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現(xiàn)代通信技術(shù)概論
結(jié)課論文■_rJ2015年春季學(xué)期題目:多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)專業(yè)班級(jí):二姓名:學(xué)號(hào):指導(dǎo)教師:聯(lián)系方式:成績(jī):摘要多輸入多輸出系統(tǒng)摘要隨著信息技術(shù)在生活中的越來(lái)越深入廣泛的應(yīng)用,無(wú)線數(shù)字通信在現(xiàn)今的地位變得越來(lái)越重要。面對(duì)越來(lái)越高的通信速度和質(zhì)量要求,傳統(tǒng)的無(wú)線數(shù)字系統(tǒng)顯然無(wú)法勝任。在人們廣泛的研究時(shí)間、頻率、碼元等資源的利用效率同時(shí),多輸入多輸出技術(shù)理論(MIMO:Multiple-InputMultiple-Qutft稱為:多天線技術(shù)為移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了新的增長(zhǎng)點(diǎn)。本文將著重論述MIMO技術(shù)的一些基本模式以及一些技術(shù)要求。關(guān)鍵詞:MIMO,多天線,信號(hào)檢測(cè),欠定義MIMO系統(tǒng),多用戶MIMO系統(tǒng)目錄目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1概述12MIMO信號(hào)檢測(cè)錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。2.1MIMO系統(tǒng)基礎(chǔ)錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。\o"CurrentDocument"2.2經(jīng)典MIMO信號(hào)檢測(cè)32.2.1最大似然MIMO信號(hào)檢測(cè)32.2.2線性MIMO信號(hào)檢測(cè)5\o"CurrentDocument"3兩種經(jīng)典的MIMO系統(tǒng)簡(jiǎn)介63.1欠定義MIMO系統(tǒng)63.2多用戶MIMO系統(tǒng)7\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn)81:概述從1978年貝爾實(shí)驗(yàn)室在芝加哥成功試驗(yàn)了第一個(gè)蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng),即高級(jí)移動(dòng)電話業(yè)務(wù)(AdvancedMobilePhoneService,AMPS)開(kāi)始,移動(dòng)通信進(jìn)入了飛速發(fā)展的時(shí)代。截至2012年6月,手機(jī)網(wǎng)用戶數(shù)量首次超過(guò)了計(jì)算機(jī)上網(wǎng)用戶數(shù)量[1]。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的快速增長(zhǎng),此類服務(wù)對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸速率以及傳輸質(zhì)量的要求也就越來(lái)越高。根據(jù)香農(nóng)理論,其對(duì)應(yīng)的無(wú)線頻譜資源的需求也相應(yīng)增長(zhǎng),從而導(dǎo)致適用于無(wú)線通信的頻譜資源變得日益緊張,成為制約無(wú)線電通信發(fā)展的主要瓶頸。如何在復(fù)雜的環(huán)境和有限的帶寬下實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量和高速率的無(wú)線信號(hào)傳輸一直是移動(dòng)通信技術(shù)所需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。理論分析和工程實(shí)踐已經(jīng)證明了在發(fā)送端和接收端采用天線列陣或多天線技術(shù)可以在不增加帶寬和發(fā)送功率的前提下大幅提高系統(tǒng)的信道容量以及頻率利用率。多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)因其具有隨天線數(shù)量呈線性增長(zhǎng)的理論信道容量,被公認(rèn)為是現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)的核心技術(shù)。