多天線多載波關(guān)鍵技術(shù)(20210313193044)

1、多入多出-正交頻分復(fù)用未來的寬帶無線通信系統(tǒng)，將在高穩(wěn)定性和高數(shù)據(jù)傳輸速率的前提下，滿足從語音到多媒體的多種綜合業(yè)務(wù)需 求。而要在有限的頻譜資源上實現(xiàn)綜合業(yè)務(wù)內(nèi)容的快速傳輸，需要頻譜效率極高的技術(shù)。多入多出技術(shù)充分開發(fā)空 間資源，利用多個天線實現(xiàn)多發(fā)多收，在不需要增加頻譜資源和天線發(fā)送功率的情況下，可以成倍地提高信道容量。 正交頻分復(fù)用（正交頻分復(fù)用）技術(shù)是多載波窄帶傳輸?shù)囊环N，其子載波之間相互正交，可以高效地利用頻譜資源。 二者的有效結(jié)合可以克服多徑效應(yīng)和頻率選擇性衰落帶來的不良影響，實現(xiàn)信號傳輸?shù)母叨瓤煽啃?，還可以增加系 統(tǒng)容量，提高頻譜利用率，是第四代移動通信的熱點技術(shù)。正交頻分復(fù)用技術(shù)

2、原理及實現(xiàn)無線信道的頻率響應(yīng)曲線大多是非平坦的，而正交頻分復(fù)用技術(shù)的主要思想就是在頻域內(nèi)將給定信道分成多個正交 子信道，然后將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成多個并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到每個信道的子載波上進(jìn)行窄帶傳輸。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個子信道可以看成平坦性衰落，從而可以消除信道波形間的 干擾。由于正交頻分復(fù)用是一種多載波調(diào)制技術(shù)，正交頻分復(fù)用系統(tǒng)采用正交方法來區(qū)分不同子載波，子載波間的 頻譜可以相互重疊，這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時又極大地提高了頻譜利用率。如圖1可見正交頻分復(fù)用的正交性。jrLF J 祕他山 f PM圖1正交頻分復(fù)用信號頻譜由于正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中

3、有大量載波，所以在實際應(yīng)用中不可能像傳統(tǒng)的處理方法一樣，使用幾十個甚至幾百 個振蕩器和鎖相環(huán)進(jìn)行相干解調(diào)。因此，Wein stein提出了一種用離散傅里葉變換實現(xiàn)正交頻分復(fù)用的方法。設(shè)正交頻分復(fù)用信號發(fā)射周期為0, T,在一個周期內(nèi)傳輸?shù)?N個符號為（DO, D1,，DN-1）。第k個符號Dk調(diào)制第k個載波fk，所以合成的正交頻分復(fù)用信號為：Gn郭尸唧土口并te io, Ti邊，其中；設(shè)發(fā)射戟鎖助和為便各予載濾狂整個OFDM 信號的特號周期內(nèi)滿足正交性，= fn + t a Kk = o, k . M , af為了載縊之間的頻申間削.m；式芯r為軒號申列松D”，耳丿的時而同 溜+凰抿叫：孔戸。

4、口3珈仃ilY魅總。討如人r II1=加竟軌/呦=IfelC訂吭h其中3(0信號的復(fù)包塔加；J-切的IF如砂 * 為采啊率對叩、采杜 那么戈處用軌周期內(nèi)此有于二對亍采樣值.職mwwf*則有，v-i朋*由式可見，以fs對C(t)采樣所得的N個樣值(CO, C1,，CN-1)剛好為(DO, D1,，DN-1)的N點反向離 散傅里葉變換(IDFT)。因此正交頻分復(fù)用系統(tǒng)可以這樣實現(xiàn)：在發(fā)射端，先由(DO，D1，DN-1)的IDFT求得(CO , C1,，CN-1)，再經(jīng)過低通濾波器即得所需的正交頻分復(fù)用信號C(t);在接收端，先對 C(t)采樣得到(CO, C1,，CN-1)，再對(CO, C1,，

