下一代移動(dòng)通信中的關(guān)鍵技術(shù)-移動(dòng)通信-2014春

1、下一代移動(dòng)通信中的關(guān)鍵技術(shù)OFDM技術(shù)OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)，即正交頻分即正交頻分復(fù)用，主要思想為在頻域內(nèi)將給定信道分成多個(gè)復(fù)用，主要思想為在頻域內(nèi)將給定信道分成多個(gè)正交子信道正交子信道，然，然后將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成多個(gè)并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到每個(gè)后將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成多個(gè)并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到每個(gè)信道的子載波上進(jìn)行窄帶傳輸。信道的子載波上進(jìn)行窄帶傳輸。在一個(gè)載波上串行傳輸數(shù)據(jù)在一個(gè)載波上串行傳輸數(shù)據(jù)在多個(gè)子載波上并行傳輸數(shù)據(jù)在多個(gè)子載波上并行傳輸數(shù)據(jù)OFDMOFDM的每個(gè)的每個(gè)子載波都是子載波都是窄帶信道，窄帶

2、信道，可克服寬帶可克服寬帶信道的頻率信道的頻率選擇性衰落，選擇性衰落，即克服了即克服了ISIISI單載波傳輸受單載波傳輸受ISIISI影響嚴(yán)重，影響嚴(yán)重，OFDMOFDM多載波傳輸受多載波傳輸受ISIISI影影響輕微，通過(guò)響輕微，通過(guò)CPCP技術(shù)可克服技術(shù)可克服ISIISI影響。影響。通過(guò)保護(hù)間隔消除通過(guò)保護(hù)間隔消除OFDMOFDM符號(hào)間的相互影符號(hào)間的相互影響。響。CPCP技術(shù)是一種技術(shù)是一種GIGI 傳統(tǒng)頻分復(fù)用，頻帶劃分為N個(gè)互不重疊的子信道。 正交頻分復(fù)用，各子載波有1/2重疊但正交，頻譜效率翻倍。The employment of Fast Fourier Transform (FF

3、T) to replace the banks of sinusoidal generator and the demodulation significantly reduced the implementation complexity of OFDM modems.傳統(tǒng)頻分復(fù)用傳統(tǒng)頻分復(fù)用OFDMOFDM 1FX tx t 1Fz tX th tx th t y tx th t FFZ tz tx th tx t HjZ tx tHj 若對(duì)信號(hào)先進(jìn)行傅立葉反變換，再發(fā)射 時(shí)域接收信號(hào) 對(duì)時(shí)域接收信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，將寬帶信道退化為窄帶信道 信號(hào)通過(guò)寬帶無(wú)線信道存在ISI問(wèn)題 12/01I

4、FFTNjkn Nkx nX kX k eN IFFTy nx nh nX kh n FFT IFFTY kX kh nX k H kY kX kH k 若對(duì)頻域信號(hào) 先進(jìn)行IFFT，再發(fā)射 時(shí)域接收信號(hào) 對(duì)時(shí)域接收信號(hào)進(jìn)行FFT X kOFDMOFDM理論分析理論分析 12/01=Njkn Nkx nX k eN 10=cosNiiiix ts tttFDMFDM僅利用了不同頻率正弦信號(hào)的僅利用了不同頻率正弦信號(hào)的正交性正交性O(shè)FDMOFDM還利用了正弦信號(hào)與余弦信號(hào)間還利用了正弦信號(hào)與余弦信號(hào)間的正交性的正交性Advantages of OFDM 1. More robust agains

5、t multipath propagation effects 2. Higher spectral efficiency 3. Lesser utilization of hardware Drawbacks of OFDM 1. While using OFDM applied system, high peak-to-average power ratio (PAPR) of transmitted signal is a major drawback. 2. Very good frequency synchronization is crucial to maintain ortho

