MIMO无线网络手册PDF电子书下载

第1章 多天线通信介绍 1

1.1 天线阵列处理概述 1

1.2 多天线系统的空时无线信道 2

1.2.1 离散时域表示 2

1.2.2 路损和阴影 3

1.2.3 衰落 4

1.2.4 MIMO信道 4

1.3 在无线系统中利用多天线 5

1.3.1 分集技术 5

1.3.2 复用能力 7

1.3.3 干扰管理 8

1.4 单输入多输出系统 8

1.4.1 选择合并实现接收分集 8

1.4.2 增益合并实现接收分集 9

1.4.3 混合选择／增益合并实现接收分集 12

1.5 多输入单输出系统 12

1.5.1 多波束天线切换 13

1.5.2 匹配波束赋形实现发射分集 13

1.5.3 零陷和最优波束赋形 14

1.5.4 空时编码实现发射分集 14

1.5.5 间接发射分集 15

1.6 多输入多输出系统 16

1.6.1 具有完全发射信道信息的MIMO 16

1.6.2 无发射信道信息的MIMO 18

1.6.3 具有部分发射信道信息的MIMO 21

1.7 多链路MIMO网络：从多用户到多小区MIMO 22

1.8 商用无线系统中的MIMO技术 22

第2章 从多维传输到多链路MIMO信道 24

2.1 方向性信道建模 25

2.1.1 双方向性信道冲激响应 25

2.1.2 多维相关函数和平稳性 29

2.1.3 信道衰落统计量和K因子 30

2.1.4 多普勒谱和相干时间 31

2.1.5 功率延迟和方向谱 33

2.1.6 双方向性信道的互相关特性 35

2.2 MIMO信道矩阵 35

2.2.1 推导MIMO信道矩阵 35

2.2.2 天线和传播的联系：引入导向向量 36

2.2.3 有限散射体时的MIMO信道表示 37

2.3 MIMO信道矩阵的统计特性 37

2.3.1 空间相关 37

2.3.2 奇异值和特征值 40

2.3.3 Frobenius范数 41

2.4 多链路MIMO传播 41

2.5 天线阵列对MIMO信道的影响 42

2.5.1 理想与实际的天线阵列 42

2.5.2 互耦合 43

2.5.3 双极化天线 46

2.6 MIMO信道建模 47

2.6.1 分析表示与实际模型 47

2.6.2 离散MIMO信道建模：重温抽样理论 47

第3章 系统设计中MOMO信道的分析表示 49

3.1 基于传播的MIMO度量 50

3.1.1 模型和相关矩阵的比较 50

3.1.2 多径丰富程度特征的度量 51

3.1.3 测量MIMO信道的非平稳性 53

3.1.4 测量多链路MIMO信道之间的距离 56

3.2 窄带相关MIMO信道的单链路分析表示 58

3.2.1 瑞利衰落信道 58

3.2.2 莱斯衰落信道 60

3.2.3 双瑞利衰落小孔信道 60

3.2.4 相关瑞利动态信道 61

3.3 双极化信道 63

3.3.1 建模去极化的天线和散射 63

3.3.2 双极化瑞利衰落信道 65

3.3.3 双极化莱斯衰落信道 70

3.4 MIMO信道可分离的表示 70

3.4.1 克罗内克模型 70

3.4.2 虚信道的表示 72

3.4.3 特征波束模型 74

3.4.4 可分离表示方法的精度 76

3.5 频率选择性MIMO信道 82

3.6 MIMO信道的多链路分析表示 83

第4章 性能评估中使用的实际MIMO信道模型 85

4.1 电磁波模型 85

4.1.1 基于射线的确定性模型 85

4.1.2 多极化信道 86

4.2 基于几何的随机模型 86

4.2.1 单环模型 87

4.2.2 双环模型 89

4.2.3 混合椭圆环模型 89

4.2.4 椭圆和圆形模型 91

4.2.5 基于几何的模型扩展到双极化信道 91

4.2.6 基于几何的信道模型的克罗内克可分离性 93

4.3 经验信道模型 95

4.3.1 扩展Saleh-Valenzuela模型 95

4.3.2 SUI信道模型 96

4.3.3 多链路场景中的阴影相关模型 97

