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LTE移动通信系统第3章 MIMO多天线技术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 MIMO的引入的引入 空间分集技术空间分集技术 MIMO空时编码技术空时编码技术MIMO空间复用技术空间复用技术 MIMO预编码技术预编码技术 MIMO与与OFDM技术的结合技术的结合 MIMO其他相关技术其他相关技术 第第3章章 MIMO多天线技术多天线技术 西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 MIMO的引入的引入 空间分集技术空间分集技术 MIMO空时编码技术空时编码技术MIMO空间复用技术空间复用技术 MIMO预编码技术预编码技术 MIMO与与OFDM技术的结合技术的结合 MIMO其他相关技术其他相关技术 第第3章章 MIMO多天线技术多天线技术 西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 20世纪80年代以来，无线移动通信发展迅速，由单纯的模拟语音通信系统发展到数字语音、基于IP的多媒体数据通信系统。LTE项目是3G的演进，它改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准。LTE系统可以实现上行峰值达到50Mbps、下行峰值达到100Mbps的目标，极大的提高了传输速率和频谱利用率。3.1 MIMO的引入的引入西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学3GPP LTE/LTE-A国际标准中提出的几种研究方案和拟解决技术 lMIMO增强技术 lOFDM技术 l多点协作(CoMP)l中继(Relay)l异构网络(HetNet)3.1 MIMO的引入的引入 MIMO技术利用空间的随机衰落和延迟扩展，对达到用户平均吞吐量和频谱效率要求起着至关重要的作用，是实现高速无线数据传输的关键技术。西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 MIMO的引入的引入 空间分集技术空间分集技术 MIMO空时编码技术空时编码技术MIMO空间复用技术空间复用技术 MIMO预编码技术预编码技术 MIMO与与OFDM技术的结合技术的结合 MIMO其他相关技术其他相关技术 第第3章章 MIMO多天线技术多天线技术 西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学3.2.1 分集技术概述分集技术概述3.2 空间分集技术空间分集技术 多径衰落：无线电波在传播过程中，由于受到周围障碍物和反射体的反射、绕射和散射作用，所以接收端接收到的信号是来自不同传播路径的多个信号的叠加。分集技术：接收端对收到的携带同一信息的多个衰落特性相互独立的信号按一定规则进行合并，从而获得信号噪声功率比的改善。在无线移动通信中广泛使用分集技术来减小多径衰落的影响。西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 (1)时间分集 同一信号，多次发送，当两次发送信号的时间间隔足够大时，每次发送信号的衰落将是相互独立的。通常要求重传的时间间隔满足以下关系：3.2 空间分集技术空间分集技术 是最大多普勒频移，是移动速度，是工作波长 西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学(2)频率分集 移动通信中，当频率间隔大于相关带宽时，两个信号的衰落是不相关的。利用这种多径衰落的频率独立性可以实现频率分集。相关带宽通常按下式计算：其中，为时延扩展。3.2 空间分集技术空间分集技术图3.1 频率分集接收示意图西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学(3)空间分集 在移动环境中，同一时间不同地点的信号衰落是不同的，当相距的距离足够远时，信号的衰落特性是相互独立的。这种利用多径衰落空间独立性的分集方式称为空间分集。不同天线信号的相关系数随着天线间距离的增加而呈波动衰减。当相关系数小于0.2时，可以近似地认为两个信号是不相关的。空间分集分为分集发送和分集接收。3.2 空间分集技术空间分集技术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学(4)极化分集 定向双极化天线：把垂直极化和水平极化两副接收天线集成到一个物理实体中，通过极化分集接收来达到空间分集接收的效果。双极化天线的要求：l空间上的位置分离 l正交特性l水平跟踪特性l较高的交叉极化分辨率l隔离度3.2 空间分集技术空间分集技术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学3.2.2 多天线分集技术多天线分集技术单输入多输出(SIMO)系统：采用接收分集技术，可以提高接收端的信噪比，从而提高信道的信道容量和频谱利用率。3.2 空间分集技术空间分集技术图3.2 SIMO系统西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学多输入单输出(MISO)系统：MISO系统采用发射分集技术，同样可以提高系统的性能。