《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于3G的MIMO技術(shù)
摘要: 本文概述了先進的3G無線通信系統(tǒng)中的MIMO技術(shù),,介紹了空間分集、空間復(fù)用和波束賦形的基本概念以及它們對MIMO性能的影響,。在用于豐富的多徑環(huán)境時,,MIMO技術(shù)具有提高信號的強健性和擴充容量的潛力,。開發(fā)和測試MIMO元器件和系統(tǒng)要求使用能夠輕松配置的先進信道仿真工具,并為真實的無線信道和條件提供精確表征,。本文還與讀者分享了如何使用市場上有售的儀器來仿真這些復(fù)雜信道,。
關(guān)鍵詞: 2.5G|3G MIMO 3G 多徑散射 信道
Abstract:
Key words :

 本文討論多路輸入多路輸出(MIMO) 技術(shù)在先進3G(HSPA++、LTE和IMT-advanced)移動應(yīng)用中的實現(xiàn)挑戰(zhàn)與解決方案,。借助增強的頻譜效率,,MIMO 能夠保證實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率,并通過將電子信息嵌入到空間處理單元來提高無線系統(tǒng)的性能,??臻g處理包括在發(fā)射機上進行空間預(yù)編碼和在接收機上進行空間后編碼,從信息信號處理理論角度講,,它們彼此之間進行的是雙重處理,。MIMO 技術(shù)與 OFDM(正交頻分多路復(fù)用)相結(jié)合可以充分利用無線信道空間分集和多徑的特征,實現(xiàn)先進的 3G 寬帶無線通信和高頻譜利用率,。

  

   

   在無線通信系統(tǒng)中,,在發(fā)射機和/或接收機上使用多個天線開辟了一個新的維度空間。如果能夠正確利用這一技術(shù),,可以極大地提高性能,,它現(xiàn)在被廣泛地稱為 MIMO(多路輸入多路輸出)系統(tǒng)。在術(shù)語 MIMO 中,,“輸入”和“輸出”指的是無線信道,。發(fā)射機的多個天線意味著有多個信號輸入到無線信道中,接收機的多個天線是指有多個信號從無線信道輸出,。圖 1 是對 SISO,、SIMO、MISO 和 MIMO 系統(tǒng)的簡單演示,。通過本圖,,您可以很容易理解對于發(fā)射機天線(T)和接收機天線(R)的 MIMO 系統(tǒng)來說,如果每個發(fā)射接收天線對之間的信道獨立進行衰落,,則信道分集階數(shù)為 T2R,。

   不同的 MIMO 應(yīng)用

  在一個密集的多徑散射環(huán)境中,MIMO 系統(tǒng)可充分利用通過空間分隔的天線獲得空間分集,。MIMO 系統(tǒng)能夠通過許多不同方法來實施,,以獲得抵抗信號衰落的分集增益或者容量增益。通常,,MIMO 技術(shù)具有三種類型,。第一類旨在通過最大化空間分集提高功率效率,。此類技術(shù)包括延遲分集、空時分組編碼(STBC)和空時網(wǎng)格碼(STTC),。第二類利用豐富的散射環(huán)境中的空間復(fù)用,,通過天線傳輸相互獨立的數(shù)據(jù)信號,以提高數(shù)據(jù)速率,,但通常不能夠達到完整的空間分集,。第三類利用的是發(fā)射機的信道信息,又稱為波束賦形,。它利用信道信息建立波束賦形矩陣,,作為發(fā)射機和接收機的前置濾波器和后置濾波器的,以實現(xiàn)容量增益,。
空間分集

  無線信道中信號功率的波動非??焖佟P盘柟β曙@著下降時,,信道處于衰落狀態(tài),。分集用于在無線信道中抵抗衰落。接收天線分集可在 SIMO 通道中使用,。接收天線接收同一信號獨立的衰落狀態(tài),,并與這些信號相結(jié)合,使得合成信號的幅度變化小于任一天線的信號,。通常使用獨立衰落信道數(shù)來描述分集的特征,,這一數(shù)目也稱為“分集階數(shù)”,并且如果同一發(fā)射天線針對所有接收天線的信道具有獨立的衰落特性,,則分集與 SIMO 信道中接收天線的數(shù)量相等,。發(fā)射分集適用于 MISO 信道并且已經(jīng)成為備受關(guān)注的研究領(lǐng)域。提取分集需要適當?shù)脑O(shè)計發(fā)射信號,。在接收機上使用合適的組合方案,,以獲得分集增益。如果所有發(fā)射天線到同一接收天線的信道具有獨立的衰落特性,,則該信道的分集與發(fā)射天線的數(shù)量相等,。

