多天線技術(shù)和信道編碼

多天線技術(shù)和信道編碼無線移動創(chuàng)新中心多天線技術(shù)信道編碼目錄空時處理技術(shù)背景背景情況：空時處理始終是通信理論界的一個活躍領(lǐng)域。在早期研究中，學(xué)者們主要注重空間信號傳播特性和信號處理，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，傳統(tǒng)的時頻域信號設(shè)計很難滿足這些需求。工業(yè)界的實際需求推動了理論界的深入探索?？諘r處理技術(shù)背景多天線技術(shù)分類（根據(jù)天線形態(tài)）：SISOMISOSIMOMIMOMU-MIMOSU-MIMO空時處理技術(shù)背景多天線技術(shù)分類（根據(jù)傳輸方案）：發(fā)送分集技術(shù)

空間復(fù)用技術(shù)

波束賦形技術(shù)（智能天線）LTE系統(tǒng)的天線配置下行

利用公共天線端口，LTE系統(tǒng)可以支持單天線發(fā)送（1x），雙天線發(fā)送（2x）以及4天線發(fā)送（4x），從而提供不同級別的傳輸分集和空間復(fù)用增益

利用專用天線端口以及靈活的天線端口映射技術(shù)，LTE系統(tǒng)可以支持更多發(fā)送天線，比如8天線發(fā)送，從而提供傳輸分集、空間復(fù)用增益同時，提供波束賦形增益

上行LTE系統(tǒng)上行支持發(fā)送分集和空間復(fù)用技術(shù)（最大4層數(shù)據(jù)流并行傳輸）發(fā)送分集技術(shù)發(fā)送分集技術(shù)概述：分集技術(shù)通常用于對抗衰落、提高鏈路可靠性。分集技術(shù)需要接收端接收到多個重復(fù)的發(fā)射信號，這些發(fā)射信號攜帶同樣的信息，其衰落在統(tǒng)計上有較低的相關(guān)性。分集的基本思想是，如果能夠傳輸多個獨立衰落的信號，從統(tǒng)計意義來說，合成信號的衰落比每一路信號衰落要降低很多。這是因為在獨立衰落的假設(shè)下，當(dāng)一些信號發(fā)生深衰落時，可能另一些信號的衰落較輕，各路信號同時發(fā)生深衰落的概率是很低的，從而合成信號發(fā)生深衰落的概率也被大大降低?？臻g發(fā)射分集通過在發(fā)射端對所要發(fā)射的信號進(jìn)行預(yù)處理，以引入接收端可以利用的分集，在接收端通過檢測算法獲得該分集。為了改善發(fā)射分集的性能，可以將編碼與發(fā)射分集結(jié)合。通過編碼，在空間和時間（頻率）域內(nèi)引入冗余。由于對編碼和發(fā)射分集進(jìn)行了聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計，空時編碼在不犧牲帶寬的情況下，可以同時獲得發(fā)射分集與編碼增益，空時編碼還可以與多天線接收一起來對抗多徑衰落，提高信道容量。發(fā)送分集技術(shù)主要的發(fā)送分集類型：

延遲發(fā)射分集發(fā)送端使用多個天線進(jìn)行傳輸，人為地為不同的天線上發(fā)射的信號引入不同延遲，使各個延遲路徑的信號在統(tǒng)計意義上相互獨立。

延遲發(fā)射分集原理框圖發(fā)送分集技術(shù)主要的發(fā)送分集類型：循環(huán)延遲發(fā)射分集各個天線支路的信號經(jīng)過循環(huán)移位后并行發(fā)送，各天線支路的信號間不存在真正的延遲，因而不會產(chǎn)生碼間干擾的問題，循環(huán)偏移量也不會受到循環(huán)前綴長度的限制。循環(huán)延遲分集原理示意框圖發(fā)送分集技術(shù)主要的發(fā)送分集類型：切換發(fā)射分集按照預(yù)定模式進(jìn)行發(fā)射天線的切換，包括時間切換發(fā)射（TSTD）分集和頻率切換發(fā)射（FSTD）分集。TSTDFSTD發(fā)送分集技術(shù)主要的發(fā)送分集類型：空時（頻）編碼將發(fā)送分集與編碼結(jié)合，在利用發(fā)射分集的基礎(chǔ)上，近可能地提升傳輸數(shù)據(jù)速率。主要方式包括ST(F)BC、分層空時碼和空時格碼(STTC)。STBCSFBC發(fā)送分集技術(shù)TD-LTE下行采用的發(fā)送分集技術(shù)：兩天線采用SFBC方案4天線采用SFBC+FSTD結(jié)合方案發(fā)送分集技術(shù)TD-LTE上行行采用的發(fā)送分集技術(shù)：發(fā)射天線選擇（TAS：TransmitAntennaSelection）