3.2 空间分集技术空间分集技术图3.3 MISO系统西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学多输入多输出(MIMO)系统：MIMO系统在无线链路的两端都使用多根天线，与SIMO和MISO系统相比，可以取得巨大的信道容量。3.2 空间分集技术空间分集技术图3.4 MIMO系统西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学3.2.3 分集接收合并方法分集接收合并方法分集接收即在接收端将不相关的信号副本进行组合。常用的分集合并方法：l选择合并l最大比合并l等增益合并3.2 空间分集技术空间分集技术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学(1)选择合并 接收机对多个接收分支一直进行扫描，从中选择每个信号间隔处具有最大瞬时信噪比的信号作为输出信号。3.2 空间分集技术空间分集技术图3.5 选择合并方案图西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学(2)最大比合并3.2 空间分集技术空间分集技术 最大比合并是一种线性合并方法，它对各路信号分别进行加权，权重是由各支路信号所对应的信噪比所分配的，各支路输入的信号分别按权重相加由此获得输出信号。由于各支路信号在叠加的时候需要确保它们具有相同的相位，所以每根天线都必须有各自的调相电路。西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学(2)最大比合并3.2 空间分集技术空间分集技术图3.6 最大比合并方案图加权因子接收信号西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 每个天线的加权因子的大小与其信号的信噪比成正比。可以设 表示接收信号的相位，表示接收信号的幅度，则加权因子：输出信号：3.2 空间分集技术空间分集技术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学(3)等增益合并 等增益合并不需要计算每条分集支路上的信噪比，只需要把每条分集支路信号进行同相调制后直接叠加，要求各支路的权重相等。3.2 空间分集技术空间分集技术图3.7 等增益合并方案图权重西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 MIMO的引入的引入 空间分集技术空间分集技术 MIMO空时编码技术空时编码技术MIMO空间复用技术空间复用技术 MIMO预编码技术预编码技术 MIMO与与OFDM技术的结合技术的结合 MIMO其他相关技术其他相关技术 第第3章章 MIMO多天线技术多天线技术 西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学3.3 MIMO空空时编码时编码技技术术u概述 空时编码：利用信号空间及时间的相关性，在不牺牲信道带宽的前提下，可以在接收端提供编码增益以及分集增益，从而提高信息传输速率。空时编码技术的三种主要方案：l分层空时码l分组空时码l网格空时码西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学3.3.1 空时网格码空时网格码 空时网格码(STTC)利用的是网格编码技术进行编码，在接收端采用维特比译码算法进行译码。空时网格码技术将编码和调制结合在一起，既不降低频带利用率，又不降低功率利用率，而是以增加系统复杂度为代价换取编码增益。1998年Tarokh等人通过差错控制编码、调制、发射和接收分集等技术进行联合设计，提出了空时网格码，并且给出了基于平坦慢衰落、快衰落信道假设条件下的空时网格码设计准则。3.3 MIMO空空时编码时编码技技术术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学准静态瑞利衰落信道下的空时网格码的基本设计准则：秩准则：假设对于所有不同码 和 对，矩阵是满秩的，那么可以获得最大的增益。行列式准则：若采用秩准则获得了满秩条件，为最大可能地获得编码优势，对所有的不同码 的特征值乘积的最小值（即可能的 矩阵的最小行列式）应该最大。3.3 MIMO空空时编码时编码技技术术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学3.3.2 空空时时分分组码组码 空时分组码(STBC)利用码字的正交设计原理将输入信号编码成相互正交的码字，在接收端再利用最大似然检测算法得到原始信号。(1)Alamouti码 3.3 MIMO空空时编码时编码技技术术图3.8 Alamouti STBC编码器的原理框图西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 假设采用 进制调制方案，在Alamouti空时编码中，首先调制每一组 ()个信息比特。然后，编码器在每一次编码操作中取两个调制符号 和 的一个分组，并根据如下给出的编码矩阵将它们映射到发射天线：3.3 MIMO空空时编码时编码技技术术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 假设接收端只有一根接收天线，两根发射天线到接收天线的信道衰落系数分别为 和 ，则在接收天线端，两个连续符号周期中的接收信号为：，分别为两个连续符号周期中的接收信号，和 为加性高斯白噪声。