MIMO无线网络手册

内容概要

Bruno Clerckx是英国伦敦帝国学院电气和电子工程学院的助理教授(讲师)。他分别于2000年和2005年在天主教鲁汶大学(比利时新鲁汶)取得电子工程硕士和博士学位。他1998～1999年在天主教鲁汶大学（比利时鲁汶）学习,并于2003年到斯坦福大学（美国加州）访问,于2004年在Eurecom学院(法国，索菲亚安提波利斯)访问研究。2006年，他在天主教鲁汶大学任博士后。在加入伦敦帝国学院之前，他从2006年到2011年在三星技术院(SAIT)和三星电子(韩国，水原)担任高级工程师和项目经理。他从2007年到2011年担任三星下行MIMO、协作多点(CoMP)传输/接收和异构网(HetNet)的首席代表，积极参与3GPP LTE/LTEAdvanced RAN1（R8～R11版）和IEEE 80216m的标准化工作。他在标准化组中担任LTEAdvanced协作多点(CoMP)研究项目的报告员和技术报告3GPP TR36819的编辑。

Bruno Clerckx是两本书的作者，并且出版了超过70篇国际期刊和会议论文，150篇标准提案和许多已授权和待授权专利。他获得了IEEE SCVT2002的最佳学生论文奖以及三星特别贡献奖。Bruno Clerckx目前担任IEEE Transactions on Communications的编辑和EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking特刊的特邀编辑。

Claude Oestges是比利时新鲁汶的天主教鲁汶大学信息和通信技术、电子和应用数学学院电子工程部的副教授，以及比利时科研基金(FRSFNRS)的研究员。他于1996年和2000年在天主教鲁汶大学获得硕士和博士学位。2001年1月到12月，Claude Oestges进入斯坦福大学(美国加州)的智能天线研究组(信息系统实验室)任博士后，期间他参与了在G2 MMDS技术的宽带无线接入中部署MIMO多极化信道模型。从2001年10月到2005年9月，Claude Oestges是比利时国家科学基金的博士后。同时，他数次短期访问斯坦福大学和Eurecom学院(法国),并参与COST 273目标移动宽带多媒体网络项目，NEWCOM卓越网络项目和IEEE 80211标准工作组中的多天线信道建模。他目前的研究包括无线通信的多维信道建模，包括MIMO和协同网络，UWB系统和卫星系统。他曾主持COST 2100普遍的移动环境无线通信项目中的参考信道建模工作组，并积极参与NEWCOM++卓越网络项目。他目前主持COST IC1004项目绿色智能环境的协同无线通信的无线信道工作组。

Claude Oestges是三本书和一些书部分章节的作者，此外还有170多篇国际期刊和会议论文。他在2001年获得IET马可尼优秀奖，在2004年获得IEEE 车载通信技术协会Neal Shepherd奖。他目前担任IEEE Transactions on Vehicular Technology，IEEE Transactions on Antennas and Propagation和 EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking的副编辑。

书籍目录

译者序

原书前言

作者简介

缩略语

运算符号表

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4MIMO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MIMO16

162无发射信道信息的MIMO18

163具有部分发射信道信息的MIMO21

17多链路MIMO网络：从多用户到多小区MIMO22

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2MIMO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3MIMO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3Frobenius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6MIMO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MIMO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4MIMO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6MIMO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2SUI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1IEEE80211 TGn模型98

442IEEE80216/WiMAX模型98

443COST259/273方向信道模型99

4443GPP/3GPP2空间信道模型和WINNER100

445COST2100 多链路MIMO信道模型102

446WINNER Ⅱ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SNR134

582有限SNR139

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3D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4MIMO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2MISO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1Kronecker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OFDM316

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2Lindskog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MIMO344

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1SISO信道的对偶性377

1242MIMO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MIMO398

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8Tomlinson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MIMO438

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1SISO信道450

1342大于两用户SISO干扰信道456

1343MIMO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SNR等级465

1364两小区簇467

1365OFDMA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1MIMO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MIMO497

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MIMO510

1441MIMO编码510

1442开环和闭环MIMO512

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MIMO514

145多用户MIMO515

1451基于码本和非码本的预编码515

1452MUMIMO维度516

1453MUMIMO的透传性517

ⅩⅦⅩⅧ1454SU/MUMIMO 动态切换517

1455开环MUMIMO518

1456上行MUMIMO519

146多小区MIMO519

1461传统干扰消除519

1462半静态ICIC519

1463增强ICIC520

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MIMO535

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MIMO540

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

缩略语

作者简介

本书讨论了MIMO无线网络的信道、关键技术和标准，包括多用户和多小区MIMO技术。本书特别强调了实际的信号传播机制是如何影响系统性能(MIMO容量和错误率)以及如何影响MIMO中的空时编码技术设计。作为原书第2版，本书更新了第1版的内容，介绍了最近的无线通信标准MIMO方面的进展，如LTE、LTE-A和Wimax，以及在标准中的一些讨论的新议题，包括CoMP、大规模MIMO、干扰对齐等。本书深度适中，讨论范围广，适合于高校高年级硕士和博士研究生、产业界研究人员作为参考书籍。

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