空时码演示PPT
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(信息与通信)MIMO技术与SCM信道仿真详解
实际应用阶段
随着无线通信技术的快 速发展，MIMO技术逐 渐被广泛应用在无线通 信系统中，如4G和5G 移动通信系统。
MIMO技术的应用场景
无线局域网
MIMO技术广泛应用于无线局域 网（WLAN）中，如802.11n和
802.11ac标准。
移动通信
MIMO技术是4G和5G移动通信 系统的关键技术之一，用于提 高信号覆盖范围和传输速率。
05 结论与展望
MIMO技术在SCM信道中的应用前景
提升通信性能
MIMO技术通过在发射端和接收端 使用多个天线，能够显著提高通信系 统的容量和可靠性，从而提升通信性 能。
适应未来通信需求
随着人们对高速、大容量数据传输的 需求不断增加，MIMO技术将成为未 来通信系统的重要支柱，满足各种高 带宽应用的需求。
未来研究方向与挑战
优化算法研究
针对MIMO系统的信号检测和信道估计，需要进一步研究和优化算法，以提高系统性能 和降低计算复杂度。
硬件实现挑战
随着MIMO系统规模的扩大，硬件实现将面临更大的挑战，需要研究和开发高效、低成 本的硬件实现方案。
跨领域融合
MIMO技术可以与人工智能、物联网等领域进行融合，进一步拓展其应用领域，同时也 需要解决跨领域融合中的技术难题和挑战。
(信息与通信)MIMO技术与SCM 信道仿真详解
目录
• MIMO技术概述 • SCM信道模型介绍 • MIMO技术在SCM信道中的应用 • SCM信道仿真实验 • 结论与展望
01 MIMO技术概述
MIMO技术的定义与特点
定义
MIMO技术，即多输入多输出技 术，是一种利用多个天线在发射 端和接收端实现信息传输的技术 。
参数设置
根据实际需求，设置信道模型参数，如多径数量、信 噪比等。
随着无线通信技术的快 速发展，MIMO技术逐 渐被广泛应用在无线通 信系统中，如4G和5G 移动通信系统。
MIMO技术的应用场景
无线局域网
MIMO技术广泛应用于无线局域 网（WLAN）中，如802.11n和
802.11ac标准。
移动通信
MIMO技术是4G和5G移动通信 系统的关键技术之一，用于提 高信号覆盖范围和传输速率。
05 结论与展望
MIMO技术在SCM信道中的应用前景
提升通信性能
MIMO技术通过在发射端和接收端 使用多个天线，能够显著提高通信系 统的容量和可靠性，从而提升通信性 能。
适应未来通信需求
随着人们对高速、大容量数据传输的 需求不断增加，MIMO技术将成为未 来通信系统的重要支柱，满足各种高 带宽应用的需求。
未来研究方向与挑战
优化算法研究
针对MIMO系统的信号检测和信道估计，需要进一步研究和优化算法，以提高系统性能 和降低计算复杂度。
硬件实现挑战
随着MIMO系统规模的扩大，硬件实现将面临更大的挑战，需要研究和开发高效、低成 本的硬件实现方案。
跨领域融合
MIMO技术可以与人工智能、物联网等领域进行融合，进一步拓展其应用领域，同时也 需要解决跨领域融合中的技术难题和挑战。
(信息与通信)MIMO技术与SCM 信道仿真详解
目录
• MIMO技术概述 • SCM信道模型介绍 • MIMO技术在SCM信道中的应用 • SCM信道仿真实验 • 结论与展望
01 MIMO技术概述
MIMO技术的定义与特点
定义
MIMO技术，即多输入多输出技 术，是一种利用多个天线在发射 端和接收端实现信息传输的技术 。
参数设置
根据实际需求，设置信道模型参数，如多径数量、信 噪比等。
GPS对时方式说明 ppt课件
原理: 由总控或远动装接收GPS装置的对时通讯 报文，经过处理后以相应规约转发至站内 通讯网络，给各装置对时。如果站内没有 GPS装置，可以通过接收调度对时报文进 行对时。
接口类型
总控或远动通过RS232方式和GPS通讯，站 内通讯网络一般有RS485,以太网等。
3
GPS对时方式说明
原理 目前常用的对时方式是IRIG-B，传输介质 一般可用双绞线或光纤。
5
GPS对时方式说明
GPS对时在实际工程应用中常用如下几 种方式：
一.脉冲对时 二.网络对时 三.IRIG-B码对时
1
GPS对时方式说明
原理: 由GPS装置每秒（分等）输出一个脉冲到空 接点。
接口类型 脉冲对时一般有秒脉冲、分脉冲、时脉冲等， 一般采用无源接点，接线如下图：
2
GPS对时方式说明
接口类型 B码对时一般有直流和交流方式，一般采 用直流方式。 GPS装置的B码对时接点（+、-）直接引 至装置的GPS对时接点（+、-）。
4
各种对时方式比较：
IRIG-B码对时精度最高，脉冲 对时次之，网络对时精度最低。实 际应用中用的是IRIG-B码对时。
接口类型
总控或远动通过RS232方式和GPS通讯，站 内通讯网络一般有RS485,以太网等。
3
GPS对时方式说明
原理 目前常用的对时方式是IRIG-B，传输介质 一般可用双绞线或光纤。
5
GPS对时方式说明
GPS对时在实际工程应用中常用如下几 种方式：
一.脉冲对时 二.网络对时 三.IRIG-B码对时
1
GPS对时方式说明
原理: 由GPS装置每秒（分等）输出一个脉冲到空 接点。
接口类型 脉冲对时一般有秒脉冲、分脉冲、时脉冲等， 一般采用无源接点，接线如下图：
2
GPS对时方式说明
接口类型 B码对时一般有直流和交流方式，一般采 用直流方式。 GPS装置的B码对时接点（+、-）直接引 至装置的GPS对时接点（+、-）。
4
各种对时方式比较：