包括：開環(huán)和閉環(huán)方式，TDD主要采用開環(huán)，而FDD主要采用閉環(huán)。PUCCH信道的發(fā)送分集方案：

SORTD（Spatialorthogonalresourcestransmitdiversity，空間正交資源發(fā)送分集）空間復(fù)用技術(shù)空間復(fù)用技術(shù)概述：空間復(fù)用通過在發(fā)送端和接收端采用多根天線進(jìn)行發(fā)送和接收?？臻g復(fù)用通過利用無線傳輸信道的多徑可分性特性，通過相同時頻資源上發(fā)送并行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流，可以大大的提高數(shù)據(jù)的峰值速率和傳輸效率。MIMO信道所能支持的數(shù)據(jù)流數(shù)量取決于信道的空間相關(guān)性以及信噪比情況，因此空間復(fù)用技術(shù)主要適用于傳播環(huán)境中散射體較豐富且信道質(zhì)量較好的場景中?？臻g復(fù)用技術(shù)空間復(fù)用MIMO原理：非相關(guān)準(zhǔn)靜態(tài)平坦Rayleigh衰落信道中，使用

M個天線等功率發(fā)送并使用

N個天線接收的MIMO系統(tǒng)信道容量：進(jìn)一步表示為：

MIMO信道可以等效為多個并行的子信道。MIMO系統(tǒng)所能支持的最大數(shù)據(jù)流數(shù)

由信道矩陣的秩決定，而每個數(shù)據(jù)流的傳輸能力由與之對應(yīng)的奇異值

決定。在非相關(guān)信道中，當(dāng)信噪比足夠高時MIMO信道容量近似隨

線性增長?？臻g復(fù)用技術(shù)空間復(fù)用MIMO分類：開環(huán)MIMO發(fā)送端不知道信道特征信息（CSI），只在接收端采用與信道相匹配的方式進(jìn)行接收，而發(fā)送信號并未與信道相匹配。開環(huán)MIMO的鏈路性能在很大程度上受到接收算法的影響。當(dāng)接收機采用了ZF或MMSE等簡單的線性處理算法時，開環(huán)MIMO的差錯概率性能往往較差。采用SIC等干擾抵消算法時，能夠有效地改善差錯概率性能，但是又會引起接收機計算復(fù)雜度的增加。

閉環(huán)預(yù)編碼MIMO發(fā)射機能夠通過某種方式獲得一定的CSI（可以是瞬時值，也可以是短期或中長期統(tǒng)計信息），就可以通過一定的預(yù)處理方式對各個數(shù)據(jù)流加載的功率、速率乃至發(fā)射方向進(jìn)行優(yōu)化，并有可能通過預(yù)處理在發(fā)射機預(yù)先消除數(shù)據(jù)流之間的部分或全部干擾，以獲得更好的性能。在預(yù)編碼系統(tǒng)中，發(fā)射機可以根據(jù)信道條件，對發(fā)送信號的空間特性進(jìn)行優(yōu)化，使發(fā)送信號的空間分布特性與信道條件相匹配，因此可以有效地降低對接收機算法的依賴程度。即使采用簡單的ZF或MMSE等線性處理算法，也能夠獲得較好的性能?？臻g復(fù)用技術(shù)閉環(huán)預(yù)編碼MIMO：

