第三章-现代通信系统信道与系统分析课件.ppt

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1、1现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术 第第8章章 MIMO信道建模与系统性能分析信道建模与系统性能分析 第第9章章 平坦准静态瑞利信道下的空时编码技术平坦准静态瑞利信道下的空时编码技术 第第10章章 差分空时编码技术差分空时编码技术 第第11章章 相关信道下的自适应预编码（波束成型）技术相关信道下的自适应预编码（波束成型）技术 第第12章章 MIMOOFDM系统自适应技术系统自适应技术2现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术Wireless Channels3现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自

2、适应技术问题问题 带宽需求有限频谱资源：GSM、GPRS、3G牌照及其昂贵 可靠性挑战性的无线随机衰落信道传播媒介：衰落、路径衰减、ISI、CCI、Doppler频移、载波频偏、噪声等 功率:有限的电池寿命、昂贵的功率放大器 小区覆盖面积4现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术MIMO System Performance ImprovementMIMO及空时二维处理技术及空时二维处理技术：天线阵列、编码、调制、分集等通信技术与信号处理技术有机结合形成的编码调制技术5现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术 发送接收的都是矩阵

3、利用空分复用增益提高频谱效率：容量随发射、接收阵列的较小天线数线性增长 无需额外带宽 利用MIMO分集增益提高传输可靠性、覆盖、QOS 同信道干扰减小、蜂窝容量增加 不增加发送功率：分割高SNR的单个信道成多个低SNR信道，利用阵列增益提高小区覆盖面积本质是提供了更多的自由度MIMO System Performance Improvement6现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术能与能与OFDM、UWB等很好的结合，等很好的结合， MIMO技术是技术是3GPP，IEEE 802.16等的可选技术，是国内等的可选技术，是国内“FuTURE”项目的框架技术之一

4、项目的框架技术之一基于分布式基于分布式MIMO的分布式通信技术有望成为下一代的分布式通信技术有望成为下一代移动通信技术的候选技术移动通信技术的候选技术7现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术8现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术o 符号说明9现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术10现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术 第第8章章 MIMO信道建模与系统性能分析信道建模与系统性能分析u 信道建模简单回顾信道建模简单回顾u 基于射线跟踪和相关衰落特征统计的基

5、于射线跟踪和相关衰落特征统计的Kronecker信道模型信道模型u 基于散射描述的基于散射描述的VCR信道模型信道模型u 模型比较模型比较u MIMO系统收发模型系统收发模型u 容量分析容量分析u 空间分集空间分集11现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术o 数字通信第2章、第14章； 通信信号处理第3章o 以前的信道建模主要是研究用数学模型描述无线信道的时域衰落特征，重点在于建立存在移动无线衰落信道中的散射体、折射体和绕射体的统计模型或几何模型，从而用于无线信道衰落分布的预测、估计和测量。并按大尺度效应和小尺度效应来划分信道对接收信号的影响。o 大尺度效应主

6、要体现在相应的路径损耗和基于对数正态分布的阴影衰落o 小尺度效应主要体现在多径现象导致的时域扩展和链路两端相对位置的快速移动导致的多普勒扩展12现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术Attenuation in Wireless Channelso Path loss: Signals attenuate due to distanceo Shadowing loss : absorption of radio waves by scattering structureso Fading loss :constructive and destructive i

7、nterference of multiple reflected radio wave pathso Channel parameters: coherence time, coherence bandwidtho If symbol periodcoherence time, the channel is time selectiveo If symbol periodi.i.d. CN(0,1),幅值服从Rayleigh分布发射端不知道信道状态，而接收端具有信道状态的精确信息发射天线的总功率恒定，与发射天线数无关所有天线同步地发送具有相同符号周期的信号所有天线使用相同的频带MYHXW38

8、现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术o H为MN信道增益矩阵，它的元素给出了发射接收天线对间的信道衰减系数。o S为NL发射矩阵，R为ML接收矩阵，N是ML高斯白噪声矩阵。在L个符号周期定义的分组发射时间单元内， S的元素snl规定了在时刻l从天线n上发送的基带符号， R的元素rml表示在时刻l从天线上m接收的基带符号， N的元素nml表示在时刻l天线m上的AWGN。o 为归一化最大平均发送功率，在噪声功率归一化的情况下，等于信噪比，并且与发送天线数无关。o 为保持平均发射功率恒定，发射矩阵须满足功率约束o 设则准静态情况下RHSN2,i ji jnhm C