IRIG-B码对时精度最高，脉冲 对时次之，网络对时精度最低。实 际应用中用的是IRIG-B码对时。
移动通信原理第十二章MIMO空时处理技术
硬件限制
实现高性能的MIMO系统需要高精度的硬 件设备，这可能会增加系统的成本和功耗。
05 MIMO空时处理技术的应 用实例
无线局域网（WLAN）
总结词
无线局域网（WLAN）是MIMO空时处理技术的重要应用领域 之一。
详细描述
在WLAN中，MIMO技术通过在发送端和接收端使用多个天 线，实现了更高的数据传输速率和更可靠的通信性能。 MIMO技术能够有效地抵抗多径衰落和干扰，提高无线信号 的覆盖范围和稳定性。
挑战
信道状态信息获取
MIMO技术的性能高度依赖于信道状态信 息，但准确获取所有天线的信道状态信息
是具有挑战性的。
信号处理复杂性
MIMO系统需要进行复杂的信号处理，包 括信号检测、信道估计和均衡等，这增加
了系统的复杂性和功耗。
天线配置和布局
合理的天线配置和布局对于MIMO系统的 性能至关重要，但在实际应用中，天线的 配置和布局可能受到多种因素的限制。
MIMO系统由多个天线组成，在发 射机和接收机两端都有多个天线。这 种配置允许在多个维度（空间、时间 、频率）上处理信号。
信号传输模型
在MIMO系统中，发射机通过多个天 线同时发送信号，这些信号经过无线 信道后，由接收机的多个天线接收。
MIMO系统的信道容量
自由度
MIMO系统的信道容量与其自由度有关。自由度通常定义为天线数量和信号传 输的维度（空间、时间、频率）。
复用增益
复用增益是通过在多个天线之间发送不同的信号，从而实现在同一频带内复用多 个信号，提高了频谱效率。
03 空时处理技术
空时编码
概念
空时编码是在空间和时间两个维 度上对信号进行编码，以提高信
号的抗干扰能力和传输效率。
实现高性能的MIMO系统需要高精度的硬 件设备，这可能会增加系统的成本和功耗。
05 MIMO空时处理技术的应 用实例
无线局域网（WLAN）
总结词
无线局域网（WLAN）是MIMO空时处理技术的重要应用领域 之一。
详细描述
在WLAN中，MIMO技术通过在发送端和接收端使用多个天 线，实现了更高的数据传输速率和更可靠的通信性能。 MIMO技术能够有效地抵抗多径衰落和干扰，提高无线信号 的覆盖范围和稳定性。
挑战
信道状态信息获取
MIMO技术的性能高度依赖于信道状态信 息，但准确获取所有天线的信道状态信息
是具有挑战性的。
信号处理复杂性
MIMO系统需要进行复杂的信号处理，包 括信号检测、信道估计和均衡等，这增加
了系统的复杂性和功耗。
天线配置和布局
合理的天线配置和布局对于MIMO系统的 性能至关重要，但在实际应用中，天线的 配置和布局可能受到多种因素的限制。
MIMO系统由多个天线组成，在发 射机和接收机两端都有多个天线。这 种配置允许在多个维度（空间、时间 、频率）上处理信号。
信号传输模型
在MIMO系统中，发射机通过多个天 线同时发送信号，这些信号经过无线 信道后，由接收机的多个天线接收。
MIMO系统的信道容量
自由度
MIMO系统的信道容量与其自由度有关。自由度通常定义为天线数量和信号传 输的维度（空间、时间、频率）。
复用增益
复用增益是通过在多个天线之间发送不同的信号，从而实现在同一频带内复用多 个信号，提高了频谱效率。
03 空时处理技术
空时编码
概念
空时编码是在空间和时间两个维 度上对信号进行编码，以提高信
号的抗干扰能力和传输效率。
mimo技术原理
1998年贝尔实验室Tarokh0等人于1998年率先提出了空时编 码分层结构。
目前，空时编码方法主要有分层空时码( LSTC )、 空时网格码(STTC )、空时分组码(STBC )、酉空时码以及差 分空时码等。
2.MIMO的空时编码
分层空时码-复用
1996年，G.J.Foschini提出了对角结构分层空时结构 （D-BLAST: Bell-laboratories layered Space-time）。 1998年，Wolniansky等提出了垂直结构的分层空时码 (V-BLAST)，是对D-BLAST的一种简化。
xt1
……
交织器
xnT t
编码器 S/P
编码器
调制器
交织器
xt1
……
调制器
交织器
xnT t
V-LST的两种结构
2.MIMO的空时编码
空时分组码-分集
空时编码就是将空域上的发送分集和时域上的信道编码相 结合的联合编码技术。空时编码的概念是J.H.Winter于 1987年提出的。
空时格码（STTC：Space-Time Trellis Code） 空时分组码（STBC：Space-Time Block Code）
3. MIMO的信道模型
SISO冲激响应信道模型
L
h (t,) i(t,)e x p [j2(fc f)i(t)][ i(t)] i 1
3. MIMO的信道模型
SIMO冲激响应信道模型
h(t,)[h1(t,)h1(t,) hnR(t,)]T
L
a(i,i)iexp[j2(fcf)i(t)][i(t)] i1
➢ 散射角度扩展
散射的分散程度，决定了信号的可分离性。
目前，空时编码方法主要有分层空时码( LSTC )、 空时网格码(STTC )、空时分组码(STBC )、酉空时码以及差 分空时码等。
2.MIMO的空时编码
分层空时码-复用
1996年，G.J.Foschini提出了对角结构分层空时结构 （D-BLAST: Bell-laboratories layered Space-time）。 1998年，Wolniansky等提出了垂直结构的分层空时码 (V-BLAST)，是对D-BLAST的一种简化。
