I. Inleiding
Slim antennas word gewoonlik adaptiewe antenna-skikkings genoem, wat spesifieke antennestrale kan vorm om rigtinggewende transmissie en ontvangs te bewerkstellig, en word hoofsaaklik gebruik om ruimtelike filtering en posisionering te voltooi. In wese gebruik dit die posisionele verhouding tussen die elemente in die antenna-skikking, dit wil sê die faseverhouding van die sein om veelvuldige toegangsinterferensie en veelweg-interferensie te oorkom. Dit is die wesenlike verskil tussen die tradisionele diversiteitstegnologie.
Die MIMO-stelsel verwys na 'n kommunikasiestelsel wat gelyktydig verskeie antennas aan die sender- en ontvangende kant gebruik. Dit gebruik effektiewe willekeurige vervaag en moontlike voortplanting om die diensoordragtempo te verdubbel. Sy kerntegnologie is verwerking van ruimtetydsein, wat 'n kombinasie gebruik van veelvuldige tyddomeine en ruimtelike domeine wat in die ruimte versprei word vir seinverwerking. Daarom kan dit gesien word as 'n uitbreiding van slim antennas.
Die slim antennestelsel het veelvuldige antennas aan die stuur- / ontvangende punt van die mobiele kommunikasie skakel. Afhangend van die vraag of die seinverwerking aan die stuur- of ontvangende kant van die kommunikasieverbinding geleë is, word die slim antenna-tegnologie gedefinieer as 'n enkele inset-uitset (MISO). Enkele uitvoer, enkele invoer meervoudige uitvoer (SIMO, enkele invoer meervoudige uitvoer) en meervoudige invoer meerdere uitvoer (MIMO, meervoudige invoer meerdere uitvoer), ens.
2. Slim-antenna-ontvangerstruktuur met multi-insette en multi-uitsette en navorsingsvordering
Uit Figuur 1 kan gesien word dat die bitstroom na kodering, modulasie en ruimte-tydverwerking (bundelvorming of ruimte-tydkodering) in verskillende inligtingsimbole gekarteer word en gelyktydig vanaf verskeie antennas versend word; verskeie antennas word aan die ontvangkant gebruik Ontvang, voer ooreenstemmende demodulasie, dekodering en ruimtydverwerking uit.
Figuur 1 Meervoudige-inset-antenna-ontvanger-struktuur met veelvoudige uitvoer
Ruimtydverwerkingstegnologieë in die MIMO-stelsel sluit hoofsaaklik bundelvorming, ruimtetydkodering en ruimtemultipleksering in. Straalvorming is 'n belangrike tegnologie in slim antennas, wat die sein-ruis-verhouding verbeter deur die hoofenergie na die gewenste gebruiker te lei. Straalvorming kan die interaksie van mede-kanaal effektief onderdruk, en die sleutel is om die balkvormingsgewig te bepaal.
1. Versendingskema van die MIMO-stelsel
Die transmissieskema van die MIMO-stelsel word hoofsaaklik in twee soorte verdeel: die transmissieskema wat die datasnelheid (ruimtelike multiplexing SDM) maksimeer en die transmissieskema wat die diversiteitstoename (ruimtetydkodering STC) maksimeer. Die maksimum datatempo-oordragskema realiseer hoofsaaklik ruimtelike multiplexing deur onafhanklike seine op verskillende antennas uit te stuur. Die ruimtetydkoderingskema verwys na die gesamentlike kodering van die datastroom aan die versendende einde om die simboolfouttempo te verminder wat veroorsaak word deur kanaalvervaag en geraas. Dit verhoog die oortolligheid van die sein deur gesamentlike kodering aan die stuurende punt, sodat die sein ontvang word. Die einde kry diversiteitswins, maar die ruimtetydkoderingskema kan die datatempo nie verhoog nie.
(1) Ruimtydkodering 'n Groot aantal oordragmeganismes word in sommige dokumente gegee. Hierdie meganismes kan die spektrumdoeltreffendheid, die hoogste tempo en die sein-geraasverhouding (SNR, sein-ruisverhouding) onderskeidelik maksimeer. Hulle maak almal staat op kanaalstaatinligting (CSI). , Channel State Information) is bekend aan die sender en ontvanger. Die CSI kan aan die ontvangkant verkry word deur middel van kanaalberaming, en dan kan die uitsendende einde via terugvoer in kennis gestel word.