本文介紹了MIMO系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)方法以及發(fā)送端和接收端經(jīng)典的組合。2.MIMO信號(hào)檢測(cè)2.1.MIMO系統(tǒng)基礎(chǔ)現(xiàn)代無(wú)線數(shù)字通信對(duì)于傳輸速率的要求日益增長(zhǎng),傳統(tǒng)的單輸入單輸出(Single-InputSingle-Output,SISO)無(wú)線傳輸系統(tǒng)(即發(fā)射機(jī)和接收機(jī)均配有單根天線的系統(tǒng))已經(jīng)無(wú)法充分滿足相應(yīng)需求。經(jīng)典單工SISO系統(tǒng)模型如圖2-1所示。其相應(yīng)的接收信號(hào)可以表示為:TOC\o"1-5"\h\zy=hs+n(2.1)其中,h、s、n分別表示信道增益、發(fā)射信號(hào)和噪聲。于是我們可以得出相應(yīng)的信道容量(bit/s/Hz)為C=E(log(1i^2£))<log(1+E(lh|2)U)(2.2)C2Q2其中P=E(ls|2),Q2=E(ln|2),且不等號(hào)來(lái)自詹森不等式[2]。由式(2.2)s可以看出,信道容量隨著信噪比(即P/Q2)呈指數(shù)增長(zhǎng)。為了獲得足夠高的傳輸速率,我們需要持續(xù)提高信噪比或者利用充分大的帶寬。在無(wú)線通信中,由于路徑損耗的存在,充分大的接收信噪比并不是能夠輕松獲得的。因此我們需要充分大的傳輸帶寬來(lái)支持足夠高的傳輸速率。然而,受到無(wú)線電頻譜資源稀疏性的影響,單純利用大寬帶來(lái)獲取高速率并不現(xiàn)實(shí)。從另一個(gè)角度來(lái)考慮此問(wèn)題,我們可以在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)上都裝配多根收發(fā)天線來(lái)提高頻譜效率,相應(yīng)的系統(tǒng)就被稱為多輸入多輸出系統(tǒng)(MIMO)。經(jīng)典的單工MIMO系統(tǒng)傳輸模型如圖2-2所示。圖2-1經(jīng)典單工SISO系統(tǒng)模型圖2-2經(jīng)典的單工MIMO系統(tǒng)傳輸模型以2收2發(fā)系統(tǒng)為例,由于每根天線均能接收到來(lái)自不同發(fā)射天線的信號(hào),2根接收天線上的接收信號(hào)可以表示為:y=hs+hs+nTOC\o"1-5"\h\z1111221\o"CurrentDocument"y=hs+hs+n(2.3)2112222其中,?、sj、n,分別表示從第j根發(fā)射天線到第i根接收天線的信道增益、第j根發(fā)射天線的發(fā)射信號(hào)以及第i根接收天線上的加性噪聲。定義y=[y1y2]「,這可利用矩陣乘法表示接收信號(hào)的矢量:y=Hs+n(2.4)這里我們有信道矩陣H=[h11"12],發(fā)射信號(hào)矢量S=[*],噪聲矢量h21"22S2n.n=[1]。相應(yīng)的系統(tǒng)模型已經(jīng)能夠較為直觀的擴(kuò)展到配有M根發(fā)射天線和N根n2接收天線的任意MIMO系統(tǒng)。作為一種信道模型,加性高斯白噪聲(AWGN)信道通常被用于MIMO系統(tǒng)的理論分析和仿真。在AWGN信道中,接收噪聲矢量n被假設(shè)為零均值的球?qū)ΨQ復(fù)高斯(CSCG)隨機(jī)矢量,其均值E(nnH)=N01,協(xié)方差矩陣為R,即n~CN(0,R)⑶。相關(guān)研究表明,式(2.4)所描述的MIMO系統(tǒng)的信道容量隨著發(fā)射天線和接收天線數(shù)中的較小呈線性增長(zhǎng),其條件為信道增益h.為互相獨(dú)立的零均值CSCG隨機(jī)變量。因此,對(duì)于給定的帶寬資源,如果系統(tǒng)裝配更多天線,便能在不增加傳輸功率的前提下獲取更高的傳輸速率。為了獲取這一信道容量增益,我們需要在MIMO系統(tǒng)中使用高效的信號(hào)調(diào)制方式。脈沖幅度調(diào)制(PulseAmplitudeModulation,PAM)和正交幅度調(diào)制(QuadratureAmplitudeModulation,QAM)是MIMO系統(tǒng)信號(hào)傳輸中比較常用的調(diào)制方式。2.2.