4.4 标准化中的MIMO信道模型 98

4.4.1 IEEE802.1 1TGn模型 98

4.4.2 IEEE802.1 6/WiMAX模型 98

4.4.3 COST259/273方向信道模型 99

4.4.4 3GPP/3GPP2空间信道模型和WINNER 100

4.4.5 COST2100多链路MIMO信道模型 102

4.4.6 WINNERⅡ多链路MIMO信道模型 103

第5章 单链路MIMO信道容量 105

5.1 引言 105

5.1.1 信息论的一些概念 105

5.1.2 系统模型 106

5.2 确定性MIMO信道的容量 107

5.2.1 容量和注水算法 107

5.2.2 容量界和次优的功率分配 111

5.3 快衰落信道的遍历容量 111

5.3.1 理想传输信道信息的MIMO容量 112

5.3.2 部分传输信道信息的MIMO容量 113

5.4 独立同分布瑞利快衰落信道 113

5.4.1 理想信道信息 113

5.4.2 部分传输信道信息 115

5.5 相关瑞利快衰落信道 122

5.5.1 相等功率分配的频谱效率 122

5.5.2 部分传输信道信息 126

5.6 莱斯快衰落信道 129

5.6.1 相等功率分配的频谱效率 129

5.6.2 部分传输信道信息 131

5.7 中断容量和概率以及在慢衰落信道中分集－复用的折中 131

5.7.1 理想发射信道信息 132

5.7.2 部分传输信道信息 133

5.8 独立同分布瑞利慢衰落信道 134

5.8.1 无限SNR 134

5.8.2 有限SNR 139

5.9 相关瑞利和莱斯慢衰落信道 140

第6章 独立同分布瑞丽平坦衰落信道的空时编码 142

6.1 空时编码概述 142

6.2 系统模型 143

6.3 基于错误率的设计方法 143

6.3.1 快衰落MIMO信道：距离积准则 145

6.3.2 慢衰落MIMO信道：秩－行列式和秩－迹准则 146

6.4 基于信息论的设计方法 148

6.4.1 快衰落MIMO信道：达到遍历容量 148

6.4.2 慢衰落MIMO信道：达到分集－复用折中 150

6.5 空时分组码 154

6.5.1 线性STBC的通用架构 155

6.5.2 空间复用／V-BLAST 160

6.5.3 D-BLAST 169

6.5.4 正交空时分组码 171

6.5.5 准正交空时分组码 177

6.5.6 线性离散码 179

6.5.7 代数空时编码 181

6.5.8 全局性能比较 184

6.6 空时格码 186

6.6.1 空时格码 186

6.6.2 超正交空时格码 192

第7章 MIMO接收机设计：检测和信道估计 194

7.1 回顾：系统模型 194

7.2 非编码传输MIMO接收机 195

7.2.1 最优检测 195

7.2.2 格型重构 195

7.2.3 线性接收机 196

7.2.4 判决反馈接收机 199

7.2.5 格型回退辅助检测 199

7.2.6 球形译码算法和 QR-ML检测 200

7.2.7 排序球形检测 205

7.2.8 具有确定复杂度的宽度优先搜索检测 205

7.2.9 半定松弛检测 207

7.2.10 最慢下降检测 208

7.3 编码传输系统的MIMO接收机 210

7.3.1 迭代MIMO接收机 210

7.3.2 空时编码调制 211

7.4 MIMO信道估计 211

7.4.1 信道估计的目的 211

7.4.2 慢衰信道 212

7.4.3 快衰信道 213

第8章 现实MIMO信道的差错概率 215

8.1 条件成对错误概率方法 215

8.1.1 退化信道 215

8.1.2 空间复用示例 218

8.2 平均成对错误概率方法介绍 220

8.3 瑞利衰落信道中的平均成对错误概率 223

8.3.1 高信噪比区域 223

8.3.2 中等信噪比区域 230

8.3.3 低信噪比区域 234

