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無(wú)線通信系統(tǒng)中的MIMO技術(shù)介紹

作者: 時(shí)間:2012-03-30 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

波束賦形

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/155138.htm

  在空間分集和空間復(fù)用中,通常認(rèn)為發(fā)射機(jī)不了解信道信息。當(dāng)發(fā)射機(jī)具備信道信息時(shí),可改善性能。信道信息可以是完整的也可以是部分的。完整的信道信息意味著發(fā)射機(jī)已知信道矩陣。部分信息可能指的是瞬時(shí)信道的某些參數(shù)(例如矩陣信道的條件數(shù))或統(tǒng)計(jì)特性(例如發(fā)射或接收的相關(guān)特性)。圖2(b)顯示了使用信道信息的預(yù)編碼框架。發(fā)射信號(hào)(S0,S1)與預(yù)編碼相乘,這可以解釋為波束賦形。經(jīng)過(guò)預(yù)編碼之后,兩個(gè)分離的數(shù)據(jù)流可從兩個(gè)發(fā)射天線同時(shí)發(fā)送,作為空間復(fù)用,但是矩陣編碼器將根據(jù)信道信息發(fā)生變化。假設(shè)發(fā)射機(jī)已經(jīng)知道發(fā)射相關(guān)矩陣,則可以使用相關(guān)矩陣的特征矩陣建立預(yù)編碼矩陣,以優(yōu)化遍歷容量。將2×2預(yù)編碼矩陣表示為W,則符碼周期t1內(nèi)的發(fā)射符碼為:

符碼周期t1內(nèi)的發(fā)射符碼

  同樣,可以使用預(yù)編碼矩陣表示發(fā)射符碼×2和×3。在這個(gè)預(yù)編碼方案中,傳輸速率與發(fā)射接收天線對(duì)的數(shù)量成正比。

  性能的信道依賴性

  對(duì)于來(lái)說(shuō),信道是關(guān)鍵因素,它決定的性能。例如,通過(guò)損耗和衰落可導(dǎo)致信號(hào)幅度衰減,多徑可導(dǎo)致符碼間干擾。雖然開辟了一個(gè)新維度空間可以極大地提高性能,但是分集或容量增益是否能夠真正實(shí)現(xiàn)依賴于信道特性。在STBC應(yīng)用中,是否能夠達(dá)到分集增益取決于信道分集階數(shù)。只有當(dāng)每個(gè)發(fā)射接收天線對(duì)之間具有獨(dú)立衰落通道時(shí),信道分集階數(shù)才等于發(fā)射和接收天線的數(shù)量。這意味著如果發(fā)射接收天線對(duì)之間的信道具有高相關(guān)特性,則可以獲得的分集增益將非常有限??臻g復(fù)用應(yīng)用還要求信道獨(dú)立特性。只有在最佳信道條件下,不同的空間信號(hào)流才能夠被很好地分離,這就是說(shuō)發(fā)射接收天線對(duì)之間的信道具有低相關(guān)特性。

   性能測(cè)試中的挑戰(zhàn)

  隨著MIMO系統(tǒng)發(fā)射機(jī)/接收機(jī)單元的增加,產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)的復(fù)雜程度也在迅速增加,這也給 MIMO性能測(cè)試帶來(lái)了挑戰(zhàn)。如上所述,MIMO的性能取決于信道,為了研究不同信道條件下的接收機(jī)性能,必須使用MIMO信道。在早期設(shè)計(jì)和驗(yàn)證周期內(nèi),直接在真實(shí)的無(wú)線信道環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試并不是一種有效方法。這非常耗時(shí),由于信道敏感和多變,重復(fù)生成研究問(wèn)題是非常困難的。使用軟件生成信道系數(shù)是另一種選擇,但也并非理想方法。因?yàn)榘l(fā)射信號(hào)的系數(shù)生成和卷積運(yùn)算過(guò)程是極為耗時(shí)和占用資源的,所以只使用軟件來(lái)仿真信道行為在實(shí)時(shí)測(cè)試中是不可行的。另外,信道模型變得越來(lái)越復(fù)雜,不同的通信標(biāo)準(zhǔn)要求使用不同的信道模型和測(cè)試環(huán)境。重復(fù)生成所有這些信道模型和測(cè)試環(huán)境將加重設(shè)計(jì)工程師的負(fù)擔(dān),而且耗時(shí)的測(cè)試將減緩故障診斷過(guò)程和開發(fā)周期。因此,專業(yè)的MIMO信道仿真器是這些工程師加快工作進(jìn)程的關(guān)鍵工具。

