宽带无线通信中MIMO技术的研究

宽带无线通信中的MIMO系统MIMO-OFDM专题论文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。•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）•主要内容：1.MIMO系统简介2.MIMO系统容量3.MIMO系统中的空时编码技术4.MIMO-OFDM系统5.几种MIMO-OFDM系统的性能分析和仿真结果比较1.引言（3）图1MIMO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-inputmultiple-output）系统和MISO（multiple-outputsimple-input）系统。信源空时编码空时解码信宿1()Ck2()CkN()CkNr()k1r()k2r()k2、MIMO系统简介3、MIMO系统容量•多输入单输出（MISO）系统：22log(1||)//ChbsHz•多输入多输出（MIMO）系统：•单输入多输出（SIMO）系统：221log(1||)//MiiChbsHz221log(1||)//NiiChbsHzN•单输入单输出（SISO）系统：*221log[det()]log(1)//mEPMiiCIHHbsHzNN用了MIMO系统后，系统容量随着天线数目的增加成线性增加。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。•（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）•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）122**21xxcxx•当发射天线数为3或4时，空时分组码的码子分别为：1234214334124321****41234****2143****3412****4321xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxcς123214341432***123***214***341***432xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxc3ς•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）串并变换TXTXTXTXRXRXRXRXRXRXV-BLAST信号处理1ab1b2b3bn输入数据发射天线数：m接受天线数：n向量符号：tmaaaa]...[212a3ama输出数据图2VBLAST系统框图•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）•（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）串并变换空时编码信号编码和映射输入数据去循环前缀后FFT空时解码或信号检测信道估计并串变换信号解码及解映射IFFT并增加循环前缀去循环前缀后FFT输出数据IFFT并增加循环前缀图3STBC-OFDM系统原理框图（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）ST)1(*nXST)(*nX)(nXST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),(knR),(knH•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。•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.)输入数据向量编码器a1a2amOFDM调制OFDM调制OFDM调制TXTXTXV-BLAST信号处理和解码器OFDM解调接收数据RXRXRX信道估计OFDM解调OFDM解调图4.VBLAST-OFDM系统框图•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。•（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）•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）•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）谢谢！