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4G移动通信系统中的空间分集技术
题目:
4G移动通信系统中的空间分集技术
2013
摘要
移动通信技术已经成为当今通信领域发展最快、市场潜力最大的热点技术。
第四代移动通信系统4G可以提供在不同的固定、无线平台和跨越不同的频带的网络中提供无
线服务,可以在任何地方宽带接入互联网,能够提供信息通信之外的定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。
4G的通信网络特点是宽带化、自组织化、移动化和全IP化等,为
满足4G移动通信系统的高传输速率和宽带覆盖范围的要求,MIMO(多入多出通信系统)
技术已经成为其关键技术之一。
MIMO通信系统具有良好的发展前景,其发展是惊人的,大量的研究和丰硕成果迅速出现。
空间分集技术是MIMC的基本入门技术。
本文通过对空间分集技术的研究背景和无线信道的衰落特征做了简要介绍,对空间分集技术中分集技术和合并技术作了比较详细分类与研究,重点对最大比值合并、等增益合并、选择式合并技术做了详细的推论与对比,并进行了性能仿真研究,对比三种合并方式的性能;对Alamouti发射分集方案进行性能分析并仿真,对最大合并比方案与Alamouti发射分集方案进行性能比较分析,通过仿真对比其性能。
最后对空间分集的发展提出展望,最终达到了本文的实证价值和研究意义。
关键词:
4G;MIMO空间分集;Alamouti方案
ABSTRACT
Mobilecommunicationtechnologyhasbecomethefastestgrowingandthelargest
marketpotentialinthefieldofcommunication.TheFourthgeneration--4Gmobilecommunicationsystemcanprovidethedifferentfixedandwirelessplatforms
andacrossdifferentfrequencybandsforwirelessserviceinthenetwork,canbe
inanyplaceofbroadbandInternetaccess,canprovidepositioningtimeoutsideofinformationcommunication,dataacquisition,remotecontrol,andcomprehensive
functions.4Gcommunicationsnetworkischaracterizedbybroadbandnetworks,selforganized,mobileandallIP,etc.,tomeetthehightransmissionrateof4Gmobilecommunicationsystemandbroadbandcoveragerequirement,MIMO(Multiple-InputMultiple-Out-put)hasbecomeoneofthekeytechnologies.
MIMOcommunicationsystemhasgoodprospectsfordevelopment,itsdevelopmentisastonishing,alotofresearchandfruitfulresultsquickly.SpacediversitytechnologyisintroductiontothebasicofMIMOtechnology.Inthispaper,through
thestudyofspacediversitytechnologybackgroundanddoabriefintroductionofthefadingcharacteristicsofwirelesschannel,diversityofspacediversitytechnologyiscomparedwithtechnologyandcombinetechnology,detailed
classificationandresearchfocusofmaximalratiocombining,gain,choosethecombiningtechnologysuchasinferenceandcontrastindetail,andtheperformaneesimulation,comparedtheperformaneeofthethreekindsofcombinationway;OnAlamoutitransmitdiversityschemeforperformaneeanalysisandsimulation,thelargestmergerthanwithAlamoutischemetransmitdiversityschemeforperformaneecomparisonanalysis,compareditsperformaneethroughsimulation.Finallyputforwardoutlookonthedevelopmentofspacediversity,andeventuallyreachedtheempiricalvalueandresearchsignificaneeofthispaper.