8.3.4 总结与举例 235

8.4 莱斯衰落信道中的平均成对错误概率 237

8.5 关于现实信道中空时码设计的看法 239

第9章 现实MIMO信道上无传输信道知识的空时编码 240

9.1 信息论激励的设计方法 240

9.2 信息论激励的慢衰落信道中的码设计 242

9.2.1 通用码设计准则 242

9.2.2 MISO信道 244

9.2.3 并行信道 245

9.3 错误概率激励的设计方法 247

9.3.1 设计鲁棒码 247

9.3.2 退化信道中的平均成对错误概率 248

9.3.3 灾难码和一般设计准则 251

9.4 错误概率激励的慢衰落信道中的码设计 256

9.4.1 满秩码 256

9.4.2 线性空时分组码 256

9.4.3 基于设计准则的虚拟信道表示 259

9.4.4 与信息论关系激励的设计 260

9.4.5 慢衰落信道中的实践码设计 261

9.5 错误概率激励的快衰落信道中的码设计 268

9.5.1 “积意识”灾难码 268

9.5.2 快衰落信道中的实践码设计 269

第10章 基于部分传输信道信息的空时编码 273

10.1 基于信道统计信息的预编码简介 276

10.1.1 信息论激励的设计方法 276

10.1.2 错误概率激励的设计方法 277

10.2 针对正交空时分组码的基于信道统计信息的预编码 277

10.2.1 Kronecker瑞利衰落信道中的最优预编码 278

10.2.2 非Kronecker瑞利衰落信道中的最优预编码 282

10.2.3 莱斯信道中的最优预编码 282

10.3 非单位错误矩阵的编码中基于信道统计信息的预编码 284

10.4 针对空间复用的基于信道统计信息的预编码 287

10.4.1 波束赋形 288

10.4.2 星座塑形 289

10.5 量化预编码和天线选择技术简介 292

10.6 针对主特征模式传输的量化预编码和天线选择 293

10.6.1 选择准则和码本设计 293

10.6.2 基于矢量量化的最优码本设计 294

10.6.3 独立同分布瑞利衰落信道 295

10.6.4 空间相关瑞利衰落信道 299

10.6.5 双极化瑞利衰落信道 303

10.6.6 动态瑞利衰落信道 305

10.7 针对正交空时分组码的量化预编码和天线选择 307

10.7.1 选择准则和码本设计 307

10.7.2 天线子集选择和可实现分集增益 308

10.8 针对空间复用的量化预编码和天线选择 310

10.8.1 选择准则和码本设计 310

10.8.2 解码策略对错误概率的影响 311

10.8.3 扩展到多模预编码 312

10.9 信息论激励的量化预编码 313

第11章 频率选择性信道的空时编码 315

11.1 单载波与多载波传输 315

11.1.1 单载波传输 315

11.1.2 多载波传输：MIMO-OFDM 316

11.1.3 单载波和多载波的统一表达式 320

11.2 频率选择性信道的信息论分析 322

11.2.1 容量分析 322

11.2.2 等功率分配下的互信息 323

11.2.3 分集－复用折中 323

11.3 平均成对错误概率 324

11.4 瑞利衰落信道下的单载波传输编码设计原则 325

11.4.1 整体延时分集 325

11.4.2 Lindskog-Paulraj机制 327

11.4.3 其他构造 328

11.5 瑞利衰落信道下空频编码MIMO-OFDM传输的编码设计原则 328

11.5.1 分集增益分析 328

11.5.2 编码增益分析 331

11.5.3 空间频率线性分组码 333

11.5.4 循环延时分集 335

11.5.5 循环预编码 338

11.6 空间相关频率选择性信道下编码的鲁棒性 339

11.6.1 退化抽头 340

11.6.2 空频MIMO-OFDM的应用 341

11.6.3 循环预编码的应用 342

第12章 多用户MIMO 344

12.1 系统模型 344