xt1
……
交织器
xnT t
编码器 S/P
编码器
调制器
交织器
xt1
……
调制器
交织器
xnT t
V-LST的两种结构
2.MIMO的空时编码
空时分组码-分集
空时编码就是将空域上的发送分集和时域上的信道编码相 结合的联合编码技术。空时编码的概念是J.H.Winter于 1987年提出的。
空时格码（STTC：Space-Time Trellis Code） 空时分组码（STBC：Space-Time Block Code）
3. MIMO的信道模型
SISO冲激响应信道模型
L
h (t,) i(t,)e x p [j2(fc f)i(t)][ i(t)] i 1
3. MIMO的信道模型
SIMO冲激响应信道模型
h(t,)[h1(t,)h1(t,) hnR(t,)]T
L
a(i,i)iexp[j2(fcf)i(t)][i(t)] i1
➢ 散射角度扩展
散射的分散程度，决定了信号的可分离性。
基本信息论8多用户信道
多用户信道容量区域
01 02 03
容量区域定义
多用户信道的容量区域是指在给定信道条件下，所有可能 的用户速率组合构成的集合。在这个区域内，存在一种编 码方式使得接收端可以以任意小的错误概率恢复出所有用 户发送的信息。
容量区域性质
多用户信道的容量区域通常是一个凸集，这意味着在这个 区域内，任意两个速率组合的线性组合仍然属于该区域。 此外，容量区域的边界代表了信道的最大传输能力。
02 多用户信道模型
离散无记忆多用户信道
01 02
信道输入与输出
离散无记忆多用户信道（Discrete Memoryless Multiple-Access Channel, DM-MAC）的输入和输出都是离散的，且信道的输出仅与当 前的输入有关，与过去的输入无关。
信道特性
DM-MAC允许多个用户同时发送信息，每个用户的输入信号经过信道 后，在接收端叠加形成输出信号。信道的特性由转移概率矩阵描述。
将频率划分为若干子信道，每个用户在独立的子信道上传输信息， 实现并行传输。
正交频分复用（OFDM）
采用正交子载波进行数据传输，具有高数据速率和抗干扰能力。
多载波调制（MCM）
将高速数据流分解为多个低速数据流，分别调制到不同子载波上进 行传输。
码分复用策略
码分多址（CDMA）
利用扩频技术，为每个用户分配一个 独特的扩频码，实现多用户同时同频 传输。
信息论的基本概念
信息论研究信息的传输、存储和 处理，涉及的基本概念包括信息 熵、信道容量、编码定理等。
多用户信道概述
多用户信道的定义
多用户信道是指多个用户共享同一物 理信道进行通信的信道模型，是信息 论研究的重要分支。
多用户信道的分类
LTE原理篇
上行物理信道及其调制方式
9、自适应的调制和编码技术（AMC）
不同的调制方式有不同的特征，低价调制增加了较多的冗余导致实际效率 较低，但能够保证较高的可靠性，高阶调试具有较高的效率但可靠性差，对信道
条件提出了较高的要求，只有在信道很好的条件下才能获得较高的增益。因此
LTE引入了基于自适应的调制和编码技术（AMC）。UE测量信道质量（即 Channel Quality Indicator （CQI）），并报告给eNodeB，eNodeB基于 CQI来选择 调制方式，数据块的大小和数据速率。 协议定义了不同CQI对应的调制方式。但没有定义信道质量到CQI的定义关系。
• • • • • • • • NAS层传输功能 寻呼 E-RAB管理功能 上下文管理过程 切换过程 位置报告 预警功能 过载功能 • • •
X2
移动性 负载管理 X2接口的建立和重 启 错误管理
•
4、LTE关键技术
采用OFDM 技术 采用MIMO(Multiple-Input Multiple Output)技术
接收端要求发送端重发完整的错误的 HARQ with Soft Combining 数据块 Packet Packet eNode 1 1 Transmitter B
•
Packet2
UE Receiver Packet1 ? N Packet 1 + Packet1? A
8、LTE的调制方式
上行物理信道及其调制方式
时隙-slot
物理资源
OFDM符号
基本时间 单位
天线端口
秒 Ts 1 15000 2048
接收机用来区分资源在 空间上的差别，包括三 类天线端口： CRS： 天线端口0~3 MBSFN：天线端口4 DRS： 天线端口5
西安电子科技大学纠错码课件8.MIMO技术与空时编码
18
国家重点实验室
空时码的设计准则
秩距离准则(1998年，Tarokh) 年 秩距离准则 迹距离准则(Yuan Jinhong) 迹距离准则 分集增益与复用增益最佳折中设计准则
19
国家重点实验室
秩距离准则——适用于高信噪比时 适用于高信噪比时 秩距离准则
1 1 c1 − e1 2 2 C − E = c1 − e1 ...... c n − en 1 1
13
国家重点实验室
空时信道容量——Ergodic信道容量 空时信道容量——Ergodic信道容量
14
国家重点实验室
空时信道容量——Ergodic信道容量 空时信道容量——Ergodic信道容量
SNR = P / σ 2
Large Antenna Array Regime n=m Cnn (SNR ) ≈ nc* (SNR )
m
国家重点实验室
秩距离准则——适用于高信噪比时 适用于高信噪比时 秩距离准则
准静态衰落信道下空时码的设计准则为： 准静态衰落信道下空时码的设计准则为：