經(jīng)典MIMO信號(hào)檢測(cè)最大似然MIMO信號(hào)檢測(cè)矩形QAM星座圖可以被視為具有相同水平和垂直間距的格基⑷。在數(shù)字無(wú)線通信中,可以通過(guò)編碼調(diào)制與解調(diào)譯碼完成二進(jìn)制信息的發(fā)送與接收,當(dāng)忽略符號(hào)能量時(shí),星座圖和對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制格雷碼(GrayCode)如圖2-3所示。具體來(lái)說(shuō),當(dāng)采用4-QAM調(diào)制方式時(shí),其星座圖符號(hào)集合以及對(duì)應(yīng)的格雷碼見(jiàn)表2-1⑸。
圖2-3星座圖和格雷碼表2-14QAM調(diào)制方式下的符號(hào)集合和格雷碼序號(hào)符號(hào)集合格雷碼1-1+i002-1-i0131+i1041-i11由式(2.4)可知,MIMO信號(hào)的檢測(cè)即在給定接收信號(hào)向量y和信道矩陣H的前提下,對(duì)未知的發(fā)送信號(hào)向量s進(jìn)行估計(jì)。經(jīng)管我們無(wú)法獲取噪聲向量n的精確信息,但是發(fā)送信號(hào)向量s的所有可能情況是能夠根據(jù)調(diào)制方式預(yù)先獲取的。對(duì)于具有M根發(fā)射天線的MIMO系統(tǒng),若發(fā)射符號(hào)取自星座圖符號(hào)集合S,則所有可能的發(fā)送信號(hào)向量的數(shù)量為ISIM,這里|SI表示集合中S的符號(hào)元素個(gè)數(shù)??梢园l(fā)現(xiàn),可能發(fā)送信號(hào)向量的數(shù)量隨著M呈指數(shù)增長(zhǎng)。綜上可見(jiàn),最大似然MIMO信號(hào)檢測(cè)可以通過(guò)對(duì)所有可能的發(fā)送信號(hào)進(jìn)行窮盡檢索,并計(jì)算相應(yīng)的似然函數(shù)值來(lái)完成。定義f(yIs)為在接收到信號(hào)y時(shí)發(fā)送信號(hào)向量為s的似然函數(shù),則最大似然的發(fā)送信號(hào)向量可表述為s=argmaxf(yIs)=argminIIy-HsII2(2.5)swsM由于完成最大似然檢測(cè)需要進(jìn)行窮盡檢索,且相應(yīng)所有可能的發(fā)送信號(hào)向量的數(shù)量為ISIM,因此相應(yīng)檢測(cè)算法的計(jì)算復(fù)雜度會(huì)隨著發(fā)射天線數(shù)量M呈指數(shù)增長(zhǎng)。線性MIMO信號(hào)檢測(cè)為了降低檢測(cè)的復(fù)雜度,我們也可以考慮利用線性濾波方式完成檢測(cè)過(guò)程。在線性MIMO信號(hào)檢測(cè)中,接收信號(hào)y通過(guò)一個(gè)線性濾波器完成濾波后,各個(gè)發(fā)送信號(hào)量可以進(jìn)行分別檢測(cè)。因此,線性濾波器的作用在于分離干擾信號(hào)。首先我們考慮迫零檢測(cè)[6]迫零檢測(cè)線性濾波器定義為W^=H(HhH)-1(2.6)而相應(yīng)的迫零信號(hào)估計(jì)為~s疽WHHy=(HhH)-1HHy(2.7)=s+(HhH)-1HHn利用sf和s,發(fā)送信號(hào)向量s的硬判決可以通過(guò)符號(hào)級(jí)別的估計(jì)予以完成,具體過(guò)程如下。利用式(2.7),我們有s=[ss...s]t。zf12MJ令S={s⑴s(2)...s(K)}表示K維QAM星座圖符號(hào)合集,則s中第m個(gè)發(fā)送符號(hào)的硬判決表述為s=argminIs(K-sI2,m=1,2,...M(2.8)s(K)es發(fā)送信號(hào)向量s的硬判決由s=[ss...s]T給出。12M然而,由于當(dāng)信道矩陣H近奇異矩陣時(shí),噪聲即式(2.7)中的(HhH)-1HHn的效應(yīng)將被放大,等效噪聲被放大,所以迫零檢測(cè)的性能無(wú)法得到很好的保證。
