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3GMIMO技术的实现挑战与解决方案
发布时间:2021-10-29 00:35
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本文摘要:本文辩论多路输出多路输入(MIMO)技术在先进设备3G(HSPA++、LTE和IMT-advanced)移动应用于中的构建挑战与解决方案。利用强化的频谱效率,MIMO需要确保构建更高的数据速率,并通过将电子信息映射到空间处理单元来提升无线系统的性能。 空间处置还包括在发射机上展开空间实编码和在接收机上展开空间后编码,从信息信号处理理论角度谈,它们彼此之间展开的是双重处置。

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本文辩论多路输出多路输入(MIMO)技术在先进设备3G(HSPA++、LTE和IMT-advanced)移动应用于中的构建挑战与解决方案。利用强化的频谱效率,MIMO需要确保构建更高的数据速率,并通过将电子信息映射到空间处理单元来提升无线系统的性能。

空间处置还包括在发射机上展开空间实编码和在接收机上展开空间后编码,从信息信号处理理论角度谈,它们彼此之间展开的是双重处置。MIMO技术与OFDM(向量频分多路复用)结合可以充分利用无线信道空间冗余和多径的特征,构建先进设备的3G宽带无线通信和低频谱利用率。

在无线通信系统中,在发射机和/或接收机上用于多个天线修筑了一个新的维度空间。如果需要准确利用这一技术,可以极大地提高性能,它现在被普遍地称作MIMO(多路输出多路输入)系统。在术语MIMO中,输出和输入所指的是无线信道。发射机的多个天线意味著有多个信号输出到无线信道中,接收机的多个天线是指多个信号从无线信道输入。

图1是对SISO、SIMO、MISO和MIMO系统的非常简单展示。通过本图,您可以很更容易解读对于发射机天线(T)和接收机天线(R)的MIMO系统来说,如果每个升空接管天线对之间的信道独立国家展开衰败,则信道冗余阶数为T2R。

有所不同的MIMO应用于在一个密集的多径衍射环境中,MIMO系统可充分利用通过空间隔开的天线取得空间冗余。MIMO系统需要通过许多有所不同方法来实行,以取得抵抗信号衰败的冗余增益或者容量增益。一般来说,MIMO技术具备三种类型。第一类目的通过最大化空间冗余提升功率效率。

此类技术还包括延后冗余、机时分组编码(STBC)和机时网格码(STTC)。第二类利用非常丰富的衍射环境中的空间适配,通过天线传输互相独立国家的数据信号,以提升数据速率,但一般来说不需要超过原始的空间冗余。第三类利用的是发射机的信道信息,又称作波束赋形。

它利用信道信息创建波束赋形矩阵,作为发射机和接收机的前置滤波器和后置滤波器的,以构建容量增益。空间冗余无线信道中信号功率的波动十分较慢。信号功率明显下降时,信道正处于衰败状态。冗余用作在无线信道中抵抗衰败。

接管天线冗余可在SIMO地下通道中用于。接管天线接管同一信号独立国家的衰败状态,并与这些信号结合,使得制备信号的幅度变化大于任一天线的信号。一般来说用于独立国家衰败信道数来叙述冗余的特征,这一数目也称作冗余阶数,并且如果同一升空天线针对所有接管天线的信道具备独立国家的衰败特性,则冗余与SIMO信道中接管天线的数量大于。

升空冗余限于于MISO信道并且早已沦为倍受注目的研究领域。萃取冗余必须必要的设计升空信号。在接收机上用于适合的人组方案,以取得冗余增益。

如果所有升空天线到同一接管天线的信道具备独立国家的衰败特性,则该信道的冗余与升空天线的数量大于。得出了一个非常简单的发射机冗余方案实例,也称作Alamouti机时编码。在登录的符码周期,两个天线同时收到两个信号。

在符码周期t1,分别从天线0和天线1发送到信号s0和s1,在下一个符码周期t2内,天线0发送到信号-s1*,天线1发送到信号s0*,其中()*是始共轭运算。这一序列如图2右图。编码是在机时编码中已完成的,也可在空频编码中已完成。可用于两个邻接的载波(空频编码)来替代两个邻接的符码周期。