3.3 MIMO空空时编码时编码技技术术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学STBC的译码采用最大似然译码方案：其中，为调制符号对 的所有可能集合，表示欧氏距离的平方，和 是通过合并接收信号和信道状态信息构造产生的两个判决统计，表示为：3.3 MIMO空空时编码时编码技技术术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学则统计结果可以表示为：统计结果 仅仅是 的函数，因此，可以将最大译码准则式分为对于 和 的两个独立的译码算法，即：3.3 MIMO空空时编码时编码技技术术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学3.3 MIMO空空时编码时编码技技术术图3.9 Alamouti的误码率性能西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学(2)多发射天线的STBC 将Alamouti方案推广到多个发射天线的情况对于 根发射天线，传输矩阵为：对于 根发射天线，传输矩阵为：3.3 MIMO空空时编码时编码技技术术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学对于 根发射天线，传输矩阵为：根据这些矩阵可以看出，发射天线数 和传输这组码的时间周期 都等于消息符号的长度。3.3 MIMO空空时编码时编码技技术术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学当 时，时间周期 的最小值为：3.3 MIMO空空时编码时编码技技术术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 正交原理构造出来的码字并不是唯一的，当发射天线数为3时，其传输矩阵为：3.3 MIMO空空时编码时编码技技术术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学该方案提供了完全分集2、全速率1的传输。3.3 MIMO空空时编码时编码技技术术 前面的传输矩阵适用于实信号星座的情况，下面给出复信号星座的情况。Alamouti方案可以看做发射天线数为2的复信号空时分组码，其传输矩阵可以表示为：西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 空时分组码能够克服空时网格码复杂的问题，合理设计的空时分组码能提供一定的发送分集度。3.3 MIMO空空时编码时编码技技术术对于 的情况，其复传输矩阵为：西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 Hughes等学者研究了接收端没有信道参数估计的盲空时块码，Hochwald等根据信息论中瑞利衰落信道的信道容量推导出了酉空时码(USTC)，它要求发送码块为酉矩阵，接收端可以在信道状态未知的情况下进行最大似然译码。3.3.3 酉空时码酉空时码3.3 MIMO空空时编码时编码技技术术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 将信息流串并转换为 个并行的子比特流，酉空时调制器将 个子比特流映射到复酉空时信号上，其元素由此在 个符号间隔中从 根天线上发射出去。3.3 MIMO空空时编码时编码技技术术图3.10 酉空时码编码器西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学3.3.4 差分空时码差分空时码 假定信道响应从一个符号周期到下一个符号周期近似为常数，差分编码是将发射信息编码为两个连续符号之间的相位差。先发送参考符号，然后发送差分相移符号。接收端通过比较当前符号和前一符号的相位差进行译码。3.3 MIMO空空时编码时编码技技术术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 MIMO的引入的引入 空间分集技术空间分集技术 MIMO空时编码技术空时编码技术MIMO空间复用技术空间复用技术 MIMO预编码技术预编码技术 MIMO与与OFDM技术的结合技术的结合 MIMO其他相关技术其他相关技术 第第3章章 MIMO多天线技术多天线技术 西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 3.4 MIMO空间复用技术空间复用技术 空间复用技术：在相互独立的多个并行的子信道上传输不同的信息流。采用BLAST技术，系统频谱效率可以随天线个数成线性增长。分层空时码(BLAST)技术：如同在原有频段上建立了多个互不干扰、并行的子信道，并利用先进的多用户检测技术，同时准确高效地传送用户数据。其结果是极大提高前向和反向链路容量。西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学图3.11 空间复用技术原理图 3.4 MIMO空间复用技术空间复用技术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学空间多路复用系统的三种模式：l对角分层空时码(D-BLAST，Diagonal BLAST)l垂直分层空时码(V-BLAST，Vertical BLAST)l螺旋分层空时编码(T-BLAST)3.4 MIMO空间复用技术空间复用技术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 3.4.1 D-BLAST 原始数据被分为若干子流，每个子流之间分别进行编码，但子流之间不共享信息比特，每一个子流与一根天线相对应，但是这种对应关系周期性改变。