多天線技術和信道編碼無線移動創新中心多天線技術信道編碼目錄空時處理技術背景背景情況：空時處理始終是通信理論界的一個活躍領域。在早期研究中，學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探討不多。上世紀九十年代中期，由于移動通信爆炸式發展，對于無線鏈路傳輸速率提出了越來越高的要求，傳統的時頻域信號設計很難滿足這些需求。工業界的實際需求推動了理論界的深入探索。空時處理技術背景多天線技術分類（根據天線形態）：SISOMISOSIMOMIMOMU-MIMOSU-MIMO空時處理技術背景多天線技術分類（根據傳輸方案）：發送分集技術

空間復用技術

波束賦形技術（智能天線）LTE系統的天線配置下行

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

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

上行LTE系統上行支持發送分集和空間復用技術（最大4層數據流并行傳輸）發送分集技術發送分集技術概述：分集技術通常用于對抗衰落、提高鏈路可靠性。分集技術需要接收端接收到多個重復的發射信號，這些發射信號攜帶同樣的信息，其衰落在統計上有較低的相關性。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下，當一些信號發生深衰落時，可能另一些信號的衰落較輕，各路信號同時發生深衰落的概率是很低的，從而合成信號發生深衰落的概率也被大大降低?？臻g發射分集通過在發射端對所要發射的信號進行預處理，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。為了改善發射分集的性能，可以將編碼與發射分集結合。通過編碼，在空間和時間（頻率）域內引入冗余。由于對編碼和發射分集進行了聯合優化設計，空時編碼在不犧牲帶寬的情況下，可以同時獲得發射分集與編碼增益，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。發送分集技術主要的發送分集類型：

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

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

包括：開環和閉環方式，TDD主要采用開環，而FDD主要采用閉環。PUCCH信道的發送分集方案：

SORTD（Spatialorthogonalresourcestransmitdiversity，空間正交資源發送分集）空間復用技術空間復用技術概述：空間復用通過在發送端和接收端采用多根天線進行發送和接收。空間復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送并行傳輸的數據流，可以大大的提高數據的峰值速率和傳輸效率。MIMO信道所能支持的數據流數量取決于信道的空間相關性以及信噪比情況，因此空間復用技術主要適用于傳播環境中散射體較豐富且信道質量較好的場景中?？臻g復用技術空間復用MIMO原理：非相關準靜態平坦Rayleigh衰落信道中，使用

M個天線等功率發送并使用

N個天線接收的MIMO系統信道容量：進一步表示為：

MIMO信道可以等效為多個并行的子信道。MIMO系統所能支持的最大數據流數

由信道矩陣的秩決定，而每個數據流的傳輸能力由與之對應的奇異值

決定。在非相關信道中，當信噪比足夠高時MIMO信道容量近似隨

線性增長?？臻g復用技術空間復用MIMO分類：開環MIMO發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行接收，而發送信號并未與信道相匹配。開環MIMO的鏈路性能在很大程度上受到接收算法的影響。當接收機采用了ZF或MMSE等簡單的線性處理算法時，開環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雜度的增加。

閉環預編碼MIMO發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計信息），就可以通過一定的預處理方式對各個數據流加載的功率、速率乃至發射方向進行優化，并有可能通過預處理在發射機預先消除數據流之間的部分或全部干擾，以獲得更好的性能。在預編碼系統中，發射機可以根據信道條件，對發送信號的空間特性進行優化，使發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。空間復用技術閉環預編碼MIMO：

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

空間復用技術閉環預編碼MIMO方案：

基于碼本方式的預編碼方案接收端通過接收發送端的已知信號（如導頻）獲得信道信息，通過預編碼的優化準則，根據等效信道，獲得預編碼方案。由于反饋信道所能支持的數據速率一般較為有限。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編碼方案。設計通信系統時，可以用若干個預編碼矩陣構成一個碼本，這一碼本的內容是發射機和接收機都是確知的。接收端將碼本反饋給發送端，發送端通過碼本信息來獲得相應的信道信息?；诖a本的預編碼方法存在量化精度損失的問題，因此預編碼矩陣不能與信道精確地匹配。隨著碼本大小的增加，基于碼本的預編碼的性能會有所提升，但是同時也應當考慮到PMI上報與下行控制信令的開銷?；诜谴a本方式的預編碼方案非碼本預編碼利用了信道的互易性特性，eNodeB根據上行發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行矩陣分解，生成所需的預編碼矩陣。非碼本預編碼方法在TDD系統中有突出的優勢，減少了上行反饋的開銷，有利于eNodeB靈活選取預編碼矩陣。

