I. Einleitung
Intelligente Antennen werden üblicherweise als adaptive Antennenarrays bezeichnet, die bestimmte Antennenstrahlen bilden können, um ein gerichtetes Senden und Empfangen zu erreichen, und werden hauptsächlich verwendet, um die räumliche Filterung und Positionierung abzuschließen. Im Wesentlichen wird die Positionsbeziehung zwischen den Elementen in der Antennenanordnung verwendet, dh die Phasenbeziehung des Signals, um Mehrfachzugriffsstörungen und Mehrwegestörungen zu überwinden. Dies ist der wesentliche Unterschied zwischen ihm und der traditionellen Diversity-Technologie.
Das MIMO-System bezieht sich auf ein Kommunikationssystem, das gleichzeitig mehrere Antennen am sendenden und am empfangenden Ende verwendet. Es verwendet effektiv zufälliges Fading und mögliche Mehrwegeausbreitung, um die Dienstübertragungsrate zu verdoppeln. Die Kerntechnologie ist die Raum-Zeit-Signalverarbeitung, bei der eine Kombination aus mehreren Zeitdomänen und räumlichen Domänen, die im Raum verteilt sind, für die Signalverarbeitung verwendet wird. Daher kann es als Erweiterung von intelligenten Antennen angesehen werden.
Das intelligente Antennensystem verfügt über mehrere Antennen am sendenden / oder empfangenden Ende der Mobilkommunikationsverbindung. Je nachdem, ob sich die Signalverarbeitung am sendenden oder am empfangenden Ende der Kommunikationsverbindung befindet, wird die intelligente Antennentechnologie als MISO (Multiple Input Single Output) definiert. Einzelausgang, Einzelausgang, Mehrfachausgang (SIMO, Einzelausgang, Mehrfachausgang) und Mehrfachausgang (MIMO, Mehrfachausgang, Mehrfachausgang) usw.
2. Struktur des Smart-Antennen-Transceivers mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen sowie Forschungsfortschritt
Aus 1 ist ersichtlich, dass nach dem Codieren, Modulieren und Raum-Zeit-Verarbeiten (Strahlbildung oder Raum-Zeit-Codieren) der Bitstrom in verschiedene Informationssymbole abgebildet und von mehreren Antennen gleichzeitig übertragen wird; Auf der Empfangsseite werden mehrere Antennen verwendet. Empfangen, entsprechende Demodulation, Decodierung und Raum-Zeit-Verarbeitung durchführen.
Abbildung 1 Smart-Antennen-Transceiver-Struktur mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen
Die Raum-Zeit-Verarbeitungstechnologien im MIMO-System umfassen hauptsächlich Strahlformung, Raum-Zeit-Codierung und Raummultiplex. Beamforming ist eine Schlüsseltechnologie für intelligente Antennen, die das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert, indem die Hauptenergie an den gewünschten Benutzer geleitet wird. Durch Beamforming können Gleichkanalstörungen wirksam unterdrückt werden. Der Schlüssel besteht darin, das Beamforming-Gewicht zu bestimmen.
1. Übertragungsschema des MIMO-Systems
Das Übertragungsschema des MIMO-Systems ist hauptsächlich in zwei Typen unterteilt: das Übertragungsschema, das die Datenrate maximiert (räumliches Multiplexing SDM), und das Übertragungsschema, das den Diversity-Gewinn maximiert (Raum-Zeit-Codierung STC). Das Übertragungsschema mit maximaler Datenrate realisiert hauptsächlich räumliches Multiplexen durch Übertragen unabhängiger Signale auf verschiedenen Antennen. Das Raum-Zeit-Codierungsschema bezieht sich auf die gemeinsame Codierung des Datenstroms am Sendeende, um die durch Kanalschwund und Rauschen verursachte Symbolfehlerrate zu verringern. Es erhöht die Redundanz des Signals durch gemeinsame Codierung am sendenden Ende, so dass das Signal empfangen wird. Das Ende gewinnt an Diversitätsgewinn, aber das Raum-Zeit-Codierungsschema kann die Datenrate nicht erhöhen.