它的每一层在时间与空间上均呈对角线形状，称为D-BLAST 3.4 MIMO空间复用技术空间复用技术图3.12 D-BLAST西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 V-BLAST采用一种直接的天线与层的对应关系，即编码后的第 个子流直接送到第 根天线，不进行数据流与天线之间对应关系的周期改变。数据流在时间与空间上为连续的垂直列向量，称为V-BLAST。3.4.2 V-BLAST 3.4 MIMO空间复用技术空间复用技术图3.13 V-BLAST西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学图3.14 V-BLAST系统基本框图 为发送端发送的数据，为接收端接收到得数据。3.4 MIMO空间复用技术空间复用技术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学V-BLAST系统输入和输出之间的关系：为信道矩阵，为发送的数据向量，为接收到的数据向量，为噪声。发送端将单一的数据流被分成 个子数据流，每个子数据流被编码成符号串，之后送到各自的发射端，发射器以 符号每秒的速率工作，并且要求符号定时同步。3.4 MIMO空间复用技术空间复用技术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学常用的检测技术：l最大似然检测(ML，Maximum Likelihood)算法 l迫零检测(ZF，Zero-Forcing detection)算法 l最小均方误差(MMSE，Minimum Mean-Square Error)算法l串行干扰消除检测算法 3.4 MIMO空间复用技术空间复用技术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学(1)最大似然检测(ML)算法 ML算法是计算接收信号向量 与所有可能的后处理向量（所有可能的发射信号向量 与给定信道矩阵 的乘积）之间的欧氏距离，并找到一个最小的距离。ML检测将发送的信号向量估计为：表示在 个发射天线中所有可能的星座点组合。3.4 MIMO空间复用技术空间复用技术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学(2)线性检测算法 线性MIMO检测：通过对接收信号向量进行线性滤波，分离不同发射天线上的发射信号，然后对分离后的信号进行独立检测。l迫零检测(ZF)算法 ZF线性检测算法基于最小二乘估计原理，所谓的迫零是把多个数据流之间的相互干扰完全抑制掉，从而得到所有期望信号的估计值：3.4 MIMO空间复用技术空间复用技术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 为期望信号 的估计值，为信道矩阵 的伪逆。l最小均方误差检测(MMSE)算法 为了改善ZF检测算法的性能，在设计检测矩阵时可以将噪声的影响考虑进来，这就是MMSE算法。接收端可以得到发送信号的估计量为：为噪声方差，为单位阵 3.4 MIMO空间复用技术空间复用技术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学(3)排序的连续干扰抵消算法 V-BLAST算法：采用结合检测顺序优化的逐层阵列加权合并与层间连续干扰抵消(SIC)方式进行接收处理。根据不同的零化准则，可分为ZF-BLAST检测方法和MMSE-BLAST检测方法。ZF-BLAST检测算法检测流程：初始化，；排序 ；求加权矩阵 ：；3.4 MIMO空间复用技术空间复用技术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学获得判决统计量 ：；判决 ：；干扰消除：；将 的第 列置零后得到更新信道矩阵 ，令 ；，跳至第步。为的伪逆矩阵，表示 的第 行，为加权矢量矩阵，即对应第 个迫零向量，表示对估计值 的判决，表示 的第 列，为此算法的检测顺序。3.4 MIMO空间复用技术空间复用技术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学仿真环境：QPSK调制瑞利衰落信道 3.4 MIMO空间复用技术空间复用技术图3.15 几种经典检测算法的性能西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学3.4.3 T-BLASTT-BLAST的层在空间与时间上呈螺纹(Threaded)状分布。T-BLAST不仅可以使得所有子流共享空间信道，而且没有空时单元的浪费，并且可以使用V-BLAST检测算法进行检测。3.4 MIMO空间复用技术空间复用技术图3.16 T-BLAST中数据子流与天线的对应关系西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 MIMO的引入的引入 空间分集技术空间分集技术 MIMO空时编码技术空时编码技术MIMO空间复用技术空间复用技术 MIMO预编码技术预编码技术 MIMO与与OFDM技术的结合技术的结合 MIMO其他相关技术其他相关技术 第第3章章 MIMO多天线技术多天线技术 西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学3.5 MIMO预编码技术预编码技术 预编码技术是以MIMO系统和空时编码技术为基础，逐步发展起来的一项多天线技术。