MIMO系統(tǒng)天線選擇方法的研究.ppt

,MIMO系統(tǒng)天線選擇方法的研究,李于衡 2004年12月20日,主要內(nèi)容 1引言 2多徑技術(shù)MIMO系統(tǒng)的天線選擇 3空分復(fù)用MIMO系統(tǒng)的天線選擇 4效果和結(jié)論,多天線MIMO(multiple input multiple output) 利用了多個(gè)發(fā)射和接收天線有效提高系統(tǒng)性能。在采用相同的頻率和時(shí)隙、不增加發(fā)射功率和帶寬的前提下，對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)、平坦衰落信道，只要接收天線數(shù)大于發(fā)射天線數(shù)，MIMO 系統(tǒng)容量隨發(fā)射天線數(shù)的增加而線性增長(zhǎng),1. 引言,由于MIMO系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)同時(shí)使用所有的天線發(fā)射或接收，這就要求收、發(fā)端使用與天線一樣多的射頻鏈路（如低噪聲放大器、模/數(shù)轉(zhuǎn)器、混頻器等）由于多徑衰落，一些天線發(fā)送和收到的信號(hào)可能不是最佳信號(hào)，就會(huì)降價(jià)MIMO系統(tǒng)的整體性能?？紤]到與射頻部分相比，天線振子成本很低，如果收、發(fā)端的天線數(shù)目比MIMO系統(tǒng)的射頻鏈路多，MIMO系統(tǒng)可以從中自動(dòng)選擇與收、發(fā)端射頻鏈路數(shù)目相匹配的最佳收、發(fā)天線，使MIMO系統(tǒng)的每一路射頻鏈路都工作在最佳狀態(tài)，自然就能獲得最大MIMO系統(tǒng)容量，降低了射頻鏈路數(shù)目，減少了系統(tǒng)的成本。隨之而來(lái)的問(wèn)題就是如何選擇發(fā)射天線和接收天線的,1. 引言 (續(xù)1),有兩種類型的MIMO：多徑接收（diversity）和空分復(fù)用（spatial multiplexing）。多徑接收方法通過(guò)多個(gè)發(fā)射天線和接收天線的多徑傳輸來(lái)提高接收信號(hào)的信噪比、降低傳輸誤碼率。在接收端，多徑接收類似于RAKE接收機(jī)；空分復(fù)用的方法是采用空時(shí)編碼，同時(shí)發(fā)送多個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)流，能成倍地增加系統(tǒng)容量，研究表明：MIMO空分復(fù)用技術(shù)使系統(tǒng)的容量隨著天線數(shù)目的增加而線性增加、隨著信噪比的增加而指數(shù)增加,1. 引言 (續(xù)2),2.多徑技術(shù)MIMO系統(tǒng)天線的選擇,多徑是說(shuō)兩條或兩條以上信道的的衰落相互獨(dú)立，當(dāng)信道空間距離足夠大、頻率和極化方式相互隔離時(shí)，無(wú)線信道就滿足這一特性。它表明，多個(gè)信道相互獨(dú)立時(shí)，接收端通過(guò)這多條信道接收的信號(hào)不可能同時(shí)被衰落，它總是可以接收到高于檢測(cè)門限的有用信號(hào)。這就是說(shuō)我們總是可以從中挑選最好的信號(hào)。,2.多徑技術(shù)MIMO系統(tǒng)接收天線選擇,圖1所示的多徑接收系統(tǒng)，接收端可以接收幾路來(lái)自發(fā)射端的信號(hào)，每一路信號(hào)都有不同的復(fù)數(shù)值衰落相關(guān)系數(shù)hi(t)和噪聲ni(t)，多徑合并的方法可以分為三類，根據(jù)最高SNR信道進(jìn)行判決；最大比率合并(Maximal Ratio Combining)，它基于所有路徑最佳線性組合進(jìn)行判決；等效增益合并（Equal Gain Combining），它是將所有路徑信號(hào)的相位調(diào)整一致后直接相加。,圖1 多徑接收,2.多徑技術(shù)MIMO系統(tǒng)接收天線選擇(續(xù)1),除了基于信噪比判決選擇天線外，還可以根據(jù)接收信號(hào)的包絡(luò)最大值來(lái)進(jìn)行判決選擇，后者可能更簡(jiǎn)單。同時(shí)還可以用前、后向預(yù)測(cè)進(jìn)行判決選擇。,圖2 接收天線的選擇,2.多徑技術(shù)MIMO系統(tǒng)發(fā)射天線選擇,發(fā)射天線的選擇與接收天線選擇一樣，也是選擇最大信噪比路徑。不同的是發(fā)射天線的選擇需要接收端提供的反饋信息 . 如果有Lt個(gè)發(fā)射射頻鏈路和Mt個(gè)發(fā)射天線（MtLt）、接收端只有一個(gè)天線情況，就首先在Mt個(gè)發(fā)射天線中選擇Lt個(gè)發(fā)射天線，在一定發(fā)射功率的前提下，使得在它們的幅度和相位在接收端的合成產(chǎn)生最大信噪比，這就要求選擇出的Lt個(gè)發(fā)射天線具有最高的信道增益。這一方法也叫混合最大比率傳輸,2.