多天线技术和信道编码

无线移动创新中心多天线技术和信道编码无线移动创新中心无线移动创新中心多天线技术信道编码目录无线移动创新中心空时处理技术背景背景情况：空时处理始终是通信理论界的一个活跃领域。在早期研究中，学者们主要注重空间信号传播特性和信号处理，对空间处理的信息论本质探讨不多。上世纪九十年代中期，由于移动通信爆炸式发展，对于无线链路传输速率提出了越来越高的要求，传统的时频域信号设计很难满足这些需求。工业界的实际需求推动了理论界的深入探索。无线移动创新中心空时处理技术背景多天线技术分类（根据天线形态）：SISOMISOSIMOMIMOMU-MIMOSU-MIMO无线移动创新中心空时处理技术背景多天线技术分类（根据传输方案）：–发送分集技术–空间复用技术–波束赋形技术（智能天线）无线移动创新中心LTE系统的天线配置下行–利用公共天线端口，LTE系统可以支持单天线发送（1x），双天线发送（2x）以及4天线发送（4x），从而提供不同级别的传输分集和空间复用增益–利用专用天线端口以及灵活的天线端口映射技术，LTE系统可以支持更多发送天线，比如8天线发送，从而提供传输分集、空间复用增益同时，提供波束赋形增益上行–LTE系统上行支持发送分集和空间复用技术（最大4层数据流并行传输）BSMS无线移动创新中心发送分集技术发送分集技术概述：分集技术通常用于对抗衰落、提高链路可靠性。分集技术需要接收端接收到多个重复的发射信号，这些发射信号携带同样的信息，其衰落在统计上有较低的相关性。分集的基本思想是，如果能够传输多个独立衰落的信号，从统计意义来说，合成信号的衰落比每一路信号衰落要降低很多。这是因为在独立衰落的假设下，当一些信号发生深衰落时，可能另一些信号的衰落较轻，各路信号同时发生深衰落的概率是很低的，从而合成信号发生深衰落的概率也被大大降低。空间发射分集通过在发射端对所要发射的信号进行预处理，以引入接收端可以利用的分集，在接收端通过检测算法获得该分集。为了改善发射分集的性能，可以将编码与发射分集结合。通过编码，在空间和时间（频率）域内引入冗余。由于对编码和发射分集进行了联合优化设计，空时编码在不牺牲带宽的情况下，可以同时获得发射分集与编码增益，空时编码还可以与多天线接收一起来对抗多径衰落，提高信道容量。无线移动创新中心发送分集技术主要的发送分集类型：–延迟发射分集发送端使用多个天线进行传输，人为地为不同的天线上发射的信号引入不同延迟，使各个延迟路径的信号在统计意义上相互独立。延迟发射分集原理框图无线移动创新中心发送分集技术主要的发送分集类型：–循环延迟发射分集各个天线支路的信号经过循环移位后并行发送，各天线支路的信号间不存在真正的延迟，因而不会产生码间干扰的问题，循环偏移量也不会受到循环前缀长度的限制。循环延迟分集原理示意框图无线移动创新中心发送分集技术主要的发送分集类型：–切换发射分集按照预定模式进行发射天线的切换，包括时间切换发射（TSTD）分集和频率切换发射（FSTD）分集。TSTDFSTDSub-carriertimeTSTDAntenna1Antenna2Sub-carriertimeFSTDAntenna1Antenna2无线移动创新中心发送分集技术主要的发送分集类型：–空时（频）编码将发送分集与编码结合，在利用发射分集的基础上，近可能地提升传输数据速率。主要方式包括ST(F)BC、分层空时码和空时格码(STTC)。STBCEncoderSTBC1S2S*1S*2Sk+1kTX1TX2Sub-carrierSFBC无线移动创新中心发送分集技术TD-LTE下行采用的发送分集技术：–两天线采用SFBC方案–4天线采用SFBC+FSTD结合方案Sub-carrierk+3k+2k+1kTX1TX2*3*4*1*2432100000000SSSSSSSSTX3TX4无线移动创新中心发送分集技术TD-LTE上行行采用的发送分集技术：–发射天线选择（TAS：TransmitAntennaSelection）包括：开环和闭环方式，TDD主要采用开环，而FDD主要采用闭环。