多天线系统信道容量问题概要
多天线系统信道容量问题
相对于传统的单输入单输出(SISO)通信系统,多输入多输出(MIMO)系统能够在不增加额外带宽和发射功率的前提下大幅提高通信系统容量,因此吸引了极大的研究热情。其中MIMO系统的信道容量问题是研究的热点问题之一。关于MIMO系统信道容量的研究,主要是计算各类型信道及各种系统的容量表达式,包括上下界限、近似解和精确解。在计算信道容量方面,开始都假设信道之间的衰落是独立的,在这种假设下得到了各种容量的表达式。然而现实情况中由于无线终端或基站周围散射体的缺失、移动设备尺寸的限制等原因,信道衰落往往是相关的。所以在后续研究中,一般都考虑信道是相关的。但是由于数学上的困难,直到最近才有信道半相关情况下的一些容量结果。而对于信道两边同时相关的情况,目前发表的研究结果较少。近几年被提出的天线选择技术,由于即能保持MIMO系统的优点,又能降低MIMO系统的复杂度和成本,也成为研究的热点。理
所当然,天线选择MIMO系统的容量问题也是一个重点研究对象。然而同样由于数学上的困难,目前对于两端同时进行天线选择的MIMO系统,因为无法得到所选信道矩阵的概率密度函数,使得该系统的容量问题成为一个难点。在容量研究中,除了纯粹的计算问题之外,还有一类和容量相关的系统优化问题。此类问题主要是发生在自适应系统,在容量最大化准则下进行系统的优化,对系统资源进行调度。目前研究较多的是自适应多用户多天线OFDM(正交频分复用)系统,因为多
用户和子载波的合理搭配可以进一步提高系统容量。然而目前的算法存在着较多问题,如普适性不强,考虑系统过于特殊等。基于以上问题,本文主要对多输入多输出天线(MIMO)系统信道容量相关问题进行了研究。本文的主要工作包括:[1]本文中首次将和MIMO系统信道容量相关的数学问题进行了一些整理,总结了一些常用推导方法和数学工具,主要包括1)多元统计分析知识,主要是Wishart矩阵概率密度函数及其性质;特别对于Wishart矩阵的性质在信道容量求解过程中的作用进行了详细的描述。2)有用的超几何函数和积分公式,在计算MIMO系统信道容量的时候,经常要进行一些积分,这些积分往往很复杂,需要借助一些超几何函数。在本文中,对此类超几何函数和复杂积分作了整理,有些还给出了其变形式。3)带状多项式,关于此项知识在MIMO系统中的应用,目前资料甚少,本文进行了一些有益的整理。除数学上的工作之外,本文主要有两项研究。[2]首次分析了双相关信道下MIMO-OFDM系统的信道容量问题。我们首先得到了双相关信道下Wishart矩阵的概率密度函数,然后利用超几何函数分析了双相关信道下该系统的容量。[3]对于自适应多用户MIMO-OFDM系统,在考虑了公平性、冲突问题和浪费问题后,在容量最大化准则下,提出了一种能同时解决三个问题的新自适应子载波多用户分配方案。该方案主要依靠一个自适应矩阵和自适应数据表格,算法和步骤流程清晰简单。
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通过采用RF开关简化多天线系统的设计
通过采用RF开关简化多天线系统的设计 包含多个无线电和多个天线的手机和其他无线系统通常共享一些天线，以减少系统混乱。最新的射频开关为设计人员提供了所需的灵活性，可以最大限度地减少系统中天线的数量，目前这些天线通常可能包括一个或多个蜂窝网络无线电，GPS定位无线电，Wi-Fi接口，蓝牙无线电，FM收音机，还有其他无线电系统。RF开关允许功率放大器输出为系统所需的频带选择最佳天线，此外，开关可以防止两个无线电同时尝试从同一天线发射。 RF开关可以采用各种技术实现- 机械结构，如超小型继电器和微机电（MEMS）开关，砷化镓（GaAs）或CMOS FET开关，甚至PIN二极管也可用于开关装置。RF开关的一些关键规格包括通过频率，电压驻波比（VSWR），隔离，插入损耗，回波损耗，功率处理和开关速度。机械开关倾向于处理最高功率并提供最低的插入损耗和最佳隔离，但由于它们是机械的，因此它们的开关速度最慢，对振动敏感，并且可能由于机械磨损而失效。例如，同轴继电器可以以最小的插入损耗和高功率水平处理高频。PIN二极管开关速度更快，寿命更长，但只能处理相对较低的功率，并且插入损耗高于机械开关。最后，基于FET的开关具有更高的插入损耗但是更低的视频泄漏，但更容易集成并且可以处理更高的频率。FET和PIN二极管开关对静电放电（ESD）事件或信号本身引起的过电压也更敏感。同轴继电器对振动敏感，但相对不受ESD的影响。为应用选择最佳开关时需要考虑的其他因素包括视频泄漏，ESD抗扰度，振动/过应力，尺寸和可重复性。所有开关共同的一个问题是需要仔细的电路板布局，以最大限度地减少干扰和串扰问题。精心设计和适当的接地层是优化隔离和最小化插入损耗的必要条件。 虽然没有一种技术可以提供所有类别中的最佳特性，但设计人员可以通过确定其应用的关键规格来做出许多权衡，然后确定哪些剩余特性可以放宽以找到最适合其应用的开关。RF 开关市场中有许多供应商，其中一些包括ADI公司，加州东方实验室（CEL），霍尼韦尔，Maxim，恩智浦，新日本无线电（NJR），Peregrine Semiconductor和Skyworks Solutions。开关配置遵循一些旧的机械描述- 单刀/单掷（SPST），双刀/单掷（DPST），单刀/双刀
无线通信系统的多天线技术