(1) Raum-Zeit-Codierung In einigen Dokumenten ist eine große Anzahl von Übertragungsmechanismen angegeben. Diese Mechanismen können jeweils die Spektrumseffizienz, die höchste Rate und das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR, Signal-Rausch-Verhältnis) maximieren. Sie alle stützen sich auf Channel State Information (CSI). , Channel State Information) ist dem Sender und Empfänger bekannt. Der CSI kann am Empfangsende durch Kanalschätzung erhalten werden, und dann kann das Sendeende durch Rückmeldung benachrichtigt werden.
Für Übertragungsmechanismen, die am sendenden Ende keine CSI erfordern, kann eine Raum-Zeit-Codierung eingeführt werden oder eine räumliche Multiplexverstärkung kann verwendet werden, um die Raumdimension auszunutzen. Die Raum-Zeit-Codierung wird hauptsächlich in Raum-Zeit-Gittercodes und Raum-Zeit-Blockcodes unterteilt. Das empfangene Signal wird vom Decoder mit maximaler Wahrscheinlichkeit (ML, Maximum Likelihood) erfasst. Der früheste Raum-Zeit-Code ist STTC (Raum-Zeit-Gittercode). Auf diese Weise benötigt der Empfänger einen mehrdimensionalen Viterbi-Algorithmus. Die Diversität, die STTC bereitstellen kann, entspricht der Anzahl der Sendeantennen, und der bereitgestellte Codierungsgewinn hängt von der Komplexität des Codeworts ab, ohne die Bandbreiteneffizienz zu beeinträchtigen. Der Raum-Zeit-Blockcode (STBC, Raum-Zeit-Blockcode) kann den gleichen Diversity-Gewinn wie STTC liefern, hat jedoch keinen Codierungsgewinn. Da STBC beim Decodieren nur eine lineare Verarbeitung benötigt, wird normalerweise STBC verwendet. Die Raum-Zeit-Codierungstechnologie setzt im Allgemeinen voraus, dass CSI auf der Empfangsseite vollständig bekannt ist. Wenn CSI an beiden Enden unbekannt ist, werden eine einheitliche Raum-Zeit-Codierung und eine differentielle Raum-Zeit-Codierung vorgeschlagen.
(2) Räumliches Multiplexen Räumliches Multiplexen bezieht sich auf das Senden unabhängiger Signale am Sendeende und die Verwendung von ZF, MMSE, ML, V-BLAST [3] und anderen Verfahren zum Decodieren am Empfangsende. Es kann die durchschnittliche Übertragungsrate des MIMO-Systems maximieren und einige Datenraten opfern, um einen höheren Diversity-Gewinn zu erzielen.
(3) Kombination von Raummultiplex und Raum-Zeit-Codierung Kombinieren Sie Raum-Multiplexing und Raum-Zeit-Codierung und maximieren Sie die durchschnittliche Datenrate unter der Bedingung, dass jeder Datenstrom den minimalen Diversity-Gewinn erzielt. Gegenwärtig gibt es hauptsächlich zwei Schemata, die räumliches Multiplexing und Raum-Zeit-Codierung, Verbindungscodierung und adaptive MIMO-Systeme unter Verwendung von Blockcode-Mapping kombinieren. Das verknüpfte Codierungsschema bezieht sich auf die interne Verwendung der Raum-Zeit-Codierung und die externe Verwendung des Codierungsschemas des herkömmlichen Kanalfehlerkorrekturcodes (TCM, Faltungscode, RS-Code) [4]. Dieses Schema kann nicht nur einen Diversitätsgewinn liefern, sondern auch den Systemkapazität. Da die Korrelation zwischen Kanälen die Spektrumseffizienz des Mehrantennensystems beeinflusst, nimmt der Sender ein räumliches Multiplex-Übertragungsschema an, wenn sich der Kanal in einem idealen Zustand befindet oder die Korrelation zwischen Kanälen klein ist, und wenn die Korrelation zwischen Kanälen groß ist wird Raum-Zeit-Codierung verwendet. Plan starten.
