MIMO技術(shù)與天線選擇

1、2第一部分第一部分 MIMO 簡介簡介2第二部分第二部分 MIMO 中的關(guān)鍵技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)2第三部分第三部分 MIMO 中的天線選擇中的天線選擇3n第一章第一章 MIMO引入引入u第一節(jié)第一節(jié) MIMOMIMO引入引入u第二節(jié)第二節(jié) MIMOMIMO簡介簡介u第三第三節(jié)節(jié) MIMOMIMO的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無線通信系統(tǒng)可以利用的資源包括：空間、時(shí)間、頻率和功率。在B3G/4G系統(tǒng)中，空間資源和頻率資源被重新開發(fā)使用，從而大大提高了系統(tǒng)的性能。多天線技術(shù)在發(fā)送端和接收端同時(shí)使用多根天線，擴(kuò)展了空間域，充分利用了空間擴(kuò)展所提供的特征，從而帶來了系統(tǒng)容量的提高。目前多天線技術(shù)一成為了B3G/4G

2、系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。多天線構(gòu)成的信道稱為MIMO(Multiple Input Multiple Output)信道，使用多天線技術(shù)的系統(tǒng)稱為 MIMO無線通信系統(tǒng)。MIMO的基本理念：通過多個(gè)發(fā)射和接收天線改變傳輸質(zhì)量(BER)和數(shù)據(jù)率MIMO的核心機(jī)制：空時(shí)編碼(STC)STC的兩個(gè)主要功能：分集&復(fù)用最大的性能需要在分集和復(fù)用之間進(jìn)行平衡采用陣列天線技術(shù)，MIMO系統(tǒng)能夠充分利用信號的所有空時(shí)頻域的特性，具有以下優(yōu)點(diǎn)：由于陣列天線可以降低共道干擾和多徑衰落的影響，因此在一定的信干噪比(SINR)條件下可以降低誤碼率，或者在一定的誤碼率下可以降低檢測所需的信干噪比。MIMO系統(tǒng)能夠

3、抑制或有效消除共道干擾以及碼間干擾，同時(shí)利用分集技術(shù)提高接收信號的信干噪比，因此基站和移動(dòng)終端的發(fā)送功率可以得到一定程度的降低，同時(shí)減小空間電磁干擾的影響、延長移動(dòng)終端電池使用時(shí)、減小對生態(tài)環(huán)境的影響、降低系統(tǒng)對功率控制精度和器件的要求。User data stream.User data stream.ChannelMatrix Hs1s2sMsy1y2yMy.h11h12h11 h21 . hM1 h12 h22 . hM2h1M h2M . hMM . . . . MTMRWhere H = y = Hs + n 固定N，令M增大，使得 ，這時(shí)可以獲得到容量的近似表達(dá)式： 從上式可以看出

4、，此時(shí)的信道容量隨著天線數(shù)的增加而線性增大即可以利用MIMO信道成倍地提高無線信道容量，在不增加帶寬和天線發(fā)射功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高，充分展現(xiàn)了MIMO技術(shù)的巨大優(yōu)越性。2log det()HNCIH HMH1NHHIM2log (1)CN2第一部分第一部分 MIMO 簡介簡介2第二部分第二部分 MIMO 中的關(guān)鍵技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)2第三部分第三部分 MIMO 中的天線選擇中的天線選擇10n第二章第二章 MIMO關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)u第一節(jié)第一節(jié) 空間分集空間分集u第二節(jié)第二節(jié) 空間復(fù)用空間復(fù)用分集技術(shù)是無線通信系統(tǒng)為對抗衰落所采用的一種基本方法，是提高衰落信道中的通信可靠性，降低誤