无线通信系统的多天线技术 发表时间：2019-11-15T16:02:47.047Z 来源：《基层建设》2019年第24期作者：石磊 [导读] 摘要：随着我国技术的发展，无线电通信系统的多天线技术也越来越成熟，并且已经开展应用到各个领域当中，其中，主要的实践为数据采集类、实时交互类、视频应用类等。 中邮通建设咨询有限公司江苏南京 210000 摘要：随着我国技术的发展，无线电通信系统的多天线技术也越来越成熟，并且已经开展应用到各个领域当中，其中，主要的实践为数据采集类、实时交互类、视频应用类等。将多天线技术融入到无线通信当中，可以提升无线通信的容量与速率，从而提升通信的质量，对于信息时代的需求十分重要，提升通信的质量与效率既有助于商业化办公，也有助于人们的日常生活、学习以及娱乐，甚至对医疗、军事等也有极大的帮助 关键词：无线；通信系统；多天线技术 1 蜂窝物联网 1.1 蜂窝互联网的概念 蜂窝物联网，就是蜂窝移动通信网 + 物联网相结合的发展产物。主要包括增强机器类通信和基于蜂窝的窄带物联网，有较长的覆盖距离，是 LTE 系统的简化版。 1.2 蜂窝物联网的特点 蜂窝物联网是万物互联时代的重要基础设施，其主要特点为低功耗、低成本以及广覆盖。 2 多天线技术 2.1 多天线技术网的概念 所谓的多天线技术，是在空域将无线设备发送与接收的信号进行处理，并与时域信号结合，利用空时信号的相关技术，在时域及带宽不变的基础上来改善无线通信的容量与速率；是增加信道容量、提高无线传输速率、改进通信质量的重要技术。多天线技术一般需要将发送信号在多根天线上并行传输。多天线技术如下图一所示。 图一多天线技术 2.2 多天线技术网的分类 （1）智能天线技术 智能天线技术利用自适应空间处理技术和波束转换技术，在信号接收时对用户所需要的信号的到达方向进行判断，接收模式是利用合适的合并权值设定相对应的要求，建立主波束在对应的信号到达方向上，并在干扰方向上设置低增益的旁瓣或零陷。 （2）MIMO 技术 MIMO 系统是采用了多天线的结构来进行联合空时处理的，通过 MIMO 核心技术，改善了通信质量、提高了系统的整体性能。MIMO 系统为了达到空间分集的效果，对天线阵元采用拉远处理，使得天线阵元的信号彼此之间独立。 3 无线通信系统的多天线技术的实践 随着我国技术的发展，无线电通信系统的多天线技术也越来越成熟，并且已经开展应用到各个领域当中，其中，主要的实践为数据采集类、实时交互类、视频应用类等。 3.1 数据采集类 在数据采集方面，多天线技术表现出了极大的优势，因为多电线技术提升了无线通信信息的传递以及采集的信息量以及速度，因此在采集信息的时候，可以在相同的时间内获取到更加多的数据信息，因此使用无线通信多天线技术进行办公可以极大地提升工作的效率，并且可以节约人力资源成本，且获取信息的新鲜时效性也大大地提升，对于在救援等过程中对救援现场进行智慧，或是在商务数据传递与采集的过程均有极大的帮互助，可以帮助减少等待的时间，并且解决了空间的限制，通过计算机系统，甚至可以直接将其录入到已经编程好的软件中进行数据的处理，直接将采集到的数据信息快速处理并且清晰地呈现出来，帮助人们减少了许多的工作量，解放了人们的双手，因此在工作与学习等各个领域均表现优良。 3.2 实时交互类 在我国科技快速发展的同时，越来越多的高科技产品进入到了人们的事业当中，而我国人民对于高科技信息产品的依赖性也越来越大，越来越多的领域需要使用到无限通信系统，尤其是需要实时交互类的产品，例如汽车在行驶的过程当中，为了提升其所接收到的信息的及时性，尤其是交通情况等，从而帮助司机可以快速地做出决定，避免道路出现拥堵，就需要及时地将信息进行传递，而使用了多天线技术之后，可以实现将数据信息等实时交互传递，驾驶员可以获取到及时地信息，从而第一时间做出判断。其次，实时交互类的的无线通信系统多天线技术，还频繁地使用在许多直播当中，砸5G还未完全成熟的情况下，多天线技术成为了最快速地接收到到数据信息的重要技术，从而可以实现最接近直播时间的情况下将数据信息等传递到接收端，从而提升我国人民的生活与工作的质量，避免出现延迟性的尴尬等问题。实施交互类的无线通信系统多天线技术帮助人们提升了接收数据信息的时间，提升了人们的生活质量，做出了卓越的贡献。 3.3 视频应用类 我国作为发展中国家，也是生产的大国，许多国家将工厂设立在我国，而我国也存在着许多国有或民办的工厂，这些工厂在生产的过
LTE中的多天线系统
2008年9月28日星期日 LTE 的性能目标 ?总体性能目标 –灵活的频谱使用，增强的吞吐能力 ?吞吐能力: –在20MHz 的带宽下，下行峰值速率达到100Mbit/s (频谱效率约5bit/s/Hz)–在20MHz 的带宽下，上行峰值速率达到50Mbit/s (频谱效率约2.5bit/s/Hz) ?时延性能:–控制平面减少状态转换时延(100ms) Significant reductions in transition times from idle or dormant states to active state (50-100ms) –用户平面无线接入网络数据传输时延小于5 毫秒 Radio access network latency below less than 5 ms in unloaded condition (ie single user with single data stream) for small IP packet B r o a d b a n d E x p e r i e n c e A n y w h e r e
LTE吞吐能力估算 ※简单估算（20MHz带宽LTE系统）. ?Resource Block (RB) –频域：12个15KHz宽度的子载波时域：1个子帧（1ms） ?假设采用64QAM调制，编码比例（Coding Rate）1，则1个符号可传输6个比特 ?20MHz传输带宽下共100 RB （无线资源块） ?采用短CP (Normal CP)，每个子帧共14个符号，假设其中2个符号用于控制信息 ?理论峰值吞吐能力估算: SISO: 12 x (14-2) x 6 x 100 x 1000 = 86.4Mbps MIMO (2x2, 4x2)doubles the rate > 150Mbps MIMO (4x4)quadruples the rate > 300Mbps ?High class UEs category 5 (With 4 RX antenna) may exceed 300 Mbps 2008年9月28日星期日
