系统 高速 数 据业 务 的发展， 多输 入 多输出 天线 技 术越来 越引 起 人们的兴 趣， 尤 其在功 率、 带 宽受限 的无 线 信 道越发 显现 出 它的优 势。MIMO 技术的实 质空 间分 集 和空 间 复用MIMO 技术的优 点高数据速率， 提高系 统 容量， 提高 传输质 量信息论已经证明，当不同的接收天线和不同的发射天线之间互不相关时， MIMO 系
2、统能够很好的提高系统的抗衰落和抗噪声性能，从而获得巨大的容量。例如：当接收天线和发送天线数目都为 8 根，且平均信噪比为 20dB 时，链路容量可以高达 42b/s/Hz，这是单天线系统所能达到容量的 8 倍多,与发送天线数目成线性关系。有关 MIMO 技术的标准1.3GPP 标准（WCDMA 系统）空时发送分集（Space-Time Transmit Diversity）闭环发送分集（Closed Loop Transmit Diversity）分层空时结构（Bell Laboratories LayeredSpace-Time）2.3GPP2 标准（cdma2000 系统）空时扩频（Spa
3、ce-Time Spreading）正交发送分集（Orthogonal Transmit Diversity）MIMO 技术的实质1 分立式多天线是指各个天线间相互距离足够远，且各个发射天线到各个接收天线间的信号传输可视为互相独立的；2 MIMO 技术是指利用多发射、多接收天线进行空间分集和时间分集的技术，它采用的是分立式多天线，能够有效的将通信链路分解成为许多并行的子信道，从而大大提高容量。空间分集（1 ）基本原理：在发射端或接收端安置多个天线，如果天线之间相隔足够远，那么可以认为各天线是互不相关的，从而在发射端或接收端之间构筑了多条相互独立的通道。空间分集1 接收分集2 发送分集接收分集：
4、是采用多个接收天线实现的空间分集，是移动通信中的传统技术，可以分为选择合并、最大比合并、等增益合并等，一般适用于上行链路。发送分集：即利用多个发射天线实现空间分集。适用于下行链路中，因为移动台很难具备多根不相关的接收天线，无法采用接收分集。作用：利用空间分集，信号既没有在时间域内引入冗余，也没有在频率域内引入冗余，但是信号赋予了一定的空间结构，在空间上引入了冗余，因此提高了传输性能。空时分集空时分集是将空间和时间结合起来，采用空时联合编码，分别在时域和空间域引入冗余，从而达到提高传输性能的一种分集方法。典型的算法即空时码算法。不但能够带来分集增益还能够带来编码增益。特点是能够抗衰落和抗噪声。空
5、间复用空间复用技术是同时在不同发送天线上发送不同数据流，在接收端利用空间丰富的散射性将发送信号分离出来的一种技术。特点：频谱的利用率很高。受传输环境的影响大。MIMO 系统模型MIMO 信道模型带有相关性的信道模型：天线之间的间距，入射波的到达角，入射波的角度扩展MIMO 信道 Shannon 容量1.基于前面所述的信道模型， 根据信息论的结论， 此 MIMO 系统能达到的系统 Shannon 容量为其中表示取方阵的行列式， IN 是 NN 单位矩阵，P 为每根接收天线的信噪比，HH 表示信道矩阵的共轭转置。2.由于信道矩阵 H 是随机的，上式的容量也是一个随机变量。MIMO 信道 Shann
6、on 容量（4）在理想情况下，即 MIMO 信道可以等效为最大数目的独立、等增益、并行的子信道时，得到最大的 Shannon 容量(为保证系统性能比较是在相同条件下，将发射功率归一化，每根发送天线的发射功率与成比例)当信道列矢量互相正交时可以达到的容量可以看出，对于采用多天线发送和接收技术的系统，理想情况下的信道容量将随着发射天线的数目成线性增长，这就为 MIMO的高速数据速率传输奠定了理论基础。MIMO 信道 Shannon 容量（5 ）1.当接收天线和发送天线数目都为 8 根，且平均信噪比为 2 0 dB 时， 链路容量可以高达 42b/s/Hz。2.在大信噪比下，仅仅在链路的一端采用多天