9、NHmSSINMNNMM212222111211H39现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术o MIMO系统通用发射机模型 总编码速率为 ，第一项由外编码得到，第二项形成调制阶数，第三项形成内空时码。传统编码速率总是小于1，空时码在空时复用情况下，速率能超过1。 kQBvL40现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术pMIMO系统通用接收机模型接收机的各模块执行发射机相应模块的逆运算。图中两个虚线部分表示量化器或符号判决。通常放在解调器前，但在利用软判决检测信息的情况下放在外解码前，例如采用软判决维特比（Viterbi）解码算法

10、的STTC码 41现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术 理想MIMO信道容量分析42现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术o 容量分析 with rCSI SISO：Hh11，Es。2221122log1log1/CP hPbps Hz2,0,i jhCN定义12 rTMx xxx和12 tTMs sss分别为接收和发送矢量xHsnn 为Mr维AWGN矢量0,0.5jnCN43现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术H11H12 3 dB SNR increase if transmitter

11、 knows H Capacity increases logarithmically with nt11121,tMsthhhE =MH22222log1() |log1()/tttMCMMbps HzH44现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术 SIMO： 选择性合并接收： MRC接收：11121,rTMshhhE =H2221,21,max log1log1max/jjjChhbps Hz22222log1|log1/rMCbps Hz HCapacity increases logarithmically with number of receive

12、antennas.H11H2145现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术Selection Diversity vs MRC46现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术min,trmM MHHUVxHsnxsn=+ sVsH xUxH nU n,1,.,kkm设的非负对角元素为 kkkkx sn=+,trM Mkmn一个MIMO信道可以等效转换成个有功率增益为的并行SISO子信道，MIMO系统的容量是这m 个子信道的容量之和。 m, are and unitary matrices, respective lyrrttMMMMU

13、 VH xU xPre-processingPost-processing酉相似不影响各态历经容量分析 sVs47现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术Water-Filling with feedback-AdaptiveEPAEPA用在发送端无需了解或无从了解CSI情况下，如差分发送等Water Filling算法用在发送端了解CSI的情况下，作自适应处理在给定k之后， 通过注水(Water-Filling)算法来计算分配到k221log1mkkk C各子信道上的功率，设分配到第K个子信道的功率为 ，1mkk221log1mkkmCk m21km221lo

14、gmkkmC2where ()kkm48现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术Water-filling in AWGN Channels49现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术H11H22H12H2122211211HHHHHCdiversity = log2detI +(PT/22 )HH= 22212221log21logTTPPWhere the i are the eigenvalues to HH1 2 2m=min(nr, nt) parallel channels, equal power allocated

15、 to each ”pipe”Interpretation:ReceiverTransmitter50现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术miitTtTnPHHnPIC122*221logdetlogH unknown at TXH known at TXmiiipC1221logWhere the power distribution over”pipes” are given by a water filling solutionmimiiiTpP1111 2 2 3 3 4 4p1p2p3p4),min(trnnm 51现代通信系统现代通信系统MIMO

16、及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术o With large SNR, the capacity grows linearly with min (nt, nr) and obtain both multiplexing gain and power gaino With low SNR, the capacity can be approximate asenCr2logSNROnly power gain, no multiplexing gain! 这m个子信道是否都是有效信道？Multiplexing gain: Transmit independent data signals

17、from different antennas to increase the throughputMultiplexing Capability of Deterministic MIMO Channels52现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术Capacity of Fading Channelso Rayleigh fading: the capacity grows linearly with min (nt, nr) o Ricean channels: Increasing the lineofsight (LOS) strength at fi

18、xed SNR reduces the capacityo If the gains in channel matrix H become highly correlated, there is a capacity losso Water-filling capacity gains over equal power capacity are significant at low SNR but converge to zero as the SNR increases53现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术Capacity in Ideal MIMO S

19、ystems54现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术 理想MIMO信道各态历经容量（Foschini,Telatar） *erg2C = Elogdet + = min,log1NMMNOHIHH55现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术Fundamental Limits: Outage Capacity xdfCCCxCCxHHHHHH:Pro定义：Outage capacity Cx :56现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术Outage Probability in Slow Fa

20、ding Channelso With equal power filling in each channel, the outage probability becomeso Optimal to restrict to a subset of antennas and transmit isotropically among the antennas usedo Number of antennas used depends on SNR level: The lower the SNR level relative to the target rate, the smaller the

21、number of antennas used.o At very low SNR relative to the target rate, it is optimal to use just one transmit antenna.o At high SNR, outage probability decays like *)det(log)(RnSNRPRptniidoutrHHIrtnnSNR157现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术Fundamental Limits: Outage Capacity“It is dangerous to put

22、limit on wireless”Guglielmo Marconi (1932)C0.95 x 30kHz58现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术59现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术60现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术61现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术问题：接收端有完美问题：接收端有完美CSICSI，如何利用理论上的信道容量，如何利用理论上的信道容量A1A1：空分复用：空分复用 提高速率，获取高频谱效率 额外独立信号路径增加自由度资源