Vir transmissiemeganismes wat nie CSI aan die versendende punt benodig nie, kan ruimtetydkodering ingestel word of kan ruimtelike multiplexversterking gebruik word om die ruimtedimensie te benut. Ruimtetydkodering word hoofsaaklik verdeel in ruimtetyd-traliekodes en ruimtetydblokkodes. Die ontvangs sein word bespeur deur die maksimum waarskynlikheid (ML, maksimum waarskynlikheid) dekodeerder. Die vroegste ruimtetydkode is STTC (Space-Time Trellis Code). Op hierdie manier benodig die ontvanger 'n multidimensionele Viterbi-algoritme. Die verskeidenheid wat STTC kan bied, is gelyk aan die aantal stuurantenne, en die koderingsversterking is afhanklik van die kompleksiteit van die kodewoord sonder om bandbreedte-doeltreffendheid in te boet. Space-Time Block Code (STBC, Space-Time Block Code) kan dieselfde diversiteitswins as STTC bied, maar dit het geen koderingswins nie. Aangesien STBC slegs lineêre verwerking benodig tydens die dekodering, word STBC gewoonlik gebruik. Ruimtydkoderingstegnologie veronderstel gewoonlik dat CSI aan die ontvangkant heeltemal bekend is. Wanneer CSI aan beide kante onbekend is, word eenheidsruimte-tydkodering en differensiële ruimte-tydkodering voorgestel.
(2) Ruimtelike multiplexing Ruimtelike multiplexing verwys na die uitsending van onafhanklike seine aan die sendendeinde, en die gebruik van ZF, MMSE, ML, V-BLAST [3] en ander metodes vir dekodering aan die ontvangkant. Dit kan die gemiddelde transmissietempo van die MIMO-stelsel maksimeer en sommige datarate opoffer om hoër diversiteitswins te verkry.
(3) Kombinasie van ruimtemultipleksering en ruimtetydkodering Kombineer ruimtemultipleksering en ruimtetydkodering en maksimeer die gemiddelde datatempo onder die voorwaarde dat elke datastroom die minimum diversiteitswins behaal. Op die oomblik is daar hoofsaaklik twee skemas wat ruimtelike multiplexing en ruimtetydkodering, skakelkodering en adaptiewe MIMO-stelsels kombineer met behulp van blokkode-kartering. Gekoppelde koderingskema verwys na die interne gebruik van ruimtetydkodering, eksterne gebruik van tradisionele kanaalfoutkorrigeringskode (TCM, konvolusiekode, RS-kode) -koderingskema [4], hierdie skema kan nie net diversiteitswins bied nie, maar verbeter ook die stelsel kapasiteit. Omdat die korrelasie tussen kanale die spektrumdoeltreffendheid van die multi-antennestelsel sal beïnvloed, wanneer die kanaal in 'n ideale toestand is of die korrelasie tussen kanale klein is, neem die sender 'n ruimtelike meervoudige transmissieskema aan en as die korrelasie tussen kanale groot is , word ruimtetydkodering gebruik. Begin plan.
2. MIMO ontvang diversiteitstegnologie
Die dekoderingsalgoritmes van die MIMO-stelsel aan die ontvangkant sluit hoofsaaklik ZF-algoritme, MMSE-algoritme, besluitterugvoer-dekoderingsalgoritme, maksimum waarskynlikheids-dekoderingsalgoritme en lae-ruimte-verwerkingsalgoritme in (bell labs layered space-time, BLAST). Onder hulle is die zero-forcing-algoritme en die MMSE-algoritme lineêre algoritmes, terwyl die besluit-dekoderingsalgoritme, die maksimum waarskynlikheids-dekoderingsalgoritme en die lae-ruimte-tyd-verwerkingsalgoritme nie-lineêre algoritmes is. Aan die ontvangkant van die SIMO- of MIMO-kommunikasieverbinding, gebruik die ontvanger of gelykmaker die meervoudige sein om die versende sein te rekonstrueer. In die nie-frekwensie-selektiewe SIMO-kanaal is die optimale ontvangsmeganisme 'n maksimum verhouding kombinasie (MRC, maksimum verhouding kombinasie); vir die frekwensie-selektiewe SIMO-kanaal, is die optimale ontvangsmeganisme ML-opsporing, maar dit is nie-lineêr en die kompleksiteit daarvan is soortgelyk aan dié van die antenne. Die getal is eksponensieel (kan vervang word deur 'n lineêre dekodeerder, maar die prestasie sal verminder word). Die ZF-gelykmaker kan die intersimbool-interferensie ISI (InterSymbol Interference) deur die omgekeerde kanaal uitskakel, maar ten koste van die versterking van die geraas. Die MMSE-ontvanger kan 'n kompromie tussen geluidsversterking en ISI-kansellasie maak. Decision Feedback Equalizer (DFE, Decision Feedback Equalizer), 'n suboptimale nie-lineêre meganisme gebaseer op terugvoer, kan gebruik word om die prestasie van 'n lineêre gelykmaker te verbeter. Dit skakel 'n deel van die ISI wat deur die vorige simbool gegenereer is uit die huidige simbool deur middel van 'n terugvoerfilter. ML en lineêre gelykmaking kan uitgebrei word na MIMO-kanale. Die probleem wat verband hou met MIMO-ontvangers is die bestaan van multistroominterferensie (MSI, Multistream). MSI kan onderlinge inmenging tussen veelvuldige datastrome veroorsaak. Nie-lineêre deurlopende kansellasie-gelykmaker of V-BLAST-gelykmaker kan MIMO-kanale omskakel in parallelle kanale, maar hierdie meganisme kan foute voortplant.
