下一代移動通信中的關鍵技術-移動通信-2014春

1、下一代移動通信中的關鍵技術OFDM技術OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)，即正交頻分即正交頻分復用，主要思想為在頻域內將給定信道分成多個復用，主要思想為在頻域內將給定信道分成多個正交子信道正交子信道，然，然后將高速數據信號轉換成多個并行的低速子數據流，調制到每個后將高速數據信號轉換成多個并行的低速子數據流，調制到每個信道的子載波上進行窄帶傳輸。信道的子載波上進行窄帶傳輸。在一個載波上串行傳輸數據在一個載波上串行傳輸數據在多個子載波上并行傳輸數據在多個子載波上并行傳輸數據OFDMOFDM的每個的每個子載波都是子載波都是窄帶信道，窄帶

2、信道，可克服寬帶可克服寬帶信道的頻率信道的頻率選擇性衰落，選擇性衰落，即克服了即克服了ISIISI單載波傳輸受單載波傳輸受ISIISI影響嚴重，影響嚴重，OFDMOFDM多載波傳輸受多載波傳輸受ISIISI影影響輕微，通過響輕微，通過CPCP技術可克服技術可克服ISIISI影響。影響。通過保護間隔消除通過保護間隔消除OFDMOFDM符號間的相互影符號間的相互影響。響。CPCP技術是一種技術是一種GIGI 傳統(tǒng)頻分復用，頻帶劃分為N個互不重疊的子信道。 正交頻分復用，各子載波有1/2重疊但正交，頻譜效率翻倍。The employment of Fast Fourier Transform (FF

3、T) to replace the banks of sinusoidal generator and the demodulation significantly reduced the implementation complexity of OFDM modems.傳統(tǒng)頻分復用傳統(tǒng)頻分復用OFDMOFDM 1FX tx t 1Fz tX th tx th t y tx th t FFZ tz tx th tx t HjZ tx tHj 若對信號先進行傅立葉反變換，再發(fā)射 時域接收信號 對時域接收信號進行傅立葉變換，將寬帶信道退化為窄帶信道 信號通過寬帶無線信道存在ISI問題 12/01I

4、FFTNjkn Nkx nX kX k eN IFFTy nx nh nX kh n FFT IFFTY kX kh nX k H kY kX kH k 若對頻域信號 先進行IFFT，再發(fā)射 時域接收信號 對時域接收信號進行FFT X kOFDMOFDM理論分析理論分析 12/01=Njkn Nkx nX k eN 10=cosNiiiix ts tttFDMFDM僅利用了不同頻率正弦信號的僅利用了不同頻率正弦信號的正交性正交性OFDMOFDM還利用了正弦信號與余弦信號間還利用了正弦信號與余弦信號間的正交性的正交性Advantages of OFDM 1. More robust agains

5、t multipath propagation effects 2. Higher spectral efficiency 3. Lesser utilization of hardware Drawbacks of OFDM 1. While using OFDM applied system, high peak-to-average power ratio (PAPR) of transmitted signal is a major drawback. 2. Very good frequency synchronization is crucial to maintain ortho

6、gonality. Example: use OFMA as multiple access technique Y kX kH k下一代移動通信中的關鍵技術MIMO技術 所謂MIMO系統(tǒng)就是在發(fā)射端和接收端同時安裝多個天線的一種空域處理系統(tǒng) 。 與之相對應的還有SIMO（simple-input multiple-output）和MISO（multiple-output simple-input）系統(tǒng)。 22log (1| )b/s/HzCh 單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng) ： 單輸入多輸出（SIMO）系統(tǒng) ：221log (1| )b/s/HzMiiCh多輸入單輸出（MISO）系統(tǒng) ：221

7、log (1| )b/s/HzNiiChN多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng) ：*EP221log det()log (1)b/s/HzmMiiCINNHHMIMO系統(tǒng)模型：MIMO信道為組合信道，組合信道的總容量小于等于每個信道獨立使用時的容量總和。只有當組合信道彼此間正交時，組合信道的總容量等于每個信道獨立使用時的容量總和。以下通過對信道沖激響應矩陣進行奇異值分解（SVD），找出MIMO信道中包含的正交信道，則MIMO信道容量等于彼此正交的SISO信道容量的總和。yHxntttrrrrt1112111212222212NNNNNNN Nhhhxyhhhxyxyhhh令 ，對信道沖激響應矩陣進行S

8、VD分解。其中F和G都是酉矩陣。D是對角矩陣HFDGrr1212diag,0,000000000 000000NND，FFIGGI假設NrNt將 代入MIMO系統(tǒng)中包含的M個正交SISO子信道，M為發(fā)射天線數量與接收天線數量的較小者。因此MIMO系統(tǒng)的容量可由下式給出：HFDGyHxnyDxn,yF yxG xnF ntrr11122200000000000000NNNxyxyxy*EP221log (1)log det()b/s/HzMiMiCNNIHH MIMO系統(tǒng)的提出是為了進一步提高無線通信系統(tǒng)容量，它可以在不用增加系統(tǒng)帶寬的情況下改善了系統(tǒng)性能，提高了數據速率。 平坦衰落信道中，MI

