第七章-分集、MIMO、空时编码分解

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Hale Waihona Puke Baidu
7.3 空时编码 7.3.3 空时编码模型
空时编码模型
信息源
空时 编码 器
接收 机
数据解调
i c 若干个信息比特C由空时编码器编码成N个码元,其中 t 表示
时隙t从第i个天线上发送的信号,若表示时隙t天线j收到的信号 (假定理想的定时和频率信息)， 则接收信号可以写成
rt hij cti t j
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7.3 空时编码
第2类以提高信息符号传输速率为目的，利用 MIMO系统所能提供的传输自由度，设计达到全 速率信息传输的空时码，以提高信息传输的有效 性，典型的有贝尔分层空时结构(BLAST)、线性 弥散(LD)码等。 第3类是最近两三年提出的，同时以提高信息传输 性能和速率为目的，力图设计达到满分集度全速 率的空时码，如线状代数空时(TAST)块码、线性 复数域预编码(LFC)空时码等。
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7.2 MIMO 7.2.2 MIMO技术（1/2）
MIMO系统可以用一种非常简单的方式来定义： 在收发两端使用多个天线，假定发送端有n个发送 天线，接收端有m个接收天线，这就可认为是一 个 MIMO系统。 S 传统信道容量 C f log (1 N ) S C M f log (1 ) MIMO信道容量 N 其中M是最小的发送天线数量或最小的接收天线 数量，表示空间信息流的数量。MIMO系统容量 随着天线的数量呈线性增加。
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7.3 空时编码 7.3.1 空时编码概念
从信源给出的信息数据流，到达编码器后，形成 同时从许多个发射天线上发射出去的矢量输出， 称这些调制符号为空时符号或者空时矢量符号。 与通常用一个复数表示调制符号类似(复的基带表 示)，一个空时矢量符可以表示成为一个复数的矢 量，矢量中数的个数等于发射天线的个数。 使用空时编码是达到或接近多输入多输出无线信 道容量的一种可行、有效的方法。
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7.3 空时编码 7.3.5.1 STTC
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7.2 MIMO 7.2.3 MIMO应用（2/2）
MIMO在WLAN（ IEEE802.11n ）、WiMAX（ IEEE802.16e ）中都采用MIMO-OFDM技术 利用OFDM技术把频率选择性深衰落信道转变成 多个子载波的平坦衰落信道；利用MIMO技术在 不增加带宽的前提下，成倍的提高通信系统的容 量和频谱利用率。MIMO-OFDM利用了时间、频 率和空间3种分集技术，使无线系统对噪声、干扰 、多径的容限大大增加。
最大比合并 等增益合并 选择式合并
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1.最大比合并
在接收端由多个分集支路，经过相位调整后，按 照适当的增益系数，同相相加，再送入检测器进 行检测。在接收端各个不相关的分集支路经过相 位校正，并按适当的可变增益加权再相加后送入 检测器进行相干检测。在做的时候可以设定第i个 支路的可变增益加权系数为该分集之路的信号幅 度与噪声功率之比。
j i 1
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N
7.3 空时编码
从N个发射天线到M个接收天线的无线信道可以用M×N信道 矩阵H表示为： h h h
h 21 hM 1
11 12 1N
h22 hM 2
h2 N hMN
则接收信号也可表示为：
r H c
1 2 其中 r = (rt , rt ,
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7.3 空时编码 7.3.5 常见的空时编码
当前比较成熟的空时编码技术是：空时分组码（ Space-Time Block Code）和空时网格码（ Space-Time Trellis Code）。 空时分组码提供分集增益，不提供编码增益；空 时网格码是一种将差错控制编码、调制、发射和 接收分集联合在一起进行设计的空时编码。
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7.2 MIMO 7.2.3 MIMO应用（1/2）
在CDMA2000标准中，分别定义了两种开环发送 分集方案和两种闭环发送方案。开环方案包括： 正交发送分集（OTD）、空时扩频发送分集（ STS）；闭环方案包括：选择式发送分集（STD ）、发射自适应阵列发送分集（TXAA）。 在WCDMA中，开环发送分集采用了空时发送分 集STTD 在TD-SCDMA中，采用的是智能天线以及空间分 集接收的MIMO技术来消除干扰和抵抗多径，提 高通信系统性能。
