第三章-现代通信系统信道与系统分析.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自适应技术自适应技术问

2、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利用空分复用增益提高频

3、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项目的框架技术之一基于分布式基

4、于分布式MIMO的分布式通信技术有望成为下一代移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于射线跟踪和相关衰落特征统计的Kron

5、ecker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uMIMO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

6、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 ChannelsoPath loss:Signals attenuate due to distanceoShadowing loss:absorption of radio waves by scattering structuresoFading loss:constructive and destructive interference of multiple reflected ra

7、dio wave pathsoChannel parameters:coherence time,coherence bandwidthoIf symbol periodcoherence time,the channel is time selectiveoIf 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38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oH为MN信道增益矩阵，

8、它的元素给出了发射接收天线对间的信道衰减系数。oS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39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oMIMO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

9、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。40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 wit

10、h rCSISISO：Hh11，Es。定义和分别为接收和发送矢量n 为Mr维AWGN矢量43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MISOMISOH11H12 3 dB SNR increase if transmitter knows H H Capacity increases logarithmically with nt44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：Capacity increases logarithmically with number of receive ant

11、ennas.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设的非负对角元素为 n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。Pre-processingPost-processing酉相似不影响各态历经容量分析47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-AdaptiveEP

12、AEPA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之后，通过注水(Water-Filling)算法来计算分配到各子信道上的功率，设分配到第K个子信道的功率为 ，48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H11H22Multiple Input Multiple Output systemsMultiple Input Multiple O

13、utput systemsMultiple Input Multiple Output systemsMultiple Input Multiple Output systemsH12H21Cdiversity=log2detI I+(PT/2s2)HHHH=Where the i are the eigenvalues to HHHH1l l2 2m=min(nr,nt)parallel channels,equal power allocated to each”pipe”Interpretation:Interpretation:ReceiverTransmitter50现代通信系统现代

14、通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术MIMO capacity in generalMIMO capacity in generalH unknown at TXH known at TXWhere the power distribution over”pipes”are given by a water filling solution1l l2 2l l3 3l l4 4p1p2p3p451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oWith large SNR,the capacity grows linearly with min(n

15、t,nr)and obtain both multiplexing gain and power gainoWith low SNR,the capacity can be approximate asOnly 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 from different antennas to increase the throughputMultiplexing Capability of Deterministic MIMO

16、 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 ChannelsoRayleigh fading:the capacity grows linearly with min(nt,nr)oRicean channels:Increasing the lineofsight(LOS)strength at fixed SNR reduces the capacityoIf the gains in channel matrix H become highly correlated,there is a capaci

17、ty lossoWater-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 Systems54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）55现代通信系统现代通信系统MIMO及及MIMOOFDM自适

18、应技术自适应技术Fundamental Limits:Outage Capacityo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 Fading ChannelsoWith equal power filling in each channel,the outage probability becomesoOptimal to restrict to a subset of antennas and transmit isotropically among the a

19、ntennas usedoNumber of antennas used depends on SNR level:The lower the SNR level relative to the target rate,the smaller the number of antennas used.oAt very low SNR relative to the target rate,it is optimal to use just one transmit antenna.oAt high SNR,outage probability decays like 57现代通信系统现代通信系统

20、MIMO及及MIMOOFDM自适应技术自适应技术Fundamental Limits:Outage Capacity“It is dangerous to put 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：

21、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 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：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M

22、IMOOFDM自适应技术自适应技术Diversity GainoIntuitively,the more independently 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 gainoD

23、efinition:64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 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

24、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 techniquesaeimqbfjncskodhlp67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 GainoPrinciple:provide the receiver with

25、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 ChannelsoReceive replicas of signal via independently fading channelsnTime diversityoChannel coding+interleavingoNot effective in slow fadingnFreq

26、uency diversityoThe fact that signals transmitted over different frequencies induce different multipath structures is exploitedoOFDM,frequency hopping,RAKE receivers,equalizersoNot effective in flat fadingnSpace(antenna)diversityoMultiple transmit/receive antennas that are spatially separated or dif

27、ferently 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 DiversityoMultiple receive antennas that are well separated to generate independent receptions of the transmitted signalnSelection diversity:choose the antenna with the largest SNRnSwit

28、ch diversity:choose an alternate antenna if the SNR falls below a certain thresholdnLinear combining:linearly combine a weighted replica of all received signals-EGC,MRC,MMSEoDramatic improvement even with two branch selection diversityoHard to implement in mobile handsetnCorrelation between closely

29、located antennasnExpense 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 DiversityoMultiple transmit antennas at base stationnBenefit multiple usersoTransmit diversity schemenFeedback from receiveroTDD:exploit channel symmetry between uplink and dow

30、nlinknFeedforward or training information(no feedback)oLinear processing at the transmitter to spread the information across the antennas,linear processing or ML decoding at receiveroFeedforward information required to estimate the channeloSignificant gain when viewed from coding perspective rather

31、than purely from linear processing point of view!nBlindoMultiple transmit antennas+channel coding+interleaveroLoss of bandwidth efficiency due to the use of channel 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

32、(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 fading 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:FeedforwardoAn

33、tenna 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 multipathRe

34、ceiver 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 Diversity 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 Tradeoff81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？