秩准则: 若要达到最大的分集增益mn，集合中的每一个 差矩阵 B(C , Ε ) 必须是满秩的，若最小秩为r，则分集增 益最大可达mr 行列式准则：若系统的分集增益为mn，计算集合 中每个 A(C , Ε )的非零特征值之积的r次平方根得到集 合
)(
)
)(
)
= B (C , E )B (C , E )
H
Pair-wise error probability
的非零特征值。 r是矩阵 A(C , E ) 的秩， λ i 是矩阵A(C , E ) 的非零特征值。 是矩阵 的秩，
20
−m r 1 ≤ λ (E 4 N )− rm P (C → E ) ≤ n s 0 ∏ i i =1 ∏ (1 + λi Ed 4 N 0 ) i =1
国家重点实验室
空时码的设计准则
秩距离准则(1998年，Tarokh) 年 秩距离准则 迹距离准则(Yuan Jinhong) 迹距离准则 分集增益与复用增益最佳折中设计准则
19
国家重点实验室
秩距离准则——适用于高信噪比时 适用于高信噪比时 秩距离准则
1 1 c1 − e1 2 2 C − E = c1 − e1 ...... c n − en 1 1
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国家重点实验室
空时信道容量——Ergodic信道容量 空时信道容量——Ergodic信道容量
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国家重点实验室
空时信道容量——Ergodic信道容量 空时信道容量——Ergodic信道容量
SNR = P / σ 2
Large Antenna Array Regime n=m Cnn (SNR ) ≈ nc* (SNR )
m
国家重点实验室
秩距离准则——适用于高信噪比时 适用于高信噪比时 秩距离准则
准静态衰落信道下空时码的设计准则为： 准静态衰落信道下空时码的设计准则为：
秩准则: 若要达到最大的分集增益mn，集合中的每一个 差矩阵 B(C , Ε ) 必须是满秩的，若最小秩为r，则分集增 益最大可达mr 行列式准则：若系统的分集增益为mn，计算集合 中每个 A(C , Ε )的非零特征值之积的r次平方根得到集 合
)(
)
)(
)
= B (C , E )B (C , E )
H
Pair-wise error probability
的非零特征值。 r是矩阵 A(C , E ) 的秩， λ i 是矩阵A(C , E ) 的非零特征值。 是矩阵 的秩，
20
−m r 1 ≤ λ (E 4 N )− rm P (C → E ) ≤ n s 0 ∏ i i =1 ∏ (1 + λi Ed 4 N 0 ) i =1
空时分组码
编码
Alamouti的代 码
高阶STBC
西亚瓦什·阿拉穆蒂（Siavash Alamouti）在1998年发明了所有STBC中最简单的，尽管他自己并没有使用 “时空分组码”这个术语。它设计用于双发射天线系统，并具有编码矩阵：
其中*表示复共轭。
很明显，这是一个速率-1代码。传输两个符号需要两个时隙。使用下面讨论的最佳解码方案，该STBC的误码 率（BER）等于-分支最大比率组合（MRC）。这是接收处理后符号之间完全正交的结果 -每个符号发送两个副本， 并且接收到个副本。
Alamouti在1998年提出的建议的重要性在于它首次证明了一种编码方法，它能够在接收机上实现线性处理的 完全多样性。早期关于发射分集的提议需要处理方案，其与发射天线的数量成指数地缩放。此外，它是第一个具 有这种能力的开环发射分集技术。随后对Alamouti概念的概括已经对无线通信行业产生了巨大影响。
3个发射天线
3个发射天线的两个直接代码是：
这些代码分别达到速率-1/2和速率-3/4。这两个矩阵给出了为什么两个以上天线的代码必须牺牲率的例子 这是实现正交性的唯一方法。的一个特殊问题是它传输的符号之间的功率不均匀这意味着信号不具有恒定的包 络，并且每个天线必须发送的功率必须变化，这两者都是不希望的。此后，设计了克服此问题的此代码的修改版 本。
STBC通常由矩阵表示。每行代表一个时隙，每列代表一个天线随时间的传输。
这里，是要在天线的时隙中发送的调制符号。有时隙和发射天线以及接收天线。该块通常被认为是'length'
STBC的码率测量它在一个块的过程中平均每个时隙传输的符号数。如果一个块编码个符号，则码率为
只有一个标准STBC可以实现全速率（速率1）-Alamouti的代码。
MIMO技术ppt课件
MIMO多天线技术
精选课件ppt
1
课程内容
MIMO基本原理 MIMO的工作模式 MIMO系统的实现 自适应MIMO 多用户MIMO
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2
MIMO基本原理
概述 数学模型 极限容量 多天线技术增益
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3
MIMO基本原理
概述： MIMO技术的基本出发点是将用户数据分解
精选课件ppt
25
MIMO系统的实现
多码字
码字0 编码
调制
层
预
码字1 编码
调制
映 射
编 码
OFDM符号 天线口0
OFDM符号 OFDM符号
天线口1 天线口2
OFDM符号 天线口3
精选课件ppt
26
MIMO系统的实现
多码字
目前，由于LTE系统接收端最多支持2天线， 能够发送的相互独立的编码调制数据流的 数量最多为2，所以不管发送端天线数目为 1、2或4还是8，码字的最大值为2.
