Спектральная эффективность измеряется в бит/с/Гц при передаче данных или Эрл/Гц в случае голосовых услуг. <...> Спектральная эффективность может быть повышена, например, за счет: быстрой адаптации системы к характеристикам беспроводного канала связи, оптимального выбора схем модуляции и кодирования, ортогонального частотного мультиплексирования и технологии многоантенных систем — MIMO. <...> Он показал, что пропускная способность системы MIMO растёт пропорционально числу, минимальному из числа передающих и числа приёмных антенн. <...> Первая установка для лабораторного тестирования системы MIMO 4Ч4 (4 передающие и 4 приёмные антенны) начала свою работу в Университете Альберта в 2003 г. Технологии MIMO посвящено множество публикаций. <...> Описываются пространственно-временные коды, позволяющие демодулировать сигнал на приёмной стороне без знания на приёмной стороне характеристик канала (следует отметить: в методах обработки сигналов на приёмной стороне, описанных в гл. <...> В главе описывается оптимальная система MIMO, использующая на передающей стороне информацию о характеристиках канала и обладающая максимальной помехоустойчивостью. <...> Рассматриваются основные способы получения передатчиком информации о текущем состоянии канала, описываются линейные и нелинейные методы прекодирования сигналов на передающей стороне, а также приводится оценка выигрыша в пропускной способности от использования на передающей стороне информации о канале связи. <...> Кроме того, существуют многопользовательские системы MIMO (MU-MIMO — Multiuser MIMO), в которых базовая станция с несколькими приёмо-передающими антеннами взаимодействует с несколькими абонентскими станциями, каждая из которых может иметь одну или несколько приёмо-передающих антенн [2]. <...> Многоэлементные антенны могут быть использованы таким образом, чтобы сосредоточить энергию в направлении определенного абонента и сформировать соответствующую диаграмму направленности (режим адаптивного <...>
Технология_MIMO_принципы_и_алгоритмы_(1).pdf
УДК 621.396
ББК 32.84
Б19
Реценз енты: зав. кафедрой Беспроводных телекоммуникаций Национального
исследовательского университета Информационных технологий, механики
и оптики, доктор техн. наук, профессор
; ведущий научный
сотрудник Федерального государственного унитарного предприятия
Научно-исследовательский институт Радио, канд. техн. наук, ст. научный
сотрудник
Бакулин М. Г., Варукина Л. А., Крейнделин В. Б.
Б19
Технология MIMO: принципы и алгоритмы. – М.: Горячая
линия – Телеком, 2014. – 244 с., ил.
ISBN 978-5-9912-0457-6.
Рассмотрены принципы построения и алгоритмы формирования
и обработки сигналов в системах связи с технологией MIMO (многоантенных
систем), положенные в основу систем: LTE, WiMax и Wi-Fi.
Изложены фундаментальные основы многоантенных систем с пространственно-временным
кодированием, давших толчок развитию
этой технологии, а также приведены последние достижения в этой области.
Большое внимание уделено алгоритмам обработки, используемым
на практике. Приведены примеры использования технологии
MIMO в современных и перспективных системах беспроводной связи.
Для широкого круга научных работников, разработчиков и проектировщиков
оборудования систем связи, специалистов в области
телекоммуникаций, будет полезна студентам и аспирантам соответствующих
специальностей.
ББК 32.84
Научное издание
Бакулин Михаил Германович, Варукина Лидия Александровна,
Крейнделин Виталий Борисович
Технология MIMO: принципы и алгоритмы
Редактор Ю. Н. Чернышов
Компьютерная верстка Ю. Н. Чернышова
Обложка художника В. Г. Ситников
Подписано в печать 10.09.2014. Формат 60×90/16. Усл. печ. л. 15,25. Тираж 1000 экз.
ISBN 978-5-9912-0457-6
© Научно-техническое издательство «Горячая линия – Телеком», 2014
© М. Г. Бакулин, Л. А. Варукина,
В. Б. Крейнделин, 2014
В
.
А
.
Григорьев
Ю.
К.
Трофи
м
ов
Адрес
издат
е
л
ь
с
т
ва
в
Инт
е
рн
ет WWW
.
TE
C
HB
O
O
K
.
RU
Мо
нография
Стр.2
Оглавление
Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
1. Система связи с несколькими передающими и несколькими
ïðè¼ìíûìè антеннами (MIMO). . . . . . . . 7
1.1. Системы связи с несколькими антеннами. . . . . . . . . . . .
1.2. Математическая модель системы MIMO. . . . . . . . . . . . .
