4.5 多天线和空时编码解析

空间复用

四个基本模型
MIMO信道容量

多径V.S容量


多径传播由于产生信号衰落一直被认为是一 种“伤害” 为了消除这个问题，引入了分集技术

天线分集是一种广义上的分集技术

最近的研究表明多径传播实际上对容量是有 贡献的。
SISO的香农界限

根据香农定理，单天线链路的信息论容量受限 于链路的信噪比
s [s1, s2 ]T
* T w [w1, w2 ]
则：
y Hs w
h2 h1*
h1 其中 H * h2
H H I 2
H
| h1 |2 | h2 |2
空时编码技术

空时块码（Space time block codes）
源自文库
解码方法（ML的方法）
4.6 多天线和空时编码
提纲

MIMO背景

MIMO综述 MIMO信道容量

空时编码机制



无线系统中的MIMO

空间分集提高链路质量-STBC/STTC 通过空间复用提高频带利用率-LSTC 3GPP IEEE 802.11n IEEE 802.16(-2004:WiMAX)
MIMO综述
MIMO的基本理念：通过多个发射和接收天线 改变传输质量(BER)和数据率 MIMO的核心机制：空时编码(STC) STC的两个主要功能：分集&复用 最大的性能需要在分集和复用之间进行平衡
MIMO技术的主要历史

空间分集


延时分集：Wittneben, 1991 (inspired); Seshadri &Winters, 1994 (first attempt to develop STC) STTC: Tarokh et al., 1998 (key development of STC)Alamouti scheme: Alamouti, 1998 STBC: Tarokh et al., 1998 First results hint capacity gain of MIMO: Winters, 1987 Ground breaking results: Paulraj & Kailath, 1994 BLAST: Foschini, 1996 MIMO capacity analysis: Telatar 1995; Foschini 1995 & 98 Spatio-temporal vector coding for channel with multipath delay spread: Raleigh & Cioffi, 1998
ˆ arg min || y H * s ˆ || 2 s
简化方法
H ~ ~ y H y s w 2 ~ ˆ arg min || y * s ˆ || s
二维
一维
结论：正交空时码的采用，有利于降低解码的复杂度。这 是因为，通过一定的线性变换，原来的二维最大似然决策问题， 简化为两个一维的最大似然决策问题。

每个格外的bps/Hz大约需要几倍的发射功率 （从1bps/Hz到11bps/Hz，发射功率必须增加 大约1000倍)

单TX天线组：MISO

一个天线组提供发射分集对抗衰落 和单天线比容量成慢的对数增长

单Rx天线组：SIMO

一个天线组提供接受分集对抗衰落 和单天线比容量成慢的对数增长
空时格栅码（Space time trellis codes）
8－PSK八状态时延分集用作空时格行码
空时格栅码（Space time trellis codes）
空时格栅码可以提供最大可能的分集增 益和编码增益，而不会牺牲发射带宽。然 而。这种码的译码确需要使用Viterbi译码 器的向量形式，当天线数目固定时，译码 复杂度随着发射速率的增大呈指数增加， 显然不太实用。
空时块码（Space time block codes）
使用空时分组编码的发射分集（Almouti空时机制）
空时编码技术

空时块码（Space time block codes）
y1 h1s1 h2 s2 w1
* * y2 h1s2 h2 s1 w2
* T y [ y , y 定义： 1 2]

双天线组：MIMO


双天线组提供了发射和接收端的分集 和单发单收比较容量成对数增长

双天线组：MIMO

双天线组提供了并行的空间信道 和单发单收比较容量成线性增长
MIMO相关技术-天线选择技术
MIMO相关技术-预编码
MIMO相关技术-空时编码


空时编码综合考虑分集、编码和调制，它的最大 特点是将编码技术和天线阵技术结合在一起，实 现了空分多址，提高了系统的抗衰落性能，且能 通过发射分集和接收分集提供高速率、高质量的 数据传输。与不使用空时编码的编码系统相比， 空时编码可以在不牺牲带宽的情况下获得较高的 编码增益，进而提高了抗干扰和抗噪声的能力， 特别是在无线通信系统的下行(基站到移动端)传输 中，空时编码将移动端的设计负担转移到了基站， 减轻了移动端的负担。 目前已经有了很多成熟的空时编码方案。


发射和接收的分集消除多径显著改善链路质量 空间复用使频谱效率大幅度提升
通过空间分集提高链路质量
—空时块编码(STBC)/空时格形码(STTC)


STC是一种新的编码/信道处理框架，可为MIMO无线系 统显著改善链路质量 对于一个输入符号序列，空时编码选择星座点在所有 的天线上同时发射因此可同时获得最大的编码和分级 增益



无线通信的发展趋势 未来的无线应用创造了不满足：要求无线访问 具有高的数据率和高的链路质量 频谱已经稀缺而且成为昂贵的资源 带宽有限 规范，设备和系统容量的考虑决定了传输功率 是有限的。 时间和频域处理是受限的，但是空间不受限 →MIMO
多输入多输出(MIMO)基本概念



空时编码分类
空时编码技术 （提高误码性能，传输速率下降）
空时 分组编码
空时 格形编码
分层 空时编码
水平 分层 空时 编码
垂直 分层 空时 编码
对角 分层 空时 编码
差 分 空 时 编 码
酉 空 时 编 码
预 编 码 空 时 技 术
级 连 空 时 编 码
全码率全分集技术
MIMO无线信道中两个主流技术