MIMO空时编码调制.ppt

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MIMO技术李颖西安电子科技大学,2,Outlines,MIMO技术概述MIMO信道模型MIMO信道容量空时码的设计准则以分集增益为目标的秩距离准则、迹距离准则以分集增益和复用增益最佳折中的设计准则典型的空时编码调制技术STBCSTTC空频码及空时频码Turbo空时结构BLAST及低复杂度的MIMO检测算法,3,MIMO技术与空时编码概念的提出,70年代，传输分集（TransmitterDiversity）技术1995年，MIMO信道容量（BellLab.）1996年，BLAST空时结构1998年，Tarokh等系统地研究了空时码的设计思想及设计方法，提出了STTC和OSTBC两种空时编码方法2003年，Zheng和Tse提出了分集增益和复用增益的最佳折中问题，开辟了一个新的思路2005年，GoldSmith研究了MIMO广播信道的容量问题，由此引出了MIMO预编码技术及DirtyPaperCoding,4,Outlines,概述MIMO信道模型MIMO信道容量空时码的设计准则以分集增益为目标的秩距离准则、迹距离准则以分集增益和复用增益最佳折中的设计准则典型的空时编码调制技术BLASTSTBCSTTC空频码及空时频码Turbo空时结构低复杂度的MIMO检测算法,5,MIMO信道模型,Chapter7的主要内容7.1确定性MIMO信道的容量7.2MIMO信道的物理建模7.3MIMO衰落信道的建模,6,MIMO信道,7,7.1确定性MIMO信道的容量,根据奇异值分解定理，信道矩阵H可写为：

两端同乘V+，得：

mn时，,8,7.1.1确定性MIMO信道的容量,空时信道可等价为nmin个不相交的并行子信道，每个子信道的增益等于矩阵H的一个奇异值。

CapacityisachievedbywaterfillingovertheeigenmodesofH.（Analogytofrequency-selectivechannels.）,9,确定性MIMO信道的容量,其中,确定性MIMO信道的复用度由信道矩阵H的秩决定。

H具有何种特性，才能获得较大的信道容量呢？

Exercise1:

推导如下容量,10,确定性MIMO信道的容量,AthighSNR,equalpowerallocationisoptimal:

wherekisthenumberofnonzeroi2s,i.e.therankofH.,11,7.1.2RankandConditionNumber,Theclosertheconditionnumber:

to1,thehigherthecapacity.,在总功率增益相等的所有信道中，容量最大的信道就是全部奇异值相等的信道。

奇异值越不分散，高信噪比下的容量越大。

如何才能获得具有上述特性的信道矩阵H呢？

12,Example1:

SIMO,Line-of-sight,hisalongthereceivespatialsignatureinthedirection:

=cos:

7.2MIMO信道的物理建模,13,Example1:

SIMO,Line-of-sight,nrfoldpowergain.,7.2MIMO信道的物理建模,对于SIMO信道，如果发射天线与接收天线之间只有一条视距路径，则只有功率增益，没有复用增益。

单位空间特征图,14,Example2:

MISO,Line-of-Sight,hisalongthetransmitspatialsignatureinthedirection:

=cos:

7.2MIMO信道的物理建模,15,Example2:

MISO,Line-of-Sight,ntfoldpowergain.,7.2MIMO信道的物理建模,对于MISO信道，如果发射天线与接收天线之间只有一条视距路径，则只有功率增益，没有复用增益。

16,Example3:

MIMO,Line-of-Sight,7.2MIMO信道的物理建模,17,Example3:

MIMO,Line-of-Sight,H为具有唯一非零奇异值的秩为1的矩阵，此时信道容量为：

Nospatialmultiplexinggain.,nrntfoldpowergain,7.2MIMO信道的物理建模,对于MIMO信道，如果发射天线与接收天线之间只有一条视距路径，则只有功率增益，没有复用增益。

18,7.2MIMO信道的物理建模,根据前述关于仅存在视距路径的结果，可推出:

如果发射天线与接收天线之间只有一条视距路径，则只有功率增益，没有复用增益。

19,Example4:

MIMO,TxAntennasApart,hiisthereceivespatialsignaturefromTxantennaialongdirectioni=cosri:

Twodegreesoffreedomifh1andh2aredifferent.,7.2MIMO信道的物理建模,20,Example5:

Two-PathMIMO,Ascatteringenvironmentprovidesmultipledegreesoffreedomevenwhentheantennasareclosetogether.,7.2MIMO信道的物理建模,21,Example5:

Two-PathMIMO,Ascatteringenvironmentprovidesmultipledegreesoffreedomevenwhentheantennasareclosetogether.,7.2MIMO信道的物理建模,22,RankandConditioning,Question:

Doesspatialmultiplexinggainincreasewithoutboundasthenumberofmultipathsincrease?