線性和非線性預(yù)編碼線性預(yù)編碼的信道模型：MIMO的信道容量為：HF為新的等效信道，HF可以對信道H進(jìn)行改造，使得信道更接近滿足最大信道容量。預(yù)編碼器優(yōu)化準(zhǔn)則最小奇異值準(zhǔn)則（MSV-SC，MinimumSingularValueCriterion）均方誤差準(zhǔn)則（MSE-SC，MinmumSquareErrorCriterion）最大容量準(zhǔn)則（MC-SC，MaximumCapacityCriterion）最大似然準(zhǔn)則（ML-SC，MaximumLikelihoodCriterion）

空間復(fù)用技術(shù)閉環(huán)預(yù)編碼MIMO方案：

基于碼本方式的預(yù)編碼方案接收端通過接收發(fā)送端的已知信號（如導(dǎo)頻）獲得信道信息，通過預(yù)編碼的優(yōu)化準(zhǔn)則，根據(jù)等效信道，獲得預(yù)編碼方案。由于反饋信道所能支持的數(shù)據(jù)速率一般較為有限。為了降低反饋開銷，一般都采用基于碼本的有限反饋條件下的預(yù)編碼方案。設(shè)計通信系統(tǒng)時，可以用若干個預(yù)編碼矩陣構(gòu)成一個碼本，這一碼本的內(nèi)容是發(fā)射機和接收機都是確知的。接收端將碼本反饋給發(fā)送端，發(fā)送端通過碼本信息來獲得相應(yīng)的信道信息?；诖a本的預(yù)編碼方法存在量化精度損失的問題，因此預(yù)編碼矩陣不能與信道精確地匹配。隨著碼本大小的增加，基于碼本的預(yù)編碼的性能會有所提升，但是同時也應(yīng)當(dāng)考慮到PMI上報與下行控制信令的開銷?；诜谴a本方式的預(yù)編碼方案非碼本預(yù)編碼利用了信道的互易性特性，eNodeB根據(jù)上行發(fā)送信號獲得上行信道信息，并基于信道互易性，獲得下行信道信息，利用所獲得的信道信息進(jìn)行矩陣分解，生成所需的預(yù)編碼矩陣。非碼本預(yù)編碼方法在TDD系統(tǒng)中有突出的優(yōu)勢，減少了上行反饋的開銷，有利于eNodeB靈活選取預(yù)編碼矩陣。

空間復(fù)用技術(shù)閉環(huán)預(yù)編碼MIMO方案：

單用戶SU-MIMO

多用戶MU-MIMO受限于應(yīng)用場景和終端的尺寸及天線數(shù)量，單個用戶往往難以支持高rank數(shù)據(jù)傳輸。而當(dāng)系統(tǒng)的用戶數(shù)較多時，一般基站總是可以找到信道空間獨立性較強的兩個用戶，這時如果基站配備多天線，則可以利用波束賦形的信號空間隔離度實現(xiàn)對多個用戶的并行傳輸，即MU-MIMO技術(shù)。

波束賦形（智能天線）波束賦形技術(shù)概述：波束賦形技術(shù)是一種天線信號預(yù)處理技術(shù)，發(fā)射機利用的是多個陣元接收信號的相關(guān)性，根據(jù)信道狀態(tài)信息對各陣元的加權(quán)系數(shù)的調(diào)整，使得功率集中在期望的方向性的波束內(nèi)，以此實現(xiàn)接收SINR（Signal-to-InterferenceplusNoiseRatio）的提高并降低對其他用戶的干擾。一般的波束賦形技術(shù)特指基于小間距天線陣列（陣元間距

）的線性預(yù)處理技術(shù)。從信號處理角度來看，波束賦形與預(yù)編碼都屬于陣列信號的預(yù)處理技術(shù)。波束賦形可以利用天線間的相關(guān)性，形成指向性的成型波束，便于控制和協(xié)調(diào)干擾。波束賦形（智能天線）波束賦形技術(shù)：早期的波束賦形技術(shù)主要通過發(fā)送信號賦形，使得信號到達(dá)接收端時形成幅度和相位的正向疊加，從而提高接收信號的SINR。波束賦形技術(shù)可以充分的利用TDD系統(tǒng)的信道對稱性。目前，隨著技術(shù)的發(fā)展，采用智能天線形態(tài)的天線也能實現(xiàn)空間復(fù)用的單用戶SU-Beamforming和SDMA的多用戶MU-Beamforming。單用戶/多用戶波束賦形示意圖下行多天線傳輸模式單天線傳輸（port0）

