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1、BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter北郵信息理論與技術(shù)教研中心第十二章MIMO空時(shí)處理技術(shù)主講人:牛凱BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter空時(shí)處理技術(shù)背景空時(shí)處理始終是通信理論界的一個(gè)活躍領(lǐng)域。在早期研究中，學(xué)者們主要注重空間信號(hào)傳播特性和信號(hào)處理，對空間處理的信息論本質(zhì)探討不多。上世紀(jì)九十年代中期，由于移動(dòng)通信爆炸式發(fā)展，對于無線鏈路傳輸速率提出了越來越高的要求
2、，傳統(tǒng)的時(shí)頻域信號(hào)設(shè)計(jì)很難滿足這些需求。工業(yè)界的實(shí)際需求推動(dòng)了理論界的深入探索。2BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter空時(shí)處理技術(shù)現(xiàn)狀空時(shí)編碼的研究分為三大方向：?Foschini[12.10]提出的分層空時(shí)碼催生出了Bell實(shí)驗(yàn)室著名的V-Blast系統(tǒng)，通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)證明了MIMO系統(tǒng)的卓越性能，引發(fā)了后繼的種種改進(jìn)型研究。?自從Alamouti[12.1]提出兩天線正交空時(shí)碼以來，立即引起了研究者的注意。Tarokh等人將其推廣到多天
3、線情形，由于正交發(fā)分集技術(shù)編譯碼算法簡單，且能獲得分集增益，已經(jīng)在3G移動(dòng)通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。?除了上述的空時(shí)塊碼研究以外，另一個(gè)重要的研究分支是空時(shí)格碼(STTC)。這一分支的研究目的是將信道編碼和多天線系統(tǒng)做聯(lián)合優(yōu)化，在天線數(shù)目較小的條件下就可以獲得相當(dāng)大的編碼增益。STTC的提出是將信道編碼與信息處理聯(lián)合優(yōu)化的典型范例。3BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter本章內(nèi)容本章分五個(gè)部分介紹，首先介紹多天線信息論的基礎(chǔ)知識(shí)；其次討論空時(shí)
4、塊編碼技術(shù)；第三節(jié)闡述分層空時(shí)碼的結(jié)構(gòu)和常用譯碼算法；第四節(jié)詳細(xì)介紹了空時(shí)格碼的構(gòu)造方法和性能，最后說明發(fā)分集技術(shù)在3G移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。4BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter§12.1多天線信息論簡介多天線分集接收是抗衰落的傳統(tǒng)技術(shù)手段，但對于多天線發(fā)送分集，長久以來學(xué)術(shù)界并沒有統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。Telatar首先得到了高斯信道下多天線發(fā)送系統(tǒng)的信道容量和差錯(cuò)指數(shù)函數(shù)。他假定各個(gè)通道之間的衰落是相互獨(dú)立的。幾乎同時(shí)，F(xiàn)oschini和Gan
5、s得到了在準(zhǔn)靜態(tài)衰落信道條件下的截止信道容量(OutageCapacity)。此處的準(zhǔn)靜態(tài)是指信道衰落在一個(gè)長周期內(nèi)保持不變，而周期之間的衰落相互獨(dú)立，也稱這種信道為塊衰落信道(BlockFading)。Foschini和Gans的工作，以及Telatar的工作是多天線信息論研究的開創(chuàng)性文獻(xiàn)。在這些著作中，他們指出，在一定條件下，采用多個(gè)天線發(fā)送、多個(gè)天線接收(MIMO)系統(tǒng)可以成倍提高系統(tǒng)容量，信道容量的增長與天線數(shù)目成線性關(guān)系。5BUPTInformationTheory&TechnologyEducatio
6、n&ResearchCenter12.1.1MIMO系統(tǒng)信號(hào)模型假設(shè)點(diǎn)到點(diǎn)MIMO系統(tǒng)，具有n個(gè)發(fā)送天線，n個(gè)接收天TR線。我們考慮采用空時(shí)編碼的離散時(shí)間復(fù)基帶線性系統(tǒng)模型。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。假設(shè)每個(gè)符號(hào)周期系統(tǒng)發(fā)送的信號(hào)為n×1維列向量X，其中第i個(gè)分量x表示從i個(gè)天線發(fā)送的信Ti號(hào)。由信息理論可知，對于高斯信道，最優(yōu)的輸入信號(hào)分布也為高斯分布。因此假設(shè)發(fā)送信號(hào)向量的每個(gè)分量都服從0均值獨(dú)立同分布(i.i.d.)高斯隨機(jī)變量。發(fā)送信號(hào)協(xié)方差矩陣可以表示為：HRxxx=E(x)E(?)其中，表示數(shù)學(xué)期望，H表示
7、共軛轉(zhuǎn)置。假設(shè)系統(tǒng)發(fā)射總功率為P，則可以表示為：Tr(Rxx)=PTr()?其中，表示矩陣的跡。6BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter12.1.1MIMO系統(tǒng)信號(hào)模型h11h12xr11h21h22hx2nTrSpace-22Space-Timehhn1TimehnR2REncoder1nTDecoderhxnnRTrnnRTMIMO系統(tǒng)原理7BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&Resear
8、chCenter12.1.1MIMO系統(tǒng)信號(hào)模型一般的，接收機(jī)未知信道響應(yīng)，因此可以假設(shè)每個(gè)天線的發(fā)射功率相同為P/n。則發(fā)射信號(hào)的協(xié)方差矩陣可以表示T為：PRI=xxnTnT其中，InT表示nnTR×維單位矩陣。為了簡化表示，假設(shè)發(fā)送信號(hào)帶寬足夠窄，則系統(tǒng)信道響應(yīng)為平坦衰落。信道響應(yīng)矩陣可以表示為nn×維的復(fù)矩陣H。矩陣中的TR每個(gè)元素h表示從第j個(gè)發(fā)送天線到第i個(gè)接收