Keywords:
4G;MIMOSpatialDiversity;AlamoutiScheme
第一章绪论1
1.1课题背景1
1.2空间分集技术的发展2
1.3本文研究内容与章节安排2
第二章多天线技术4
2.1多天线技术研究背景4
2.1.1传统天线向多天线技术的发展4
2.1.2智能天线向多天线的发展5
2.2多天线技术基本原理6
第三章空间分集技术8
3.1分集技术的概念8
3.2分集技术的分类8
3.2.1空间分集9
3.2.2频率分集9
3.2.3角度分集9
3.2.4极化分集9
3.2.5时间分集10
3.3空间分集技术原理10
3.4分集接收技术11
3.4.1选择式合并(SC)12
3.4.2最大比值合并(MRC12
3.4.3等增益合并(EGC13
3.5分集合并性能的分析与比较13
3.5.1选择式合并的性能13
3.5.2最大比值合并的性能15
3.5.3等增益合并的性能16
3.5.4多重分集系统平均误码率考虑16
3.6Alamouti发射分集方案18
3.6.1Alamouti方案的编码原理18
3.6.2合并和最大似然译码20
3.6.3多根接收天线的Alamouti方案21
3.6.4Alamouti方案的性能22
3.7空间分集性能比较24
3.7.1经典最大比接收合成(MRC)方案24
3.7.2多个接收机双分支发射分集26
第四章仿真实现与结果分析29
4.1MATLAB简介29
4.1.1MATLAB语言及特点29
4.1.2M文件介绍29
4.1.3MATLAB基本绘图方法29
4.2分集合并仿真30
4.3Alamouti发射分集方案仿真33
4.4空间分集性能比较仿真34
第五章结论与展望36
5.1结论36
5.2展望36
5.2.1多发射天线和多接收天线系统(MIMO37
5.2.2基于分集的空时码结合OFDM37
5.2.3空时码的编译码看法改进以及与其他技术的结合37
主要参考文献38
致谢39
附录40
1仿真程序设计框图及程序40
1.1分集合并程序设计框图40
1.2分集合并仿真程序40
1.3Alamouti发射分集方案程序设计框图46
1.4Alamouti发射分集方案仿真程序46
1.5空间分集误码率比较程序设计框图51
1.6空间分集误码率比较仿真程序51
2外文资料原文59
3外文资料译文73
第一章绪论
1.1课题背景
中国移动通信集团总公司总工程师李默芳说:
“世界移动通信业务在过去20年间(或者30年间)增长了80多倍,而各种移动通信技术,例如2G3GWLAN?
又以惊人的速度发展着,日新月异的通信技术不断提高人们的生活质量:
从传统大功率的单独的基站系统
到蜂窝移动系统,本地覆盖到区域覆盖的转换,到现在的全国覆盖,进一步并实现了国内甚至国际漫游,从提供话音业务到提供包括低速数据综合业务,典型例子就是视频通信,
手机WAP网站,从模拟移动通信系统(AM,模拟电视)到数字移动通信系统(2G,3G,TD.LTE),,正在商业化的3G技术和正在研究的下一代移动通信技术(TD.LTE)正在实现,
或者已经实现了,即任何人在任何地方任何时间与其他任何人进行任何方式的通信。
”
第四代无线通信系统一一4G与现有的无线通信系统相比,不但应提供更高的音声质量和更快比特速率的数据服务,而且必须能在不同类型环境下进行可靠工的作,如宏蜂窝、微蜂窝和微微蜂窝的环境,城市、城郊和农村,室内和室外等。
在多径衰落信道中提高质量或降低有效误差率的极其困难的,目前最有效的技术是发
射功率控制,但是,这种方法存在两个基本问题:
第一,发射机的动态范围。
发射机要克服某种程度的衰落,必须增加同等量级的发射功率,由于发射功率限制、放大器尺寸和成本等因素,此种方法在4G通信系统中应用是不实际的。
第二,发射机没有接收机经历信道的任何知识,因此,信道信息不得不从接收机反馈到发射机,这导致吞吐量降低,并给发射机和接收机增加相当大的复杂性。
在大多数环境中,天线分集是实际有效,并广泛应用于降低多径衰落效应的技术。
在发射端和接收端同时增加天线,每一个发射天线发送一个独立信号,就形成天线分集通信系统一一多入多出(MIMO通信系统。
MIMO通信系统的核心思想是空时处理。