适用于单天线端口 提供发射分集对抗衰落 适用于高速移动环境 提高峰值速率 提高系统容量
提高小区覆盖，抑制干扰
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20
MIMO的工作模式
MIMO模式在下行物理信道的应用
物理信道
Mode1
PDSCH
PBCH
PCFICH
PDCCH
PHICH
SCH
Mode 2
Mode3 – Mode 7
精选课件ppt
21
MIMO的工作模式
MIMO模式的应用
小区中心
小区边缘
市区
高速移动
中速移动
低速移动（室内）
精选小课区件边pp缘t
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1
课程内容
MIMO基本原理 MIMO的工作模式 MIMO系统的实现 自适应MIMO 多用户MIMO
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2
MIMO基本原理
概述 数学模型 极限容量 多天线技术增益
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3
MIMO基本原理
概述： MIMO技术的基本出发点是将用户数据分解
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25
MIMO系统的实现
多码字
码字0 编码
调制
层
预
码字1 编码
调制
映 射
编 码
OFDM符号 天线口0
OFDM符号 OFDM符号
天线口1 天线口2
OFDM符号 天线口3
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26
MIMO系统的实现
多码字
目前，由于LTE系统接收端最多支持2天线， 能够发送的相互独立的编码调制数据流的 数量最多为2，所以不管发送端天线数目为 1、2或4还是8，码字的最大值为2.
适用于单天线端口 提供发射分集对抗衰落 适用于高速移动环境 提高峰值速率 提高系统容量
提高小区覆盖，抑制干扰
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20
MIMO的工作模式
MIMO模式在下行物理信道的应用
物理信道
Mode1
PDSCH
PBCH
PCFICH
PDCCH
PHICH
SCH
Mode 2
Mode3 – Mode 7
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21
MIMO的工作模式
MIMO模式的应用
小区中心
小区边缘
市区
高速移动
中速移动
低速移动（室内）
精选小课区件边pp缘t
空时码演示PPT
下面以2根发射天线，2根接收天线的Alamouti空时分 组码为例，介绍空时分组码的编译码原理。
空时分组码－ Alamouti码 （1）
1. 发送
它采用2个发送天线，复正交编码矩阵为
s1 C * s 2 s2 * s1
天线1 t时刻 t+T时刻 天线2
s1
* s2
空时编码技术概述
主要内容
空时编码的提出背景 空时码的分类 空时编码的研究现状 各种空时码的编译码原理及优缺点
空时码在3G中的应用
空时编码提出背景
•
•
• •
未来移动通信系统的目标 支持更高容量高质量的语音和数据传输 20Mbps 通信终端在更高的移动速度下实现可靠传输 未来移动通信系统中的信道特点 有更严重的码间干扰 有更大的多谱勒频移 香农信息理论的限制
ˆ ˆ d 2 ( s j , si ) d 2 ( s j , s k ) , i k , j 1,2
（3）
ˆ 则选择 s i 作为对应于s j 的发送数据。
空时分组码－分析
Alamouti空时分组码是发射天线数n=2,发送速率 R=1的复正交码。分集增益＝2m(m为接收天线数)。 全速率（R＝1）正交空时分组码只有当发射天线 数n为几个特定值时存在，即 实正交设计：n=2,4,8 复正交设计：n=2 当发射天线数>2时，复信号的空时分组码(STBC) 不能同时满足以下条件： 正交设计， 码率R=1 达到最高的分集增益
空时网格码编码框图
编码框图
( g 1 ,1 ,..., g 1 , nT ) 0 0
×
1 1 ( g 1,1 ,..., g 1, nT )
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针对速率问题 方式：采用多天线阵系统 依据：多天线阵的信道容量理论
针对抗衰落的问题
空时编码技术——同时利用时间分集和空间分集
空时编码的提出背景
世界范围内无线通信的容量需求在迅速增长，但可利 用的无线频谱是有限的，采用多收发天线系统可以在 不牺牲带宽的情况下大大提高信道容量。
使用空时编码是达到或接近MIMO无线信道容量的一 种可行、有效的方法。其核心思想是使用多径能力来 获得较高的频谱利用率和性能增益。
空时码的分类
按照空时码适用信道环境的不同，可以将 已有的空时编码方案分成两大类：
一类要求接收端能够准确地估计信道特 性，如分层空时码(LSTC)、网格空时码 (STTC)和分组空时码(STBC)。