3. Straalvormingstegnologie in MIMO-stelsel
(1) Die stelselmodel van die MIMO-stelsel met eie straalvorming is r = Hs + n, en die kanaalmatriks H word onderwerp aan eenvormige ontbinding. As die kanaalinligting aan die versendende punt bekend is, kan die eie-straalvorming aan die stuurende en lineêre verwerking aan die ontvangende einde gebruik word om die MIMO te transformeer. Die kanaal word in parallelle subkanale verdeel. As die sender nie die kanaaltoestandinligting ken nie, kan 'n ewekansige balkvormingsmetode in 'n multigebruikersomgewing gebruik word om multigebruikersdiversiteit te bewerkstellig.
(2) Kombinasie van balkvorming en ruimtetydkodering In die meeste gevalle is dit redelik om aan te neem dat 'n deel van die CSI-inligting aan die versendende punt bekend is, dus word 'n hibriede meganisme voorgestel wat ruimte-tydkodering en balkvorming kombineer. Ruimtydkodering en balkvorming is twee verskillende versendingdiversiteitstegnologieë. Ruimtydkodering behoort tot 'n oop-lus-diversiteitstegnologie en benodig geen kanaalinligting aan die versendende punt nie; array beamforming is 'n geslote lus-diversiteitstegnologie wat kanaalterugvoerinligting gebruik vir ruimtelike filtering of onderdrukking van steuring. Die akkuraatheid van kanaalterugvoer sal die effek van balkvorming ernstig beïnvloed. Wanneer die sender 'n deel van die kanaaltoestandinligting verkry (soos kanaalgemiddelde of kanaalkovariansiematriks), kan die transmissiestrategie (straalvorming of ruimtetydkodering [5]) volgens die kanaalinligting gekies word. Die gewig van die straalvorming word bepaal deur die terugvoerkanaalinligting onder die voorwaarde dat die ontvangende einde aan die vereistes van sein-ruisverhouding en bitfoutsnelheid voldoen. Dokumente [6] [7] wys daarop dat die kombinasie van kragtoewysing, balkvorming en ruimtetydkodering 'n uitwerking op die sender het. Gesamentlike optimalisering bied beter prestasie as tradisionele ruimtetydkodering sonder om toerusting se kompleksiteit en verlies aan transmissietempo te verhoog.
Kortom, die prestasiemetings wat die kenmerke van die MIMO-slimantenna-ontvanger beskryf, is Mean Square Error (MSE), SNR, Bit Error Rate (BER, Bit Error Rate), bereikbare deurset, vereiste sendekrag en kanaalkapasiteit. Die transmissie- en ontvangsmeganismes word volgens hierdie kriteria geoptimaliseer. Die ontwerp van die ontvanger moet veral aandag gee aan die volgende vier sleutelparameters: (1) die betroubaarheid van die CSI by die sender en ontvanger; (2) die kenmerke van die versende sein (modulasie, multiplexing en opleidingsinligting); (3) optimalisering Prestasiemeting; (4) Rekenaarkompleksiteit.