MIMO技术详解
MIMO技术详解 1．介绍 随着无线通信系统的充分发展，语音业务已经不能够满足人们对高速数据业务的要求。提供网页浏览、多媒体数据传输以及其他类型的数据业务是发展无线通信系统和服务的一个重要目的。特别是，基于码分多址的第三代移动通信系统。虽然已经提出多种利用现有无线资源(诸如码道、时隙、频率等)提高数据传输速率的建议，但是其只不过是以语音容量换取数据容量的方法。随着MIMO的技术的出现，一种利用多个发射天线、多个接收天线进行高速数据传输的方法已经被提出，并成为未来无线通信技术发展的一种趋势。最早提出MIMO概念的是Telatar和Foschini，其中Foschini等人提出的BLAST结构是典型的利用MIMO技术进行空间多路复用的技术。已经证明，具有M个发射天线以及P 个接收天线的MIMO系统，在P≥M的情况下几乎可以使得信道容量提高到原来的M倍。 传统的MIMO系统均是非扩频的系统，而第三代移动通信系统是基于CDMA技术的扩频系统。可以采用码复用(Code-Reuse)方式把MIMO技术与CDMA系统结合起来，从而有效地提高其高速下行分组接入(HSDPA)的总体数据速率。同样，TD-SCDMA系统也可以采用码复用的方式来应用MIMO技术，本文给出了一种TD-SCDMA系统的MIMO技术解决方案。这样，TD-SCDMA系统将既可以应用智能天线技术，也可以应用MIMO天线技术，本文将初步分析应用MIMO技术之后对智能天线技术的影响。 2．MIMO技术概述 MIMO技术大致可以分为两类：发射/接收分集和空间复用。传统的多天线被用来增加分集度从而克服信道衰落。具有相同信息的信号通过不同的路径被发送出去，在接收机端可以获得数据符号多个独立衰落的复制品，从而获得更高的接收可靠性。举例来说，在慢瑞利衰落信道中，使用1根发射天线n根接收天线，发送信号通过n个不同的路径。如果各个天线之间的衰落是独立的，可以获得最大的分集增益为n，平均误差概率可以减小到，单天线衰落信道的平均误差概率为。对于发射分集技术来说，同样是利用多条路径的增益来提高系统的可靠性。在一个具有m根发射天线n根接收天线的系统中，如果天线对之间的路径增益是独立均匀分布的瑞利衰落，可以获得的最大分集增益为mn。智能天线技术也是通过不同的发射天线来发送相同的数据，形成指向某些用户的赋形波束，从而有效的提高天线增益，降低用户间的干扰。广义上来说，智能天线技术也可以算一种天线分集技术。 分集技术主要用来对抗信道衰落。相反，MIMO信道中的衰落特性可以提供额外的信息来增加通信中的自由度(degrees of freedom)。从本质上来讲，如果每对发送接收天线之间的衰落是独立的，那么可以产生多个并行的子信道。如果在这些并行的子信道上传输不同的信息流，可以提供传输数据速率，这被成为空间复用。需要特别指出的是在高SNR 的情况下，传输速率是自由度受限的，此时对于m根发射天线n根接收天线，并且天线对之间是独立均匀分布的瑞利衰落的。 根据子数据流与天线之间的对应关系，空间多路复用系统大致分为三种模式：D-BLAST、V-BLAST以及T-BLAST。 D-BLAST最先由贝尔实验室的Gerard J. Foschini提出。原始数据被分为若干子流，每个子流之间分别进行编码，但子流之间不共享信息比特，每一个子流与一根天线相对应，但是这种对应关系周期性改变，如图1.b所示，它的每一层在时间与空间上均呈对角线形状，称为D-BLAST(Diagonally- BLAST)。D-BLAST的好处是，使得所有层的数据可以通过不同的路径发送到接收机端，提高了链路的可靠性。其主要缺点是，由于符号在空间与时间上呈对角线形状，使得一部分空时单元被浪费，或者增加了传输数据的冗余。如图1.b所示，在数据发送开始时，有一部分空时单元未被填入符号(对应图中右下角空白部分)，为了保证D-BLAST的空时结构，在发送结束肯定也有一部分空时单元被浪费。如果采用burst模式的数字通信，并且一个burst的长度大于M(发送天线数目)个发送时间间隔，那么burst的长度越小，这种浪费越严重。它的数据检测需要一层一层的进行，如图1.b所示：先检测c0、c1和c2，然后a0、a1和a2，接着b0、b1和b2…… 另外一种简化了的BLAST结构同样最先由贝尔实验室提出。它采用一种直接的天线与层的对应关系，即编码后的第k个子流直接送到第k根天线，不进行数据流与天线之间对应关系的周期改变。如图1.c所示，它的数据流在时间与空间上为连续的垂直列向量，称为V-BLAST(Vertical-BLAST)。由于V-BLAST中数据子流与天线之间只是简单的对应关系，因此在检测过程中，只要知道数据来自哪根天线即可以判断其是哪一层的数据，检测过程简单。 考虑到D-BLAST以及V-BALST模式的优缺点，一种不同于D-DBLAST与V-BLAST的空时编码结构被提出：T-BLAST。等文献分别提及这种结构。它的层在空间与时间上呈螺纹(Threaded)状分布，如图2所示。原始数据流被多路分解为若干子流之后，每个子流被对应的天线发送出去，并且这种对应关系周期性改变，与D-BLAST系统不同的是，在发送的初始阶段并不是只有一根天线进行发送，而是所有天线均进行发送，使得单从一个发送时间间隔来看，它的空时分布很像V-BALST，只不过在不同的时间间隔中，子数据流与天线的对应关系周期性改变。更普通的T-BLAST结构是这种对应关系不是周期性改变，而是随机改变。这样T-BLAST不仅可以使得所有子流共享空间信道，而且没有空时单元的浪费，并且可以使用V-BLAST检测算法进行检测。