7
9
1.3. Пропускная способность системы MIMO. . . . . . . . . . . . . 11
1.4. Пропускная способность систем SIMO и MISO . . . . . . 18
1.5. Пропускная способность системы MIMO в условиях
замираний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.6. Многопользовательские системы MIMO . . . . . . . . . . . . . 34
2. Пространственно-временное кодирование. . . . . . . . . . 39
2.1. Разнесённая передача по задержкам . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2. Схема Аламоути. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3. Общие сведения о пространственно-временном блочном
кодировании . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.4. Ортогональные пространственно-временные блочные
коды для случая действительного сигнального созвездия
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.5. Ортогональные пространственно-временные блочные
коды для случая комплексного сигнального созвездия 53
2.6. Критерии синтеза пространственно-временных блочных
кодов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.7. Квазиортогональные пространственно-временные
блочные коды. Вращение созвездия. . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.8. Неортогональные пространственно-временные блочные
коды. Пространственное мультиплексирование. . 69
2.9. Эквивалентная виртуальная матрица канала связи . 73
Стр.241
242
Оглавление
2.10. Алгоритмы демодуляции неортогональных пространственно-временных
блочных кодов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.10.1. Метод максимального правдоподобия. . . . . . . . . . . 76
2.10.2. Метод Zero Forcing (декоррелятор). . . . . . . . . . . . . . 78
2.10.3. Алгоритм МСКО. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2.10.4. Линейный итерационный демодулятор. . . . . . . . . . 82
2.10.5. Квазиоптимальный V-BLAST-демодулятор . . . . . 85
2.10.6. Квазиоптимальный демодулятор типа K-Best . . 88
3. Относительные пространственно-временные коды 93
3.1. Относительная цифровая модуляция . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.2. Относительный пространственно-временной код для
системы MIMO с двумя передающими антеннами . . . 96
4. Системы MIMO с обратной связью . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.1. Прекодирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.1.1. Методы получения передатчиком информации о
состоянии канала связи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.1.2. Динамическая модель информации о состоянии
канала связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.1.3. Оценки выигрыша в пропускной способности от
использования на передающей стороне информации
о канале связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.1.4. Линейное прекодирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.1.5. Критерии синтеза алгоритмов прекодирования . 115
4.2. Синтез линейных алгоритмов прекодирования . . . . . . 117
4.2.1. Оптимальная прекодирующая матрица . . . . . . . . . 117
4.2.2. Синтез алгоритма прекодирования для случая,
когда на передающей стороне имеется точная информация
о текущем состоянии канала . . . . . . . . . 119
4.2.3. Синтез алгоритма прекодирования для случая,
когда на передающей стороне имеется только информация
о корреляции замираний в канале . . 123
4.2.4. Синтез алгоритма прекодирования для случая,
когда на передающей стороне имеется только информация
о среднем значении матрицы канала
126
Стр.242
Оглавление
243
4.2.5. Синтез алгоритма прекодирования для случая,
когда на передающей стороне имеется информация
о корреляции замираний в канале и о среднем
значении матрицы канала . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.2.6. Общие свойства линейных алгоритмов прекодирования
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
4.3. Общие сведения о нелинейных алгоритмах прекодирования
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
4.3.1. Нелинейный алгоритм прекодирования Косты. . 131
4.3.2. Принцип работы нелинейного алгоритма прекодирования
Томлинсона–Харасимы . . . . . . . . . . . . . . 134
4.4. Алгоритмы прекодирования, предназначенные для
работы в системе MU-MIMO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
4.4.1. Линейный многопользовательский алгоритм
прекодирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
4.4.2. Многопользовательская система с пространственным
мультиплексированием. . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5. Реализация MIMO в современных и перспективных
системах беспроводной связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
5.1. Система LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
5.1.1. Схемы разнесённой передачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.1.2. Схемы SU-MIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.1.3. Схемы MU-MIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
5.1.4. Схемы адаптивного формирования луча диаграммы
направленности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
5.2. Система LTE-Advanced . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
5.2.1. Схемы разнесённой передачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
5.2.2. Схемы SU-MIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
5.2.3. Схемы MU-MIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
5.2.4. Схемы скоординированной многоточечной связи 173
5.3. Система UMTS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
5.3.1. Схемы MIMO для базовых станций с двумя передающими
антеннами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
5.3.2. Схемы MIMO для базовых станций с четырьмя
передающими антеннами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
Стр.243
244
Оглавление
5.3.3. Схемы MIMO для абонентских станций с двумя
передающими антеннами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
5.3.4. Схемы многоточечной связи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
5.4. Система WiMax IEEE 802.16e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
5.5. Система WiMax IEEE 802.16m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
5.5.1. Схемы MIMO на линии «вниз». . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
5.5.2. Схемы MIMO на линии «вверх» . . . . . . . . . . . . . . . . 192
5.5.3. Схемы многоточечной связи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
5.6. Система Wi-Fi IEEE 802.11n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
5.7. Система Wi-Fi IEEE 802.11ac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
Заключение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
Приложение 1. Некоторые сведения о матрицах. . . . . 204
Приложение 2. Комплексные случайные величины,
векторы и матрицы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
Приложение 3. Сведения об ортогональных функциях
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
Приложение 4. Анализ сложности алгоритмов обработки
сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
Сокращения и обозначения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
Стр.244