5、CN-1)求 DFT,即得(DO, D1,，DN-1)。在實際應(yīng)用中，可以使用DFT的快速算法FFT來實現(xiàn)，采用易于實現(xiàn)的FFT和IFFT技術(shù)，可以快速實現(xiàn)調(diào)制與解調(diào)，而且容易利用DSP電路簡單實現(xiàn)，大大降低了正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的復(fù)雜性。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)與數(shù)字信號處理技術(shù)的迅速發(fā)展，許多DSP芯片的運算能力越來越快，顯著改善了系統(tǒng)的性能，更進(jìn)一步推動了正交頻分復(fù)用技術(shù)的發(fā)展。目前，正交頻分復(fù)用技術(shù)已被普遍認(rèn)為是新一代無線通信系統(tǒng)必須采用的關(guān)鍵技術(shù)。盡管正交頻分復(fù)用有著種種優(yōu)勢，但是對于高速無線通信時代，單純的正交頻分復(fù)用系統(tǒng)傳輸容量仍無法大幅 提高，因此，多入多出與正交頻分復(fù)用技術(shù)的結(jié)合成

6、為一種優(yōu)化組合。M.lx.lIJI H匸匸匸匕匸卜原理及其技術(shù)實現(xiàn)多入多出技術(shù)是針對多徑無線信道來說的，是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個發(fā)射天線和接收天線，從而提 高數(shù)據(jù)速率、減少誤比特率，改善無線信號傳送質(zhì)量。如圖2所示，多入多出系統(tǒng)同時利用信道編碼和多天線技術(shù)，信號S(t)經(jīng)過空時編碼形成 N個發(fā)射子流 Wk(t) , (k=0, 1,N-1 )。這N個子流由N個天線發(fā)射出去，經(jīng)空 間傳輸后由M個接收天線接收。多入多出接收機通過空時解碼處理這些子數(shù)據(jù)流，對其進(jìn)行區(qū)分和解碼，從而實現(xiàn) 最佳的信號處理。多入多出系統(tǒng)正是依靠這種同時使用空域和時域分集的方法來降低信道誤碼率，提高無線鏈路的 可靠性

7、。EBL MWS統(tǒng)牯過4蝴嫌厘圖圖2多入多出系 統(tǒng)信道模型另一方面，這N個子流同時發(fā)射時，只占用同一傳輸信道，并不會增加使用帶寬。在自由空間里，多入多出系 統(tǒng)占用比普通天線系統(tǒng)更多的傳輸空間，用來在各發(fā)射和接收天線間構(gòu)筑多條相互獨立的通道，產(chǎn)生多個并行空間 信道，并通過這些并行的空間信道獨立地傳輸信息，達(dá)到了空間復(fù)用的目的，以此方式來提高系統(tǒng)的傳輸容量。對于天線數(shù)與信道容量的關(guān)系，我們可以假設(shè)在發(fā)射端，各天線發(fā)射獨立的等功率信號，而且各信號滿足 Rayleigh (瑞利)分布，根據(jù)多入多出系統(tǒng)的信道傳輸特性和香農(nóng)信道容量計算方法，推導(dǎo)出平衰落多入多出系統(tǒng) 信道容量近似表達(dá)式為：C= mi n

8、M) B log* ()j 2。其中B為信號帶寬，SNR為接收端平均信噪比， min(N,M)為發(fā)射天線數(shù)量 N和接收天線數(shù)量 M中的最小者。式 表明，在同等傳輸帶寬，而且接收端信噪比不變化的情況下(基本取決于外界條件和發(fā)射功率的變化)，多入多出系統(tǒng)的信道容量隨最小天線數(shù)目的增加而線性增加。而在同樣條件下，在接收端或發(fā)射端采用多天線或天線陣列 的普通智能天線系統(tǒng)，其容量僅隨天線數(shù)量的對數(shù)增加而增加。相對而言，在不占用額外的帶寬，也不消耗額外的 發(fā)射功率的情況下，利用多入多出技術(shù)可以成倍地提高系統(tǒng)傳輸容量，大大提高了頻譜利用率，這是無線通信領(lǐng)域 智能天線技術(shù)的重大突破。多入多出-正交頻分復(fù)用系統(tǒng)

9、3.1多入多出、正交頻 分復(fù)用系統(tǒng)組合的必要性， fl在高速寬帶無線通信系統(tǒng)中，多徑效應(yīng)、頻率選擇性衰落和帶寬效率是信號傳輸過程中必須考慮的幾個關(guān)鍵問題。多徑效應(yīng)會引起信號的衰落，因而被視為有害因素。然而多入多出系統(tǒng)是針對多徑無線信道而產(chǎn)生的，在一定 程度上可以利用傳播過程中產(chǎn)生的多徑分量，多徑效應(yīng)對其影響并不大，反而可以作為一個有利因素加以使用。但 多入多出對于頻率選擇性衰落仍無法避免，而解決頻率選擇性衰落問題恰恰正是正交頻分復(fù)用的一個長處。正交頻分復(fù)用技術(shù)實質(zhì)上是一種多載波窄帶調(diào)制，可以將寬帶信道轉(zhuǎn)化成若干個平坦的窄帶子信道，每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，所以每個子信道上的頻率

