MIMO无线网络手册(原书第2版)

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内容简介: 《MIMO无线网络手册(原书第2版)》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对系统性能(MIMO容量和错误率)以及MIMO中的空时编码技术设计的影响及原因。作为原书第2版,本书更新了第1版的内容,介绍了无线通信标准MIMO方面的新进展,如LTE、LTEA和WiMAX以及在标准中讨论的一些新议题,包括CoMP、大规模MIMO、干扰对齐等。本书讨论范围广,适合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。


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582缩略语