2. MIMO erhält Diversity-Technologie
Die Decodierungsalgorithmen des MIMO-Systems auf der Empfangsseite umfassen hauptsächlich den ZF-Algorithmus, den MMSE-Algorithmus, den Decodierungsalgorithmus für Entscheidungsrückkopplungen, den Decodierungsalgorithmus mit maximaler Wahrscheinlichkeit und den geschichteten Raum-Zeit-Verarbeitungsalgorithmus (Bell Labs Layered Space-Time, BLAST). Unter diesen sind der Null-Forcierungsalgorithmus und der MMSE-Algorithmus lineare Algorithmen, während der Entscheidungsdecodierungsalgorithmus, der Maximum-Likelihood-Decodierungsalgorithmus und der geschichtete Raum-Zeit-Verarbeitungsalgorithmus nichtlineare Algorithmen sind. Am Empfangsende der SIMO- oder MIMO-Kommunikationsverbindung verwendet der Empfänger oder Equalizer das Mehrwegesignal, um das gesendete Signal zu rekonstruieren. Im nicht frequenzselektiven SIMO-Kanal ist der optimale Empfangsmechanismus das Maximum Ratio Combining (MRC, Maximum Ratio Combining); Für den frequenzselektiven SIMO-Kanal ist der optimale Empfangsmechanismus die ML-Erkennung, sie ist jedoch nichtlinear und ihre Komplexität ähnelt der der Antenne. Die Anzahl ist exponentiell (kann durch einen linearen Decoder ersetzt werden, die Leistung wird jedoch verringert). Der ZF-Equalizer kann die Inter-Symbol-Interferenz ISI (InterSymbol Interference) durch die Inverse des Kanals eliminieren, jedoch auf Kosten der Verstärkung des Rauschens. Der MMSE-Empfänger kann einen Kompromiss zwischen Rauschverstärkung und ISI-Unterdrückung eingehen. Der Decision Feedback Equalizer (DFE, Decision Feedback Equalizer), ein suboptimaler nichtlinearer Mechanismus, der auf Decision Feedback basiert, kann verwendet werden, um die Leistung eines linearen Equalizers zu verbessern. Durch einen Rückkopplungsfilter wird ein Teil des vom vorherigen Symbol generierten ISI aus dem aktuellen Symbol entfernt. ML und linearer Ausgleich können auf MIMO-Kanäle erweitert werden. Das Problem bei MIMO-Empfängern ist das Vorhandensein von Multi-Stream-Interferenzen (MSI, Multistream). MSI kann zu gegenseitigen Interferenzen zwischen mehreren Datenströmen führen. Nichtlinearer Equalizer für kontinuierliche Löschung oder V-BLAST-Equalizer können MIMO-Kanäle in parallele Kanäle umwandeln, dieser Mechanismus kann jedoch eine Fehlerausbreitung aufweisen.
3. Beamforming-Technologie im MIMO-System
(1) Das Systemmodell des eigenstrahlformenden MIMO-Systems ist r = Hs + n, und die Kanalmatrix H wird einer Singularwertzerlegung unterzogen. Wenn die Kanalinformationen am sendenden Ende bekannt sind, können die Eigenstrahlformung am sendenden Ende und die lineare Verarbeitung am empfangenden Ende verwendet werden, um das MIMO zu transformieren. Der Kanal ist in parallele Unterkanäle unterteilt. Wenn der Sender die Kanalzustandsinformationen nicht kennt, kann in einer Mehrbenutzerumgebung ein zufälliges Strahlformungsverfahren verwendet werden, um eine Mehrbenutzerdiversität zu erreichen.