10、選擇性衰落可以看作是平坦性衰落。正交頻分復(fù)用被認(rèn)為是第四代移動通信中的核心技術(shù)，然而4G需要高的頻譜利用技術(shù)和高速傳輸系統(tǒng)，為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)傳輸速率，使用正交頻分復(fù)用技術(shù)的無線通信網(wǎng)就必須增加載波的數(shù)量，而這種方法會造成系統(tǒng)復(fù)雜度的增加，并增大 系統(tǒng)的占用帶寬。而多入多出多天線技術(shù)能在不增加帶寬的情況下，在每一個窄帶平坦子信道上獲得更大的信道容 量，可以成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜效率，是一種利用空間資源換取頻譜資源的技術(shù)。因此多入多出-正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的提出是無線通信領(lǐng)域的重大突破，其頻譜利用率高、信號傳輸穩(wěn)定、高傳輸速率等基本特性能夠滿足下一代無線傳輸網(wǎng)發(fā)展要求。多入多出-正交頻分復(fù)用

11、系統(tǒng)內(nèi)組合了多輸入和多輸出天線和正交頻分復(fù)用調(diào)制兩大關(guān)鍵技術(shù)。這種系統(tǒng)通過空間復(fù)用技術(shù)可以提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，又可以通過空時分 集和正交頻分復(fù)用達(dá)到很強的可靠性和頻譜利用率。3.2多入多出-正交頻分復(fù)用系統(tǒng)模型在典型的多入多出-正交頻分復(fù)用系統(tǒng)模型中，發(fā)射端（ N個發(fā)射天線）工作流程如下：輸入的數(shù)據(jù)符號流經(jīng)串/并電路分成N個子符號流，采用信道編碼技術(shù)對每個符號流進(jìn)行無失真壓縮并加入冗余信息，調(diào)制器對編碼后的數(shù) 據(jù)進(jìn)行空時調(diào)制；調(diào)制后的信號在IFFT電路中實現(xiàn)正交頻分復(fù)用調(diào)制處理，完成將頻域數(shù)據(jù)變換為時域數(shù)據(jù)的過程，然后輸出的每個正交頻分復(fù)用符號前加一個循環(huán)前綴以減弱信道延遲擴展產(chǎn)生的影響，

12、每個時隙前加前綴用以定時， 這些處理過的正交頻分復(fù)用信號流相互平行地傳輸，每一個信號流對應(yīng)一個指定的發(fā)射天線，并經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換及射頻 模塊處理后發(fā)射出去。圖3帶自適應(yīng)方案的多入多出-正交頻分復(fù)用系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)接收端進(jìn)行與發(fā)射端相反的信號處理過程，首先通過接收端的M根接收天線接收信號，這些信號經(jīng)過放大、變頻、濾波等射頻處理后，得到基帶模擬接收信號；并分別通過模數(shù)轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后進(jìn)行同步，在去循環(huán)前綴后通過FFT解調(diào)剩下的正交頻分復(fù)用符號；此時，時延數(shù)據(jù)變換成為頻域數(shù)據(jù)，接下來在頻域內(nèi)，從解調(diào)后 的正交頻分復(fù)用符號中提取出頻率導(dǎo)頻，然后通過精細(xì)的頻率同步和定時，準(zhǔn)確地提取出導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)符號，

13、實現(xiàn)數(shù) 據(jù)還原。如上說明， IFFT/FFT 和循環(huán)前綴的添加和去除過程都在每一個獨立的發(fā)送和接收模塊內(nèi)完成，而多入多出的空 時編碼和空間復(fù)用處理技術(shù)也可以應(yīng)用于正交頻分復(fù)用的每個子載波上(對應(yīng)平衰落信道) 。總而言之，在多入多 出- 正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中，增加了頻域的分集和復(fù)用作用，帶來了更大的系統(tǒng)增益和系統(tǒng)容量。多入多出 -正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)* 1PIr H.-匸止代劭|4墟4.1多入多出空 時信號 處理技 術(shù)空時信號處理是隨著多入多出技術(shù)而誕生的一個嶄新的概念，與傳統(tǒng)信號處理方式的不同之處在于其同時從時 間和空間兩方面研究信號的處理問題?？諘r信號處理包括發(fā)射端的信令方案和接收端的檢