9、MO系統(tǒng)可以利用傳播中的多徑分量，但是，對于頻率選擇性衰落信道，MIMO系統(tǒng)依然無能為力。 而在目前的寬帶無線通信中，一般都會發(fā)生頻率選擇性衰落。為了使得MIMO系統(tǒng)性能在頻率選擇性衰落信道中依然良好，可以將MIMO系統(tǒng)和正交頻分復用OFDM調制技術結合起來，形成MIMO-OFDM系統(tǒng)。將MIMO系統(tǒng)與OFDM技術相結合，可以充分利用二者的優(yōu)勢，而又互相彌補不足之處。1.MIMO-OFDM系統(tǒng)在OFDM高的頻譜效率的基礎上，又開發(fā)了空間資源，能夠進一步提高系統(tǒng)容量，4G空中接口的關鍵技術。2.另一方面，加入了OFDM調制技術的MIMO系統(tǒng)在抗多徑方面表現出了很大的優(yōu)勢，使得MIMO系統(tǒng)在頻率選

10、擇性衰落信道中也能發(fā)揮作用。 智能天線技術智能天線技術 智能天線組成原理框圖智能天線組成原理框圖 幅相加權幅相加權幅相加權天線分配網絡控 制 器合成用戶1用戶2用戶 N用戶x1(n)x2(n)xN(n)w1(n)w2(n)wN(n)y(n)射頻射頻到到基帶基帶轉換轉換解調自適應算法自適應算法1. 最小均方（最小均方（LMS）算法）算法定義: 第n時刻N個天線接收信號列矢量X(n)=x1(n), x2(n), xN(n)T,W(n)=w1(n), w2(n), wN(n)T為對應的幅相加權矢量。則智能天線暫態(tài)輸出y(n)=WH(n)X(n)，誤差e(n)=y(n)-d(n)=WH(n)X(n)-

11、d(n)，d(n)為訓練信號。LMS算法陣列加權矢量更新的遞推公式為 式中：即為搜索步長，是控制收斂速度和穩(wěn)定性的標量常數因子， 當選擇02/Tr(R)時算法收斂, Tr(R)為數據自相關矩陣R的跡， R=EX(n)XT(n) 。 *(1)( )( )( )nn e nnWWX 2. 直接矩陣求逆（直接矩陣求逆（DMI）算法）算法DMI算法是一種開環(huán)計算方法，它通過直接求解陣列協(xié)方差矩陣R來估計權矢量，能實現與特征值散布度無關的最快的收斂速度。假設天線為N陣元的線陣結構，接收信號X(n)為1N的復向量)可表示為 1( )( ) ( )( )Miiins nnXaN式中，a(i)是第i個來波方向

12、i的空間響應函數， 21 sin=dij iiea 在實際應用中，可這樣進行求解：假設X(n)的K次取樣組成一個NK的矩陣，表示為 12( ).(1)( ).(1)( )( ).(1)NNKNNx nxnKx nxnKnxnxnKX則 ( )( )( )HKKnnnRXX互相關矢量為 ( )( ) ( )HKnnnQXdd(n)=d(n) d(n+1) d(n+K-1)T是一個K1的列矢量。 則DMI算法得到的最優(yōu)解為 11( )( )( )( )( )( ) ( )HTKKKnnnnnnnWRQXXXd分析表明，當取樣數K2N時，它就能收斂到最優(yōu)值的3dB之內。但是當干擾分布廣泛時，收斂所需

13、的取樣數就要大。由于該算法的計算復雜性與N3成正比，因此對于小型陣列，其計算效率很高，而對于大尺寸陣列，它所要求的信號處理能力要很強。 此外，對于給定的K值，由時間平均得到的估計的質量依賴于輸入SNR，當輸入SNR下降時，估計質量下降，則需要更多的取樣值來消除噪音的干擾，才能得到更精確的估計。 4. 計算機仿真計算機仿真 在計算機仿真算法中，為簡單起見，期望信號的干擾均用互不相關的高斯噪聲來表示。算法中期望信號的入射方向為0，信噪比為4 dB，干擾的入射方向為20，干噪比為20 dB。 假設期望信號不變， 僅干擾的入射方向變?yōu)?0，天線陣元分別為陣元間距為/2的四陣元和八陣元，采用RLS算法進行仿真， 觀察陣元數目對天線性能的影響。 在相同的信號環(huán)境下，分別對八陣元的線陣和圓陣進行仿真，觀察不同陣列結構對天線性能的影響。 三種算法的方向圖比