為了減弱在迫零檢測(cè)中等效噪聲被放大而帶來(lái)的影響,最小均方誤差MinimumMeanSquareError,MMSE)檢測(cè)利用了噪聲的統(tǒng)計(jì)特性對(duì)迫零檢測(cè)方法進(jìn)行改進(jìn)。MMSE濾波器基于最小化的均方誤差,即W=argminE[lls-WHyII2]mnSW=(E(yyH))-1E(ysH)(2.9)=H(HhH+NI)-1Es其中,E表示信號(hào)能量。相應(yīng)的發(fā)送信號(hào)向量的估計(jì)值表示為?Snmse=Whymmse=(HhH+NI)-1HHy?Snmse=Whymmse=(HhH+NI)-1HHys(2.10)從而我們能夠計(jì)算出相應(yīng)的均方誤差為C=E[(s-Why)(s-Why)h]mmsemmsemmse=I-Hh(HHh+餐I)-1Hs(2.11)E=(I+—HhH=I-Hh(HHh+餐I)-1Hs(2.11)N0每個(gè)發(fā)射符號(hào)的均方估計(jì)誤差可以由C的對(duì)角元素獲得。再利用式(2.8)mmse中類似的方法,可得發(fā)送信號(hào)向量s的MMSE硬判決smmse。3.兩種經(jīng)典的MIMO系統(tǒng)簡(jiǎn)介3.1.欠定義MIMO系統(tǒng)我們將發(fā)射天線數(shù)M大于、等于、小于接收天線數(shù)N的MIMO系統(tǒng)的信道矩陣分別稱為胖陣、方陣和瘦陣。根據(jù)文獻(xiàn)[7]MIMO信道容量近似為C,任min(M,N)Cs(3.1)其中,C眼代表SISO系統(tǒng)的信道容量。因此從信道容量的角度出發(fā),方信道矩陣較優(yōu)。然而,在實(shí)際應(yīng)用中,我們常見(jiàn)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基站的天線個(gè)數(shù)往往大于移動(dòng)終端天線個(gè)數(shù),而且在下行鏈路中,由于接收端的復(fù)雜度有限,我們必須降低一些調(diào)制方式,并且引入胖陣(即M>N),這個(gè)時(shí)候每個(gè)發(fā)射天線的頻譜效率將下降到mimo=C<C(3.2)MMsisosiso對(duì)于這種欠定義的MIMO系統(tǒng),目前有很多改進(jìn)技術(shù)能夠應(yīng)用于此。其中ML檢測(cè)[8采用窮舉所有可能向量的策略,而列表檢測(cè)器首先創(chuàng)建一張候選向量的列表。再?gòu)闹羞x擇出一個(gè)最優(yōu)的候選向量。文獻(xiàn)[9?14]中介紹了一系列列表Chase檢測(cè)器。但Chase探測(cè)器不能實(shí)現(xiàn)完全接收分集階數(shù),特別是用于欠定義的MIMO系統(tǒng)中。為了提高性能,文獻(xiàn)[15?19]中研究了可用于欠定義系統(tǒng)的廣義球形譯碼(GeneralizedSphereDecoding,GSD)方法。而文獻(xiàn)[20]中介紹了2種非最優(yōu)的分組檢測(cè)器,文獻(xiàn)[21]中研究了一種基于幾何方法的欠定義的MIMO系統(tǒng)檢測(cè)器。為了更有效的降低復(fù)雜程度,文獻(xiàn)[22]中提出了帶列重排的GSD檢測(cè)器,即樹(shù)搜索解碼器列重排(TreeSearchDecoding-ColumnReordering,TSD-CR)。多用戶MIMO系統(tǒng)在應(yīng)用了MIMO技術(shù)的多用戶無(wú)線電通信系統(tǒng)中,由于用戶所處的地理位置以及信道狀態(tài)均不同,在用戶接入過(guò)程中則有可能獲得一種額外的分集增益,即多用戶分集增益。因此,在多用戶MIMO系統(tǒng)中,選擇合適的用戶在合適的信道條件下接入系統(tǒng)對(duì)于增大系統(tǒng)吞吐量具有非常重要的意義,其直接影響信號(hào)的傳輸質(zhì)量以及接入用戶所能獲得的服務(wù)質(zhì)量。文獻(xiàn)[23]研究了多用戶接入帶來(lái)的多用戶分集增益;文獻(xiàn)[24]將多用戶接入擴(kuò)展到了MIMO系統(tǒng)中;文獻(xiàn)[25]分析了MIMO系統(tǒng)的用戶接入策略和系統(tǒng)吞吐量之間的關(guān)系。針對(duì)移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)的時(shí)變信道,可以通過(guò)在一個(gè)時(shí)間單元內(nèi)選擇一個(gè)或多個(gè)信道增益最大的用戶接入來(lái)提高系統(tǒng)的吞吐量。如圖3-1所示。我們可以在A時(shí)刻選擇用戶1,而在B時(shí)刻選擇用戶2接入,以提升系統(tǒng)性能。