14、測算法。從信令方案的角 度看，多入多出可以大致分為空時編碼( STC:Space Time Coding )和空間復(fù)用( SM:Spatial Multiplexing )兩種。( 1)空時編碼技術(shù)空時編碼技術(shù)在發(fā)射端對數(shù)據(jù)流進(jìn)行聯(lián)合編碼以減小由于信道衰落和噪聲所導(dǎo)致的符號錯誤率，通過在發(fā)射端 的聯(lián)合編碼增加信號的冗余度，從而使信號在接收端獲得最大的分集增益和編碼增益 ; 但它的缺點是無法提高數(shù)據(jù)傳 輸速率。一般而言，空時編碼包括空時格碼 (STTC: Space-Time TrellisCode) 和空時分組碼 (STBC:Space-TimeBlock Code) ?？諘r格碼可以實現(xiàn)滿分集

15、增益，并且具有相應(yīng)的編碼增益，抗衰落性能比較好?？諘r分組碼也可以獲 得滿分集增益，而且這種技術(shù)只需在接收端進(jìn)行簡單的線性處理，大大簡化了接收機的結(jié)構(gòu)。( 2)空間復(fù)用技術(shù)空間復(fù)用是通過不同的天線盡可能多地在空間信道上傳輸相互獨立的數(shù)據(jù)。多入多出技術(shù)的空間復(fù)用就是在接 收端和發(fā)射端使用多個天線，充分利用空間傳播中的多徑分量，在同一信道上使用多個數(shù)據(jù)通道(多入多出子信道) 發(fā)射信號，從而使得信道容量隨著天線數(shù)量的增加而線性增加。這種信道容量的增加不占用額外的帶寬，也不消耗 額外的發(fā)射功率，因此是增加信道和系統(tǒng)容量的一種非常有效的手段。目前，該技術(shù)主要的解碼方法有ZF、MMSEML BLAST等。典

16、型的空間復(fù)用技術(shù)是貝爾實驗室的空時分層結(jié)構(gòu)(BLAST)，包括V-BLAST, H-BLAST和D-BALST三種。其中最基本的形式是針對平衰落信道的V-BLAST結(jié)構(gòu)，它沒有得到空間分集，而是純粹的多入多出多路傳輸，可獲得最大速率或流量增益?？臻g復(fù)用能最大化多入多出系統(tǒng)的平均發(fā)射速率，但只能獲得有限的分集增益。將空間復(fù)用和空時編碼相結(jié)合， 能在保證每個數(shù)據(jù)流獲得最小分集增益的條件下，最大化平均數(shù)據(jù)率，從而得到高頻譜效率和傳輸質(zhì)量的良好折中。 目前將空間復(fù)用和空時編碼相結(jié)合的方案主要有兩種，即鏈接編碼和使用塊碼映射的自適應(yīng)多入多出系統(tǒng)。4.2同步對于無線通信來說，無線信道存在時變性，在傳輸中存

17、在的頻率偏移會使多入多出-正交頻分復(fù)用系統(tǒng)子載波之間的正交性遭到破壞，相位噪聲對系統(tǒng)也有很大的損害。由于發(fā)送端和接受端之間的采樣時鐘有偏差，每個信號樣本都一定程度地偏離它正確的采樣時間，此偏差隨樣 本數(shù)量的增加而線性增大，盡管時間偏差會破壞子載波之間的正交性，但是通常情況下可以忽略不計。當(dāng)采樣錯誤 可以被校正時，就可以用內(nèi)插濾波器來控制正確的時間進(jìn)行采樣。相位噪聲有兩個基本的影響，其一是對所有的子載波引入了一個隨機相位變量，跟蹤技術(shù)和差分檢測可以用來降低共同相位誤差的影響；其次也會引入一定量的信道間干擾，因為相位誤差導(dǎo)致子載波的間隔不再是精確的1/ T了。為解決多入多出 - 正交頻分復(fù)用的同步

18、問題，出現(xiàn)了多種同步算法，主要是針對循環(huán)擴展和特殊的訓(xùn)練序列以及導(dǎo)頻信號來進(jìn)行，其中較常用的有利用奇異值分解的ESPRIT同步算法和ML估計算法，其中ESPRIT算法雖然估計精度高，但計算復(fù)雜、計算量大 ；而ML算法利用正交頻分復(fù)用信號的循環(huán)前綴，可以有效地對多入多出-正交頻分復(fù)用信號進(jìn)行頻偏和時偏的聯(lián)合估計，而且與ESPRIT算法相比，其計算量要小得多。目前，對多入多出-正交頻分復(fù)用技術(shù)的同步算法研究得比較多，需要根據(jù)具體的系統(tǒng)具體設(shè)計和研究，利用各種算法融合進(jìn)行聯(lián)合估計才是可行 的。4.3信道估 計在多入多出 -正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中，發(fā)送端編碼和接收端信號檢測都需要真實準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息。信