6、gonality. Example: use OFMA as multiple access technique Y kX kH k下一代移動(dòng)通信中的關(guān)鍵技術(shù)MIMO技術(shù) 所謂MIMO系統(tǒng)就是在發(fā)射端和接收端同時(shí)安裝多個(gè)天線的一種空域處理系統(tǒng) 。 與之相對(duì)應(yīng)的還有SIMO（simple-input multiple-output）和MISO（multiple-output simple-input）系統(tǒng)。 22log (1| )b/s/HzCh 單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng) ： 單輸入多輸出（SIMO）系統(tǒng) ：221log (1| )b/s/HzMiiCh多輸入單輸出（MISO）系統(tǒng) ：221

7、log (1| )b/s/HzNiiChN多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng) ：*EP221log det()log (1)b/s/HzmMiiCINNHHMIMO系統(tǒng)模型：MIMO信道為組合信道，組合信道的總?cè)萘啃∮诘扔诿總€(gè)信道獨(dú)立使用時(shí)的容量總和。只有當(dāng)組合信道彼此間正交時(shí)，組合信道的總?cè)萘康扔诿總€(gè)信道獨(dú)立使用時(shí)的容量總和。以下通過(guò)對(duì)信道沖激響應(yīng)矩陣進(jìn)行奇異值分解（SVD），找出MIMO信道中包含的正交信道，則MIMO信道容量等于彼此正交的SISO信道容量的總和。yHxntttrrrrt1112111212222212NNNNNNN Nhhhxyhhhxyxyhhh令 ，對(duì)信道沖激響應(yīng)矩陣進(jìn)行S

8、VD分解。其中F和G都是酉矩陣。D是對(duì)角矩陣HFDGrr1212diag,0,000000000 000000NND，F(xiàn)FIGGI假設(shè)NrNt將 代入MIMO系統(tǒng)中包含的M個(gè)正交SISO子信道，M為發(fā)射天線數(shù)量與接收天線數(shù)量的較小者。因此MIMO系統(tǒng)的容量可由下式給出：HFDGyHxnyDxn,yF yxG xnF ntrr11122200000000000000NNNxyxyxy*EP221log (1)log det()b/s/HzMiMiCNNIHH MIMO系統(tǒng)的提出是為了進(jìn)一步提高無(wú)線通信系統(tǒng)容量，它可以在不用增加系統(tǒng)帶寬的情況下改善了系統(tǒng)性能，提高了數(shù)據(jù)速率。 平坦衰落信道中，MI

9、MO系統(tǒng)可以利用傳播中的多徑分量，但是，對(duì)于頻率選擇性衰落信道，MIMO系統(tǒng)依然無(wú)能為力。 而在目前的寬帶無(wú)線通信中，一般都會(huì)發(fā)生頻率選擇性衰落。為了使得MIMO系統(tǒng)性能在頻率選擇性衰落信道中依然良好，可以將MIMO系統(tǒng)和正交頻分復(fù)用OFDM調(diào)制技術(shù)結(jié)合起來(lái)，形成MIMO-OFDM系統(tǒng)。將MIMO系統(tǒng)與OFDM技術(shù)相結(jié)合，可以充分利用二者的優(yōu)勢(shì)，而又互相彌補(bǔ)不足之處。1.MIMO-OFDM系統(tǒng)在OFDM高的頻譜效率的基礎(chǔ)上，又開發(fā)了空間資源，能夠進(jìn)一步提高系統(tǒng)容量，4G空中接口的關(guān)鍵技術(shù)。2.另一方面，加入了OFDM調(diào)制技術(shù)的MIMO系統(tǒng)在抗多徑方面表現(xiàn)出了很大的優(yōu)勢(shì)，使得MIMO系統(tǒng)在頻率選