傳輸分集發(fā)送分集模式兩天線用SFBC模式，4天線用SFBC+FSTD模式。開環(huán)空間復(fù)用開環(huán)復(fù)用模式依據(jù)信道矩陣Rank進(jìn)行判斷，如果RI=1,此時變成發(fā)送分集模式，如果RI>1,使用大時延CDD進(jìn)行空間復(fù)用。閉環(huán)空間復(fù)用閉環(huán)空間復(fù)用需要反饋PMI，由PMI指示codebook。

MU-MIMO閉環(huán)Rank1預(yù)編碼閉環(huán)單流，需要反饋PMI，適用于RANK=1的場景。單天線傳輸（port5）TD-LTE下行多天線傳輸模式上行多天線傳輸模式單天線傳輸傳輸分集控制信道PUCCH采用SORTD方式；

天線性選擇方式；閉環(huán)空間復(fù)用SU-MIMOMU-MIMOTD-LTE上行行多天線傳輸模式上行虛擬MIMO多天線技術(shù)信道編碼目錄信道編碼的基本概念信道編碼的定義：信道編碼是為了保證通信系統(tǒng)的傳輸可靠性，克服信道中的噪聲和干擾，專門設(shè)計的一類抗干擾技術(shù)和方法。它根據(jù)一定的(監(jiān)督)規(guī)律在待發(fā)送的信息碼元中(人為的)加入一些必要的(監(jiān)督)碼元，在接收端利用這些監(jiān)督碼元與信息碼元之間的(監(jiān)督)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)和糾正差錯，以提高信息碼元傳輸?shù)目煽啃?。稱待發(fā)送的碼元為信息碼元，人為加入多余碼元為校驗碼元。信道編碼的目的，試圖以最少的監(jiān)督碼元為代價，以換取最大程度的可靠性提高。信道編碼的基本概念信道編碼的分類：

從功能上可分為三類僅具有發(fā)現(xiàn)差錯功能的檢錯碼，比如循環(huán)冗余校驗CRC碼、自動請求重傳ARQ等。具有自動糾正差錯功能的糾錯碼，比如循環(huán)碼中BCH碼、RS碼以及卷積碼、級聯(lián)碼、Turbo碼等。既能檢錯又能糾錯的信道編碼，最典型的是混合ARQ，又稱為HARQ。從結(jié)構(gòu)上分為兩類

線性碼：校驗關(guān)系方程是線性方程的信道編碼稱為線性碼，目前大部分實用化的信道編碼均屬于線性碼，比如線性分組碼，線性卷積碼都是經(jīng)常采用的信道編碼。非線性碼：一切校驗關(guān)系方程不滿足線性規(guī)律的信道編碼均稱為非線性碼。信道編碼的基本概念信道編碼的分類：

從功能上可分為三類僅具有發(fā)現(xiàn)差錯功能的檢錯碼，比如循環(huán)冗余校驗CRC碼、自動請求重傳ARQ等。具有自動糾正差錯功能的糾錯碼，比如循環(huán)碼中BCH碼、RS碼以及卷積碼、級聯(lián)碼、Turbo碼等。既能檢錯又能糾錯的信道編碼，最典型的是混合ARQ，又稱為HARQ。從結(jié)構(gòu)上分為兩類