它的基本思想是，通过矩阵运算把经过调制的符号信息流和信道状态信息进行有机结合，变换成适合当前信道的数据流，然后通过天线发送出去。预编码技术的分类：l开环预编码和闭环预编码l单用户MIMO预编码和多用户MIMO预编码l线性预编码和非线性预编码l基于码本的预编码技术和基于非码本的预编码技术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学3.5.1 单用户单用户MIMO预编码算法预编码算法单用户MIMO预编码的系统结构如下：3.5 MIMO预编码技术预编码技术图3.17 单用户MIMO预编码系统示意图西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学单用户MIMO预编码系统中，收发信号之间的关系为：为信道矩阵，为噪声。预编码器的设计就是求解最优的预编码矩阵 。(1)基于SVD分解的预编码 假定MIMO系统中有 个发射天线，个接收天线，则信道矩阵 为 信道矩阵，可以表示为：3.5 MIMO预编码技术预编码技术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学其中，和 分别是 和 的酉矩阵，满足 ，。为 非负对角矩阵，对角元素是矩阵的特征值的非负平方根。的特征值(用 表示)定义为：，是与 对应的 维矢量，称为特征矢量。特征值的非负平方根也称为 的奇异值。3.5 MIMO预编码技术预编码技术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学接收向量为：引入几个变换 ，发送信号的检测结果可表示为：对于 矩阵 ，秩的最大值 ，也就是说有 个非零奇异值。3.5 MIMO预编码技术预编码技术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学3.5 MIMO预编码技术预编码技术将 代入式 可得：通过上式可以看出，等效的MIMO信道是由 个去耦平行子信道组成的。为每个子信道分配矩阵 的奇异值，相当于信道的幅度增益。因此信道功率增益等于矩阵 的特征值。西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学图3.18 发射天线大于接收天线时的等效MIMO信道3.5 MIMO预编码技术预编码技术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 在等功率分配的情况下，利用香农容量公式可以估算出总的信道容量（用 表示）为：其中，是每个子信道的带宽，是所有发射天线的总功率。3.5 MIMO预编码技术预编码技术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 接收端和发送端共享同一个已知的码本集合，码本集合中包含多个预编码矩阵，接收端根据信道估计的信道矩阵以某一性能目标在码本集合中选择使系统性能更优的预编码矩阵，再将其码本序号反馈给发送端，发送端根据序号选择预编码矩阵进行预编码。(2)基于码本的预编码常用的码本主要有：l格拉斯曼码本(Grassmanian Codebook)l基于Householder变换的码本l离散傅里叶变化(DFT)的码本3.5 MIMO预编码技术预编码技术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 基于DFT的码本的产生依据离散傅里叶变换，产生的各预编码矩阵中的向量两两正交，因此能够有效地抑制多用户MIMO系统中的用户间干扰。考虑 为包含一系列酉矩阵的码本，码本的大小为 ，即：为码本中第 个酉预编码矩阵，由酉矩阵的性质可知3.5 MIMO预编码技术预编码技术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 基于DFT的码本通过抽取DFT矩阵的前几行组成一个新的矩阵，并在新的矩阵中抽取几个列向量构成所需的码字。阶DFT矩阵为：3.5 MIMO预编码技术预编码技术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学DFT码本的生成过程：生成 阶的DFT矩阵抽取DFT矩阵的前 行，此时的列向量集合为：通过对列向量进行组合从而生成码本，其中第 个酉矩阵可表示为3.5 MIMO预编码技术预编码技术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 也可用公式表示DFT码本的构成过程。码本中的第 个码字为：是 的第 个列向量，则：3.5 MIMO预编码技术预编码技术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 当取 ，时，对应的码本空间大小为2，该码本空间包含以下2个预编码矩阵：对于配置有两根发射天线的单用户MIMO系统，LTE规定的线性预编码矩阵的码本，就是基于以上码本得出的。3.5 MIMO预编码技术预编码技术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 在一个预编码通信系统中，除了设计出码本之外，还要根据一些接收端的判决准则正确选取码本中的最优码字。