(2) Kombination von Strahlformung und Raum-Zeit-Codierung In den meisten Fällen ist anzunehmen, dass ein Teil der CSI-Informationen am Sendeende bekannt ist, weshalb ein Hybridmechanismus vorgeschlagen wird, der Raum-Zeit-Codierung und Strahlformung kombiniert. Raum-Zeit-Codierung und Strahlformung sind zwei verschiedene Sendediversitätstechnologien. Die Raum-Zeit-Codierung gehört zu einer Open-Loop-Diversity-Technologie und erfordert keine Kanalinformationen am Sendeende. Array Beamforming ist eine Closed-Loop-Diversity-Technologie, die Kanalrückkopplungsinformationen zur räumlichen Filterung oder Interferenzunterdrückung verwendet. Die Genauigkeit der Kanalrückkopplung wird den Effekt der Strahlformung ernsthaft beeinflussen. Wenn der Sender einen Teil der Kanalzustandsinformationen erhält (wie Kanalmittelwert oder Kanalkovarianzmatrix), kann die Übertragungsstrategie (Strahlformung oder Raum-Zeit-Codierung [5]) gemäß den Kanalinformationen ausgewählt werden. Das Gewicht der Strahlformung wird durch die Rückkopplungskanalinformationen unter der Bedingung bestimmt, dass das Empfangsende die Anforderungen des Signal-Rausch-Verhältnisses und der Bitfehlerrate erfüllt. Dokumente [6] [7] weisen darauf hin, dass die Kombination von Leistungszuweisung, Strahlformung und Raum-Zeit-Codierung Auswirkungen auf den Sender hat. Die gemeinsame Optimierung bietet eine bessere Leistung als die herkömmliche Raum-Zeit-Codierung, ohne die Komplexität der Geräte und den Verlust der Übertragungsrate zu erhöhen.
Kurz gesagt, die Leistungsmetriken, die die Eigenschaften des MIMO-Smart-Antennen-Transceivers beschreiben, sind mittlerer quadratischer Fehler (MSE), SNR, Bitfehlerrate (BER, Bitfehlerrate), erreichbarer Durchsatz, erforderliche Sendeleistung und Kanalkapazität. Die Sende- und Empfangsmechanismen werden nach diesen Kriterien optimiert. Bei der Konstruktion des Transceivers sollten die folgenden vier Schlüsselparameter besonders berücksichtigt werden: (1) die Zuverlässigkeit des CSI beim Sender und Empfänger; (2) die Eigenschaften des übertragenen Signals (Modulations-, Multiplex- und Trainingsinformationen); (3) Optimierung Leistungsmessung; (4) Rechenkomplexität.
2019-6-11 09:07:33 Kommentarbericht
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0 Drei, die Vorteile intelligenter Antennen
In Mobilkommunikationssystemen sind Mehrweg- und Mehrwegverzögerungserweiterung die Hauptprobleme bei der Mobilkommunikation. Die Mehrwegeausbreitung führt zu einem starken Signalschwund, und die Verzögerungsstreuung führt zu Interferenzen zwischen Symbolen, die die Qualität der Kommunikationsverbindungen ernsthaft beeinträchtigen. Gleichzeitig ist die Gleichkanalstörung der Hauptbeschränkungsfaktor für die Kapazität von Mobilkommunikationssystemen, die sich auf die Wiederverwendung effektiver Netzwerkressourcen (Häufigkeit, Zeit) durch Benutzer auswirkt. Intelligente Antennen können die Verbindungsqualität durch Mehrwegeausbreitung verbessern, die Systemkapazität durch Reduzierung gegenseitiger Interferenzen erhöhen und es verschiedenen Antennen ermöglichen, unterschiedliche Daten zu übertragen. Kurz gesagt, die Vorteile intelligenter Antennen lassen sich wie folgt zusammenfassen:
(1) Erhöhung der Abdeckung. Der kohärente Empfang von Signalen durch das Antennenarray am Empfangsende kann eine Array- oder Strahlformungsverstärkung erzeugen, die proportional zur Anzahl der Empfangsantennen ist.
(2) Leistungsreduzierung / Kostenreduzierung Intelligente Antennen optimieren die Übertragung bestimmter Benutzer, wodurch die Sendeleistung reduziert werden kann, wodurch die Kosten des Verstärkers gesenkt werden.
(3) Die Formen der Verbesserung der Verbindungsqualität / Erhöhung der Zuverlässigkeit umfassen Zeitdiversität, Frequenzdiversität, Codediversität und Raumdiversität. Wenn intelligente Antennen zum Abtasten des räumlichen Bereichs verwendet werden, tritt räumliche Vielfalt auf. In einem nicht frequenzselektiven Fading-MIMO-Kanal ist die maximale räumliche Diversitätsordnung gleich dem Produkt aus der Anzahl der Sendeantennen und der Anzahl der Empfangsantennen. Mehrere Sendeantennen können mithilfe eines speziellen Modulations- und Codierungsmechanismus eine Sendediversität erzeugen, und die Empfangsdiversität mehrerer Empfangsantennen hängt von der Kombination unabhängiger Fading-Signale ab.