多天线系统信道容量问题概要
多天线系统信道容量问题 相对于传统的单输入单输出(SISO)通信系统,多输入多输出(MIMO)系统能够在不增加额外带宽和发射功率的前提下大幅提高通信系统容量,因此吸引了极大的研究热情。其中MIMO系统的信道容量问题是研究的热点问题之一。关于MIMO系统信道容量的研究,主要是计算各类型信道及各种系统的容量表达式,包括上下界限、近似解和精确解。在计算信道容量方面,开始都假设信道之间的衰落是独立的,在这种假设下得到了各种容量的表达式。然而现实情况中由于无线终端或基站周围散射体的缺失、移动设备尺寸的限制等原因,信道衰落往往是相关的。所以在后续研究中,一般都考虑信道是相关的。但是由于数学上的困难,直到最近才有信道半相关情况下的一些容量结果。而对于信道两边同时相关的情况,目前发表的研究结果较少。近几年被提出的天线选择技术,由于即能保持MIMO系统的优点,又能降低MIMO系统的复杂度和成本,也成为研究的热点。理 所当然,天线选择MIMO系统的容量问题也是一个重点研究对象。然而同样由于数学上的困难,目前对于两端同时进行天线选择的MIMO系统,因为无法得到所选信道矩阵的概率密度函数,使得该系统的容量问题成为一个难点。在容量研究中,除了纯粹的计算问题之外,还有一类和容量相关的系统优化问题。此类问题主要是发生在自适应系统,在容量最大化准则下进行系统的优化,对系统资源进行调度。目前研究较多的是自适应多用户多天线OFDM(正交频分复用)系统,因为多 用户和子载波的合理搭配可以进一步提高系统容量。然而目前的算法存在着较多问题,如普适性不强,考虑系统过于特殊等。基于以上问题,本文主要对多输入多输出天线(MIMO)系统信道容量相关问题进行了研究。本文的主要工作包括:[1]本文中首次将和MIMO系统信道容量相关的数学问题进行了一些整理,总结了一些常用推导方法和数学工具,主要包括1)多元统计分析知识,主要是Wishart矩阵概率密度函数及其性质;特别对于Wishart矩阵的性质在信道容量求解过程中的作用进行了详细的描述。2)有用的超几何函数和积分公式,在计算MIMO系统信道容量的时候,经常要进行一些积分,这些积分往往很复杂,需要借助一些超几何函数。在本文中,对此类超几何函数和复杂积分作了整理,有些还给出了其变形式。3)带状多项式,关于此项知识在MIMO系统中的应用,目前资料甚少,本文进行了一些有益的整理。除数学上的工作之外,本文主要有两项研究。[2]首次分析了双相关信道下MIMO-OFDM系统的信道容量问题。我们首先得到了双相关信道下Wishart矩阵的概率密度函数,然后利用超几何函数分析了双相关信道下该系统的容量。[3]对于自适应多用户MIMO-OFDM系统,在考虑了公平性、冲突问题和浪费问题后,在容量最大化准则下,提出了一种能同时解决三个问题的新自适应子载波多用户分配方案。该方案主要依靠一个自适应矩阵和自适应数据表格,算法和步骤流程清晰简单。 同主题文章 [1]. 黎海涛,张靖,陆建华. 天线选择对MIMO信道容量的影响' [J]. 电子与信息学报. 2003.(07) [2]. 李佳伟,漆兰芬. 分布式MIMO系统天线选择对信道容量的影响' [J]. 科学技术与工程. 2006.(09)
智能天线技术的工作原理概要
智能天线技术的工作原理 智能天线技术的工作原理,特征和技术优势分析 智能天线(SmartAntenna或IntelligentAntenna)最初应用于雷达,声纳及军用通信领域.近年来,现代数字信号 处理技术发展迅速,DSP芯片处理能力的不断提高和芯片价格的不断下降,使得 利用数字技术在基带形成天线波束成为可行,促使智能天线技术开始在.采用波束空间处理方式可以从多波束中选择信号最强的几个波束,以取得符合质量要求的信号,在满足阵列接收效果的前提下减少运算量和降低系统复杂度.波束赋型算法概况 智能天线技术研究的核心是波束赋型的算法.从是否需要参考信号(导频序列或导频信道)的角度来划分,这些算法可分为盲算法,半盲算法和非盲算法三类.非盲算法是指须借助参考信号的算法.由于发送时的参考信号是预先知道的,对接收到的参考信号进行处理可以确定出信道响应,再按一定准则(如著名的迫零准则)确定各加权值,或者直接根据某一准则自适应地调整权值(也即算法模型的抽头系数),以使输出误差尽量减小或稳定在可预知的范围内.常用的准则有 MMSE(最小均方误差),LMS(最小均方)和RLS(递归最小二乘)等等;而自适应调整则采取最优化方法,最常见的就是最大梯度下降法.盲算法则无须发送参考信号或导频信号,而是充分利用调制信号本身固有的,与具体承载信息比特无关的一些特征(如恒包络,子空间,有限符号集,循环平稳等)来调整权值以使输出误差尽量小.常见的算法有常数模算法(CMA),子空间算法,判决反馈算法等等.常数模算法利用了调制信号具有恒定的包络这一特点,具体又分最小二乘CMA算法,解析CMA算法,多目标LS-CMA算法等;子空间算法则将接收端包含有其它用户干扰及信道噪声的混合空间划分为信号子空间和噪声子空间,对信号子空间进行处理;判决反馈算法则由收端自己估计发送的信号,通过多次的迭代,使智能天线输出向最优结果不断逼近.非盲算法相对盲算法而言,通常误差较小,收敛速度也较快,但发送参考信号浪费了一定的系统带宽.为此,学者们又发展了半盲算法,即先用非盲算法确定初始权值,再用盲算法进行跟踪和调整.这样做一方面可综合二者的优点,一方面也是与实际的通信系统相一致的,因为通常导频信息不是时时发送而是与对应的业务信道时分复用的.