另一类不要求接收端进行信道估计，如 酉空时码(USTC)和差分空时码(DSTC)。
空时码研究现状
信道特性已知
信道特性未知
LST 1996，Bell STBC 1998, AT&T
USTM 2000 Bell DSTM 2000 AT&T, 2001 Bell
STTC 1998, AT&T
目前，STBC和LST(MIMO) 已经被3Gpp协议采纳。
空时编码－系统模型
空时编码用来提高数据速率和改善衰落信道中多天线 通信系统的可靠性。数据经空时编码后被分为M个支 流，沿M个发送天线同时发送出去。不同天线发送的 信号要求是非相关而且具有相同的平均功率。
m1
TN
(2)矩阵形式可以表示为 X / M SH W
其中，X为T N矩阵，S为 T矩阵M, H为 矩M阵, NW 为 矩阵T, N
发射码字矩阵的元素由调制符号及其共轭组成
第一类空时码
这一类码字需要知道信道状态信息（CSI,即时变的H矩 阵的值）。目前已提出的空时编码主要有：
的星座图性能越好。
差分空时调制
用一组L个不同的 M 酉M信号矩阵为具有M根发射天线和频率利用
率为 bit/s/Hz的系统定义酉空时调制 V0 ,V1,V2 , VL1
其中，Vi Vi H Vi H ，Vi并且I M
L 2M
酉信号矩阵满足空时分组码的正交设计标准。
编码框图
…
… …
…
1 2
信号源
m
m…
2
1
码元交织器
递归 MPSK STTC
1 2
nT 1 2
nT
多路复用器
Tx1 Tx2
Tx
nT
码元交织器
递归 MPSK STTC
空时Turbo网格码
译码框图
r1
r2
Demux
解码器1
~ 2,es
1,es 码元交织器
码元交织器
mn
~r2
解码器2
码元 解交织器
s1*
在接收端每个天线的接收信号为2路发送信号与噪 声的线性叠加。
r Hs n
(1)
当使用多个接收天线时，信号采用最大合并(MRC)。
空时分组码关矩阵为信道矩阵的共轭转置。
sˆ HHr HHHs HHn
（2）
4
2
这里，sˆ (sˆ1 sˆ2 ) ，其中，sˆi hn si ni ,i 1,2
发射模式： 信息(一次取L比特数据)
c3
c2
c1
空时调制(矩阵)
V z1
Vz2
Vz3
差分调制 X 0 I M , X 1 Vz1 , X 2 V V z1 z2 , X 2 V V V z1 z2 z3
差分发射方案：X k X k 1 Vzk
n1
最大似然解码：由于空时分组编码的正交性使得最
大似然解码简化为一个线性处理，复杂度大大降低。
在所有可能码字中选择与 sˆ j 欧氏距离最小的那个。即， 如果 si满足：
d 2 (sˆ j , si ) d 2 (sˆ j , sk ) , i k , j 1,2 （3）
则选择 si作为对应于sˆ j 的发送数据。
假设通信系统发送端和接收端天线数目分别为M,N个。
T是信道相干时间内的时隙数，表示该信道在T个符号 周期内可以认为其衰落系数保持恒定。
hm表n 示从第m根发射天线到第n根接收天线的衰落衰
减系数，信道矩阵用 H
变。
h表mn示，在T个时隙内保持不
表示每根接收天线处信噪比的期望值。
cm
×
(
g
m v1 ,1
,...,
gm v1,nT
)
×
( g1m,1,...,
gm 1, nT
)
×
(
g0m,1,...,
gm 0,nT
)
空时网格码编码网格图
b0
T0
调制
b1
T1
调制
基于QPSK调制的4状态STTC编码器及对应状态转移 图
空时Turbo网格码
空时Turbo网格码把turbo码与网格码结合起来，采用 软信息的方式进行迭代译码，进一步降低误码率，但 实现复杂度高。
• 缺点 当发射天线数固定时，空时网格码的译码复杂度 随着分集增益和发送速率的增加呈指数增长，使其应 用受到一定的限制。
空时网格码编码框图
编码框图
c1
(
g
1 0 ,1
,...,
g1 0 , nT
)
×
(
g
1 1,1
,...,
g1 1, nT
)
×
(
g
1 v1
,1
,...,
g1 v1 , nT
)
×
…… ……
空时编码技术概述
主要内容
空时编码的提出背景 空时码的分类 空时编码的研究现状 各种空时码的编译码原理及优缺点 空时码在3G中的应用
空时编码提出背景
未来移动通信系统的目标 • 支持更高容量高质量的语音和数据传输
20Mbps • 通信终端在更高的移动速度下实现可靠传输
未来移动通信系统中的信道特点 • 有更严重的码间干扰 • 有更大的多谱勒频移
下面以2根发射天线，2根接收天线的Alamouti空时分 组码为例，介绍空时分组码的编译码原理。
空时分组码－ Alamouti码 （1）
1. 发送
它采用2个发送天线，复正交编码矩阵为
C
s1 s2*
s2 s1*
发射速率R＝1
2．接收
t时刻 t+T时刻
天线1
s1
s
* 2
天线2
s2
采酉用矩最阵大正似交然 的接结收构特zˆ 性arg是mz其ax P不X用| S信z 道ar估gm计zax也Tr 可XS实zH S现z X 正H ,
确译码的本质所在，因为编码设计保证了其他信号与
该信号相关矩阵范数值很小，所以译码选取相关矩阵