12.1.1 多址接入信道——上行 345

12.1.2 广播信道——下行 346

12.2 多址接入信道（MAC）的容量 349

12.2.1 固定信道的容量区 349

12.2.2 快衰落信道的遍历容量区 355

12.2.3 慢衰落信道的中断容量、中断概率和分集复用折中 360

12.3 广播信道（BC）的容量 364

12.3.1 固定信道的容量区 365

12.3.2 快衰落信道的遍历容量区 373

12.3.3 慢衰落信道的中断容量、中断概率和分集复用折中 375

12.4 广播信道－多址接入信道的对偶性 377

12.4.1 SISO信道的对偶性 377

12.4.2 MIMO信道的对偶性 379

12.5 多用户分集、资源分配和调度 383

12.5.1 多用户分集 383

12.5.2 资源分配、公平和调度 386

12.5.3 用户分组 390

12.6 速率和的比例定律 392

12.6.1 高和低SNR区域 392

12.6.2 大规模天线阵列 394

12.6.3 大规模的用户 396

12.7 上行多用户MIMO 398

12.8 具有传输信道信息的下行多用户MIMO预编码 398

12.8.1 匹配波束赋形 400

12.8.2 迫零波束赋形 401

12.8.3 块对角化 403

12.8.4 正则化迫零波束赋形 405

12.8.5 联合泄露抑制 406

12.8.6 最大速率和波束赋形 408

12.8.7 具有目标SINR的波束赋形 409

12.8.8 Tomlinson-Harashima预编码 412

12.8.9 向量扰动 416

12.8.10 全局性能比较 418

12.9 部分传输信道信息的下行多用户MIMO预编码 422

12.9.1 伺机波束赋形－酉预编码伺机波束赋形 422

12.9.2 基于反馈的量化预编码 424

12.9.3 过时反馈预编码 435

第13章 多小区MIMO 438

13.1 无线网络的干扰 438

13.1.1 典型的小区干扰消除 439

13.1.2 面向多小区协同和协调 441

13.2 系统模型 443

13.2.1 干扰信道－协调 443

13.2.2 多址接入和广播信道－协同 446

13.3 网络架构 447

13.3.1 多小区测量、成簇和传输 447

13.3.2 分布式和集中式架构 448

13.3.3 用户中心簇和网络预定义簇 449

13.4 多小区MIMO信道的容量 450

13.4.1 SISO信道 450

13.4.2 大于两用户SISO干扰信道 456

13.4.3 MIMO干扰信道 457

13.4.4 多址接入和广播信道 458

13.5 多小区分集和资源分配 459

13.5.1 多小区多用户分集 460

13.5.2 多小区资源分配 462

13.6 协调功控 464

13.6.1 大量用户 464

13.6.2 大量干扰 464

13.6.3 高和低SNB等级 465

13.6.4 两小区簇 467

13.6.5 OFDMA网络 468

13.6.6 完全分布式功率控制 475

13.7 协调波束赋形 479

13.7.1 匹配波束赋形 479

13.7.2 迫零波束赋形和分块对角化 480

13.7.3 干扰对齐 482

13.7.4 联合泄漏抑制 488

13.7.5 最大化网络累积速率波束赋形 488

13.7.6 基于分配的目标SNR波束赋形 489

13.7.7 均衡竞争和协调 490

13.7.8 伺机波束赋形 490

13.8 协调、调度、波束赋形和功率控制 490

13.8.1 MIMO-OFDMA网络 490

13.8.2 协调的通用架构 494

13.9 多小区协调编码 496

13.10 网络MIMO 497

第14章 LTE、LTE-Advanced和WiMAX中的MIMO技术 500

14.1 设计目标和主要技术 500

14.1.1 系统要求 500

14.1.2 核心技术 501