2019-6-11 09:07:33 Kommentaarverslag
e085086068
0 Drie, die voordele van slim antennas
In mobiele kommunikasiestelsels is die uitbreiding van meervoudige en veelvoudige vertraging die belangrikste probleme in mobiele kommunikasie. Voortplanting van meerbane sal ernstige seinvervaag veroorsaak en die verspreiding van vertraging sal intersimbool-interferensie veroorsaak, wat die kwaliteit van kommunikasieskakels ernstig sal beïnvloed. Terselfdertyd is mede-kanaalinterferensie die belangrikste beperkende faktor vir die kapasiteit van mobiele kommunikasiestelsels, wat die hergebruik van effektiewe netwerkbronne (frekwensie, tyd) deur gebruikers sal beïnvloed. Slim antennas kan die skakelkwaliteit verbeter deur meerweg te gebruik, die stelselkapasiteit te verhoog deur onderlinge interferensie te verminder en verskillende antennas in staat te stel om verskillende data uit te stuur. Kortom, die voordele van slim antennas kan soos volg opgesom word:
(1) Toenemende dekking. Samehangende ontvangs van seine deur die antenna-skikking aan die ontvangende kant kan skikking of balkvormende versterking genereer, wat eweredig is aan die aantal ontvangsantennes.
(2) Kragverlaging / kostevermindering Slim antennas optimaliseer die oordrag van spesifieke gebruikers, wat die transmissiekrag kan verminder en sodoende die koste van die versterker verlaag.
(3) Die vorms van verbetering van skakelkwaliteit / toenemende betroubaarheid sluit tydsdiversiteit, frekwensie-diversiteit, kodediversiteit en ruimtediversiteit in. By gebruik van slim antennas om die ruimtelike domein te beproef, vind ruimtelike diversiteit plaas. In 'n nie-frekwente selektiewe vervaagende MIMO-kanaal, is die maksimum ruimtelike diversiteitsvolgorde gelyk aan die produk van die aantal senders en die aantal ontvangsantenne. Verskeie stuurantenne kan uitsaaidiversiteit genereer deur 'n spesiale modulasie- en koderingsmeganisme te gebruik, en die ontvangsdiversiteit van veelvuldige ontvangsantennes hang af van die kombinasie van onafhanklike vervaagseine.
(4) Verhoog spektrumdoeltreffendheid. Deur die stuurkrag akkuraat te beheer deur middel van verskillende metodes, sal die interaksie van die mede-kanaal verminder word, wat die aantal gebruikers verhoog wat dieselfde hulpbronne gebruik. Die realisering van ruimtedeling meervoudige toegang (SDMA) deur middel van balkvorming kan hulpbronmultipleksering bewerkstellig, wat die datatempo en spektrumdoeltreffendheid verhoog. Hierdie wins word ook ruimtelike multiplexing-wins genoem. In die MIMO-stelsel word verskeie onafhanklike ruimtelike afmetings gebruik om data gelyktydig oor te dra. In 'n ongekorreleerde Rayleigh-vervaagende MIMO-kanaal is die kanaalvermoë eweredig aan die minimum aantal sendings- en ontvangsantennes.
Slim antennas is gewoonlik ontwerp om op een van die bogenoemde winste te fokus, soos balkvorming, diversiteitsversterking en multiplexing-versterking. Die kompromie tussen hierdie winste het onlangs die fokuspunt van navorsing geword.
4. Slim antenna-tegnologie in toekomstige mobiele kommunikasiestelsels
Toekomstige mobiele kommunikasiestelsels benodig seinverwerkingstegnologieë wat by verskillende kommunikasie-omgewings aangepas kan word. Daarom moet die beginfase van toekomstige slim antenna-ontwerp die kompromie tussen prestasie en kompleksiteit deeglik oorweeg.
1. Herkonfigureerbaarheid van die fisiese laag
Om die mobiele kommunikasie-ontvanger te laat werk in 'n omgewing waar verskeie parameters voortdurend verander word, is dit nodig om 'n herkonfigureerbare aanpasbare tegnologie in die ontvanger te gebruik om die struktuur aan te pas om die beste prestasie te verkry. Die herkonfigureerbaarheid van die slim antenna-ontvanger kan beskou word as die intelligente skakel van die transceiver-struktuur in verskillende omgewings. Literatuur [8] [9] het byvoorbeeld 'n algoritme voorgestel vir die kompromie tussen ruimtediversiteit en multiplexing in MIMO-kanale.
2. Optimalisering tussen verskillende lae
Die interaksie tussen die hoë vlakke wat deur die OSI (Open System Interconnection) -model gedefinieer word, kan die prestasie van die hele stelsel verbeter. Die slim antenna is ontwerp deur die parameters van die fisiese laag, die skakellaag en die netwerklaag te kombineer, dit wil sê die ontwerp neem die verband tussen die verskillende lae in ag, eerder as om 'n enkele laag te oorweeg. Praktyk toon dat dit ondoeltreffend is om die prestasie-evaluering van die ontwerpmetode van een laag alleen te oorweeg. Byvoorbeeld, wanneer skedulering ingestel word, sal die wins wat verkry word deur ruimtetydkodering afneem of selfs verdwyn.