圖3-1不同時(shí)刻信道增益的變化參考文獻(xiàn)::數(shù)據(jù)來(lái)源:賽迪網(wǎng).:劉勇.科教文匯.江蘇.江蘇電大張家港學(xué)院.2009.:劉丹譜.加性高斯白噪聲信道下的最佳接收機(jī).北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院無(wú)線通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室(WCSN).2009.:NJUer.正交調(diào)制讀書(shū)報(bào)告.http:///link?url=MGfnCXDg1QrVT7FeD9T7sAUMjJmiCLPJSxN1hvKmqetG0sBKtewy8dn801m1smZKwVT1SzUmgvU8qkL6cN57afM0Tkr5BJLEdrbvQovz37:陳啟美李勃等編.《數(shù)據(jù)通信原理》.南京大學(xué)出版社.:關(guān)雪梅陳純錯(cuò)著.《電信科學(xué)》.北京.人民郵電出版社.2010.08.:TSED,VISHWANATHP.FundamentalsofWirelessCommunications[M].CambridgeUniversityPress,Cambridge,2005.:潘文蔣占軍杜正鋒王炎等著.《中國(guó)科學(xué):信息科學(xué)》.北京.2008.:CHASED.Classofalgorithmsfordecidingblockcodeswithchannelmeasurementinformation]〕].IEEETransactionsonInformationTheory,1972,18(1).:WATERSDW,BARRYJR.TheChasefamilyofdetectionalgorithmsformultiple-inputmultiple-outputchannels[A].IEEEGlobalTelecommunicationsConference[C].2008,(4).:WATERSDW,BARRYJR.Thesorted-QRChasedetectorformultiple-inputmultiple-outputchannels[A].IEEEWirelessCommunicationsandNetworkingConference[C].2005.:WATERSDW,BARRYJR.Partialdecision-feedbackdetectionformultiple-inputmultiple-outputchannels[A].IEEEInternationalConferenceonCommunications。.2004:LOVEDJ,HOSURS,BATRAA,etal.Space-timeChasedecoding[J].IEEETransactionsonWirelessCommunications,2005,4(5).:BAIL,CHOIJ.PartialMAP-basedlistdetectionforMIMOsystems[J].IEEETransactionsonVehicularTechnology,2009,58.:DAMENMO,ABED-MERAIMK,BELFPOREJC.Generalisedspheredecoderforasymmetricalspace-timecommunicationarchitecture[J].ElectronicsLetters.2000,36(2).:DAMEMMO,GAMALHE,CAIREG.Onmaximum-likelihooddetectionandthesearchfortheclosestlatticepoint[J].IEEETransactionsonInformationTheory,2003,49(10).:CUIT,TELLAMBURAC.Anefficientgeneralizedspheredecoderforrank-deficientMIMOsystems[J].IEEEVehicularTechnologyConference,2004(5).:YANGZ,LIUC,HEJ.AnewapproachforfastgeneralizedspheredecodinginMIMOsystems[J].IEEESignalProcessingLetters,2005,12.:WANGP,THOLN.Alow-complexitygeneralizedspheredecodingapproachforunderdeterminedMIMOsystems[J].IEEEInternationalConferenceonCommunications,2006(9).:KAPURA,VARANASIMK.MultiuserdetectionforoverloadedCDMAsystems[J].I
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