23、 空分复用：多天线提供并行空间信道，发送独立子数据流 空分复用增益定义r：log(/)RrSNR bps Hz 直接提高频谱效率直接提高频谱效率62现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术A2A2：空间分集：空间分集：提高链路可靠性、功率效率o分集：典型的分集技术包括时间分集、频率分集及空间分集(也称天线分集)o在传统的蜂窝移动通信系统中，空间分集的优势没能充分发挥，其应用领域仅局限在接收分集方面。63现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术Diversity Gaino Intuitively, the more indepen

24、dently fading, identical copies of a given signal the receiver is provided with, the faster the bit error rate (BER) decreases as a function of the per signal SNR. At high SNR values, it has been shown that where d represents the diversity gaino Definition:deSNRP)(log)log(loglim precisely, moreor )(

25、 andlog if gain ngmultiplexiat achived is )(gain diversity A *SNR)(*rdSNRSNRrpSNRRpSNRrRrrdoutrdout64现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术Time selective fading (due to Doppler spread) Space selective fading(due to delay spread) abcdefghijklmnopqFrequencyselective fading(due to delay spread)Fading in

26、Time, Frequency and Space65现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术66现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术Frequencyselective fading(due to delay spread)Signaling over Fading Wireless channelsFrequencydiversityTime diversity:Channel codingandinterleaving.Antenna diversitydiversity techniquesaeimqbfjncskod

27、hlp67现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术Diversity Gaino Principle: provide the receiver with multiple identical copies of a given signal to combat fading gain in instantaneous SNR68现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术Diversity Options in Wireless Channelso Receive replicas of signal via independent

28、ly fading channelsn Time diversityoChannel coding + interleavingoNot effective in slow fadingn Frequency diversityoThe fact that signals transmitted over different frequencies induce different multipath structures is exploitedoOFDM, frequency hopping, RAKE receivers, equalizersoNot effective in flat

29、 fadingn Space (antenna) diversityoMultiple transmit/receive antennas that are spatially separated or differently polarizedoNo penalty in bandwidth efficiency69现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术Space Diversity: Receive Diversityo Multiple receive antennas that are well separated to generate indepe

30、ndent receptions of the transmitted signaln Selection diversity: choose the antenna with the largest SNRn Switch diversity: choose an alternate antenna if the SNR falls below a certain thresholdn Linear combining: linearly combine a weighted replica of all received signals - EGC, MRC, MMSEo Dramatic

31、 improvement even with two branch selection diversityo Hard to implement in mobile handsetn Correlation between closely located antennasn Expense of multiple down-conversion RF paths70现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术Space Diversity: Transmit Diversityo Multiple transmit antennas at base stationn

32、 Benefit multiple userso Transmit diversity schemen Feedback from receiveroTDD: exploit channel symmetry between uplink and downlinkn Feedforward or training information (no feedback)oLinear processing at the transmitter to spread the information across the antennas, linear processing or ML decoding

33、 at receiveroFeedforward information required to estimate the channeloSignificant gain when viewed from coding perspective rather than purely from linear processing point of view!n BlindoMultiple transmit antennas + channel coding + interleaveroLoss of bandwidth efficiency due to the use of channel

34、code71现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术Transmit Diversity: Feedbackow1(t) and w2(t) are adapted with feedback information to maximize |r(t)|272现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术Transmit Diversity: BlindoFrequency weightingUse frequency weighting to mitigate the harm of scenario BSimulate fast f

35、ading can use conventional channel coding and interleaving techniques73现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术Transmit Diversity: FeedforwardoAntenna hoppingAt time i, 1 i N, transmit s from antenna i.Achieves a diversity order of N using ML detection or MRC at the receiverBandwidth efficiency = 1/N74现

36、代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术Transmit Diversity: FeedforwardoDelay diversityProvide diversity benefit by introducing intentional multipathReceiver uses an equalizer or MLSE for detectionProvides a diversity order of N.No loss of BW efficiency75现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术Transmit Diver

37、sity Options76现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术77现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术78现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术79现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术o 分集VS容量 MISOn 稳定接收信号波形，减少衰落n 增加发送天线不能无限提高容量 SIMOn 稳定接收信号波形，减少衰落n 收集更多的发送功率n 增加接收天线可无限提高容量，但呈对数增长 MIMOn 同时增加m,n，容量线性增长 最大可取得的分集增益是发送接收天线之积80现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术Diversity-Multiplexing Tradeoff)()( where, 0),(,(in points connectingfunctionlinear piecewise thebygiven is )( curve tradeoffoptimal the),min(For *knknkdKkkdkrdnnKrtrt81现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术具体实现途径？