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2
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7.2 MIMO 7.2.2 MIMO技术（2/2）
利用 MIMO技术可以提高信道的容量，同时也可 以提高信道的可靠性，降低误码率。前者是利用 MIMO 信道提供的空间复用增益，后者是利用 MIMO信道提供的空间分集增益。 实现空间复用增益的算法主要有BLAST 算法、 ZF 算法、MMSE 算法、ML 算法。 ML 算法具有很好的译码性能，但是复杂度比较 大。ZF 算法简单易实现，但是对信道的信噪比要 求较高。BLAST 算法实际上是使用 ZF 算法加上 干扰删除技术得出的，兼顾性能与复杂度。
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7.2 MIMO 7.2.1 概述（2/2）
MIMO技术实质上是为系统提供空间复用增益和 空间分集增益，目前针对MIMO信道所进行的研 究也主要围绕这两个方面。空间复用技术可以大 大提高信道容量，而空间分集则可以提高信道的 可靠性，降低信道误码率。 根据收发两端天线数量，相对于普通的 SISO(Single-Input Single-Output)系统， MIMO还可以包括SIMO(Single-Input Multiple-Output)系统和MISO(Multiple-Input Single-Output)系统。
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3.选择式合并
采用选择式合并技术时，N个接收机的输出信号 先送入选择逻辑，选择逻辑再从N 个接收信号中 选择具有最高基带信噪比的基带信号作为输出。 每增加一条分集支路，对选择式分集输出信噪比 的贡献仅为总分集支路数的倒数倍。
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4.三种合并方式比较
最大比合并在收端只需对接收信号做线性处理，然 后利用最大似然检测即可还原出发端的原始信息。 其译码过程简单、易实现。合并增益与分集支路数 N 成正比。当N 较大时，等增益合并与最大比值合 并后相差不多。等增益合并实现比较简单，其设备 也简单。 通常来讲，最大比合并的性能最好，选择式合并的 性能最差。当N较大时，等增益合并的合并增益接 近于最大比合并的合并增益。 选择式合并性能差的原因在于合并其N输出只利用 了最强一路信号，而其它各支路都没有被利用。
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7.3 空时编码 7.3.2 空时编码分类
从设计目的的角度，目前已提出的各种空时编码 方法可分为3类: 第1类以改善传输性能为目的，利用MIMO系统所 能提供的分集度，设计具有满分集度的空时码， 以提高信息传输的可靠性，代表性的有空时网格 码(STTC)、空时正交设计(STOD)码以及对角代 数空时(DAST)块码等。
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7.2 MIMO 7.2.1 概述（1/2）
多输入多输出 (Multi Input Multi Output, MIMO)无线通信技术的概念非常简单，任何一个 无线通信系统，只要其发射端和接收端均采用了 多个天线或者天线阵列，就构成了一个无线 MIMO系统。 在多径环境下，该技术能在不增加带宽的情况下 成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，是新 一代移动通信系统必须采用的关键技术。
7.3.3 空时编码模型 7.3.4 空时编码的设计准则 7.3.5 常见的空时编码 7.3.6 其他种类的空时编码技术 7.3.7 小结
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7.3 空时编码
引言：上一小节讲过利用 MIMO技术可以提高信 道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低 误码率。前者是利用 MIMO 信道提供的空间复用 增益，后者是利用MIMO信道提供的空间分集增 益。 目前 MIMO 技术领域的一个研究热点就是空时编 码。空时编码利用了空间和时间上的分集，从而 降低信道误码率。
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2.等增益合并
等增益合并也称为相位均衡，仅仅对信道的相位 偏移进行校正而幅度不做校正。等增益合并不是 任何意义上的最佳合并方式，只有假设每一路信 号的信噪比相同的情况下，在信噪比最大化的意 义上，它才是最佳的。它输出的结果是各路信号 幅值的叠加。 对CDMA系统，它维持了接收信号中各用户信号 间的正交性状态，即认可衰落在各个通道间造成 的差异，也不影响系统的信噪比。