線性碼：校驗關(guān)系方程是線性方程的信道編碼稱為線性碼，目前大部分實用化的信道編碼均屬于線性碼，比如線性分組碼，線性卷積碼都是經(jīng)常采用的信道編碼。非線性碼：一切校驗關(guān)系方程不滿足線性規(guī)律的信道編碼均稱為非線性碼。幾種典型的信道編碼概述線性分組碼線性分組碼中的分組是指編碼方法是按信息分組來進(jìn)行的，而線性則是指編碼規(guī)律即監(jiān)督位(校驗位)與信息位之間關(guān)系遵從線性規(guī)律。線性分組碼一般可記為(n,k)碼，即k位信息碼元為一個分組，編成n位碼元長度的碼組，而n－k位為監(jiān)督碼元長度。在線性分組碼中，最具有理論和實際價值的一個子類，稱為循環(huán)碼，它因為具有循環(huán)移位性而得名，它產(chǎn)生簡單且具有很多可利用的代數(shù)結(jié)構(gòu)和特性。目前一些主要的有應(yīng)用價值的線性分組碼均屬于循環(huán)碼。例如：在每個信息碼元分組k中，僅能糾正一個獨立差錯的漢明(Hamming)碼；可以糾正多個獨立差錯的BCH碼；可以糾正單個突發(fā)差錯的Fire碼；可糾正多個獨立或突發(fā)差錯的RS碼。幾種典型的信道編碼概述卷積碼記為(n,k,m)碼，其中k表示每次輸入編碼器的位數(shù)，n則為每次輸出編碼器的位數(shù)，而m則表示編碼器中寄存器的節(jié)(個)數(shù)，它的約束長度為m＋1位。正是因為每時刻編碼器輸出n位碼元它不僅與該時刻輸入的k位碼元有關(guān)，而且還與編碼器中m級寄存器記憶的以前若干時刻輸入的信息碼元有關(guān)，所以稱它為非分組的有記憶編碼。卷積碼的譯碼既可以采用與分組碼類似的代數(shù)譯碼方法，也可以采用概率譯碼方法，兩類方法中概率方法更常用。而且在概率譯碼方法中最常用是具有最大似然譯碼特性的Viterbi譯碼算法。幾種典型的信道編碼概述級聯(lián)碼級聯(lián)碼是一種復(fù)合結(jié)構(gòu)的編碼，它不同于上述單一結(jié)構(gòu)線性分組碼和卷積碼，它是由兩個以上單一結(jié)構(gòu)的短碼，復(fù)合級聯(lián)成更長編碼的一種有效方式。級聯(lián)碼分為串行級聯(lián)碼和并行級聯(lián)碼兩種類型:典型的串行級聯(lián)碼是由內(nèi)碼為卷積碼，外碼為RS碼串接級聯(lián)構(gòu)成一組長碼，其性能優(yōu)于單一結(jié)構(gòu)長碼，而復(fù)雜度又比單一結(jié)構(gòu)長碼簡單的多;最典型的并行級聯(lián)碼是Turbo碼，是由直接輸出和有、無交織的同一類型的遞歸型簡單卷積碼三者并行的復(fù)合結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成。外碼（RS）內(nèi)碼（卷積碼）卷積碼設(shè)計卷積碼編碼器設(shè)計卷積碼一般可記為(n，k，m)碼。其中k表示編碼器輸入端信息數(shù)據(jù)位，n表示編碼器輸出端碼元數(shù)，而m表示編碼器中寄存器的節(jié)數(shù)。從編碼器輸入端看,卷積碼仍然是每k位數(shù)據(jù)一組，分組輸入。從編碼器輸出端看，卷積碼是非分組的，它的輸出n位碼元不僅與當(dāng)時輸入的k位數(shù)據(jù)有關(guān)，而且還進(jìn)一步與編碼器中寄存器的以前分組的m位輸入數(shù)據(jù)有關(guān)。卷積碼為有記憶編碼，其記憶或稱約束長度l=m+1，其中m為編碼器中寄存器的節(jié)數(shù)。卷積碼設(shè)計TD-LTE的卷積編碼器卷積碼設(shè)計卷積碼咬尾碼的應(yīng)用減少歸零的結(jié)尾操作，提高傳輸效率；

通過將輸入比特的最后m位輸入寄存器進(jìn)行初始化；

性能稍有下降，譯碼復(fù)雜度有一定提高。卷積碼的速率匹配為了支持高效、靈活的傳輸方式，信道編碼技術(shù)需要考慮到各種不同的傳輸碼率和調(diào)制方式，兼顧重傳技術(shù)以及鏈路自適應(yīng)技術(shù)。為此，信道編碼技術(shù)常常使用打孔或者重復(fù)的方法，從編碼比特流中提取預(yù)定長度比特序列，這個過程稱為速率匹配。卷積碼設(shè)計TD-LTE卷積碼速率匹配卷積碼速率匹配交織器Turbo碼設(shè)計Turbo碼編碼器設(shè)計典型的Turbo碼編碼器由