TherankofHincreasesbutlookingattherankbyitselfisnotenough.Theconditionnumbermatters.Astheangularseparationofthepathsdecreases,theconditionnumbergetsworse.,7.2MIMO信道的物理建模,23,BacktoExample4,hiisthereceivespatialsignaturefromTxantennaialongdirectioni=cosri:

Conditionnumberdependson,7.2MIMO信道的物理建模,24,BacktoExample4,7.2MIMO信道的物理建模,25,AngularResolution,7.2MIMO信道的物理建模,26,AngularResolution,对于固定的天线长度Lr而言，增加天线的数量不会从本质上改变上述性质图,参数1/Lr而可看作角域中分辨力的一种测度：

如果，来自两幅发射天线的信号就不能被接收天线阵列区分开，只存在一个自由度,7.2MIMO信道的物理建模,27,BeamformingPattern,Thereceivebeamformingpatternassociatedwither（0）:

Lristhelengthoftheantennaarray,normalizedtothecarrierwavelength.,Beamformingpatterngivestheantennagainindifferentdirections.Butitalsotellsusaboutangularresolvability.,7.2MIMO信道的物理建模,28,AntennaarrayoflengthLrprovidesangularresolutionof1/Lr:

pathsthatarriveatanglescloserisnotverydistinguishable.,7.2MIMO信道的物理建模,29,VaryingAntennaSeparation,Decreasingantennaseparationbeyond/2hasnoimpactonangularresolvability.,Assume/2separationfromnowon（son=2L）.,7.2MIMO信道的物理建模,30,确定性MIMO信道小结

（1）,确定性MIMO信道容量由信道矩阵H的两个参数决定信道矩阵H的秩信道矩阵H的条件数，即H的最大奇异值与最小奇异值的比值地理位置上间隔发射天线两个入射角不同，信道矩阵H的秩为2两个入射角余弦差值远小于1/Lr时，信道矩阵H的两个奇异值差别较大，H为病态矩阵两个入射角余弦差值与1/Lr相当时，信道矩阵H的两个奇异值相当，H为良态矩阵,31,确定性MIMO信道小结

（2）,接收波束成形方向图如果信号从方向到达接收端，则最佳接收机会将接收信号投影到矢量，来自其他任一方向上的信号衰减因子为在周围以及满足如下条件的任意角度都存在主辦主瓣的方向余弦宽度为2/Lr，也称之为波束宽度。

阵列长度Lr越大，波束就越窄，角度分辨力也越高。

天线阵列长度Lr与无线信道带宽W的作用存在相似性：

1/W度量时间域中信号的分辨力，即接收机不能区分以远小于1/W的时间间隔达到的多径信号；1/Lr度量了角域中信号的分辨力，即接收机不能区分以远小于1/Lr的角度间隔到达的多径信号。

32,7.3MIMO衰落信道的建模,RecallhowwemodeledmultipathchannelsinChapter2.Startwithadeterministiccontinuous-timemodel.Sampletogetadiscrete-timetapdelaylinemodel.Thephysicalpathsaregroupedintodelaybinsofwidth1/Wseconds,oneforeachtap.EachtapgainhlisanaggregationofseveralphysicalpathsandcanbemodeledasGaussian.WecanfollowthesameapproachforMIMOchannels.,33,7.3.1基本方法概述,发射天线阵列长度Lt和接收天线阵列长度Lr控制着角域的可分辨程度天线阵列无法区分发射方向余弦之差小于1/Lt并且接收方向余弦之差小于1/Lr的路径。

角域中，发射机应以固定的角度间隔1/Lt进行采样，接收机应以固定的角度间隔1/Lr进行采样。

角坐标中，第（k,l）个信道增益粗略地等于发射方向余弦位于l/Lt周围的宽度为1/Lt的角窗口内的所有路径，与接收方向余弦位于k/Lr周围的宽度为1/Lr的角窗口内的所有路径之和。

34,7.3.1基本方法概述,Theoutgoingpathsaregroupedintoresolvablebinsofangularwidth1/Lt,Theincomingpathsaregroupedintoresolvablebinsofangularwidth1/Lr.,The（k,l）