   圖 2 給出了一個簡單的發(fā)射機分集方案實例,也稱為 Alamouti 空時編碼,。在指定的符碼周期,,兩個天線同時發(fā)出兩個信號,。在符碼周期 t1,,分別從天線 0 和天線 1發(fā)送信號s0和s1,在下一個符碼周期 t2 內(nèi),, 天線 0發(fā)送信號 -s1*,,天線 1發(fā)送信號 s0*,,其中 ( )* 是復(fù)共軛運算。這一序列如圖 2 所示,。編碼是在空時編碼中完成的,,也可在空頻編碼中完成??墒褂脙蓚€相鄰的載波(空頻編碼)來替代兩個相鄰的符碼周期,。使用 MIMO 信道的分集需要將上述發(fā)射和接收分集相結(jié)合。如果每個發(fā)射接收天線對之間的信道獨立衰落,,則分集順序與發(fā)射和接收天線的數(shù)量相等,。

  空間復(fù)用

  空間復(fù)用可以為相同帶寬的信號提供線性增長的傳輸速率,而且不會造成額外的功率損耗,。

   圖 3 給出了含有兩個發(fā)射天線的簡單的空間復(fù)用系統(tǒng),,這一概念可擴展到更普遍的 MIMO 系統(tǒng)中。發(fā)射的比特流被去復(fù)用到兩個具有一半速率的子比特流中,,由每個發(fā)射天線同時進行調(diào)制和發(fā)射,。例如在圖 3 中,在符碼周期 t1 內(nèi),,天線 0發(fā)射 符號s0,,從天線 1 發(fā)射符號s1。在符碼周期 t2 內(nèi),, 天線 0 發(fā)射符號s2,,天線 1 發(fā)射符號s3。因此,,發(fā)射速率是 SISO 系統(tǒng)的兩倍,。在最佳的信道條件下,接收機端接收到的信號的空間特性,可以被很好的分離,。接收機根據(jù)信道信息可以對兩個同信道信號進行區(qū)別和提取,。進行解調(diào)之后,子比特流能夠相互結(jié)合產(chǎn)生原始比特流,。所以,,空間復(fù)用所能提高的傳輸速率與發(fā)射接收天線對的數(shù)量成正比??臻g復(fù)用還可用于多用戶格式,,也就是空分多址或 SDMA。假設(shè)兩個用戶發(fā)射獨立的信號,,這兩個信號均到達一個配有兩個天線的基站,。該基站可以分離這兩個信號,以支持兩個用戶同時使用信道,。這使容量能夠根據(jù)基站的天線數(shù)量和用戶數(shù)量成比例的增加,。

  波束賦形

  在空間分集和空間復(fù)用中,,通常認為發(fā)射機不了解信道信息。當發(fā)射機具備信道信息時,,可改善系統(tǒng)性能,。信道信息可以是完整的也可以是部分的。完整的信道信息意味著發(fā)射機已知信道矩陣,。部分信息可能指的是瞬時信道的某些參數(shù)(例如矩陣信道的條件數(shù))或統(tǒng)計特性(例如發(fā)射或接收的相關(guān)特性),。圖 4 顯示了使用信道信息的預(yù)編碼框架。發(fā)射信號(S0,,S1)與預(yù)編碼相乘,,這可以解釋為波束賦形。經(jīng)過預(yù)編碼之后,,兩個分離的數(shù)據(jù)流可從兩個發(fā)射天線同時發(fā)送,,作為空間復(fù)用,但是矩陣編碼器將根據(jù)信道信息發(fā)生變化,。假設(shè)發(fā)射機已經(jīng)知道發(fā)射相關(guān)矩陣,,則可以使用相關(guān)矩陣的特征矩陣建立預(yù)編碼矩陣,以優(yōu)化遍歷容量,。將 2 X 2 預(yù)編碼矩陣表示為 W,,則符碼周期 t1 內(nèi)的發(fā)射符碼為:

  

   同樣,可以使用預(yù)編碼矩陣表示發(fā)射符碼 x2 和 x3,。在這個預(yù)編碼方案中,,傳輸速率與發(fā)射接收天線對的數(shù)量成正比。


MIMO 性能的信道依賴性

  對于無線通信系統(tǒng)來說,,信道是關(guān)鍵因素,,它決定系統(tǒng)的性能。例如,,通過損耗和衰落可導(dǎo)致信號幅度衰減,,多徑可導(dǎo)致符碼間干擾。雖然 MIMO 開辟了一個新維度空間可以極大地提高性能,,但是分集或容量增益是否能夠真正實現(xiàn)依賴于信道特性,。在 STBC 應(yīng)用中,是否能夠達到分集增益取決于信道分集階數(shù),。只有當每個發(fā)射接收天線對之間具有獨立衰落通道時,,信道分集階數(shù)才等于發(fā)射和接收天線的數(shù)量。這意味著如果發(fā)射接收天線對之間的信道具有高相關(guān)特性,,則可以獲得的分集增益將非常有限,。空間復(fù)用應(yīng)用還要求信道獨立特性。只有在最佳信道條件下,,不同的空間信號流才能夠被很好地分離,,這就是說發(fā)射接收天線對之間的信道具有低相關(guān)特性,。