5、比特率(BER)的抗干擾技術(shù)之一。分集的基本原理如下： 通過多個(gè)信道(時(shí)間、頻率或空間)可以接收到承載相同信息的多個(gè)副本，而且它們的強(qiáng)度也具備可比性，這樣多個(gè)信號的衰落就會(huì)呈現(xiàn)出獨(dú)立性。由于各個(gè)信號不可能同時(shí)處于深衰落情況中，在接收端對這些信號進(jìn)行適當(dāng)合并，因此至少可以保證有一個(gè)強(qiáng)度足夠大的信號副本提供給接收機(jī)使用，從而改善傳輸?shù)目煽啃?。如果不采用分集技術(shù)，在噪聲受限條件下，發(fā)射機(jī)必須要發(fā)射較高的功率，才能保證信道情況較差時(shí)鏈路能夠正常連接?？色@得分集處理增益可獲得分集處理增益提高信噪比提高信噪比易獲得相對穩(wěn)定的信號易獲得相對穩(wěn)定的信號空間空間分集分集發(fā)射分集接收分集空間分集包括發(fā)射分集和接受

6、分集優(yōu)點(diǎn)空間復(fù)用就是在接收端和發(fā)射端使用多副天線，充分利用空間傳播中的多徑分量，在同一頻帶上使用多個(gè)數(shù)據(jù)通道(MIMO子信道)發(fā)射信號，從而使得容量隨著發(fā)射天線數(shù)量的增加而線性增加，這種信道容量的增加不需要占用額外的帶寬，也不需要消耗額外的發(fā)射功率，因此是提高信道和系統(tǒng)容量的一種非常有效的手段。調(diào)制與映射解調(diào)與分離 發(fā)射的高速數(shù)據(jù)被分成幾個(gè)并行的低速數(shù)據(jù)流，在同一頻帶發(fā)射的高速數(shù)據(jù)被分成幾個(gè)并行的低速數(shù)據(jù)流，在同一頻帶從多個(gè)天線同時(shí)發(fā)射出去。由于多徑傳播，每個(gè)發(fā)射天線對于接從多個(gè)天線同時(shí)發(fā)射出去。由于多徑傳播，每個(gè)發(fā)射天線對于接收機(jī)產(chǎn)生不同的空間簽名，接收機(jī)利用這些不同的簽名分離出獨(dú)收機(jī)產(chǎn)生不

7、同的空間簽名，接收機(jī)利用這些不同的簽名分離出獨(dú)立的數(shù)據(jù)流，最后再復(fù)用成原始數(shù)據(jù)流。因此空間復(fù)用可以成倍立的數(shù)據(jù)流，最后再復(fù)用成原始數(shù)據(jù)流。因此空間復(fù)用可以成倍提高數(shù)據(jù)傳輸速率。提高數(shù)據(jù)傳輸速率。2第一部分第一部分 MIMO 簡介簡介2第二部分第二部分 MIMO 中的關(guān)鍵技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)2第三部分第三部分 MIMO 中的天線選擇中的天線選擇16n第三章第三章 天線選擇技術(shù)天線選擇技術(shù)u第一節(jié)第一節(jié) 天線選擇的引入天線選擇的引入u第二節(jié)第二節(jié) 天線選擇技術(shù)天線選擇技術(shù)u第三節(jié)第三節(jié) 天線選擇算法天線選擇算法由于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

8、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)送和收到的信號可能不是最佳信號，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。隨之而來的問題就是如何選擇發(fā)射天線和接收天線的最佳接收。天線選擇技術(shù)的核心思想是使用有限的射頻鏈路，并將這些射頻鏈路自適應(yīng)地轉(zhuǎn)換到天線子集上發(fā)射或接收信號。天線選擇技術(shù)是減少射

9、頻鏈路數(shù)量的有效方法，同時(shí)又能保持MIMO系統(tǒng)的分集或復(fù)用增益。最優(yōu)算法（窮舉法）基于信道矩陣最大范數(shù)的天線選擇算法遞減算法遞增算法智能優(yōu)化算法（遺傳算法、粒子群算法）隨機(jī)選擇算法窮舉法是根據(jù)香農(nóng)容量公式得出的一種基于最大容量的天線選擇方法。最優(yōu)天線選擇算法的思路是采用逐個(gè)搜索窮舉的方法，選擇在發(fā)送端能夠使信道容量達(dá)到最大的天線組合作為發(fā)射天線。從理論上說，選擇出來的天線所獲得的容量一定是最優(yōu)的，但這個(gè)算法的最大缺點(diǎn)是計(jì)算復(fù)雜度太高，需要進(jìn)行 次計(jì)算，在發(fā)射天線數(shù)MT較小時(shí)計(jì)算量尚且不是很高，隨著MT的增加，過高的復(fù)雜度使得這個(gè)方法很不實(shí)用，不可能應(yīng)用于對實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)。tTLMC最優(yōu)算