  MIMO信道仿真器使用功能強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理可以重復(fù)生成設(shè)定的、真實(shí)的信道環(huán)境,這使工程師能夠在早期部署和設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段隔離性能問(wèn)題,并為元器件或系統(tǒng)的全面故障診斷提供最快速的方法。目前的SISO信道仿真器無(wú)法有效地解決MIMO性能測(cè)試問(wèn)題。首先,每臺(tái)接收機(jī)需要對(duì)不同發(fā)射機(jī)的信號(hào)流進(jìn)行求和運(yùn)算;第二,多級(jí)并聯(lián)SISO信道仿真器無(wú)法仿真不同信道的相關(guān)特性,而這是MIMO信道的一個(gè)重要特點(diǎn);第三,滿足所需的信道數(shù)量要求對(duì)于SISO信道仿真器來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

  可仿真真實(shí)MIMO信道的專業(yè)儀器為應(yīng)對(duì)這些復(fù)雜的測(cè)試條件提供了最佳解決方案。信道仿真器(例如 N5106A PXB MIMO接收機(jī)測(cè)試儀)使用功能強(qiáng)大的數(shù)字處理可以重復(fù)生成真實(shí)的MIMO條件,從而能夠在設(shè)計(jì)、部署和驗(yàn)證周期早期快速隔離性能問(wèn)題。信道仿真器還具有一個(gè)優(yōu)勢(shì),它可以生成真實(shí)的衰落環(huán)境,包括路徑和信道相關(guān)性,具有更低的實(shí)施成本和更快的校準(zhǔn)流程。

Agilent N5106A MIMO接收機(jī)測(cè)試儀

  圖3.Agilent N5106A MIMO接收機(jī)測(cè)試儀可提供多達(dá)4個(gè)基帶發(fā)生器和8個(gè)衰落器,這有助于對(duì)高達(dá)4×2 MIMO的系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和故障診斷。Agilent Signal Studio信號(hào)生成軟件在該測(cè)試儀上運(yùn)行,并為工程師提供最新的標(biāo)準(zhǔn)一致性信號(hào)生成功能。

  圖4顯示了測(cè)試 2×2 MIMO接收機(jī)的簡(jiǎn)化配置圖。該測(cè)量?jī)x器與兩個(gè)用于信號(hào)上變頻的射頻信號(hào)發(fā)生器相連,儀器內(nèi)部基帶發(fā)生器生成標(biāo)準(zhǔn)一致性波形,例如LTE信號(hào)。通過(guò)軟件的圖形化界面用戶可以清楚地看到基帶發(fā)生器與信道衰落器之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。每臺(tái)衰落器能夠使用標(biāo)準(zhǔn)一致性衰落模型進(jìn)行獨(dú)立配置,如使用3GPP LTE標(biāo)準(zhǔn)36.101 Annex B,或者使用各種路徑和衰落條件定制可配置的模型。與獨(dú)立的衰落器不同,儀器的自動(dòng)功率校準(zhǔn)功能消除了進(jìn)行衰落所需的枯燥、耗時(shí)的系統(tǒng)設(shè)置。

使用Agilent N5106A PXB MIMO接收機(jī)測(cè)試儀測(cè)試2×2 MIMO接收機(jī)的簡(jiǎn)化方框圖
圖4:使用Agilent N5106A PXB MIMO接收機(jī)測(cè)試儀測(cè)試2×2 MIMO接收機(jī)的簡(jiǎn)化方框圖。

  本文小結(jié)

  本文概述了先進(jìn)的3G/4G系統(tǒng)中的MIMO,了空間分集、空間復(fù)用和波束賦形的基本概念以及它們對(duì)MIMO性能的影響。在用于豐富的多徑環(huán)境時(shí),MIMO技術(shù)具有提高信號(hào)的強(qiáng)健性和擴(kuò)充容量的潛力。開發(fā)和測(cè)試MIMO元器件和系統(tǒng)要求使用能夠輕松配置的先進(jìn)信道仿真工具,并為真實(shí)的無(wú)線信道和條件提供精確表征。本文還與讀者分享了如何使用市場(chǎng)上有售的儀器(如Agilent N5106A PXB MIMO接收機(jī)測(cè)試儀)來(lái)仿真這些復(fù)雜信道。

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