  MIMO 性能測試中的挑戰(zhàn)

  隨著 MIMO 系統(tǒng)發(fā)射機/接收機單元的增加,,產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)的復(fù)雜程度也在迅速增加,這也給 MIMO 性能測試帶來了挑戰(zhàn),。如上所述,,MIMO 的性能取決于信道,為了研究不同信道條件下的接收機性能,,必須使用 MIMO 信道,。在早期設(shè)計和驗證周期內(nèi),直接在真實的無線信道環(huán)境中進行測試并不是一種有效方法,。這非常耗時,,由于信道敏感和多變,重復(fù)生成研究問題是非常困難的,。使用軟件生成信道系數(shù)是另一種選擇,,但也并非理想方法。因為發(fā)射信號的系數(shù)生成和卷積運算過程是極為耗時和占用資源的,,所以只使用軟件來仿真信道行為在實時測試中是不可行的,。另外,信道模型變得越來越復(fù)雜,,不同的通信標準要求使用不同的信道模型和測試環(huán)境,。重復(fù)生成所有這些信道模型和測試環(huán)境將加重設(shè)計工程師的負擔(dān),而且耗時的測試將減緩故障診斷過程和開發(fā)周期,。因此,,專業(yè)的 MIMO 信道仿真器是這些工程師加快工作進程的關(guān)鍵工具。

  MIMO 信道仿真器使用功能強大的數(shù)字信號處理技術(shù)可以重復(fù)生成設(shè)定的,、真實的信道環(huán)境,,這使工程師能夠在早期部署和設(shè)計驗證階段隔離性能問題,并為元器件或系統(tǒng)的全面故障診斷提供最快速的方法,。目前的 SISO 信道仿真器無法有效地解決 MIMO 性能測試問題,。首先,每臺接收機需要對不同發(fā)射機的信號流進行求和運算;第二,,多級并聯(lián) SISO 信道仿真器無法仿真不同信道的相關(guān)特性,,而這是 MIMO 信道的一個重要特點;第三,滿足所需的信道數(shù)量要求對于 SISO 信道仿真器來說是一個巨大的挑戰(zhàn),。

  可仿真真實 MIMO 信道的專業(yè)儀器為應(yīng)對這些復(fù)雜的測試條件提供了最佳解決方案,。信道仿真器(例如 N5106A PXB MIMO 接收機測試儀)使用功能強大的數(shù)字處理技術(shù)可以重復(fù)生成真實的 MIMO 條件,從而能夠在設(shè)計,、部署和驗證周期早期快速隔離性能問題,。信道仿真器還具有一個優(yōu)勢,,它可以生成真實的衰落環(huán)境,包括路徑和信道相關(guān)性,,具有更低的實施成本和更快的校準流程,。

  圖 5. Agilent N5106A MIMO 接收機測試儀可提供多達 4 個基帶發(fā)生器和 8 個衰落器,這有助于對高達 4x2 MIMO 的系統(tǒng)進行測試和故障診斷,。Agilent Signal Studio 信號生成軟件在該測試儀上運行,,并為工程師提供最新的標準一致性信號生成功能。


   圖 6 顯示了測試 2x2 MIMO 接收機的簡化配置圖,。該測量儀器與兩個用于信號上變頻的射頻信號發(fā)生器相連,,儀器內(nèi)部基帶發(fā)生器生成標準一致性波形,例如 LTE 信號,。通過軟件的圖形化界面用戶可以清楚地看到基帶發(fā)生器與信道衰落器之間的對應(yīng)關(guān)系,。每臺衰落器能夠使用標準一致性衰落模型進行獨立配置,如使用3GPP LTE 標準 36.101 Annex B,,或者使用各種路徑和衰落條件定制可配置的模型,。與獨立的衰落器不同,儀器的自動功率校準功能消除了進行衰落所需的枯燥,、耗時的系統(tǒng)設(shè)置,。


   總結(jié)

  本文概述了先進的3G無線通信系統(tǒng)中的 MIMO 技術(shù),介紹了空間分集,、空間復(fù)用和波束賦形的基本概念以及它們對 MIMO 性能的影響,。在用于豐富的多徑環(huán)境時,MIMO 技術(shù)具有提高信號的強健性和擴充容量的潛力,。開發(fā)和測試 MIMO 元器件和系統(tǒng)要求使用能夠輕松配置的先進信道仿真工具,,并為真實的無線信道和條件提供精確表征。本文還與讀者分享了如何使用市場上有售的儀器(例如 Agilent N5106A PXB MIMO 接收機測試儀)來仿真這些復(fù)雜信道,。

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