宽带无线通信中的MIMO系统

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,宽带无线通信中的,MIMO,系统,答辩人：付卫红,1,1.,引言（,1,）,MIMO,系统的提出是为了进一步提高无线通信系统容量，它可以在不用增加系统带宽的情况下改善了系统性能，提高了数据速率。,平坦衰落信道中 ，,MIMO,系统可以利用传播中的多径分量，但是，对于频率选择性衰落信道，,MIMO,系统依然无能为力。,而在目前的宽带无线通信中，一般都会发生频率选择性衰落，为了使得,MIMO,系统性能在频率选择性衰落信道中依然 良好，可以将,MIMO,系统和正交频分复用,OFDM,调制技术结合起来，形成,MIMO-OFDM,系统。,因此本文主要介绍的就是已有的几种,MIMO-OFDM,系统的结构，原理及其性能比较。,2,将,MIMO,系统与,OFDM,技术相结合，可以充分利用二者的优势，而又互相弥补不足之处 。,1,、,MIMO-OFDM,系统不仅有很高的频谱利用率，而且在,OFDM,基础上合理的开发了空间资源，可以提供更高的数据速率，提高系统容量，改善系统性能。,2,、另一方面，加入了,OFDM,调制技术的,MIMO,系统在抗多径方面表现出了很大的优势，使得,MIMO,系统在频率选择性衰落信道中也能取作用,1.,引言（,2,）,3,主要内容：,MIMO,系统简介,MIMO,系统容量,MIMO,系统中的空时编码技术,MIMO-OFDM,系统,几种,MIMO-OFDM,系统的性能分析和仿真结果比较,1.,引言（,3,）,4,图,1 MIMO,系统原理框图,所谓,MIMO,系统就是在发射端和接收端同时安装多个天线的一种空间分集系统 。与之相对应的还有两种空间分集系统，即,SIMO,（,simple-input multiple-output,）系统和,MISO,（,multiple-output simple-input,）系统。,2,、,MIMO,系统简介,5,3,、,MIMO,系统容量,多输入单输出（,MISO,）系统 ：,多输入多输出（,MIMO,）系统 ：,单输入多输出（,SIMO,）系统 ：,单输入单输出（,SISO,）系统 ：,用了,MIMO,系统后，系统容量随着天 线数目的增加成线性增加。,6,4,、,MIMO,系统中的空时编码技术,（,1,）,所谓空时编码就是在空间域和时间域两维方向上对信号进行编码，空时编码大致上有三种方式 ：,空时网格码（,STTC,）,空时分组码（,STBC,）,空时分层码（,VBLAST,）,（,1,）,空时网格码（,STTC,）：,空时网格码最早是由,V.Tarokh,等人提出的，该空时编码系统中，在接收端解码采用维特比译码算法。空时网格码设计的码子在不损失带宽效率的前提下,，,可提供最大的编码增益和分集增益。最大分集增益等于发射天线数。,7,（,2,）空时分组码,：,空时网格码虽然能获得很大的编码增益和分集增益，但是由于在接收端采用维特比译码，其译码复杂度随着天线数和网格码状态数的增加成指数增加，因此在实际中应用有些困难。这就有了空时分组编码的出现,。,空时分组码则是根据码子的正交设计原理来构造空时码子 ，空时分组码最早由,Alamouti,提出的。其设计原则就是要求设计出来的码子各行各列之间满足正交性。 接收时采用最大似然检测算法进行解码，由于码子之间的正交性，在接收端只需做简单的线性处理即可。,4,、,MIMO,系统中的空时编码技术,（,2,）,8,当发射天线数为,2,时，空时分组码的码子为：,4,、,MIMO,系统中的空时编码技术,（,3,）,当发射天线数为,3,或,4,时，空时分组码的码子分别为：,9,分层空时码 ：分层空时码最早是由贝尔实验室提出的一种,MIMO,系统的空时编码技术，即,BLAST,系统 。分层空时码有两种形式，对角分层空时码,D-BLAST,和垂直分层空时码,V-BLAST,。,V-BLAST,系统处理起来较,D-BLAST,系统要简单，本文将讨论,VBLAST,系统。,4,、,MIMO,系统中的空时编码技术,（,4,）,图,2 VBLAST,系统框图,10,MIMO-OFDM,系统中的空频分组编码（,SFBC,）技术：,空频分组码，他是在空域和频域两维方向上进行编码的一种联合编码技术 ，空频分组码设计的码子也要求满足正交性，因此空频分组码的码子形式与空时分组码是完全一样的。