–PUCCH信道的发送分集方案：SORTD（Spatialorthogonalresourcestransmitdiversity，空间正交资源发送分集）Ant1Antm正交资源0调制符号正交资源1天线虚拟化d(0)端口200端口201正交资源0Format1/1a/1bFormat2/2a/2b正交资源1(n_cs_0,n_occ_0,n_prb_0)(n_cs_1,n_occ_1,n_prb_1)(n_cs_0,n_prb_0)(n_cs_1,n_prb_1)d(0)d(0)无线移动创新中心空间复用技术空间复用技术概述：空间复用通过在发送端和接收端采用多根天线进行发送和接收。空间复用通过利用无线传输信道的多径可分性特性，通过相同时频资源上发送并行传输的数据流，可以大大的提高数据的峰值速率和传输效率。MIMO信道所能支持的数据流数量取决于信道的空间相关性以及信噪比情况，因此空间复用技术主要适用于传播环境中散射体较丰富且信道质量较好的场景中。发送端接收端11h12h1Tnh21h22h2Tnh1Rnh2RnhRTnnh1x2xTnx1r2rRnr无线移动创新中心空间复用技术空间复用MIMO原理：非相关准静态平坦Rayleigh衰落信道中，使用M个天线等功率发送并使用N个天线接收的MIMO系统信道容量：进一步表示为：MIMO信道可以等效为多个并行的子信道。MIMO系统所能支持的最大数据流数由信道矩阵的秩决定，而每个数据流的传输能力由与之对应的奇异值决定。在非相关信道中，当信噪比足够高时MIMO信道容量近似随线性增长。H2logdetNCMIHH221log1SMiiCMmin,kMN2log1Ck无线移动创新中心空间复用技术空间复用MIMO分类：–开环MIMO发送端不知道信道特征信息（CSI），只在接收端采用与信道相匹配的方式进行接收，而发送信号并未与信道相匹配。开环MIMO的链路性能在很大程度上受到接收算法的影响。当接收机采用了ZF或MMSE等简单的线性处理算法时，开环MIMO的差错概率性能往往较差。采用SIC等干扰抵消算法时，能够有效地改善差错概率性能，但是又会引起接收机计算复杂度的增加。–闭环预编码MIMO发射机能够通过某种方式获得一定的CSI（可以是瞬时值，也可以是短期或中长期统计信息），就可以通过一定的预处理方式对各个数据流加载的功率、速率乃至发射方向进行优化，并有可能通过预处理在发射机预先消除数据流之间的部分或全部干扰，以获得更好的性能。在预编码系统中，发射机可以根据信道条件，对发送信号的空间特性进行优化，使发送信号的空间分布特性与信道条件相匹配，因此可以有效地降低对接收机算法的依赖程度。即使采用简单的ZF或MMSE等线性处理算法，也能够获得较好的性能。无线移动创新中心空间复用技术闭环预编码MIMO：–线性和非线性预编码线性预编码的信道模型：MIMO的信道容量为：HF为新的等效信道，HF可以对信道H进行改造，使得信道更接近满足最大信道容量。–预编码器优化准则最小奇异值准则（MSV-SC，MinimumSingularValueCriterion）均方误差准则（MSE-SC，MinmumSquareErrorCriterion）最大容量准则（MC-SC，MaximumCapacityCriterion）最大似然准则（ML-SC，MaximumLikelihoodCriterion）rHFsnTHH2TlogdetNCNIFHHFminargmaxiiFFHFFargminiimFFMSEFF1HHiiiMSEFIFHHFSHH2SargmaxlogdetiiNiiNFFIFHHFFs122,argmaxminNijiijissssssFFHFF无线移动创新中心空间复用技术闭环预编码MIMO方案：–基于码本方式的预编码方案接收端通过接收发送端的已知信号（如导频）获得信道信息，通过预编码的优化准则，根据等效信道，获得预编码方案。