范数值最大的 即l 可。 设个子dm为空相间关重矩叠阵区域的l的一第lH'种m度个量奇。异值的，值dm奇越异小值，是设表计征出两
优点是速率变化比较灵活速率随发送天线数线性增加 结论 与接近信道容量的二进制编码方式联合使用将是
一种较好的应用方式。 例如：空时分层码可以和卷积编码相结合来提高性能。 （如下页下图所示）
空时分层码编码框图
…
…
串/并
调制
x
1 t
VLST结构
调制
编码器
串/并
调制 调制
A) 具有单一编码的HLST结构
在接收端每个天线的接收信号为M路发送信号与噪声 的线性叠加。
空
串
输入序列 时
并
编
转
码
换
MIMO信道
时
空
联
并
空
合 多 用
串
时 估计序列
转
解
户
换
码
检
测
平坦瑞利衰落下的多天线系统模型
平坦瑞利衰落下多天线系统模型（续）
对于存在大量散射体的典型的陆地移动无线信道系统， 瑞利衰落模型和实际情况比较接近。
w表tn 示t时刻第n根天线处的加性高斯白噪声。
hm和n w都tn 是包络服从瑞利分布，相位服从均匀分布的复
高斯随机变量。
平坦瑞利衰落信道下多天线系统信号 模型（续）
平坦瑞利衰落信道下，第n根接收天线在t时刻收到的
信号表示为
(1)
xtn
M
/ M hmnstm tn ,t 1 T , n 1 N
空时分组码－分析
Alamouti空时分组码是发射天线数n=2,发送速率 R=1的复正交码。分集增益＝2m(m为接收天线数)。 全速率（R＝1）正交空时分组码只有当发射天线 数n为几个特定值时存在，即
实正交设计：n=2,4,8 复正交设计：n=2 当发射天线数>2时，复信号的空时分组码(STBC) 不能同时满足以下条件： 正交设计， 码率R=1 达到最高的分集增益
交织
x
1 t
交织
x nT t
空时分组码
空时分组码是根据码字的正交设计原理来构造空时码
字，最早由Alamouti提出。其设计原则就是要求设计 出来的码字各发送天线之间满足正交性。 接收时采用 最大似然检测算法进行解码，由于码字之间的正交性， 在接收端只需做简单的线性处理即可。
优缺点 结构简单，译码复杂度是线性的，能够实现完 全分集，但没有引入编码增益，可认为是一种分集技 术，故应考虑与其他编码方式结合。
香农信息理论的限制
空时编码提出背景
解决上述问题的常用方法—单天线系统 ▪ 针对速率问题
针对抗衰落的问题
空时编码技术——同时利用时间分集和空间分集
空时编码的提出背景
世界范围内无线通信的容量需求在迅速增长，但可利 用的无线频谱是有限的，采用多收发天线系统可以在 不牺牲带宽的情况下大大提高信道容量。
使用空时编码是达到或接近MIMO无线信道容量的一 种可行、有效的方法。其核心思想是使用多径能力来 获得较高的频谱利用率和性能增益。
空时码的分类
按照空时码适用信道环境的不同，可以将 已有的空时编码方案分成两大类：
一类要求接收端能够准确地估计信道特 性，如分层空时码(LSTC)、网格空时码 (STTC)和分组空时码(STBC)。
另一类不要求接收端进行信道估计，如 酉空时码(USTC)和差分空时码(DSTC)。
空时码研究现状
信道特性已知
信道特性未知
LST 1996，Bell STBC 1998, AT&T
USTM 2000 Bell DSTM 2000 AT&T, 2001 Bell
STTC 1998, AT&T
目前，STBC和LST(MIMO) 已经被3Gpp协议采纳。
空时编码－系统模型
空时编码用来提高数据速率和改善衰落信道中多天线 通信系统的可靠性。数据经空时编码后被分为M个支 流，沿M个发送天线同时发送出去。不同天线发送的 信号要求是非相关而且具有相同的平均功率。
m1
TN
(2)矩阵形式可以表示为 X / M SH W
其中，X为T N矩阵，S为 T矩阵M, H为 矩M阵, NW 为 矩阵T, N
发射码字矩阵的元素由调制符号及其共轭组成
第一类空时码
这一类码字需要知道信道状态信息（CSI,即时变的H矩 阵的值）。目前已提出的空时编码主要有：
的星座图性能越好。
差分空时调制
用一组L个不同的 M 酉M信号矩阵为具有M根发射天线和频率利用
率为 bit/s/Hz的系统定义酉空时调制 V0 ,V1,V2 , VL1
其中，Vi Vi H Vi H ，Vi并且I M
L 2M
酉信号矩阵满足空时分组码的正交设计标准。
编码框图
…
… …
…
1 2
信号源
m
m…
2
1
码元交织器
递归 MPSK STTC
1 2
nT 1 2
nT
多路复用器
Tx1 Tx2
Tx
nT
码元交织器
递归 MPSK STTC
空时Turbo网格码
译码框图
r1
r2
Demux
解码器1
~ 2,es
1,es 码元交织器
码元交织器
mn
~r2
解码器2
码元 解交织器
s1*
在接收端每个天线的接收信号为2路发送信号与噪 声的线性叠加。
r Hs n
(1)
当使用多个接收天线时，信号采用最大合并(MRC)。
空时分组码关矩阵为信道矩阵的共轭转置。
sˆ HHr HHHs HHn
（2）
4
2
这里，sˆ (sˆ1 sˆ2 ) ，其中，sˆi hn si ni ,i 1,2
发射模式： 信息(一次取L比特数据)
c3
c2
c1
空时调制(矩阵)
V z1
Vz2
Vz3