14.2 天线和网络部署 503

14.2.1 优先排序的多天线设置 503

14.2.2 部署场景 505

14.2.3 回程 506

14.3 参考信号 507

14.3.1 专用和公共参考信号对比 507

14.3.2 下行设计 508

14.3.3 上行设计 510

14.4 单用户MIMO 510

14.4.1 MIMO编码 510

14.4.2 开环和闭环MIMO 512

14.4.3 开环空间复用：空时／频编码 512

14.4.4 开环空间复用：循环预编码 514

14.4.5 上行SU-MIMO 514

14.5 多用户MIMO 515

14.5.1 基于码本和非码本的预编码 515

14.5.2 MU-MIMO维度 516

14.5.3 MU-MIMO的透传性 517

14.5.4 SU/MU-MIMO动态切换 517

14.5.5 开环MU-MIMO 518

14.5.6 上行MU-MIMO 519

14.6 多小区MIMO 519

14.6.1 传统干扰消除 519

14.6.2 半静态ICIC 519

14.6.3 增强ICIC 520

14.6.4 多点协同（CoMP） 522

14.7 信道状态信息（CSI）反馈 525

14.7.1 反馈类型 525

14.7.2 反馈机制 527

14.7.3 量化反馈和码本设计 528

14.7.4 上行导频 532

14.7.5 多小区MIMO下的CSI反馈 532

14.8 超越LTE-A：大规模多小区和大规模多天线网络 533

第15章 MIMO-OFDMA系统级评估 535

15.1 单用户MIMO 535

15.1.1 天线部署和配置 536

15.1.2 信道估计误差 537

15.1.3 反馈类型 538

15.1.4 反馈精度 538

15.2 多用户MIMO 540

15.2.1 天线部署与配置 540

15.2.2 规模 541

15.2.3 信道估计误差 542

15.2.4 接收滤波器 542

15.2.5 发送滤波器和反馈类型 544

15.2.6 反馈精度 545

15.2.7 损耗的累积影响 549

15.2.8 单用户／多用户MIMO动态切换 549

15.2.9 多用户分集 551

15.3 同构网络中撒用户和小区分簇 551

15.3.1 站内与站间分簇 551

15.3.2 用户为中心与网络预定义分簇 551

15.3.3 受益于CoMP的用户群 552

15.3.4 反馈开销 552

15.4 同构网络中的协调调度和波束赋形 554

15.4.1 天线部署 555

15.4.2 迭代次数 556

15.4.3 协调调度与协调波束赋形 557

15.4.4 链路自适应和CQI计算 557

15.5 异构网络中的协同调度和功率控制 557

15.5.1 家庭基站 558

15.5.2 下行死区问题 559

15.5.3 静态二元开关功率控制 561

15.5.4 动态二元开关功率控制 563

15.5.5 动态和静态二元开关功率控制对比 565

15.5.6 微微小区和分布式天线系统 565

15.6 结束语 565

附录 567

附录A 有用的数学和矩阵特性 567

附录B 复高斯随机变量和矩阵 569

B.1 一些有用的概率分布 569

B.2 威沙特矩阵的特征值 570

B.2.1 威沙特矩阵特征值的行列式和乘积 570

B.2.2 排序特征值的分布 571

B.2.3 非排序特征值的分布 571

附录C 天线耦合模型 572

C.1 关于阻抗参数的最小散射体 572

C.1.1 电路表达 572

C.1.2 辐射图 573

C.2 关于导纳参数的最小散射体 575

附录D 推导平均成对错误概率 577

D.1 联合空时相关莱斯衰落信道 578

D.2 空间相关莱斯慢衰落信道 579

D.3 联合空时相关莱斯分组衰落信道 580

D.4 独立同分布瑞利慢衰落和快衰落信道 581

参考文献 582