一般的选择准则：l基于性能的选取方式 系统根据某种性能指标，遍历码本空间中的预编码矩阵，选择最优的预编码矩阵。l基于量化的选取方式 系统通过对信道矩阵的右奇异矩阵进行量化，遍历码本空间中的预编码矩阵，选择最匹配的预编码矩阵。3.5 MIMO预编码技术预编码技术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学3.5.2 多用户多用户MIMO预编码算法预编码算法 在多用户MIMO下行链路中，基站将发送多个用户的多个数据流，每一个用户在收到自己的信号之外还接受到其他用户的干扰信号。对于下行链路的用户干扰消除情况，典型的非线性预编码算法是脏纸编码(DPC)，它可以提供较高的信道容量，但计算复杂度很高。因此，在实际应用中普遍釆用线性预编码技术。常见的多用户线性预编码方法包括迫零(ZF)预编码和块对角化(BD)预编码。3.5 MIMO预编码技术预编码技术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学图3.19 多用户MIMO预编码系统3.5 MIMO预编码技术预编码技术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 假设基站有 个天线用于发送经预编码处理的信号，系统中用户数为 ，用户 有 个接收天线。若所有用户接收到的信号矢量为 ，则 可表示为：其中，为第 个用户与基站间的信道矩阵，为第 个用户的预编码矩阵。3.5 MIMO预编码技术预编码技术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 迫零预编码算法：基站根据用户反馈的信道状态信息为用户计算预编码向量，使得传输给某个用户的信号对其它用户构成零陷。在基站侧进行数据流的分离，从而消除或降低多用户干扰。假设 个用户所对应的下行多用户的空间信道矩阵为：那么在ZF准则下，将信道矩阵 的伪逆矩阵作为预编码矩阵，即：3.5 MIMO预编码技术预编码技术使得 ，即使得信道完全对角化。西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 块对角化(BD)预编码算法：多用户MIMO系统中普遍认可的一种有效的线性的预编码方案，其基本思想是将等效全局信道矩阵转化为块对角化形式。定义矩阵 ，则BD预编码的基本思想是通过设计预编码矩阵 ，使得分块对角化，即：。3.5 MIMO预编码技术预编码技术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 BD预编码的关键问题是为用户 寻找恰当的预编码矩阵，使其满足：对于用户 ，将其所有干扰用户的信道矩阵级联，形成级联矩阵 为：对 进行SVD分解，则有：3.5 MIMO预编码技术预编码技术 ，西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学其中 的 个正交列矢量是构成 零空间的标准正交基，这里的 表示矩阵的秩。于是有：进一步定义用户 的等效信道，并对其进行SVD分解可得：则用户的预编码矩阵表示为：为功率分配对角阵，相应地用户 的接收矩阵为 。3.5 MIMO预编码技术预编码技术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学预编码技术的优点：l当预编码应用于多天线分集系统时，可以帮助分集系统获得分集增益l当预编码应用于多天线空间复用系统，预编码技术可以通过使各发射天线上的信号彼此正交来抑制不同天线间的相互干扰l预编码技术还可以用于多用户系统，使得不同用户间的发射信号彼此正交，从而使系统可以获得更多的用户分集增益l预编码技术还可以与其他多天线技术相结合，进一步改善多天线系统的性能3.5 MIMO预编码技术预编码技术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 MIMO的引入的引入 空间分集技术空间分集技术 MIMO空时编码技术空时编码技术MIMO空间复用技术空间复用技术 MIMO预编码技术预编码技术 MIMO与与OFDM技术的结合技术的结合 MIMO其他相关技术其他相关技术 第第3章章 MIMO多天线技术多天线技术 西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学3.6 MIMO与与OFDM技术的结合技术的结合 MIMO技术在利用多径效应的同时，也避免不了频率选择性衰落的影响。经过OFDM可以将子信道变为平坦衰落，有效的对抗了频率选择性衰落。借助MIMO的分集，也可以对OFDM中不同信号的增益进行自适应调整，使OFDM也同时采用分集和复用两种方式进行发射和接收的灵活应用。西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 根据采用的不同分集技术，可以将MIMO-OFDM系统分为如下三类：l带空时分组码的OFDM系统(STBC-OFDM)时间分集l空频分组码的OFDM系统(SFBC-OFDM)频率分集lVBLAST-OFDM系统空间分集 分集技术使得MIMO-OFDM无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。3.6 MIMO与与OFDM技术的结合技术的结合西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学MIMO-OFDM技术的基本思想：MIMO-OFDM系统在发射端使用多个发射天线，将输入数据经过一定的空时编码(STC)或者空频编码(SFC)之后，经OFDM调制从多个天线同时发送出去。