10、法基于信道矩陣最大范數(shù)的天線選擇算法 從MT個(gè)發(fā)射天線中選擇MF個(gè)最優(yōu)天線用于發(fā)射信號,則該算法的思想是：從信道矩陣 H的MT列中選出具有最大范數(shù)的MF列作為選擇的子集即可。遞減算法/遞增算法 遞減算法每次消去信道矩陣H中的一列，即刪除對系統(tǒng)容量貢獻(xiàn)最小的天線，重復(fù)執(zhí)行直到H最終只有Lt列為止。而遞增算法則是每次選擇一個(gè)天線使系統(tǒng)容量的增量最大。智能優(yōu)化算法 智能優(yōu)化算法又稱為現(xiàn)代啟發(fā)式算法，是一種具有全局優(yōu)化性能、通用性強(qiáng)、且適合于并行處理的算法。這種算法一般具有嚴(yán)密的理論依據(jù)，而不是單純憑借專家經(jīng)驗(yàn)，理論上可以在一定時(shí)間內(nèi)找到最優(yōu)解或近似最優(yōu)解。常見的有：遺傳算法、粒子群算法。 次優(yōu)算法在

11、無線網(wǎng)絡(luò)中, 另外一種利用多個(gè)天線的方式, 就是在較大的空間范圍內(nèi)安裝多個(gè)天線, 每個(gè)天線將接收到的移動(dòng)臺的信號統(tǒng)一傳送到一個(gè)基站進(jìn)行處理, 而基站也可以將信號同時(shí)通過多個(gè)天線發(fā)送給移動(dòng)臺, 這種利用多個(gè)天線的方式稱為分布式天線系統(tǒng)。把分布式天線應(yīng)用于MIMO系統(tǒng), 形成的分布式MIMO系統(tǒng)能夠提供比傳統(tǒng)MIMO更高的平均信道容量, 有效地削弱“遠(yuǎn)近效應(yīng)”, 可滿足未來無線通信系統(tǒng)高速率、大容量和高覆蓋率的需求。目前對天線選擇算法的研究主要集中在傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)上, 而對分布式MIMO系統(tǒng)中的天線選擇算法的研究相對較少。分布式MIMO系統(tǒng)可以表示為(M,N,L) , 包括N個(gè)具有一定距離分布

12、的天線端口, 每個(gè)端口有L個(gè)天線, 移動(dòng)臺裝備M個(gè)天線.信號模型為：23 ,r t dd s tz tH 式中, r(t , d)為M*1的接收信號向量;H(d)為M*NL的信道矩陣,包含路徑損耗,陰影衰落和小尺度快衰落;s(t)和z(t)分別表示NL*1的發(fā)射信號和零均值加性高斯白噪聲向量。 SHSSFddHHH ,11,22,222SHSHSH NNSHLLLhdhdhdddiagHIII220,min10naxnSH nndhdd1、求出H每行的范數(shù)大小（即每根天線的信道增益），初始化sel_port = ，temp_Hn = .2、從中選出sel_ant根擁有最大范數(shù)的天線，將各天線所

13、在的端口p(將重復(fù)的端口號合并)加入到sel_port，即sel_port = sel_port,p。new_N = length(sel_port).3、選出sel_port中端口所包含的所有天線重新組合成一個(gè)新(new_N*L)*M的信道矩陣Hm ,利用粒子群算法進(jìn)行后續(xù)天線選擇.s(j) = H(j,:)*H(j,:)即4、引進(jìn)粒子群算法，初始化T、Q，采用優(yōu)先權(quán)值初始化機(jī)制，優(yōu)先權(quán)值采用大尺度衰落作為慣性權(quán)重w，將天線進(jìn)行編號，sample = 1、2、。、new_N*L(優(yōu)先值越大越優(yōu)先選取)，將sample的一種隨機(jī)排列作為優(yōu)先值，選取sel_ant根優(yōu)先值最大的天線作為優(yōu)選方案sel