第五章 多输入多输出 (MIMO)

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思考题
3.
1.5 /( M 1) P 0.2 e b
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主要内容
第一节：MIMO的基本原理 第二节：MIMO的检测算法 第三节：MIMO系统的容量 第四节：MIMO应用示例
第五节：空时编码
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矩阵基础知识
给定 A Mn 、 x Cn ，称满足方程 A x = x ，x 0 的标量 为矩阵A的特征值，非零向量x称作矩阵A对应于 的特征向量。
在一定的条件下，MIMO系统可同时传输 min(M,N) 路独 立的数据流。（它由收发天线联合确定的信道矩阵H的特征模 式（eigenmodes）决定。） 举例：V-BLAST (Vertical-Bell Labs Layered Space-Time Architecture)
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V-BLAST(min(M,N)=3)
x1 x2 x3
A1 B1 A2 B2 A3 B3
y1 y2 y3
y Hx
接收机根据共知的训练序列来确定信道矩阵参数，将接 收信号中的各路数据流分离检测出来。这就好比在一个由三 个方程确定的线性系统中求解出三个未知参数。 当且仅当各个方程间相互独立，或者说在不同接收天线 处看到的完全不同的（ sufficiently different ）信道时，才能 正确分离出各路数据流，并合在一起恢复原始高速信号。
主要特性
• MIMO 系统一个非常重要的性能是可以将传统观点上认为 的多径传播这一对无线传输有害的特性转变为对用户有利的 一面。 MIMO 可以有效地利用随机衰落和多径时延扩展来成倍提 高传输数率。MIMO 能够在不增加系统带宽（只是增加了系 统硬件实现的复杂度）的同时大幅度地提高无线通信的速率， 这使其成为新近的研究热点。
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作业
5.1 当SNR＝6和12dB时，收发天线数均为N,试求 N=1,4,16,32时的中断容量C0.1=? 5.2 如果要求Eb/N0=0~10dB, 若频谱效率要达到 5~10bps/Hz，收发天线数应如何选择？
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思考题
1.在实际应用STC时，要考虑哪些实际问题？ 2.如何更加有效的构造STTC 和STBC编码?
b1 b4 … b1 b4 …
b1 b2 b3 b4 b5 b6 …
b2 b5 …
调 制 和 映 射
信 号 处 理
b2 b5 …
b1 b2 b3 b4 b5 b6 …
b3 b6 …
b3 b6 …
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MIMO接收的基本条件
y1 H A1B1 x1 H A 2 B1 x2 H A3 B1 x3 y2 H A1B 2 x1 H A 2 B 2 x2 H A3 B 2 x3 y3 H A1B 3 x1 H A 2 B 3 x2 H A3 B 3 x3
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第五章 多输入多输出 (MIMO) & 空时编码的无线系统
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wk.baidu.com
参考阅读
1.David Gesbert, Mansoor Shafi,, Da-shan Shiu,, Peter J. Smith, and Ayman Naguib, , From Theory to Practice: An Overview of MIMO Space–Time Coded Wireless Systems, IEEE JOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATIONS, VOL. 21, NO. 3, APRIL 2003,pp.281-302 2. Naguib A. F., Tarokh V., Seshadri N., and Calderbank A. R., A Space-Time Coding Modem for High-Data-Rate Wireless Communications, IEEE Journal On Selected Areas in Communications, Vol. 16, N0.8, Oct. 1998
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V-BLAST系统结构
Ordered Serial InterferenceCancellation (OSIC) Detector
P. W. Wolniansky, et al, V-BLAST: An Architecture for Realizing Very High Data Rates Over the Rich-Scattering Wireless Channel, Proceedings of the URSI International Symposium on Signal, Systems, and Electronics Conference, New York, 1998, pp.295-300 vblast-is.pdf
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Turbo-BLAST
空 间 交 织 器
Mathini Sellathurai, et al, TURBO-BLAST for Wireless Communications:Theory and Experiments, IEEE TRANSACTIONS ON SIGNAL PROCESSING, VOL. 50, NO. 10, OCTOBER 2002, pp 538-546, TURBO-BLAST.pdf
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MIMO的发送结构
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MIMO的分层空时编码(LSTC)结构
...a4a3a2a1
时间编码+交织+符号匹配 1:M 分接 Demultiplex
时间编码+交织+符号匹配
...d4d3d2d1
结构一: 水平编码(HE).