,MIMO-OFDM,系统根据编码技术的不同可以分为以下几类,：,（,1,）,空时分组码,OFDM,（,STBC-OFDM,）,（,2,）空时网格码,OFDM,（,STTC-OFDM,）,（,3,）垂直分层空时码,OFDM,（,VBLAST-OFDM,）,（,4,）空频分组码,OFDM,系统（,SFBC-OFDM,）,5,、,MIMO-OFDM,系统,（,1,）,11,（,1,）,STBC-OFDM,系统,两个发射天线，两个接收天线时，,STBC-OFDM,的系统原理框图如下图,3,所示 ：,5,、,MIMO-OFDM,系统,（,2,）,图,3,STBC-OFDM,系统原理框图,12,（,1,）,STBC-OFDM,系统,空时编码器同时取两个数据向量,X,(n),，,X,(n+,1,),并以如下方式传输：,天线,1,： 在时刻,t,传输,X(,n,),，时刻,t+,传输,天线,2,： 在时刻,t,传输,X,(,n+,1),，时刻,t+,传输,5,、,MIMO-OFDM,系统,（,3,）,和,X,(,n+,1),分别表示第,n,n+,1,个,OFDM,符号， 表示,OFDM,符号周期 ，图中的,STBC-OFDM,系统中的信号模型可表示为：,= X(n,k)+Z(n,k),H(n,k),是第,n,个,OFDM,符号期间，第,k,个子载波上收发天线之间的增益矩阵,13,在,VBLAST-OFDM,系统的发射端，输入数据经过向量编码器（简单的串并变换）被变换成,m,个子数据流，每一个子数据流被编码成符号串，经过,OFDM,调制之后送到各自的发射端发射出去。,5,、,MIMO-OFDM,系统,（,4,）,（,1,）,STBC-OFDM,系统（,cont.,）,（,2,）,VBLAST-OFDM,系统,在接收端对每个天线收到的信号进行,OFDM,解调之后，将解调后的信号送入空时解码器中，根据估计出的信道参数进行解码，其解码算法可用最大似然检测算法，因为发送端空时码子的正交性，在接收端使用最大似然检测算法可大大降低算法的运算复杂度。,14,系统的接收端，各天线收到的信号经过,OFDM,解调之后一起送入信号处理单元，并根据信道估计单元估计出的信道参数，检测出原始发送信号 。检测算法采用迫零加符号干扰取消方法。,m,个发射天线，,n,个接收天线时,VBLAST-OFDM,系统框图如图,4,所示 ：,5,、,MIMO-OFDM,系统,（,5,）,（,2,）,VBLAST-OFDM,系统,(cont.),图,4. VBLAST-OFDM,系统框图,15,SFBC-OFDM,系统框图与图,3,中所示的,STBC-OFDM,系统相似，唯一不同的是图,3,中的空时编、解码模块应换成空频编、解码模块 。,5,、,MIMO-OFDM,系统,（,6,）,（,3,）,SFBC,-OFDM,系统,输入信号首先经过编码和映射，变成信号星座集中的信号，信号的星座集合取决于所用的数字调制技术，如,BPSK,QPSK,，,QAM,等，将信号经过串并变换之后就可以进行空频编码，编码之后的码子被分配道不同的发射天线上，分别进行,OFDM,调制，然后发射出去。,在接收端，接收号首先通过,OFDM,解调（也就是,FFT,变换），然后通过信道估计获得信道参数，之后根据获得的信道参数，来进行空频解码，以获得原始数据。该系统中的解码算法也可以采用最大似然检测算法，其过程和原理与,STBC-OFDM,系统是类似的。,16,（,1,）,VBLAST-OFDM,系统的数据传输速率最高。两种分组码,MIMO-OFDM,系统（,STBC -OFDM,和,SFBC-OFDM,）因为所传输的信息有一定的冗余，因此其数据速率相对,VBLAST-OFDM,系统来说比较低。,（,2,）,VBLAST-OFDM,系统的误码性能相对两种分组码,OFDM,系统来说比较差。,（,3,）分组码,MIMO-OFDM,系统处理复杂度相对,VBLAST-OFDM,系统来说比较低 。,（,4,）在室内环境下，两种分组码,OFDM,系统性能差别不大，但是在室外快速移动环境下，,SFBC-OFDM,系统的性能较,STBC-OFDM,系统要好。,6,、几种,MIMO-OFDM,系统的性 能分析和仿真结果比较（,1,）,17,下图是在多径数为,L=2,，最大多径时延为,200ns,的室内环境下，子载波数为,M=48,，,FFT,点数为,64,，采用,16QAM,调制，信源编码采用,1/2,的卷积码时的系统性能仿真结果。,6,、几种,MIMO-OFDM,系统的性 能分析和仿真结果比较,（,2,）,18,从以上分析结果可以看出，几种,MIMO-OFDM,系统中，数据速率的提高是以系统误码性能和系统复杂度为代价的。,6,、几种,MIMO-OFDM,系统的性 能分析和仿真结果比较,（,3,）,19,谢谢！,20,