MIMO空时编码调制.ppt

1、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(Transmitter Diversity)技术1995年，MIMO信道容量(Bell Lab.)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

2、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Dirty Paper Coding,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,Chapter 7 的主要内容7.1 确定性MIMO信道的容量7.2 M

3、IMO信道的物理建模 7.3 MIMO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。,Capacity is achieved by waterfilling over the eigenmodes of H.(Analogy to frequency-selective channels.),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。

4、,H具有何种特性，才能获得较大的信道容量呢？,Exercise 1:推导如下容量,10,确定性MIMO信道的容量,At high SNR,equal power allocation is optimal:,where k is the number of nonzero i2 s,i.e.the rank of H.,11,7.1.2Rank and Condition Number,The closer the condition number:,to 1,the higher the capacity.,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

5、，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,Example 1:SIMO,Line-of-sight,h is along the receive spatial signature in the direction:=cos:,7.2 MIMO信道的物理建模,13,Example 1:SIMO,Line-of-sight,nr fold power gain.,7.2 MIMO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,Example 2:MISO,Line-of-Sight

6、,h is along the transmit spatial signature in the direction:=cos:,7.2 MIMO信道的物理建模,15,Example 2:MISO,Line-of-Sight,nt fold power gain.,7.2 MIMO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,Example 3:MIMO,Line-of-Sight,7.2 MIMO信道的物理建模,17,Example 3: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

7、道容量为：,No spatial multiplexing gain.,nr nt fold power gain,7.2 MIMO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。,18,7.2 MIMO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,Example 4:MIMO,Tx Antennas Apart,hi is the receive spatial signature from Tx antenna i along direc

8、tion i=cos ri:,Two degrees of freedom if h1 and h2 are different.,7.2 MIMO信道的物理建模,20,Example 5:Two-Path MIMO,A scattering environment provides multiple degrees of freedom even when the antennas are close together.,7.2 MIMO信道的物理建模,21,Example 5:Two-Path MIMO,A scattering environment provides multiple

9、degrees of freedom even when the antennas are close together.,7.2 MIMO信道的物理建模,22,Rank and Conditioning,Question:Does spatial multiplexing gain increase without bound as the number of multipaths increase?The rank of H increases but looking at the rank by itself is not enough.The condition number matt

10、ers.As the angular separation of the paths decreases,the condition number gets worse.,7.2 MIMO信道的物理建模,23,Back to Example 4,hi is the receive spatial signature from Tx antenna i along direction i=cos ri:,Condition number depends on,7.2 MIMO信道的物理建模,24,Back to Example 4,7.2 MIMO信道的物理建模,25,Angular Resol

11、ution,7.2 MIMO信道的物理建模,26,Angular Resolution,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,7.2 MIMO信道的物理建模,27,Beamforming Pattern,The receive beamforming pattern associated with er(0):,Lr is the length of the antenna array,normalized to the carrier wave

12、length.,Beamforming pattern gives the antenna gain in different directions.But it also tells us about angular resolvability.,7.2 MIMO信道的物理建模,28,Antenna array of length Lr provides angular resolution of 1/Lr:paths that arrive at angles closer is not very distinguishable.,7.2 MIMO信道的物理建模,29,Varying An

13、tenna Separation,Decreasing antenna separation beyond/2 has no impact on angular resolvability.,Assume/2 separation from now on(so n=2L).,7.2 MIMO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

14、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。,3

15、2,7.3 MIMO 衰落信道的建模,Recall how we modeled multipath channels in Chapter 2.Start with a deterministic continuous-time model.Sample to get a discrete-time tap delay line model.The physical paths are grouped into delay bins of width 1/W seconds,one for each tap.Each tap gain hl is an aggregation of seve

16、ral physical paths and can be modeled as Gaussian.We can follow the same approach for MIMO channels.,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,The outgoing paths are grouped into resolvable bins of angular width 1/Lt,The incoming paths are grouped into resolvable bins of angular width 1/Lr.,The(k,l)