智能天线的优点 智能天线可以明显改善无线通信系统的性能,提高系统的容量.具体体现在下列方面: 提高频谱利用率.采用智能天线技术代替普通天线,提高小区内频谱复用率,可以在不新建或尽量少建基站的基础上增加系统容量,降低运营商成本. 迅速解决稠密市区容量瓶颈.未来的智能天线应能允许任一无线信道与任一波束配对,这样就可按需分配信道,保证呼叫阻塞严重的地区获得较多信道资源,等效于增加了此类地区的无线网络容量. 抑制干扰信号.智能天线对来自各个方向的波束进行空间滤波.它通过对各天线元的激励进行调整,优化天线阵列方向图,将零点对准干扰方向,大大提高阵列的输出信干比,改善了系统质量,提高了系统可靠性.对于软容量的CDMA系统,信干比的提高还意味着系统容量的提高. 抗衰落.高频无线通信的主要问题是信号的衰落,普通全向天线或定向天线都会因衰落使信号失真较大.如果采用智能天线
面向5G的大规模天线无线传输理论与技术教材
面向5G 的大规模天线无线传输理论与技术 摘要为了满足2020 年无线通信传输速率达到现有系统千倍的需求，研究学者 已开始了5G移动通信系统的研发，相比第四代(4G)，第五代(5G)移动通信需要在无 线传输技术上取得突破性创新,以实现频谱效率和功率效率提升10倍的目标. 其中,进一步挖掘多天线的空间复用能力是实现5G的关键途径，在接入点配置大 规模天线阵列或多个接入点通过光纤互连形成大规模分布式多输入多输出(multiple-inputmultiple-output,MIMO) 系统，可以大幅提高系统总的频谱效率。本文对大规模MIMO 和大规模分布式MIMO 的研究进行了综述，包括频谱效率理论分析、信道信息获取、传输理论与技术和资源分配技术。 关键词5G 大规模MIMO 大规模分布式天线系统频谱效率信道信息获取多用户 MIMO 资源分配 1 引言 近年来,移动数据业务量几乎呈指数增长,到2020 年将达到当前的千倍.同时, 随着信息技术系统能源消耗所占比例的不断增加,降低移动通信网络系统的能耗已逐 渐成为移动通信发展的重要目标.而目前的第四代移动通信系统(fourth-ge neratio n,4G),将难以满足未来移动通信对频谱效率和能耗效率的需求. 这对第五代移动通信系统(fifth-generation,5G)的频谱效率和能耗效率提出了极大 挑战.如何在4G 基础上,将无线移动通信的频谱效率和功率效率进一步提升一个量级，是5G的核心所在.5G的发展需要在网络系统结构、组网技术及无线传输技术等方面进行新的变革,从根本上解决移动通信的频谱有效性和功率有效性问题, 实现更高频谱效率和绿色无线通信的双重目标.采用多天线发送和多天线接收(multiple-inputmultiple-output,MIMO) 技术是挖掘无线空间维度资源、提高频谱 效率和功效率的基本途径,近20 年来一直是移动通信领域研究开发的主流技术之一.MIMO技术可以提供分集增益、复用增益和功率增益.分集增益可以提高系统的可靠性,复用增益可以支持单用户的空间复用和多用户的空分复用,而功率增益 可以通过波束成形提高系统的功率效率.目前,MIMO 技术已经被 LTE(longtermevolution,LTE),IEEE802.11ac 等无线通信标准所采纳.但是,现有4G 系统基站配置天线的数目较少,空间分辨率低,性能增益仍然有限.并且在现有系统配置下,逼近多用户MIMO 容量的传输方法复杂度仍然较高.
多天线与MIMO技术的发展和应用
多天线与MIMO技术的发展和应用 杨杉杉 北京中网华通设计咨询有限公司，云南普洱 665000 摘要；本文介绍了多天线技术的概念和核心技术，并重点介绍了MIMO技术的特点，在现有通信网种的应用。 关键词：多天线；MIMO；LTE
目录 一、引言 (3) 二、概述 (3) 1 多天线技术的定义 (3) 2 多天线技术的分类 (3) 2.2.1.天线分集技术 (3) 2.2.2.波束赋型技术 (4) 2.2.3.空分复用技术 (4) 三、MIMO技术 (4) 1MIMO技术的定义和原理 (4) 3.1.1.MIMO技术的定义 (4) 3.1.2.MIMO技术的原理 (5) 2MIMO技术的优点 (5) 3.2.1.提高信道容量 (5) 3.2.2.提高信道的可靠性 (5) 3MIMO技术的缺点 (6) 四、MIMO系统的分类 (6) 1按照收发天线的数目进行分类 (6) 4.1.1.SISO (6) 4.1.2.MISO (6) 4.1.3.SIMO (7) 4.1.4.MIMO (7) 2按照实现方式进行分类 (7) 4.3.1.空间复用 (7) 4.3.2.空间分集 (7) 4.3.3.波束赋型 (8) 4.3.4.开环传输 (8) 4.3.5.闭环传输 (8) 五、MIMO技术的应用 (8) 1MIMO技术在3G中的应用 (8) 2MIMO技术在WIMAX中的应用 (9) 3MIMO技术在LTE中的应用 (9) 5.3.1.LTE的MIMO模式协议 (9) 5.3.2.LTE主要支持的多天线类型 (10) 六、小结 (10)