在接收端，各个接收天线接收到的信号经过一定的空时或空频处理，检测出原始信号。3.6 MIMO与与OFDM技术的结合技术的结合西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学图3.20 STBC-OFDM系统框图3.6 MIMO与与OFDM技术的结合技术的结合西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 SFBC-OFDM系统：将信号调制、串并转换之后就直接进行空频编码，编码之后的码字被分配到不同的发射天线上，分别进行OFDM调制，然后发送出去。VBLST-OFDM系统：在VBLST系统中应用OFDM调制技术的一种组合系统，所以它的整个工作流程和VBLST系统是相似的，其信号检测算法也和VBLST相同。3.6 MIMO与与OFDM技术的结合技术的结合西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 MIMO的引入的引入 空间分集技术空间分集技术 MIMO空时编码技术空时编码技术MIMO空间复用技术空间复用技术 MIMO预编码技术预编码技术 MIMO与与OFDM技术的结合技术的结合 MIMO其他相关技术其他相关技术 第第3章章 MIMO多天线技术多天线技术 西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学3.7 MIMO其他相关技术其他相关技术 MIMO信息理论的研究结论展现了MIMO系统广阔的应用前景，因此MIMO技术的研究工作得到了迅速发展。近年来MIMO的相关技术的研究涉及各个方面，具体而言，包括虚拟MIMO和认知MIMO等。西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学3.7.1 虚拟虚拟MIMO 在LTE上行系统中，还支持一种特殊的MIMO技术虚拟MIMO。虚拟MIMO技术通过动态地将多个单天线发送的用户配成一对，以虚拟MIMO形式发送。3.7 MIMO其他相关技术其他相关技术图3.21 虚拟MIMO西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 虚拟MIMO是一种多用户MIMO，属于SDMA系统。虚拟MIMO主要涉及用户配对、功率分配和分组调度等方面的技术。(1)用户配对 虚拟MIMO系统中，要求选择合适的用户配对形成虚拟MIMO。配对方法有以下几种：l正交配对：选择信道正交性最大的两个用户进行配对。l随机配对：进行配对的用户随机生成。l基于路径损耗和慢衰落排序配对：将用户路径损耗与慢衰落值的和进行排序，配对用户为排序后相邻的用户。3.7 MIMO其他相关技术其他相关技术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学(2)功率控制技术 在上行LTE系统功率控制技术中，由于小区内用户间相互正交，不存在用户间干扰，消除了“远近”效应的影响，因此无须采用快速功率控制，而是采用慢速功率控制来补偿路径损耗和阴影衰落，以削弱小区间的同频干扰。(3)分组调度 调度是为用户分配合适的资源，系统根据用户设备的能力、待发送的数据量、信道质量信息(CQI)的反馈等因素对资源进行分配，并发送控制信令通知用户。3.7 MIMO其他相关技术其他相关技术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学经典的调度算法有：l最大载干比调度算法 根据基站相应接收信号的载干比预测值，对所有待服务移动设备排序，优先发送预测值高的。l轮询调度算法(Round Robin)保证待调度用户的公平性，按照某种给定的顺序，所有待传的非空用户以轮询的方式接收服务，每次服务占用相等时间的无线通信资源。l基于分数调度算法(Score-Based)考虑了信道的分布情况和用户的速率，尽量将信道分配给最难达到当前速率的用户。3.7 MIMO其他相关技术其他相关技术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学3.7.2 认知认知MIMO技术技术 认知无线电：无线电设备具有学习能力，能与周围环境交互信息，通过感知以及利用获得的环境信息来自适应地调整自身参数，以提高其性能。认知MIMO系统：认知无线电技术与MIMO技术相结合的产物。将多天线技术引入认知无线电系统中，可以提高认知无线电系统的频率效率。3.7 MIMO其他相关技术其他相关技术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 根据认知MIMO系统网络拓扑的不同，认知MIMO系统分为认知MIMO点对点信道、认知MIMO干扰信道、认知MIMO多址接入信道以及认知MIMO广播信道等。目前认知MIMO系统研究的主要问题是如何在保证对授权用户系统干扰功率受限的条件下，通过功率控制提高非授权用户系统的传输速率。3.7 MIMO其他相关技术其他相关技术西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学3.8 本章小结本章小结lLTE等系统采用MIMO的必要性lMIMO常用的分集技术和分集合并准则lMIMO空时编码技术中几种常用的空时码，各种空时码的编码结构以及相应的检测或译码方法l单用户和多用户预编码算法l近年来MIMO研究所涉及的技术