(4) Erhöhen Sie die Spektrumseffizienz. Eine genaue Steuerung der Sendeleistung durch verschiedene Methoden verringert die Gleichkanalstörung und erhöht dadurch die Anzahl der Benutzer, die dieselben Ressourcen verwenden. Durch die Realisierung von SDMA (Space Division Multiple Access) durch Beamforming kann Ressourcenmultiplexing erzielt werden, wodurch die Datenrate und die Spektrumseffizienz erhöht werden. Diese Verstärkung wird auch als räumliche Multiplexverstärkung bezeichnet. Im MIMO-System werden mehrere unabhängige räumliche Dimensionen verwendet, um gleichzeitig Daten zu übertragen. In einem nicht korrelierten Rayleigh-Fading-MIMO-Kanal ist die Kanalkapazität proportional zur minimalen Anzahl von Sende- und Empfangsantennen.
Intelligente Antennen sind normalerweise so konzipiert, dass sie sich auf eine der oben genannten Verstärkungen konzentrieren, wie z. B. Strahlformung, Diversity-Verstärkung und Multiplexing-Verstärkung. Der Kompromiss zwischen diesen Gewinnen ist in jüngster Zeit zum Forschungsschwerpunkt geworden.
4. Intelligente Antennentechnologie in zukünftigen Mobilkommunikationssystemen
Zukünftige mobile Kommunikationssysteme erfordern Signalverarbeitungstechnologien, die an verschiedene Kommunikationsumgebungen angepasst werden können. Daher muss in der Anfangsphase des zukünftigen Entwurfs intelligenter Antennen der Kompromiss zwischen Leistung und Komplexität sorgfältig abgewogen werden.
1. Rekonfigurierbarkeit der physikalischen Schicht
Damit der Mobilkommunikations-Transceiver in einer Umgebung arbeitet, in der mehrere Parameter kontinuierlich geändert werden, muss im Transceiver eine rekonfigurierbare adaptive Technologie eingesetzt werden, um die Struktur anzupassen und die beste Leistung zu erzielen. Die Rekonfigurierbarkeit im intelligenten Antennen-Transceiver kann als intelligentes Schalten der Transceiver-Struktur in verschiedenen Umgebungen angesehen werden. In der Literatur [8] [9] wurde beispielsweise ein Algorithmus für den Kompromiss zwischen Raumdiversität und Multiplexing in MIMO-Kanälen vorgeschlagen.
2. Optimierung zwischen verschiedenen Schichten
Die Interaktion zwischen den vom OSI-Modell (Open System Interconnection) definierten High-Levels kann die Leistung des gesamten Systems verbessern. Die intelligente Antenne wird entworfen, indem die Parameter der physikalischen Schicht, der Verbindungsschicht und der Netzwerkschicht kombiniert werden, dh der Entwurf berücksichtigt die Beziehung zwischen den verschiedenen Schichten, anstatt eine einzelne Schicht zu berücksichtigen. Die Praxis zeigt, dass es ineffizient ist, die Leistungsbewertung der Entwurfsmethode nur für eine Schicht zu berücksichtigen. Wenn beispielsweise die Planung eingeführt wird, nimmt der durch Raum-Zeit-Codierung erhaltene Gewinn ab oder verschwindet sogar.
Die zwischen verschiedenen Schichten von OSI ausgetauschten Informationen können wie folgt klassifiziert werden: (1) CSI: Es ist erforderlich, die Kanalimpulsantwort, Positionsinformationen, Fahrzeuggeschwindigkeit, Signalstärke, Interferenzstärke, Interferenzmodell usw. zu schätzen. (2) QoS Verwandte Parameter: einschließlich Zeitverzögerung, Durchsatz, Bitfehlerrate, Paketfehlerrate (PER, Paketfehlerrate) usw. (3) Ressourcen der physischen Schicht: einschließlich Raumverarbeitungsmechanismus, Anzahl der Antennenarrays, Verlust der Batterieleistung usw.