由于反馈信道所能支持的数据速率一般较为有限。为了降低反馈开销，一般都采用基于码本的有限反馈条件下的预编码方案。设计通信系统时，可以用若干个预编码矩阵构成一个码本，这一码本的内容是发射机和接收机都是确知的。接收端将码本反馈给发送端，发送端通过码本信息来获得相应的信道信息。基于码本的预编码方法存在量化精度损失的问题，因此预编码矩阵不能与信道精确地匹配。随着码本大小的增加，基于码本的预编码的性能会有所提升，但是同时也应当考虑到PMI上报与下行控制信令的开销。–基于非码本方式的预编码方案非码本预编码利用了信道的互易性特性，eNodeB根据上行发送信号获得上行信道信息，并基于信道互易性，获得下行信道信息，利用所获得的信道信息进行矩阵分解，生成所需的预编码矩阵。非码本预编码方法在TDD系统中有突出的优势，减少了上行反馈的开销，有利于eNodeB灵活选取预编码矩阵。无线移动创新中心空间复用技术闭环预编码MIMO方案：–单用户SU-MIMO–多用户MU-MIMO受限于应用场景和终端的尺寸及天线数量，单个用户往往难以支持高rank数据传输。而当系统的用户数较多时，一般基站总是可以找到信道空间独立性较强的两个用户，这时如果基站配备多天线，则可以利用波束赋形的信号空间隔离度实现对多个用户的并行传输，即MU-MIMO技术。下行SU-MIMO无线移动创新中心波束赋形（智能天线）波束赋形技术概述：波束赋形技术是一种天线信号预处理技术，发射机利用的是多个阵元接收信号的相关性，根据信道状态信息对各阵元的加权系数的调整，使得功率集中在期望的方向性的波束内，以此实现接收SINR（Signal-to-InterferenceplusNoiseRatio）的提高并降低对其他用户的干扰。一般的波束赋形技术特指基于小间距天线阵列（阵元间距）的线性预处理技术。从信号处理角度来看，波束赋形与预编码都属于阵列信号的预处理技术。波束赋形可以利用天线间的相关性，形成指向性的成型波束，便于控制和协调干扰。无线移动创新中心波束赋形（智能天线）波束赋形技术：早期的波束赋形技术主要通过发送信号赋形，使得信号到达接收端时形成幅度和相位的正向叠加，从而提高接收信号的SINR。波束赋形技术可以充分的利用TDD系统的信道对称性。目前，随着技术的发展，采用智能天线形态的天线也能实现空间复用的单用户SU-Beamforming和SDMA的多用户MU-Beamforming。单用户/多用户波束赋形示意图无线移动创新中心下行多天线传输模式单天线传输（port0）传输分集发送分集模式两天线用SFBC模式，4天线用SFBC+FSTD模式。开环空间复用开环复用模式依据信道矩阵Rank进行判断，如果RI=1,此时变成发送分集模式，如果RI1,使用大时延CDD进行空间复用。闭环空间复用闭环空间复用需要反馈PMI，由PMI指示codebook。MU-MIMO闭环Rank1预编码闭环单流，需要反馈PMI，适用于RANK=1的场景。单天线传输（port5）TD-LTE下行多天线传输模式无线移动创新中心上行多天线传输模式单天线传输传输分集控制信道PUCCH采用SORTD方式；天线性选择方式；闭环空间复用SU-MIMOMU-MIMOTD-LTE上行行多天线传输模式上行虚拟MIMO无线移动创新中心多天线技术信道编码目录无线移动创新中心信道编码的基本概念信道编码的定义：信道编码是为了保证通信系统的传输可靠性，克服信道中的噪声和干扰，专门设计的一类抗干扰技术和方法。它根据一定的(监督)规律在待发送的信息码元中(人为的)加入一些必要的(监督)码元，在接收端利用这些监督码元与信息码元之间的(监督)规律，发现和纠正差