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MIMO的分层空时编码(LSTC)结构
如果 1 ,…,n 是矩阵A的n个特征值，则有
矩阵 的迹
trA i
i 1
n
和
det A i
i 1
n
矩阵的 行列式
对于 A Mm,n ， A的秩表示A中线性无关的最大列/行数 目。
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第一节MIMO的基本原理
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MIMO系统定义
MIMO （Multiple Input Multiple Output）系统可以简 单的定义为在发射端和接收端同时使用多个天线的通信系统。 其系统框架如下所示：
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参考阅读
强力推荐： 1. S. S. Diggavi (AT&T Shannon Lab.), N. Al-dhahir (AT&T Shannon Lab.), A. Stamoulis (Qualcomm), and A. R. Calderbank (AT&T Shannon Lab.), Great Expectations: The Value of Spatial Diversity in Wireless Networks, Proceedings of The IEEE, Vol.92, No.2, 2004 2. Chapter 10：多天线和空时通信。A Goldsmith, Wireless Communications, Cambridge University Press 2005,杨鸿文等 译，人民邮电出版社，2007.6
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目的
MIMO思想的出发点是期望通过无线链路收 发两端信号之间的联合（Combining）来达到下 列目标：
‫ ط‬提高系统通信质量（误比特率） ‫ ط‬改进每个MIMO用户的数据数率（bits/sec）。
信道编码 调制映射 天线映射 N Tx
“H”
天线反映射 解调 信道解码
M Rx
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信道编码 调制映射 天线映射 N Tx
“H”
天线反映射 解调 信道解码 M Rx
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发射端操作
信道编码 调制映射 天线映射 N Tx “H” 天线反映射 解调 信道解码 M Rx
• 输入的二进制数据流，经过差错控制编码和调制映射到复 数调制符号（QPSK, M-QAM等），产生出对应多个发射 天线的多路并行数据符号流。这些数据流之间可以是完全 独立的，也可是部分或者完全冗余的。 •天线映射操作可以包含对天线元素的线性空间加权（波束 形成）或者空时预编码。 •最后，经过上变频、滤波和功率放大等一系列操作，信号 被发射到实际的无线信道中。
...a4a3a2a1
时间编码+交织+符号匹配 1:M 分接 Demultiplex
a4 a3 a2 a1
结构二: 垂直编码. 它可以实现信息比特扩展到所有天线上。 通常要求复杂的译码技术。
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MIMO的分层空时编码(LSTC)结构
时间编码+交织+符号匹配 1:M 分接 Demultiplex
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MIMO系统的检测
b1 b4 … b1 b4 …
D-BLAST编码、 b3 b4 b5 b6 … b2 b5 … 调制和循环模块
b3 b6 …
信 号 处 理
b2 b5 …
b1 b2 b3 b4 b5 b6 …
b3 b6 …
接收端通过信号 处理算法（如DBLAST算法）将 空间中已混合在 一起的信号分离 出来，以后每一 路再单独解调。
3。干扰抵消方案中可采用无差错判决。（该条件假设运 用了任意长FEC的码和理想译码）
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BLAST结构
1。对角-BLAST（D-BLAST） 2。垂直-BLAST（V-BLAST）
3。Turbo-BLAST
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D-BLAST结构
Gerard J. Foschini， Layered Space-Time Architecture for Wireless Communication in a Fading Environment When Using Multi-Element Antennas， Bell Labs Technical Journal Autumn 1996, pp41-59, Foschini.pdf
数据流的 旋转 Stream Rotator 时间编码+交织+符号匹配
结构三: 对角编码(HE). 数据流的旋转可实现信息比特扩展 到所有天线上。
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MIMO的分层空时编码(LSTC)结构
对角编码举例：
特点：时延、对角发射
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BLAST结构
分层空时码是由Bell Lab. 发明，因而也称为： BLAST: Bell Laboratories Layered Space-Time BLAST结构使用标准的一维前向纠错码和低复杂度干扰 抵消方案来构造和译码高效的二维空时码。 注：只要MIMO系统满足下面的三个条件，其频谱效率可 以明显增加： 1。系统工作在大量的瑞利散射环境下； 2。采用适当的编码结构；
3.Naguib, A.F.; Seshadri, N.; Calderbank, A.R. Increasing data rate over wireless channels, IEEE Signal Processing Magazine , Volume: 17 Issue: 3 , May 2000, Page(s): 76 –92 4. Molisch A.F., Win M. Z., and Winters J. H., Space-Time-Frequency (STF) Coding for MIMO-OFDM Systems, IEEE Communications Letters, Vol. 6, No.9, Sept. 2002, pp370-372)
a space interleaver based on diagonal layering of each independently coded substream
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Turbo-BLAST结构
D-BLAST：此处为0
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第二节MIMO检测算法
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MIMO接收的基本条件
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接收端操作
信道编码 调制映射 天线映射 N Tx
“H”
天线反映射 解调 信道解码 M Rx
在接收端也可以通过多天线来捕获信号，通过 反映射、解调和解码等一系列与发射端相反的操作 来恢复原始发送信号。
用于选择编码和天线映射算法的复杂度、智能 化程度和信道检测的精确度取决于具体的应用环境， 而这也共同决定了多天线系统实现中的类型和性能。