一、引言 2004年12月在3GPP（The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）组织在多伦多会议上正式启动了UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，通用移动通信系统）技术标准的长期演进LTE（Long Term Evolution)，其中MIMO（Multi-Input & Multi-Output，多输入多输出）作为其关键技术备受关注。 随着中国联通对MIMO技术的广泛应用，以及LTE-FDD商用网的大规模建设，要求我们无线通信设计人员必须清楚MIMO技术的概念和特点，以便于频谱资源和网络配置的规划。本文将逐步介绍多天线技术的概念、MIMO技术特点，以及MIMO技术的应用和发展趋势。 二、概述 1多天线技术的定义 多天线技术顾名思义，就是采用多个天线，区别于传统的无线通信系统，多天线技术是在无线链路的发射端或者接收端采用多个天线或者天线矩阵，也可在发射端和接收端同事采用多个天线或者天线矩阵，以实现频率复用，提高数据传输速率。 2多天线技术的分类 根据不同的实现方式分为天线分集，波束赋型和空分复用三种技术。 2.2.1.天线分集技术 分集技术是用来补偿衰落信道损耗的，它通常通过两个或更多的天线来实现。同均衡器一样，它在不增加传输功率和带宽的前提下，而改善无线通信信道的传输质量。在移动通信中，基站和移动台的接收机都可以采用分集技术。目前常用的分集方式主要有两种：宏分集和微分集。 天线分集是指利用多天线间较低的无线信道的相关性，提供额外的（发射或接收）分集来对抗无线信道的衰落，是一种被用以恢复信号完整度的技术。按天线类型可有空间分集，
第四代移动通信系统中的多天线技术
第四代移动通信系统中的多天线技术[转] (2008-09-15 15:46:44) 转载 分类：信息论与编码 标签： 杂谈 一、引言 由于第三代移动通信系统（3G）还存在一些不足，包括很难达到较高的通信速率，提供服务速率的动态范围不大，不能满足各种业务类型要求，以及分配给3G系统的频率资源已经趋于饱和等，于是人们提出了第四代移动通信系统（4G）的构想。4G的关键技术包括： （1）调制和信号传输技术（OFDM）； （2）先进的信道编码方式（Turbo码和LDPC）； （3）多址接入方案（MC-CDMA和FH-OFCDMA）； （4）软件无线电技术； （5）MIMO和智能天线技术； （6）基于公共IP网的开放结构。 研究表明，在基于CDMA技术的3G中使用多天线技术能够有效降低多址干扰，空时处理能够极大增加CDMA系统容量。凭在提高频谱利用率方面的卓越表现，MIMO和智能天线成为4G发展中炙手可热的课题。 二、智能天线技术 智能天线最初用于雷达、声纳及军事通信领域。使用智能天线可以在不显著增加系统复杂程度的情况下满足服务质量和扩充容量的需要。 1.基本原理和结构 智能天线利用数字信号处理技术，采用先进的波束转换技术（switched beam technology）和自适应空间数字处理技术（adaptive spatial digital processing technology），判断有用信号到达方向（DOA）通过选择适当的合并权值，在此方向上形成天线主波束，同时将低增益旁瓣或零陷对准干扰信号方向。在发射时，能使期望用户的接收信号功率最大化，同时使窄波束照射范围外的非期望用户受到的干扰最小，甚至为零。 智能天线引入空分多址（SDMA）方式。在相同时隙、相同频率或相同地址码的情况下，用户仍可以根据信号空间传播路径的不同而区分。实际应用中，天线阵多采用均匀线阵或均匀圆阵。智能天线系统由天线阵；波束成形成网络；自适应算法控制三部分组成
天线阵列布局对大规模MIMO系统信道容量的影响_2
大规模MIMO系统信道容量的影响因素 本文研究了大规模MIMO信道容量的影响因素。首先建立了空间衰落相关信道模型并研究了天线间隔、角度扩展和天线阵列方位、天线布局对空域相关性的影响，研究了两个天线间距对信道容量的影响，然后研究了几种典型天线布局下的天线数目较大时的遍历信道容量。仿真表明在相同的天线孔径下，圆阵具有最佳的遍历容量，均匀线阵具有最差的遍历容量，天线排列在圆周上和排列在圆周围成的区域内信道容量相差不大。 1 引言 MIMO系统通过空间复用能够提高信道容量和频谱利用率。当天线处于散射体丰富的环境中，天线数量的增加会使得信道容量随之线性增加，因为信道可以看成多个并行的独立子信道的合成。但事实上这些子信道并不是独立的，射线经过较少的散射、有限的角度扩散以及较小的天线间距都会使信道产生空间相关。多天线系统信道容量和误码率性能在很大程度上取决于子信道之间的空间相关性，许多文献研究了空间相关性及其参数对信道容量的影响[1，2，3]。这些文献给出了存在空间相关时MIMO信道容量的计算表达式和结果，文献[1]表明天线相关性的增加意味着系统信噪比的减小，信道容量会降低，文献[4]表明信道容量与信道传输矩阵的秩有关，接收信号的相关性的增加会降低信道传输矩阵的秩，导致信道容量的下降。所以信道矩阵的空域相关性是影响信道容量的重要因素，高度相关性会降低MIMO系统的性能。 多天线的使用让空域成了提高通信系统容量的新的来源。发射机和接收机端的天线之间的间隔与空域相关性有很大的关系。随着天线间距的增大，相关性也随之增大，所以为了降低相关性应尽量增大天线间距。然而发射天线和接收天线所能占有的空间是有限的。在一个有限的区域内，不同的天线布局可能导致不同的天线相关性和不同的性能。文献[5]研究了不同天线布局下的空域相关性，再由收发天线两端相关系数矩阵和独立复高斯矩阵构成整个信道矩阵，建立相关信道模型，进而求出信道容量。而文献[6]没有通过相关系数矩阵研究不同天线布局的信道容量，而是在信道矩阵中引入了阵列流型矢量，来研究不同的几何阵列流形对对信道容量的影响，天线数目较少而且天线间距固定。 本文首先建立了空间信道模型，该模型引入了角度功率谱和阵列流型矢量，然后研究了天线布局对空域相关性的影响，最后研究了天线数目较多时天线布局对信道容量的影响。 2 空间信道模型 到达接收天线的信号由多个平面波叠加而成，平坦衰落信道复增益可以表示为
4G系统中多天线技术