多徑技術(shù)MIMO接收/發(fā)射天線選擇,Mt個(gè)發(fā)射天線Mr個(gè)接收天線、發(fā)送端和接收端分別有Lt個(gè)發(fā)射射頻鏈路Lr個(gè)接收射頻鏈路。因此發(fā)送端可以同時(shí)發(fā)送Lt個(gè)并行數(shù)據(jù)流，為了避免干擾，必須使用時(shí)空碼。用H表示MtMr階信道矩陣，表示LtLr階被選的天線矩陣，它的等效單輸入-單輸出（SISO）信道增益可以表示為，,2.多徑技術(shù)MIMO接收/發(fā)射天線選擇(續(xù)1),其中heq是H的元素，等效信道的信噪比正比于被選天線矩陣的范數(shù)，,因此發(fā)射/接收天線的聯(lián)合選擇就是要選擇H矩陣子集，使發(fā)射接收信道增益幅度的平方和最大。這是一件困難的事，因?yàn)橄冗x擇最佳接收天線，然后再選擇發(fā)射天線，并不意味著整個(gè)系統(tǒng)是最佳選擇。目前是用窮舉的方法進(jìn)行收/發(fā)天線的同時(shí)選擇。,3. 空分復(fù)用MIMO系統(tǒng)的天線選擇,前面我們討論了在接收端得到最大信噪比前提下如何進(jìn)行天線選擇，現(xiàn)在研究采用空分復(fù)用技術(shù)時(shí)，在得到最大系統(tǒng)容量時(shí)天線的選擇問(wèn)題。設(shè)有Mt個(gè)發(fā)射天線和Mr個(gè)接收天線組成的信道矩陣H是一個(gè)MtMr的復(fù)數(shù)矩陣,3. 空分復(fù)用MIMO系統(tǒng)的天線選擇(續(xù)1),采用信道統(tǒng)計(jì)特性為Rayleigh 或Rician的塊信道模型，接收天線接收加性高斯噪聲，我們將從Mt個(gè)發(fā)射天線中選擇Lt發(fā)射個(gè)天線、從Mr個(gè)接收天線中選擇Lr接收天線。假設(shè)每個(gè)發(fā)射天線的發(fā)射功率相等，以信道矩陣為變量的信道容量可以表述為,其中是p接收SNR，H是LtLr選擇后的信道，I是LtLr階單位陣，H是H的Hermitian陣。理想的天線選擇就是由H構(gòu)造H，使信道容量最大。,3. 空分復(fù)用MIMO系統(tǒng)接收天線選擇,首先假設(shè)發(fā)送端的天線與射頻鏈路數(shù)相等，即Mt=Lt，接收端射頻鏈路小于接收天線數(shù)，從H去掉Mr-Lr行構(gòu)造矩陣H，以達(dá)到最大系統(tǒng)容量，完成這個(gè)任務(wù)只能用窮舉的方法來(lái)完成.有兩個(gè)近似解法。 一種次最佳方法是對(duì)對(duì)數(shù)函數(shù)使用Taylor展開計(jì)算，結(jié)果表明，在低信噪比情況下系統(tǒng)容量的計(jì)算可以簡(jiǎn)化為經(jīng)過(guò)選擇的信道矩陣范數(shù)的最大化。結(jié)合上面的討論,在低信噪比情況下，以多徑增益為條件進(jìn)行天線選擇和以系統(tǒng)容量為條件選擇天線的使用的方法是一致的。 Gorokhov提出另一種遞減選擇的次最佳方法。它將信道矩陣按照系統(tǒng)容量損失最小的原則一行一行去掉后構(gòu)成，該方法運(yùn)算復(fù)雜度不高，但獲得系統(tǒng)容量與用最佳方法得到的系統(tǒng)容量幾乎一致。適用于高信噪比情況。,3. 空分復(fù)用MIMO系統(tǒng)發(fā)射天線選擇,采用空分復(fù)用技術(shù)時(shí)，發(fā)射天線的選擇與接收天線的方法很類似，主要區(qū)別是接收端要提供反饋信息，使發(fā)送端知道信道狀態(tài)。當(dāng)知道發(fā)送端信道狀態(tài)信息（CSI）時(shí)，無(wú)線信道的容量一般來(lái)說(shuō)比不知道CSI時(shí)要高。在完全掌握信道相關(guān)特性后，可以通過(guò)“注水策略”得到信道最大允許容量。,4. 結(jié)論,本文討論了MIMO系統(tǒng)天線的選擇策略，采用這些策略后，MIMO系統(tǒng)只用天線陣中與射頻通道數(shù)目相對(duì)應(yīng)的天線個(gè)線，就能達(dá)到使用與全部天線對(duì)應(yīng)的射頻通道數(shù)目接收的效果，能顯著降低地MIMO系統(tǒng)硬件復(fù)雜度、減少費(fèi)用并達(dá)到完全多徑和提高系統(tǒng)容量。文中給出了兩種天線選擇方法：基于范數(shù)方法和連續(xù)選擇法。前用于低信噪比情況，后者適用于高信噪比情況。這兩種方法既可用于發(fā)送端，又可用于接收端選擇天線。,4. 結(jié)論（續(xù)1）,選擇接收天線時(shí),系統(tǒng)中斷容量與接收總信噪聲比的關(guān)系,其中總接收天線M = 6, 接收端射頻鏈路數(shù)N=2和4,中斷率為10%,4. 結(jié)論（續(xù)2）,選擇接收天線時(shí),系統(tǒng)中斷容量與接收總信噪聲比的關(guān)系,其中總接收天線M = 6, 接收端射頻鏈路數(shù)N=2和4,中斷率為1%,4. 結(jié)論（續(xù)3）,中斷率為1% 、接收總信噪聲比為10dB,系統(tǒng)中斷容量與可選擇總接收天線的關(guān)系, 接收