差分调制 X 0 I M , X 1 Vz1 , X 2 V V z1 z2 , X 2 V V V z1 z2 z3
差分发射方案：X k X k 1 Vzk
n1
最大似然解码：由于空时分组编码的正交性使得最
大似然解码简化为一个线性处理，复杂度大大降低。
在所有可能码字中选择与 sˆ j 欧氏距离最小的那个。即， 如果 si满足：
d 2 (sˆ j , si ) d 2 (sˆ j , sk ) , i k , j 1,2 （3）
则选择 si作为对应于sˆ j 的发送数据。
假设通信系统发送端和接收端天线数目分别为M,N个。
T是信道相干时间内的时隙数，表示该信道在T个符号 周期内可以认为其衰落系数保持恒定。
hm表n 示从第m根发射天线到第n根接收天线的衰落衰
减系数，信道矩阵用 H
变。
h表mn示，在T个时隙内保持不
表示每根接收天线处信噪比的期望值。
cm
×
(
g
m v1 ,1
,...,
gm v1,nT
)
×
( g1m,1,...,
gm 1, nT
)
×
(
g0m,1,...,
gm 0,nT
)
空时网格码编码网格图
b0
T0
调制
b1
T1
调制
基于QPSK调制的4状态STTC编码器及对应状态转移 图
空时Turbo网格码
空时Turbo网格码把turbo码与网格码结合起来，采用 软信息的方式进行迭代译码，进一步降低误码率，但 实现复杂度高。
• 缺点 当发射天线数固定时，空时网格码的译码复杂度 随着分集增益和发送速率的增加呈指数增长，使其应 用受到一定的限制。
空时网格码编码框图
编码框图
c1
(
g
1 0 ,1
,...,
g1 0 , nT
)
×
(
g
1 1,1
,...,
g1 1, nT
)
×
(
g
1 v1
,1
,...,
g1 v1 , nT
)
×
…… ……
空时编码技术概述
主要内容
空时编码的提出背景 空时码的分类 空时编码的研究现状 各种空时码的编译码原理及优缺点 空时码在3G中的应用
空时编码提出背景
未来移动通信系统的目标 • 支持更高容量高质量的语音和数据传输
20Mbps • 通信终端在更高的移动速度下实现可靠传输
未来移动通信系统中的信道特点 • 有更严重的码间干扰 • 有更大的多谱勒频移
下面以2根发射天线，2根接收天线的Alamouti空时分 组码为例，介绍空时分组码的编译码原理。
空时分组码－ Alamouti码 （1）
1. 发送
它采用2个发送天线，复正交编码矩阵为
C
s1 s2*
s2 s1*
发射速率R＝1
2．接收
t时刻 t+T时刻
天线1
s1
s
* 2
天线2
s2
采酉用矩最阵大正似交然 的接结收构特zˆ 性arg是mz其ax P不X用| S信z 道ar估gm计zax也Tr 可XS实zH S现z X 正H ,
确译码的本质所在，因为编码设计保证了其他信号与
该信号相关矩阵范数值很小，所以译码选取相关矩阵
范数值最大的 即l 可。 设个子dm为空相间关重矩叠阵区域的l的一第lH'种m度个量奇。异值的，值dm奇越异小值，是设表计征出两
优点是速率变化比较灵活速率随发送天线数线性增加 结论 与接近信道容量的二进制编码方式联合使用将是
一种较好的应用方式。 例如：空时分层码可以和卷积编码相结合来提高性能。 （如下页下图所示）
空时分层码编码框图
…
…
串/并
调制
x
1 t
VLST结构
调制
编码器
串/并
调制 调制
A) 具有单一编码的HLST结构
在接收端每个天线的接收信号为M路发送信号与噪声 的线性叠加。
空
串
输入序列 时
并
编
转
码
换
MIMO信道
时
空
联
并
空
合 多 用
串
时 估计序列
转
解
户
换
码
检
测
平坦瑞利衰落下的多天线系统模型
平坦瑞利衰落下多天线系统模型（续）
对于存在大量散射体的典型的陆地移动无线信道系统， 瑞利衰落模型和实际情况比较接近。
w表tn 示t时刻第n根天线处的加性高斯白噪声。
hm和n w都tn 是包络服从瑞利分布，相位服从均匀分布的复
高斯随机变量。
平坦瑞利衰落信道下多天线系统信号 模型（续）
平坦瑞利衰落信道下，第n根接收天线在t时刻收到的
信号表示为
(1)
xtn
M
/ M hmnstm tn ,t 1 T , n 1 N
空时分组码－分析
Alamouti空时分组码是发射天线数n=2,发送速率 R=1的复正交码。分集增益＝2m(m为接收天线数)。 全速率（R＝1）正交空时分组码只有当发射天线 数n为几个特定值时存在，即
实正交设计：n=2,4,8 复正交设计：n=2 当发射天线数>2时，复信号的空时分组码(STBC) 不能同时满足以下条件： 正交设计， 码率R=1 达到最高的分集增益
交织
x
1 t
交织
x nT t
空时分组码
空时分组码是根据码字的正交设计原理来构造空时码
字，最早由Alamouti提出。其设计原则就是要求设计 出来的码字各发送天线之间满足正交性。 接收时采用 最大似然检测算法进行解码，由于码字之间的正交性， 在接收端只需做简单的线性处理即可。
优缺点 结构简单，译码复杂度是线性的，能够实现完 全分集，但没有引入编码增益，可认为是一种分集技 术，故应考虑与其他编码方式结合。
香农信息理论的限制
空时编码提出背景
解决上述问题的常用方法—单天线系统 ▪ 针对速率问题