空間復用技術閉環預編碼MIMO方案：

單用戶SU-MIMO

多用戶MU-MIMO受限于應用場景和終端的尺寸及天線數量，單個用戶往往難以支持高rank數據傳輸。而當系統的用戶數較多時，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對多個用戶的并行傳輸，即MU-MIMO技術。

波束賦形（智能天線）波束賦形技術概述：波束賦形技術是一種天線信號預處理技術，發射機利用的是多個陣元接收信號的相關性，根據信道狀態信息對各陣元的加權系數的調整，使得功率集中在期望的方向性的波束內，以此實現接收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特指基于小間距天線陣列（陣元間距

）的線性預處理技術。從信號處理角度來看，波束賦形與預編碼都屬于陣列信號的預處理技術。波束賦形可以利用天線間的相關性，形成指向性的成型波束，便于控制和協調干擾。波束賦形（智能天線）波束賦形技術：早期的波束賦形技術主要通過發送信號賦形，使得信號到達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。波束賦形技術可以充分的利用TDD系統的信道對稱性。目前，隨著技術的發展，采用智能天線形態的天線也能實現空間復用的單用戶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）

傳輸分集發送分集模式兩天線用SFBC模式，4天線用SFBC+FSTD模式。開環空間復用開環復用模式依據信道矩陣Rank進行判斷，如果RI=1,此時變成發送分集模式，如果RI>1,使用大時延CDD進行空間復用。閉環空間復用閉環空間復用需要反饋PMI，由PMI指示codebook。

MU-MIMO閉環Rank1預編碼閉環單流，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；閉環空間復用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的傳輸可靠性，克服信道中的噪聲和干擾，專門設計的一類抗干擾技術和方法。它根據一定的(監督)規律在待發送的信息碼元中(人為的)加入一些必要的(監督)碼元，在接收端利用這些監督碼元與信息碼元之間的(監督)規律，發現和糾正差錯，以提高信息碼元傳輸的可靠性。稱待發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現差錯功能的檢錯碼，比如循環冗余校驗CRC碼、自動請求重傳ARQ等。具有自動糾正差錯功能的糾錯碼，比如循環碼中BCH碼、RS碼以及卷積碼、級聯碼、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。從結構上分為兩類

線性碼：校驗關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，線性卷積碼都是經常采用的信道編碼。非線性碼：一切校驗關系方程不滿足線性規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現差錯功能的檢錯碼，比如循環冗余校驗CRC碼、自動請求重傳ARQ等。具有自動糾正差錯功能的糾錯碼，比如循環碼中BCH碼、RS碼以及卷積碼、級聯碼、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。從結構上分為兩類

線性碼：校驗關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，線性卷積碼都是經常采用的信道編碼。非線性碼：一切校驗關系方程不滿足線性規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行的，而線性則是指編碼規律即監督位(校驗位)與信息位之間關系遵從線性規律。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，稱為循環碼，它因為具有循環移位性而得名，它產生簡單且具有很多可利用的代數結構和特性。目前一些主要的有應用價值的線性分組碼均屬于循環碼。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；可以糾正單個突發差錯的Fire碼；可糾正多個獨立或突發差錯的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，n則為每次輸出編碼器的位數，而m則表示編碼器中寄存器的節(個)數，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，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，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碼級聯碼是一種復合結構的編碼，它不同于上述單一結構線性分組碼和卷積碼，它是由兩個以上單一結構的短碼，復合級聯成更長編碼的一種有效方式。級聯碼分為串行級聯碼和并行級聯碼兩種類型:典型的串行級聯碼是由內碼為卷積碼，外碼為RS碼串接級聯構成一組長碼，其性能優于單一結構長碼，而復雜度又比單一結構長碼簡單的多;最典型的并行級聯碼是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合結構共同構成。外碼（RS）內碼（卷積碼）卷積碼設計卷積碼編碼器設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據位，n表示編碼器輸出端碼元數，而m表示編碼器中寄存器的節數。從編碼器輸入端看,卷積碼仍然是每k位數據一組，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位碼元不僅與當時輸入的k位數據有關，而且還進一步與編碼器中寄存器的以前分組的m位輸入數據有關。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數。卷積碼設計TD-LTE的卷積編碼器卷積碼設計卷積碼咬尾碼的應用減少歸零的結尾操作，提高傳輸效率；

通過將輸入比特的最后m位輸入寄存器進行初始化；

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