7、线，比两端都采用多天线所取得的容量要小。例如，N=M=2在大信噪比下的容量比 N=4, M=1 的容量要大。MIMO 系统的实现结构：接收分集，发送分集，分层空时结构，空时编码，空时扩频，正交发送分集，空时发送分集接收分集采用一个发送天线，多个接收天线的分集方式，能够抗衰落和抗噪声最大比合并算法（MRC）分集增益为容量为发送分集采用多个发送天线，一个接收天线的分集方式，能够抗衰落如果和接收分集保持相同的总的发送功率，则每个发送天线的发送功率为发送分集的 1/M .分集增益为分层空时结构1.为了充分利用 MIMO 的信道容量，G.J.Foschini 提出了分层空时结构（ BLAST）2.BLA
8、ST 的优点是真正意义上实现了高速数据通信，因为它在多条并行信道里发送的是独立的、没有冗余的信息流，所以它的传输速率将远大于利用传统技术所得到的传输速率。3.将信源数据分为多个数据子流，分别经过多个信道编码器编码，或不经过信道编码，直接送入调制映射器进行信号映射。输出的多路调制信号进行空间域和时间域的信号构造（对角结构、垂直结构等）后，再由多个发射天线发射出去。经无线信道传播后，由多个接收天线接收。在接收机中经空时检测、解调、译码，得到判决数据。特点高散射，高信噪比，开环系统，因为 BLAST 的发射机不需要信道的信息，只需在接收端进行信道预测。结构划分：发送端将单个用户的数据串变并到多个发送
9、天线上，同时的、并行的发送这些数据，利用多输入和多输出方式在同一频率上传输并行信息流。如果信道是多径散射环境足够强，在接收端可以采用 BLAST 算法，恢复出原始信号。BLAST根据构造方式的不同，可以分为对角结构（D-BLAST：Diagonal BLAST）和垂直结构（V-BLAST： Vertical BLAST） 。1.D-BLAST 是一种在接收端和发送端均使用多天线矩阵，并运用一种较好的斜层编码的结构，码块在空时结构中分散在对角线上。 在独立的瑞利散射环境中，这种处理技术理论上可以使容量与发送天线数目成线性增长，而且接近于 Shannon 容量极限的 90%。但是这种算法较复杂，实
10、现较困难。2.V-BLAST 是一种简化的 BLAST 检测算法，也就是码块垂直分散在每根天线上在室内慢衰环境中其频谱效率可以达到40bit/s/Hz。发射机结构：发射机采用循环变动的结构，就避免了某一路数据因为信道条件的不好，而导致连续的误码，从而影响整个接收机的性能。D-BLAST 能够达到 Shannon 容量的 90%，其运算极其复杂，所以贝尔实验室又进一步提出了 V-BLAST 算法。分层空时结构算法：ZF 消除算法： 使用 ZF 迫零矩阵，并结合干扰抵消法 .ZF 不消除算法：直接采用 ZF 迫零矩阵与接收信号相乘，一次性解调出所有天线的发射信号.MMSE 消除算法： 使用 MMS
11、E 迫零矩阵，并结合干扰抵消法.MMSE 不消除算法： 直接采用 MMSE 迫零矩阵与接收信号相乘，一次性解调出所有天线的发射信号.由于 BLAST 所能达到的高容量，一般适用于无线局域网、无线本地环路以及固定点对点的无线通信，此时收端和发端都可以使用多天线。由于下行链路中，移动台无法实现多天线，所以 BLAST 的一个潜在的应用是在台式计算机、笔记本计算机和手持设备上应用。空时编码空时编码的概念是 J.H.Winter 于 1987 年提出的，成为近年来研究的热点。空时编码就是将空间域上的发送分集和时间域上的信道编码相结合的联合编码技术。空间域上的编码可以利用空间冗余度来实现分集，以克服信道