用于MIMO信道的冗余必须将上述升空和接管冗余结合。如果每个升空接管天线对之间的信道独立国家衰败,则冗余顺序与升空和接管天线的数量大于。空间适配空间适配可以为完全相同比特率的信号获取线性快速增长的传输速率,而且会导致额外的功率损耗。

得出了所含两个升空天线的非常简单的空间适配系统,这一概念可扩展到更加广泛的MIMO系统中。升空的比特流被去适配到两个具备一半速率的子比特流中,由每个升空天线同时展开调制和升空。例如在中,在符码周期t1内,天线0升空符号s0,从天线1升空符号s1。

在符码周期t2内,天线0升空符号s2,天线1升空符号s3。因此,升空速率是SISO系统的两倍。在最佳的信道条件下,接收机末端接管到的信号的空间特性,可以被很好的分离出来。接收机根据信道信息可以对两个同信道信号展开区别和萃取。

展开调制之后,子比特流需要互相融合产生完整比特流。所以,空间适配所能提升的传输速率与升空接管天线对的数量成正比。空间适配还可用作多用户格式,也就是空分多址或SDMA。

假设两个用户升空独立国家的信号,这两个信号皆抵达一个备有两个天线的基站。该基站可以分离出来这两个信号,以反对两个用户同时用于信道。

这使容量需要根据基站的天线数量和用户数量成比例的减少。波束赋形在空间冗余和空间适配中,一般来说指出发射机不理解信道信息。

当发射机不具备信道信息时,可提高系统性能。信道信息可以是原始的也可以是部分的。原始的信道信息意味著发射机未知信道矩阵。

部分信息有可能所指的是瞬时信道的某些参数(例如矩阵信道的条件数)或统计资料特性(例如升空或接管的涉及特性)。图4表明了用于信道信息的预编码框架。升空信号(S0,S1)与实编码相加,这可以说明为波束赋形。

经过实编码之后,两个分离出来的数据流可从两个升空天线同时发送到,作为空间适配,但是矩阵编码器将根据信道信息发生变化。假设发射机早已告诉升空相关矩阵,则可以用于相关矩阵的特征矩阵创建实编码矩阵,以优化迭代容量。

将2X2实编码矩阵回应为W,则符码周期t1内的升空符码为:某种程度,可以用于实编码矩阵回应升空符码x2和x3。在这个实编码方案中,传输速率与升空接管天线对的数量成正比。MIMO性能的信道依赖性对于无线通信系统来说,信道是关键因素,它要求系统的性能。例如,通过损耗和衰败可造成信号幅度波动,多径可造成符码间阻碍。

虽然MIMO修筑了一个新的维度空间可以极大地提高性能,但是冗余或容量增益否需要确实构建依赖信道特性。在STBC应用于中,否需要超过冗余增益各不相同信道冗余阶数。只有当每个升空接管天线对之间具备独立国家衰败地下通道时,信道冗余阶数才相等升空和接管天线的数量。

这意味著如果升空接管天线对之间的信道具备低涉及特性,则可以取得的冗余增益将十分受限。空间适配应用于还拒绝信道独立国家特性。只有在最佳信道条件下,有所不同的空间信号流才需要被很好地分离出来,这就是说升空接管天线对之间的信道具备较低涉及特性。

MIMO性能测试中的挑战随着MIMO系统发射机/接收机单元的减少,产品设计和研发的复杂程度也在很快减少,这也给MIMO性能测试带给了挑战。如上所述,MIMO的性能各不相同信道,为了研究有所不同信道条件下的接收机性能,必需用于MIMO信道。在早期设计和检验周期内,必要在现实的无线信道环境中展开测试并不是一种有效地方法。

这十分耗时,由于信道脆弱和多变,反复分解研究问题是十分艰难的。用于软件分解信道系数是另一种自由选择,但也并非理想方法。因为升空信号的系数分解和卷积运算过程是十分耗时和闲置资源的,所以只用于软件来建模信道不道德在动态测试中是不不切实际的。