4G系统中多天线技术 由于第三代移动通信系统（3G）还存在一些不足，包括很难达到较高的通信速率，提供服务速率的动态范围不大，不能满足各种业务类型要求，以及分配给3G系统的频率资源已经趋于饱和等，于是人们提出了第四代移动通信系统（4G）的构想。4G的关键技术包括：（1）调制和信号传输技术（OFDM">OFDM）；（2）先进的信道编码方式（Turbo 码和LDPC）；（3）多址接入方案（MC- CDMA和FH-OFCDMA）；（4）软件无线电技术；（5）MIMO 和天线">智能天线技术；（6）基于公共IP 网的开放结构。研究表明，在基于CDMA技术的3G 中使用多天线技术能够有效降低多址干扰，空时处理能够极大增加CDMA系统容量。凭在提高频谱利用率方面的卓越表现，MIMO和智能天线成为4G发展中炙手可热的课题。智能天线技术智能天线最初用于雷达、声纳及军事通信领域。使用智能天线可以在不显著增加系统复杂程度的情况下满足服务质量和扩充容量的需要。1.基本原理和结构智能天线利用数字信号处理技术，采用先进的波束转换技术（switchedbeamtechnology）和自适应空间数字处理技术（adaptivespatialdigitalprocessingtechnology），判断有用信号到达方向（DOA）通过选择适当的合并权值，在此方向上形成天线主波束，同时将低增益旁瓣或零陷对准干扰信号方向。在发射时，能使期望用户的接收信号功率最大化，同时使窄波束照射范围外的非期望用户受到的干扰最小，甚至为零。智能天线引入空分多址（SDMA）方式。在相同时隙、相同频率或相同地址码的情况下，用户仍可以根据信号空间传播路径的不同而区分。实际应用中，天线阵多采用均匀线阵或均匀圆阵。智能天线系统由天线阵；波束成形成网络；自适应算法控制三部分组成（见图1）。 图 1典型的智能天线系统 2.智能天线的分类智能天线主要分为波束转换智能天线（switchedbeamantenna）和自适应阵列智能天线（adaptivearrayantenna）。（1）波束转换智能天线波束转换智能天线具有有限数目的、固定的、预定义的方向图，它利用多个并行窄波束（15°～30°水平波束宽度）覆盖整个用户区，每个波束的指向是固定的，波束宽度也随天线元的数目而确定（见图2）。波束转换系统实现比较经济，与自适应天线相比结构简单，无需迭代，响应快、鲁棒性好。但预先设计好的工作模式有限，窄波束的特性将极大地影响系统性能。 图 2波束转换智能天线 （2）自适应阵列智能天线自适应阵列智能天线实时地对用户到达方向（DOA）进行估计，在此方向上形成主波束，同时使旁瓣或零陷对准干扰方向。自适应天线阵列一般采用4～16天线阵元结构，阵元间距为1/2波长（若阵元间距过大会使接收信号彼此相关程度降低，太小则会在方向图形成不必要的栅瓣，可能放大噪声或干扰）。图3对自适应阵列智能天线与波束转换智能天线进行了比较。 图 3自适应阵列智能天线（a）与束转换智能天线（b）的比较 3.智能天线的自适应波束成形技术智能天线技术研究的核心是自适应算法，可分为盲算法、半盲算法和非盲算法。非盲算法需借助参考信号，对接收到的预先知道的参考信号进行处理可以确定出信道响应，再按一定准则（如迫零准则）确定各加权值，或者直接根据某一准则自适应地调整权值（即算法模型的抽头系数）。常用的准则有最小均方误差MMSE(Minimummeansquareerror)、最小均方 LMS(Leastmeansquare)和递归最小二乘等；而自适应调整则采取最优化方法，最常见的是最陡梯度下降法。盲算法无须参考信号或导频信号，它充分利用调制信号本身固有的、与具体承载信息比特无关的一些特征（如恒包络、子空间、有限符号集、循环平稳等）来调整权值，以使输出误差尽量小。常见的算法有常数模算法CMA(Constantmodulearithmetic)、子空间算法、判决反馈算法等。非盲算法相对盲算法而言，通常误差较小，收敛速度也较快，但发送参考信号浪费了一定的系统带宽。为此，又发展了
多天线与MIMO技术的发展和应用
多天线与MIMO技术的发展和应用 杉杉 北京中网华通设计咨询有限公司，普洱665000摘要；本文介绍了多天线技术的概念和核心技术，并重点介绍了MIMO技术的特点，在现有通信网种的应用。 关键词：多天线；MIMO ; LTE
目录 一、弓丨言 (3) 二、概述 (3) 1 多天线技术的定义 (3) 2 多天线技术的分类 (3) 2.2.1. 天线分集技术 (3) 222.波束赋型技术 (4) 2.2.3. 空分复用技术 (4) 三、MIMO技术 (4) 1 MIMO技术的定义和原理 (4) 3.1.1. MIMO 技术的定义 (4) 3.1.2. MIMO技术的原理 (5) 2 MIMO技术的优点 (5) 3.2.1. 提高信道容量 (5) 3.2.2. 提高信道的可靠性 (6) 3 MIMO技术的缺点 (6) 四、MIMO 系统的分类 (6) 1 按照收发天线的数目进行分类 (6) 4.1.1. SISO (6) 4.1.2. MISO (6) 4.1.3. SIMO (7) 4.1.4. MIMO (7) 2 按照实现方式进行分类 (7) 4.3.1. 空间复用 (7) 4.3.2. 空间分集 (8) 4.3.3. 波束赋型 (8) 4.3.4. 开环传输 (8) 4.3.5. 闭环传输 (8) 五、MIMO技术的应用 (8) 1 MIMO技术在3G中的应用 (8) 2 MIMO 技术在WIMAX中的应用 (9) 3 MIMO技术在LTE中的应用 (9) 5.3.1. LTE的MIMO 模式协议 (9) 5.3.2. LTE主要支持的多天线类型.......................................... 10...... 六、小结........................................................................ 10 ..........