12、衰落，提高性能。空时发送分集满分集度系统所能获得的最大分集增益等于发射天线数和接收天线数之积 NM ；满数据速率系统的数据传输速率与未使用空时分组码的单天线系统相同。也就是说，如果空时编码矩阵 C 具有 TN 阶（其中 N 为发送天线数，T为发送时隙数） ，且 T 个时隙发送 Z 个符号时，那么满数据速率就意味着 Z/T=1。空时格码是将发送分集与网格编码调制相结合的联合编码方式。所获得的编码方案在不牺牲系统带宽的情况下获得满分集增益和高编码增益，进而提高传输质量。空时格码的译码采用最大似然译码器，通常采用 Viterbi 译码器进行最大似然译码空时格码基本原理：假设分立式多天线阵列有 M 个
13、接收天线和 N 个发射天线。信息源数据经空时编码后，在时隙 t 形成调制符号，分别由不同的发射天线同时发送出去。调制符号是信号星座图中的任一点。信号星座图是经过能量归一化的，即星座图的每一点都除以因子。假设各个天线发射的能量相同，总发射能量就为EsE0 = MEs采用 STTC 能同时得到编码增益和分集增益，虽然它能够提供比现在系统高 3-4 倍的频谱效率，但是其译码复杂度随着状态数的增加而指数增长。空时分组码是利用正交设计的原理分配各发射天线上的发射信号格式，实际上是一种空间域和时间域联合的正交分组编码方式。空时分组码可以使接收机解码后获得满分集增益，且保证译码运算仅仅是简单的线性合并，使译
14、码复杂度大大降低。1.将空时发送分集加以推广至多于两根发射天线的情况， 这就是空时分组码2.空时分组码根据调制符号的实数、复数又可分为两种情况。具体情况如下：。若调制符号为实数，比如 BPSK、PAM 调制，满数据速率的 NN 阶的空时分组编码矩阵只存在于发射天线数 N=2,4,8 的情况而发射天线数 N=3 的情况可以由中任选 3 列构造，发射天线数 N5,6,7 的情况可以由中分别任选 5,6,7 列构造，此时的构造也都是满数据速率的，但不是方阵。并且接收端译码后都可以实现满分集度。若调制符号为复数，比如多进制相位调制（M-PSK） 、多进制正交幅度调制(M-QAM)，当发射天线数为 2
15、时，对应的空时分组码就是空时发送分集当发射天线数大于 2 时，已经有文献证明了，满分集度、满数据速率，又保持正交性的空时分组码是不存在的。于是，提出了对于三根发射天线，数据速率为 1/2 的 C3；四根发射天线，数据速率为 1/2 的 C4空时发送分集（STTD）是最简单的空时分组码，它采用两根发射天线，一根接收天线。空时码和分层空时结构的比较1.空时码用并行的信道得到分集，它的频谱效率不如分层空时结构。空时编码中所说的满数据速率是指系统的数据传输速率与未使用空时分组码的单发射天线相同，而并不是 MIMO 所能达到的最大数据速率。2.而分层空时结构可以实现多路完全独立数据的并行传输，因此能达到
16、 MIMO 系统的最大速率；由于空时码引入了空间冗余度，使得其获得较大的分集增益，且空时格码还能得到编码增益；而分层空时结构只能获得分集增益，且不如空时码，使得它主要应用于高信噪比的条件下；。分层空时结构要求接收天线数大于发射天线数，且要在强散射的环境下，而空时码对接收端的天线没有严格的要求；在强散射环境下，BLAST 是众多空时分集方案中最优的，但是随着散射环境的减弱，BLAST 的所有算法的谱效率都要有所下降。 、正交发送分集cdma2000 前向链路中，采用正交发送分集（OTD）来利用多天线比特流分离成两组数据流，分别送到两根发送天线，每根发送天线采用唯一的 Walsh 码或准正交函数进行扩频。正交发送分集在 cdma2000 中的具体实现见下页图。比特流在分离成两组子流之后，一组数据采用重复，另一组数据采用反转，最后采用相同的扩频码进行扩频，分别送到不同的天线上发送。采用这种方法是为了保证每个用户有足够的 Walsh 码。空时扩频cdma2000 前向链路中， 同样也采用空时扩频（STS）利用多天线，其原理见下页图