10、擇性衰落信道中也能發(fā)揮作用。 智能天線技術(shù)智能天線技術(shù) 智能天線組成原理框圖智能天線組成原理框圖 幅相加權(quán)幅相加權(quán)幅相加權(quán)天線分配網(wǎng)絡(luò)控 制 器合成用戶1用戶2用戶 N用戶x1(n)x2(n)xN(n)w1(n)w2(n)wN(n)y(n)射頻射頻到到基帶基帶轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換解調(diào)自適應(yīng)算法自適應(yīng)算法1. 最小均方（最小均方（LMS）算法）算法定義: 第n時(shí)刻N(yùn)個(gè)天線接收信號(hào)列矢量X(n)=x1(n), x2(n), xN(n)T,W(n)=w1(n), w2(n), wN(n)T為對(duì)應(yīng)的幅相加權(quán)矢量。則智能天線暫態(tài)輸出y(n)=WH(n)X(n)，誤差e(n)=y(n)-d(n)=WH(n)X(n)-

11、d(n)，d(n)為訓(xùn)練信號(hào)。LMS算法陣列加權(quán)矢量更新的遞推公式為 式中：即為搜索步長(zhǎng)，是控制收斂速度和穩(wěn)定性的標(biāo)量常數(shù)因子， 當(dāng)選擇02/Tr(R)時(shí)算法收斂, Tr(R)為數(shù)據(jù)自相關(guān)矩陣R的跡， R=EX(n)XT(n) 。 *(1)( )( )( )nn e nnWWX 2. 直接矩陣求逆（直接矩陣求逆（DMI）算法）算法DMI算法是一種開環(huán)計(jì)算方法，它通過(guò)直接求解陣列協(xié)方差矩陣R來(lái)估計(jì)權(quán)矢量，能實(shí)現(xiàn)與特征值散布度無(wú)關(guān)的最快的收斂速度。假設(shè)天線為N陣元的線陣結(jié)構(gòu)，接收信號(hào)X(n)為1N的復(fù)向量)可表示為 1( )( ) ( )( )Miiins nnXaN式中，a(i)是第i個(gè)來(lái)波方向

12、i的空間響應(yīng)函數(shù)， 21 sin=dij iiea 在實(shí)際應(yīng)用中，可這樣進(jìn)行求解：假設(shè)X(n)的K次取樣組成一個(gè)NK的矩陣，表示為 12( ).(1)( ).(1)( )( ).(1)NNKNNx nxnKx nxnKnxnxnKX則 ( )( )( )HKKnnnRXX互相關(guān)矢量為 ( )( ) ( )HKnnnQXdd(n)=d(n) d(n+1) d(n+K-1)T是一個(gè)K1的列矢量。 則DMI算法得到的最優(yōu)解為 11( )( )( )( )( )( ) ( )HTKKKnnnnnnnWRQXXXd分析表明，當(dāng)取樣數(shù)K2N時(shí)，它就能收斂到最優(yōu)值的3dB之內(nèi)。但是當(dāng)干擾分布廣泛時(shí)，收斂所需

13、的取樣數(shù)就要大。由于該算法的計(jì)算復(fù)雜性與N3成正比，因此對(duì)于小型陣列，其計(jì)算效率很高，而對(duì)于大尺寸陣列，它所要求的信號(hào)處理能力要很強(qiáng)。 此外，對(duì)于給定的K值，由時(shí)間平均得到的估計(jì)的質(zhì)量依賴于輸入SNR，當(dāng)輸入SNR下降時(shí)，估計(jì)質(zhì)量下降，則需要更多的取樣值來(lái)消除噪音的干擾，才能得到更精確的估計(jì)。 4. 計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算機(jī)仿真 在計(jì)算機(jī)仿真算法中，為簡(jiǎn)單起見，期望信號(hào)的干擾均用互不相關(guān)的高斯噪聲來(lái)表示。算法中期望信號(hào)的入射方向?yàn)?，信噪比為4 dB，干擾的入射方向?yàn)?0，干噪比為20 dB。 假設(shè)期望信號(hào)不變， 僅干擾的入射方向變?yōu)?0，天線陣元分別為陣元間距為/2的四陣元和八陣元，采用RLS算法進(jìn)行仿真， 觀察陣元數(shù)目對(duì)天線性能的影響。 在相同的信號(hào)環(huán)境下，分別對(duì)八陣元的線陣和圓陣進(jìn)行仿真，觀察不同陣列結(jié)構(gòu)對(duì)天線性能的影響。 三種算法的方向圖比