另外,信道模型显得更加简单,有所不同的通信标准拒绝用于有所不同的信道模型和测试环境。反复分解所有这些信道模型和测试环境将减轻设计工程师的开销,而且耗时的测试将减慢故障诊断过程和开发周期。因此,专业的MIMO信道仿真器是这些工程师减缓工作进程的关键工具。

MIMO信道仿真器用于功能强大的数字信号处理技术可以反复分解原作的、现实的信道环境,这使工程师需要在早期部署和设计检验阶段隔绝性能问题,并为元器件或系统的全面故障诊断获取最较慢的方法。目前的SISO信道仿真器无法有效地解决问题MIMO性能测试问题。首先,每台接收机必须对有所不同发射机的信号流展开议和运算;第二,多级并联SISO信道仿真器无法建模有所不同信道的涉及特性,而这是MIMO信道的一个最重要特点;第三,符合所需的信道数量拒绝对于SISO信道仿真器来说是一个极大的挑战。

可建模现实MIMO信道的专业仪器为应付这些简单的测试条件获取了最佳解决方案。信道仿真器(例如N5106APXBMIMO接收机测试仪)用于功能强大的数字处置技术可以反复分解现实的MIMO条件,从而需要在设计、部署和检验周期早期较慢隔绝性能问题。信道仿真器还具备一个优势,它可以分解现实的衰败环境,还包括路径和信道相关性,具备更加较低的实行成本和更加慢的校准流程。

.AgilentN5106AMIMO接收机测试仪可获取多达4个基带发生器和8个衰败器,这有助对超过4x2MIMO的系统展开测试和故障诊断。AgilentSignalStudio信号分解软件在该测试仪上运营,并为工程师获取近期的标准一致性信号分解功能。表明了测试2x2MIMO接收机的修改配置图。

该测量仪器与两个用作信号上变频的射频信号发生器连接,仪器内部基带发生器分解标准一致性波形,例如LTE信号。通过软件的图形化界面用户可以确切地看见基带发生器与信道衰败器之间的对应关系。

每台衰败器需要用于标准一致性衰败模型展开独立国家配备,如用于3GPPLTE标准36.101AnnexB,或者用于各种路径和衰败条件自定义可配备的模型。与独立国家的衰败器有所不同,仪器的自动功率校准功能避免了展开衰败所需的乏味、耗时的系统设置。

总结本文阐述了先进设备的3G无线通信系统中的MIMO技术,讲解了空间冗余、空间适配和波束赋形的基本概念以及它们对MIMO性能的影响。在用作非常丰富的多径环境时,MIMO技术具备提升信号的强壮性和扩展容量的潜力。研发和测试MIMO元器件和系统拒绝用于需要精彩配备的先进设备信道建模工具,并为现实的无线信道和条件获取准确密切相关。

本文还与读者共享了如何用于市场上有售的仪器(例如AgilentN5106APXBMIMO接收机测试仪)来建模这些简单信道。参照:1.MIMOchannelmodelingandemulationtestchallenges.AgilentApplicationNote598?-8?73EN,October,2008/litweb/pdf/598?-8?73EN.pdf2.3GPPLongTermEvolution:SystemOverview,ProductDevelopment,andTestChallengesAgilentApplicationNote598?-8139EN,May19,2008/litweb/pdf/598?-8139EN.pdf3.ConceptsofHighSpeedDownlinkPacketAccess:BringingIncreasedThroughputandEfficiencytoW-CDMAAgilentApplicationNote598?-2365EN,January18,2007/litweb/pdf/598?-2365EN.pdf作者:Dr.MichaelLeung(梁雄峰博士)应用于项目经理安捷伦科技公司(亚洲)电子测量事业部关于作者:MichaelLeung梁雄峰博士是安捷伦科技公司(亚洲)电子测量事业部的应用于项目经理。他在安捷伦面向亚洲的3G(WCDMA)、3.5G(HSPA)和3.9G(LTE)无线技术开发、协议研究和测试研发中充分发挥着举足轻重的起到。

Michael于1998年取得香港理工大学理学硕士学位,2005年取得香港理工大学工程学博士学位。他是一名授权工程师(CEng)、IET成员(MIET)和IEEE高级会员(SMIEEE)。


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