Die inligting wat tussen verskillende lae van die OSI uitgeruil word, kan soos volg geklassifiseer word: (1) CSI: Dit is nodig om die kanaalimpulsrespons, posisioneringsinligting, voertuigspoed, seinsterkte, steuringssterkte, steuringsmodel, ens. Te skat (2) QoS verwante parameters: insluitend tydvertraging, deurset, bitfoutsnelheid, pakketfoutkoers (PER, pakketfoutkoers), ens. (3) Fisiese laagbronne: insluitend ruimteverwerkingsmeganisme, aantal antenna-skikkings, verlies aan batterykrag, ens.
Dit is baie belangrik om optimeringskriteria tussen lae te oorweeg. In die werklike stelsel hang die skakelkwaliteit van die slim antenne nie net af van die data-opsporingsmetode nie, maar hang ook af van die spesifieke koderingsmeganisme en die mediumtoegangsbeheerfunksie (MAC, Medium Access Control) wat by die skakellaag gebruik word. Die protokolstapelprestasie wat in die boonste laag gebruik word. Daarom moet die bogenoemde faktore tydens die ontwerp omvattend in ag geneem word, eerder as 'n enkele faktor. Vir vertragingsongevoelige dienste word die slim antennetegnologie soos V-BLAST gekombineer met die Hybrid Automatic Repeat Request (H-ARQ, Hybrid Automatic Repeat Request) meganisme.
3. Multigebruikersdiversiteit
In multikommunikasiekommunikasie is daar aandag gegee aan 'n kommunikasiemetode genaamd geleentheidsmeganisme. Die basiese idee is om te multiplex deur kanale toe te ken aan gebruikers wat waarskynlik die deurlopende versending sal voltooi. Dit kan die deurvoer van die stelsel maksimeer. Vir weerkaatsende ruimtelike kanale sal die opportunistiese balkvormingsmetode na die gebruikers met die hoogste SNR verwys; aan die ander kant, in die geval van voldoende verspreiding, sal die kansmeganisme die kanaal toewys aan die gebruikers met die hoogste oombliklike kapasiteit. Die geleentheidsmeganisme kan multigebruikersdiversiteit genereer, wat 'n aanvulling kan wees op kodediversiteit, tydsverskeidenheid, frekwensiediversiteit of ruimtediversiteit. Maar wat die ontwerp van die MAC-protokol beïnvloed, sal MAC die konflikopsporingsmeganisme laat vaar en hom tot die multigebruikermeganisme wend.
4. Werklike prestasie-evaluering
In die toekomstige mobiele kommunikasiestelsel hang die gebruik van slim antennas hoofsaaklik af van die resultate van twee studies:
(1) In die ontwerpfase van die toekomstige stelsel moet die eienskappe van slim antennas en mobiele kommunikasie-omgewing, soos voortplantingseienskappe, konfigurasie van die antenna-skikking, diensmodus, interferensiesituasie en seinbandbreedte-effektiwiteit, oorweeg word om versoenbaarheid te verseker;
(2) Volgens die sleutelparameters wat verband hou met die toekomstige stelsel, word die werklike werkverrigting van die slim antenna geëvalueer deur middel van die optimaliseringskompromie tussen simulasies op skakelvlak en simulasie op stelselvlak.
V. Samevatting
Die gebruik van multi-antenna-tegnologie in 3G gebaseer op CDMA-tegnologie, kan interferensie met veelvuldige toegang effektief verminder, en die verwerking van ruimte-tyd kan die kapasiteit van die CDMA-stelsel aansienlik verhoog. Met hul uitstekende prestasies in die verbetering van spektrumbenutting het MIMO en slim antennas 'n belangrike onderwerp geword in die ontwikkeling van 4G. In hierdie artikel word die kombinasie van slim antennas en MIMO-stelsels gebruik om 'n multi-input multi-output smart antenna transceiver ruimte-tyd seinverwerkingskema te gee, bespreek die voordele van slim antennas en toekomstige ontwikkelingstendense van slim antennas, en verduidelik ook die probleme wat ondervind word in die ontwerp. Kortom, die rasionele gebruik van slim antennetegnologie sal die prestasie van toekomstige mobiele kommunikasiestelsels aansienlik verbeter.
Ons ander produk:
