MIMO技术原理及应用

【实例简介】
PPT内容 pdf 现代通信先进技术MIMO技术原理及应用。
MMO系统模型(1) MIMO系统模型(2) ■M根发送天线发射的倌号矢量为 ■N根接收天线上引入的噪声矢量为 N根接收天线 H M根发送天线 (n的每一个分量都是独立同发布的复高斯随机过程) ■接攻信号可以表示为 r= hs+n 〔其中 图MIM0系统框图 MIMo系统模型(3) MIMO信道模型(1) ■独立同分布的复高斯信道为 n,表示第j根发送天线到第根接收天线幼冲击响应 函数;且都是独立司分布的复机变量,实部和虚 部都是高斯随机变量 h 注:这样的独立高斯信道,一般用于描述较强的散射环境,可以 认为是比较理想的信道 MIMO信道模型(2) MIMO信道模型(3) ■带有相关性的信道模型 主散射休 >天线之间的间距 入射波的到达角 入射波的角度扩展 接收端 多輸入多输出系天线结构示意图 MIMO信道模型(4) MIMo信道模型(5) ■ nokia空间相关MMo信道模型 ■每一条路径接收角(A0A)和发送角(AOD)定 研究的MHMo信道模型假定在远场区有很少的空间 义为关于天线阵列和主要反射体位置的量。 独立的主反射体,一个主反射体有一条主要路径 ■由于本地散射,每一条路径P都会有角度扩展a9), 这条路径含有大量的引入波,这些波是由接收机 使信号延时几乎相同的时间,但会随AOA的变化: 和发射机附近的当地散射体的结构引起的 g)=∑)∑y MIMo信道模型(6) MIMo信道模型(7) 表示有L个本地散射体。 同理定义发送端有当地散射的角度扩展(φ) 假设接收天线在发送天线的远区场内。因此 式中 可假定接收天线接收的是平面波。通过天线阵 列,平面波的传播在不同的天线环境下产生时 延^。不同天线的波前到达的很小的时间延 式中d“是两个邻近的天线的距离,几是通信系統的载 迟导致接收天线的相移Φ 波波长 MIM信道模型(8) MIMO信道模型(9) ≯阵列的传播向量包括关于第一个天线的这些 ■同样,在发送端 相移。对于具有相同天线间隔d的线性阵列, 向量a。可表示为 Oo,uit. d sin o. 接收端的相关矩阵为 MIMo信道模型(10) MIMo信道模型(11) ■发送端的天线之间的相关矩阵 Noka空间相关MMO信道的仿真 用生成单天线快衰落的方法,生成互相独立的 列向量 R1=∑ana3) 用上述方法分別计算接收天线和发送天线的相 关矩阵Rx、R R 计算接收天线和发送天线的相关矩阵的 Kronecker积,得到总的相关矩阵RNu MIMo信道模型(12) MIM◎信道 Shannon容量(1) Nokia空间相关MMO信道的仿真(续 ■基于前面所述的信道模型,根据信息论的结论,此 将总的相关矩阵进行 Cholesky分解,得到矩阵 MIMO系统能达到的系统 Shannon容量为 Nx MN C=log;deo+fH”)bsH 计算列向量hx=[h,h2,…,hw丁和矩阵 其中du)表示取方阵的行列式,是NxN单位矩阵,p为每根 CMww的乘积,得到列向量hMN 接收天线的信噪比,∥表示信道矩阵的共轭转置 ■由于信道矩阵H是随机的,上式的容量也是一个随机变量 将列向量h进行分段,得到矩阵hM,即 为空间相关的MMO信道 MIMo信道 Shannon容量(2) MIM信道 Shannon容量(3) ■在理想情况下,即MMO信道可以等效为最大数目的独 C=log, I /eI 立、等增益、并行的子信道时,得到最大的 Shannon容 量(为保证系统性能比较是在相同条件下,将发射功率 Roll Lahs Tewchaui n AR s, UTs 归一化;每根发送天线的发射功率与1/M成比例)当信 道列矢量互相正交时可以达到的容量 a Caloy M log,( C=Logo/.5 以看出,对于采用多天线发送和接收技术的系统,理 想情况下的信道容量将随着发射天线的数目成线性増长 这就为MIMO的高速数据速率传输奠定了理论基础。 MIM信道 Shannon容量(4) MIM信道 Shannon容量(5) ■当接收天线和发送天线数目都为8根,且平均 H吧M= 信噪比为20旧B时,链路容量可以高达 42b/s/Hz Dm5 ■在大信噪比下,仅仅在链路的一端采用多天线, 比两端都采用多天线所取得的容量要小。例如, N=M=2在大信噪比下的容量比N=4,M=1的容 量要大 图二不同天线数目下, Shann。n容量与SNR曲线 MIMo系统的实现 接收分集(1) ■接收分集 ■采用一个发送天线,多个接收天线的分集方式, ■发送分集 能够抗衰落和抗噪声 ■分层空时结构 r=hs+n ■空时编码 ■空时扩频 其中 ■正交发送分集 r=r2…y ■空时发送分集 Th, h,,hy j 接收分集(2) 接收分集(3) ■最大比合并算法(MRc ■容量为 s=[h,,,+h1…hn =(h2+h2+,+h(+h1nh C-log(+p∑ ■分集增益为 h2+1hP+,+h1 6 发送分集(1) 发送分集(2) ■采用多个发送天线,一个接收天线的分集方式, 能够抗衰落 ■如果和接收分集保持相同的总的发送功率,则 每个发送天线的发送功率为发送分集的1M C=log(1-(p/M∑h ■分集增益为 (内2+h2F÷.+h)/M 发送分集(3) 发送分集(5) ■上面的发送分集方案是在发送端不知道信道信 息的情况下得到的性能,如果发送端准确地知 道信道的信息,可以获得与接收分集相同的性 S 能,下面以2个天线的情况为例加以说明。 √h22+|h22 ■对发送的信息进行预处理,令 h2 发送分集(6) 发送分集(7) ■则 ■系统增益为 r= hs+n h2+1h2+.+h2 h *s,+h,. s+n ■容量为 h Ih, .s+n N4P+1212°h1P+1h2P C=log(+*∑2) 2+|h2*s+n 分层空时结构(1) 分层空时结构(2) ■为了充分利用MMO的信道容量,G. OSchin提出 ■将信源数据分为多个数据子流,分别经过多个信道编 了分层空时结构( BLAST: Bel-laboratories 码器编码,或不经过信道编码,直接送入调制映射器 Layered Space-Time 进行信号映射。输出的多路调制信号进行空间域和时 间域的信号构造(对角结构、垂直结构等)后,再由 ■ BLAST的优点是真正意义上实现了高数据通信 多个发射天线发射出去.经无线信道传播后,由多个 因为它在多条并行信道里发送的是独立的、没有冗余 接收天线接收。在接收机中经空时检测、解调、译码, 的信息流,所以它的传输速率将远大于利用传统技术 得到判决数据。 所得到的传输速率 分层空时结构(3) 分层空时结构(4) ■特点 高散射 高信噪比 T 开环系统,因为 BLAST的发射机不需要信道的 data ende 信息,只需在接收端进行信道预澳 Fig 1 V-BLASTHigh-lerei syster dagra:m 分层空时结构(5) 分层空时结构(6) ■发送端将单个用户的数据部变并到多个发送天线上,同时 l D-BLAST( Diagonal Bell Laboratories Layered 的、并行的发送这些数据,利用多输入和多输出方式在同 Space-Time)技术是一种在接收端和发送端均使 频率上传输并行信息流。如果信道是多径散射环境足够 用多天线矩阵,并运用一种较好的钟层编码的结构, 强,在接攻端可以采用 BLAST算法,恢复出原始信号 码块在空时结构中分散在对角线 在独立的瑞利散射环境中,这种处理技术理论上 以使容量与发送天线数目成线 而且接近于 ■ BLAST根据构造方式的不同,可以分为对角结构(D- Shannon容量极限的90%,但是这种算法较复杂 BLAST: Diagonal BLAST)和垂直结构( V-BLAST 实现较困难 Vertical blast)。 ■ V-BLAST( Vertical BLAST)是一种简化的 BLAST检测算法,也就是码块垂直分散在每根天 线上 在室肉慢表环境中其频谱效率可以达到40bits/Hz。 8 分层空时结构(7) 分层空时结构(8) 对角结构的检测也是对角线进行处理的。比如现在需要 如图三阶示,设发送天线数 检测第1路数据 ,a3:图中对角线(蓝色)以上部 为M=5,5路数括流在5根天 线上循环发,比如对于第1 分(红色)都是未检测数据,对角线以下部分(绿色) 路,第1个数据a在天熊1 都是已测数据。对于数据 干扰抵消法将 巳检测的 时间t泼送,第2个数据在 b1,c1,d1,e1抵消,再进行检测;对于数据2,用干扰 天线2上时间发送,5个时 抵消法将已检测的b:;2d抵消,再用干扰置零法将未控 间段完成一个循环 测的巳2消除,再进行检测,依此类推。 分层空时结构(9) 分层空时结构(10) ■发射机采用循环变动的结构;就避免了某一路数 据因为信道条件的不好,而导致连续的误码,从 如图四所示,设发射天线数 而影响整个接收机的性能.D- BLAST能够达到 为M5,5路数据流分別在 5根天线上并行发送,第 Shannon容量的90%,其运算极其复杂;所以贝 路的数据 恒在天线1 尔实验室又进一步提出了 V-BLAST算法 上发送:第二路的数据 也恒在天线2上发 送;等等依次类推 分层空时结构(11) 分层空时结构(12) 广在检测时间!1的数据 时,先计算出信道转移炬阵 ■ V-BLAST迫零算法 的伪逆,取出其中模数最小的行向量,亦即对应于最大信噪比 ■迫零(ZF)矢量(w:i=1,2…,M) 的数椐,假设为C1,用干扰置零法将术检测的a1hd,消除 从而进行C1的检测,检测后的C1应在总的接收信号去掉它的 影响,并且在信道转移矩阵中去掉相应的列向量,生成新的信 7(H);= 道矩阵;再计算此信道粳阵的伪逆,依此类推 其中(为H的第j列,d为 Kronecker delta函数, 迫零炬阵 HH(伪逆) 分层空时结构(13) 分层空时结构(14) ≯假设发送信号向量为a=(x1,42…,ax),对应的N维摄 ■V- BLAST迫零加干扰消除算法 向量为 由矩阵理论可知,矩阵H的列数越少,迫零失量的模越小 所以性能越好 y=Wr=(H"H)H"(Ha+v) =a+H"H"*v 分层空时结构(15) 分层空时结构(16) V- BLAST加干扰消除检测算法是一个循环过程,包括优化排序方法 ■以下是一个循环递归过程 的选取 W;=(G,) r GI=H=(HH)H(ZF 这样就判决出了一个信号.然后把它的影响从接收信号中减去,并去掉 k,= arg min (G;lI 信道转移矩阵肀相应的列,得到新的转移矩降,并确定新竹伪迸阵,确 定耕的判决顺序 注:1k1,k 为检测过程的排序 2k1为追零矩阵G1中具有最小模值的行向 k:= argmin(G21),‖ 表示H中去掉的 量 第《列后卓伪逆 分层空时结构(17) 分层空时结构(18) a的第k个成分检测后的SNR为 ■最小均方误差(MMSE)算法 H*=( I+H"H)H 在栓测过程中,不同的推序会产生不同的P1:例如 M=3的系统,一般来说,先检测1和先检测2,所褥的 ■只是迫零矢量变化,不能严格迫零,但是使总的嗓声加干 是不一样的。假没的所有成分均采用相同的消除方法:则 扰的方差最小。 信噪比内最小的成分将决定系純的误码率性能。因此,该系 统中我们可以采用一种最小信噪比最大亿的概念。在榍环检 测过程中,每一步我们都选择最好的,从这种将最小信嗅 比最大化的意义上来说,就可以萩得最优化排序5 10 【实例截图】
【核心代码】