Es ist sehr wichtig, Optimierungskriterien zwischen Ebenen zu berücksichtigen. Im tatsächlichen System hängt die Verbindungsqualität der intelligenten Antenne nicht nur von der verwendeten Datenerkennungsmethode ab, sondern auch von dem spezifischen Codierungsmechanismus und der auf der Verbindungsschicht verwendeten Funktion für die mittlere Zugriffskontrolle (MAC, mittlere Zugriffskontrolle). Die in der oberen Schicht verwendete Protokollstapelleistung. Daher sollten die oben genannten Faktoren beim Entwerfen umfassend berücksichtigt werden und nicht nur ein einzelner Faktor. Für verzögerungsunempfindliche Dienste wird die intelligente Antennentechnologie wie V-BLAST mit dem Mechanismus der automatischen automatischen Wiederholungsanforderung (H-ARQ, Hybrid Automatic Repeat Request) kombiniert.
3. Vielfalt für mehrere Benutzer
Bei der Mehrbenutzerkommunikation wurde eine Kommunikationsmethode namens Opportunity-Mechanismus beachtet. Die Grundidee besteht darin, zu multiplexen, indem Benutzern Kanäle zugewiesen werden, die am wahrscheinlichsten eine kontinuierliche Übertragung abschließen. Dies kann den Durchsatz des Systems maximieren. Bei reflektierenden räumlichen Kanälen zeigt das opportunistische Strahlformungsverfahren auf die Benutzer mit dem höchsten SNR. Auf der anderen Seite weist der Zufallsmechanismus bei ausreichender Streuung den Kanal den Benutzern mit der höchsten Momentankapazität zu. Der Opportunity-Mechanismus kann Mehrbenutzerdiversität erzeugen, die eine Ergänzung zu Codediversität, Zeitdiversität, Frequenzdiversität oder Raumdiversität sein kann. Wenn sich dies jedoch auf das Design des MAC-Protokolls auswirkt, wird MAC den Konflikterkennungsmechanismus aufgeben und sich dem Mehrbenutzermechanismus zuwenden.
4. Tatsächliche Leistungsbewertung
In zukünftigen Mobilkommunikationssystemen hängt der Einsatz intelligenter Antennen hauptsächlich von den Ergebnissen zweier Studien ab:
(1) In der Entwurfsphase des zukünftigen Systems sollten die Eigenschaften von intelligenten Antennen und der Mobilkommunikationsumgebung wie Ausbreitungseigenschaften, Antennenarray-Konfiguration, Servicemodus, Interferenzsituation und Effektivität der Signalbandbreite berücksichtigt werden, um die Kompatibilität sicherzustellen.
(2) Gemäß den Schlüsselparametern für das zukünftige System wird die tatsächliche Leistung der intelligenten Antenne durch den Optimierungskompromiss zwischen Simulation auf Verbindungsebene und Simulation auf Systemebene bewertet.
V. Zusammenfassung
Die Verwendung der Mehrantennentechnologie in 3G auf der Basis der CDMA-Technologie kann Mehrfachzugriffsstörungen wirksam reduzieren, und die Raum-Zeit-Verarbeitung kann die Kapazität des CDMA-Systems erheblich erhöhen. Mit ihrer herausragenden Leistung bei der Verbesserung der Frequenznutzung sind MIMO- und Smart-Antennen zu wichtigen Themen bei der Entwicklung von 4G geworden. In diesem Artikel wird die Kombination von intelligenten Antennen und MIMO-Systemen verwendet, um ein Raum-Zeit-Signalverarbeitungsschema für intelligente Antennen-Transceiver mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen zu erhalten. Er erläutert die Vorteile intelligenter Antennen und zukünftige Entwicklungstrends intelligenter Antennen und erläutert auch die aufgetretenen Probleme in dem Design . Kurz gesagt, der rationelle Einsatz intelligenter Antennentechnologie wird die Leistung künftiger Mobilkommunikationssysteme erheblich verbessern.
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