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7.1 分集 7.1.1 分集接收
原理：携带同一信息的不同信号在多径传输中它 的衰落是不一样的，因此可利用不同方式的信号 携带同一信号在同一信道传输（分散传输），接 收端按一定的方式将这些信号集中起来，选择衰 落最小的信号作为有效信号。 分集技术：将要传输的信息分成几路分散传输， 在接收端集中处理，以实现抗衰落。 分集接收：分解为互不相关的信号；不需要训练 序列；易于实现；改善的幅度为20-30dB
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7.2 MIMO
7.2.4小结：
1）MIMO提高通信系统的容量和频谱利用率； 2）MIMO技术实质上是为系统提供空间复用增益 和空间分集增益； 3）MIMO系统的关键特性：变不利因素（多径传 播）为有利条件。
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7.3 空时编码
7.3.1 空时编码概念
7.3.2 空时编码分类
, rt M )T , c = (ct1 , ct2 ,L, ctN )T , = (t1 ,t2 ,
,tM )T
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7.3 空时编码 7.3.4 空时编码的设计准则
采用多个发射天线和多个接收天线所获得的分集 增益，它决定了信噪比－误码率曲线的斜率； 编码所能获得的编码增益，它在分集增益确定的 情况下，决定信噪比－误码率曲线的平移。
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7.1 分集 7.1.2 分集接收方式
宏分集——对抗大尺度衰落 微分集——对抗小尺度衰落 包括空间分集、频率分集、极化分集、场分量分 集、角度分集、时间分集，它是一种减小快衰落 影响的分集技术。 数字移动通信中采用的分集方式：频率、空间、 时间
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7.1 分集 7.1.3 集中方式
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7.1 分集
7.1.1 分集接收
7.1.2 分集接收方式
7.1.3 集中方式 7.1.4 分集实现例子
7.1.5 小结
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7.1 分集
分集合并
引言：多径衰落在移动通信中引起误码率的上升甚 至通信中断。因此必须采取有效措施进行处理。由于 多径效应引起的衰落有时达30-40dB，因此用加大发 射功率（1000到10000倍）是不可能的。分集接收技 术是抑制多径衰落的有效途径。
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第七章
分集、MIMO、空时编码
LI Xu
State Key Laboratory of Rail Traffic Control and Safety Beijing Jiaotong University yanglixu@vip.sina.com
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目录
7.1 分集
7.2 MIMO 7.3 空时编码
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7.2 MIMO
7.2.1 MIMO概述
7.2.2 MIMO技术
7.2.3 MIMO应用
7.2.4 小结
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7.2 MIMO
信息源
编码 器
接收 机
数据解调
引言：随着无线通信技术的快速发展，频谱资源的 严重不足已经日益成为遏制无线通信事业的瓶颈。如 何充分开发利用有限的频谱资源，提高频谱利用率， 是当前通信界研究的热点课题之一。
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7.1 分集 7.1.4 分集实现例子
RAKE接收技术（CDMA中）
相关器1 A1
接收信号
相关器2
. . .
A2
积分
判决输出
相关器n
An
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7.1 分集 7.1.5 小结
1）分集技术包含两层意思：分散传输、集中处理； 2）分集分为宏分集和微分集； 3）微分集包括：空间、时间、频率、极化、场分量 、角度六种； 4）集中处理常用：选择式合并 最大比值合并 等增 益合并； 5）RAKE接收机是用于CDMA中的分集接收机。