分布式天线系统的简述
关于分布式天线系统的简述 随着移动通信技术、互联网技术和计算机技术的飞速发展，移动通信已经不再局限于单纯的语音通信，把移动通信网和Internet融合起来已经成为不可阻挡的趋势，于是在第一代模拟通信系统和第二代数字通信系统的基础上，国际电信联盟ITU又提出了第三代移动通信系统（3G）。第三代移动通信系统现在已经投入使用，相应的规范也已经相当完善，它不但能够实现第一、第二代移动通信系统的语音业务和低速率数据业务，还能够极大地满足广大用户对多媒体、高速率移动通信业务的需求。尽管如此，3G系统依然无法满足未来移动通信系统发展的要求，还存在着诸多的缺点和限制，比如受频带资源的限制严重还有通信标准过于多样。这也就让第四代移动通信系统开始出现在学者专家的探讨中。但是，就目前而言，3G还是市场上最主流的移动通信系统。 随着各种无线通信业务和带宽数据业务的不断发展，无线资源，尤其是频谱资源变得越来越紧张，如何更高效地利用这些有限的通信资源成为了第三代通信技术发展的焦点所在。针对无线多媒体业务的实现，其最基本的要求就是高速率，人们为此提出了多种新型的关键技术：如传输调制技术和多天线技术。然而目前面临的频率资源匮乏、移动用户不断增长的窘迫局面下，这又不断刺激移动通信设备的生产厂商们使用新的技术或开发新的资源来提高单位频率的复用率。新的资源开发从频域、时间域到码域，人们可谓是想尽了办法，目前还有开发空间的可能就是空间域了。正是在这种大背景下，无线通信方面的研究者们打破传统的单天线结构，提出了多天线技术的概念。 现在，我就简单介绍一下多天线技术。 多天线技术，就是指在一个小区内（基站，和/或移动终端）设立多根天线，通过空间复用或空间分集来达到增加系统容量的目的。他们试图通过这种方式来缓解资源紧张的现状。多天线技术充分利用了“空间”这个新增的资源，在发送端和接受端采用多个天线，在接收端采用相应的解码技术解出发送信号。根据多天线设立的位置不同，可以将其分为三类：第一种是智能天线，即要求天线单元间的距离小于1/2个波长，旨在通过波束赋型算法增加目标用户接收信号的质量，用于增加小区的覆盖范围。 第二种是多入多出天线MIMO，要求天线单元间的距离从1/2个波长到几个波长之间，旨在大幅度地提高信道容量。 第三种是分布式天线，即天线单元在整个小区内分布开，可以获得分集增益，并降低移动终端的发射功率。 这里主要说明分布式天线。 分布式天线的思想最初来自泄漏馈线技术，后来该技术在地下通信中得到了广泛的应用，分布式天线的思想就诞生于此，是泄漏馈线结构的一种离散形式。 后来，分布式天线系统领域研究出了不同的系统结构，比如最初的线性结构的，以及后来星型结构等，够各自有各自的特点。而分布式天线系统的主要特征就在于有效改善系统的覆盖问题，尤其在不利于传播的环境中，相较于单天线结构，可以通过多天线结构来调整覆盖区域内的功率分布，降低移动终端的平均发射功率,这样可以为移动终端的省电起到很大的帮助。另外，它的宏分集能力也是很重要、很突出的一个特征。关于宏分集,简单地说,在这里主要指的是移动终端同时与两个或两个以上的天线单元保持联系,从而增强信号。可以说，分布式天线系统得到了很大的发展，它逐渐展现出了一些优势，相应地也暴露出了一些缺陷。 比较典型的，用户只要在同一个分布式天线的小区内就无需进行切换操作，这是其突出优势；此外，由于多天线在地理位置上的分开，它可以覆盖一些通信死区；而对于小区内，由于天线密度增加，也降低了对移动终端发射功率的要求，在此基础上，提高系统的宏分集
多天线技术
多天线技术综述 一、引言 进入21世纪后，无线通信网络技术高速发展，同时无线通信网络中数据业务迅速增长。根据业界的普遍预测，在未来10年间里，数据业务将以每年1.6 2倍的速率增长，预计到2020年通信网络的容量需求将是目前的1000倍[1]，这无疑给整个无线通信网络带来了巨大的挑战。而多天线技术作为一种增强通信系统的方法，很早就应用到了无线通信网络中，且其价值也在无线通信领域得到了认可。研究表明，作为多天线技术之一的多进多出MIMO（Multiple Input Multiple Output）技术能够很好的提高无线通信系统的频谱利用率。采用MIMO 技术在室内传播环境下的频谱效率能够达到2040bit/s/Hz，而使用传统的无 线通信技术在移动蜂窝中的频谱效率仅为15bit/s/Hz，在点对点的固定微波 系统中也只有1012bit/s/Hz[2]。由此可见，多天线技术能够在不增加功率和带宽资源的前提下有效的提高无线网络的频谱效率。 多天线技术主要是指智能天线技术和MIMO技术。基于WCDMA, CDMA2000和TD-SCDMA技术的第三代移动通信系统应用的多天线技术主要是智能天线技术[3]。智能天线技术可以克服多用户间的干扰，通过空分多址增加频谱效率和信道容量；并且能够有效的抵抗多径衰落的影响，从而提高通信质量；同时，对功率的控制也可以通过在网络建设初期增加基站的覆盖范围来实现。因此，应用到支持多种业务的第三代移动通信系统中，很好的提高了传输速率，增加了频谱宽度，从而使通信服务质量得到了极大的提高。而MIMO技术是在3G向LTE（Long Term Evolution）演进中被引入的，它和正交频分复用技术0FDM相结合在LTE中起到了巨大的作用。第四代移动通信系统应用的多天线技术是智能天线技术和MIMO 技术的结合，两者的结合使第四代移动通信系统在不占用额外的频谱和传输功率的前提下大大增加了传输速率和传输的可靠性[4]。据专家预测，能够高效处理特性差异巨大的各种业务的下一代移动通信系统5G（IMT-2020）将使用大规模天 线技术[5]，大规模天线技术在5G中的引入将使系统的传输速率大大的提升，它 将是5G通信中具有革命性的技术之一。