19、道狀態(tài) 信息的準(zhǔn)確性將直接影響著多入多出 -正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的整體性能。然而對于多入多出 -正交頻分復(fù)用系統(tǒng)，不同 的信號同時從不同的天線發(fā)射出去，對于每一個天線、每一個子載波都會對應(yīng)很多個信道參數(shù)，信道參數(shù)太多，對 信道估計帶來了較大的困難。但對于不同的子載波，同一空分信道的參數(shù)是相關(guān)的，我們可以利用這一相關(guān)特性得 到參數(shù)的估計方法。4.4信道 糾錯編碼 糾錯編碼技術(shù)在現(xiàn)代數(shù)字通信的作用毋庸置疑，作為改善數(shù)字信道通信可靠性的一種有效手段，低復(fù)雜度、高性能的編碼方案明顯可以大大提高系統(tǒng)的性能。在數(shù)字通信領(lǐng)域，比較常用的編碼方法主要有卷積碼、分組碼、 Turbo碼和LDPC（低密度奇偶校驗）碼。

20、而其中最受人們關(guān)注、理論最成熟的是Turbo碼和LDPC碼。Turbo 碼可獲得比傳統(tǒng)級連碼更大的編碼增益，被認(rèn)為是大編碼存儲卷積碼或傳統(tǒng)級連碼的替代方案。但是， 對于使用 Turbo 的系統(tǒng)來說，其解碼的復(fù)雜度遠(yuǎn)高于編碼的復(fù)雜度，無線通信系統(tǒng)要求的是一個復(fù)雜度很低的終端， 以盡量節(jié)省系統(tǒng)成本。于是，解碼復(fù)雜度低的LDPC編解碼技術(shù)開始大量運用。LDPC（低密度奇偶校驗碼）是一類可以用非常稀疏的Parity-check（奇偶校驗矩陣）或 Bi-Partite graph（分圖 ）定義的線性分組糾錯碼。其特點是：性能優(yōu)于 Turbo 碼，具有較大的靈活性和較低的差錯平底特性（ error flo

21、ors ）；描述簡單，對嚴(yán)格理論分析具有可驗證性；譯碼復(fù)雜度低于turbo 碼，且可實現(xiàn)完全的并行操作；硬件復(fù)雜度低，因而適合硬件實現(xiàn)；吞吐量大，極具高速譯碼潛力。因此，結(jié)合LDPC的無線通信系統(tǒng)必將獲得更好的性4.5自適 應(yīng)技 術(shù)多入多出 -正交頻分復(fù)用系統(tǒng)可以將無線通信的信號處理從時頻分集擴展為空時頻分集，進(jìn)一步分割信道為空 時頻正交子信道。這樣，就需要根據(jù)各個子信道的實際傳輸情況靈活地分配發(fā)送功率和信息比特，以最大限度地提 高系統(tǒng)容量。而且由于無線信道的頻率選擇性和時變性，也需要實時地對信道進(jìn)行檢測，以便更加有效地利用無線 資源。自適應(yīng)傳輸?shù)幕舅枷胧歉鶕?jù)傳輸信道的實際情況，改變發(fā)射功率的水平、每個子信道的符號傳輸速率、QAM星座大小、編碼等參數(shù)或這些參數(shù)的組合以維持恒定的誤碼率。對于同一多入多出-正交頻分復(fù)用通信系統(tǒng)的所有子載波來說，其誤碼率主要由經(jīng)歷衰落最嚴(yán)重的子信道決定。在頻率選擇性衰落信道中，隨著平均信噪比的增加，系 統(tǒng)的誤碼率下降十分緩慢?？梢詫Σ煌淖有诺肋x用不同的無線傳輸參數(shù)，即采用不同的發(fā)射功率、傳輸速率、調(diào) 制和編碼參數(shù)，使信噪比不同的每個子信道得到其最佳的一一對應(yīng)的傳輸方案。簡單地說，就是在不犧牲誤碼率的 情況下，通過傳輸質(zhì)量好的子信道采用高速傳輸，而在質(zhì)量不好的子信道以降低傳輸速率等方式來提供較高的頻譜