在这个处理中时间和固定的空间中有多个分布天线的空间维数相匹配。
关键特征是把传统无线传输的障碍,即多径效应,转变为有利于信道容量的能力,利用随机衰落和多径时延分布来增大传输速率。
MIMO无线通信系统起源于天线分集技术与智能天线技术,它是多入单出(MISO)通信
系统与单入多出(SIMO)通信系统的结合,具有两者的特征。
结合天线发射分集、接收分集与信道编码技术是无线通信发展的趋势,在多径传播环境中,增大阵元间距与角度扩展以及结合空时处理都有利于捕获、分离与合并多径。
因此,天线分集技术与空时处理技术
的结合结果产生了极具潜力的MIMC无线通信技术⑴
n2
空时译码器
yyy2
R
yy
XXX2
空时编码器
图2.1MIMO系统模型
1.2空间分集技术的发展
尽管MIMO^术是一个崭新的、富有挑战性的研究领域,但是MIMC技术的基础一一空间分集技术并不是一个全新的概念。
简单的空间分集技术在2G系统中就有应用,GSM中
使用的多接收天线接收分集就是一种成熟的空间分集技术,在2G基站中经常使用它来提
高上行链路范围。
然丽,由于实施代价和空闻的限制,空间分集方法并不像移动电话那样可行。
鉴于此,3G宽带CDMA勺第一版的标准在基站孛运用了发射分集方案以提高下行链路的可靠性,这些方案是专为两个联合信道的天线设计的。
虽然分空间集技术已经比较成熟,且已应用于现有的移动通信系统中,但它并不是真正的MIMC系统。
MIMO的理论、性能、算法和实现的各方面均被各国学者广泛地进行着研究。
在MIMC系统理论及性能研究方面己有一批文献。
这些文献己涉及相当广泛的内容,但是无线移动通信MIMO言道是一个时变、非平稳多输入多输出系统,尚有大量问题需要研究。
空时编码是MIMO勺基本问题,相关文献中己提出了不少MIMO及空时编码算法。
但是为了在4G等新一代系统中实际应用MIMO系统,在空时编码算法研究上还有大量工作要做。
人们正在不断地提出新的或改进的空时编码方法,以改善MIMO生能,减少空时编码
系统复杂性,更好地适合新一代无线通信系统的要求和信道实际的情况
1.3本文研究内容与章节安排
第1章大体介绍MIMO乍为4G移动通信系统的主要技术的作用,简单介绍MIMO特点,空间分集技术的发展。
第2章介绍多天线技术的发展、研究背景及其技术原理。
第3章主要本章主要介绍各种分集技术,并主要分析空间分集技术原理及空间分集三种主要合并方式,并分别进行原理分析;介绍Alamouti发射分集方案及原理,进行性能分析;分析分集接收最大合并比方案与Alamouti发射分集方案性能比较,为下文仿真提供依据。
第4章讲讲本设计的仿真软件,MATLAB涉及到的的使用方法,包括MATLA的特点,M文件,主要绘图函数等。
根据上述实证结果,对各种通信方案进行仿真。
本章内容,主要是为最后一章的结论提供科学、清晰而生动的实证分析。
第5章首先对上面的研究结果作了简要概括,对综4G空间分集技术进行总结归纳,得出空间分集技术对移动通信性能具有巨大的改善作用这一结论,并对空间分集的发展提
出展望,最终达到了本文的实证价值和研究意义。
第二章多天线技术
2.1多天线技术研究背景
多天线技术是目前宽带无线通信的核心技术之一。
鉴于多天线技术可以大幅提高无线
系统的性能,所以许多标准委员会最近已经采用或者正在考虑采用多天线技术。
例如,国
际电信联盟(ITU)工作组MIMO^术集成到高速下行链路分组接入(HSDPA)信道中,这是全球移动通信系统(UMTS)标准的一部分。
在WLAN系统中,已在IEEE802.11n标准中定义了多天线技术的应用。
在移动宽带无线接入(BWA)中,也在作为MobileWiMAX
基础的IEEE802.16标准中采用了多天线技术。
所有这些商用无线系统在高度多径环境下运行,正是丰富的多径特性这一优点保证了使用多天线系统时的性能改善。
为了更长时间内持续保持3GPP相对其他标准的国际竞争力,LTE标准也将多天线技术包含在当前路线图中。
采用多天线技术后的LTE系统,可以达到如下需求:
(1)峰值速率:
a.下行:
100Mbps@20MHz@2Rxantennas
b.上行:
50Mbps@20MHz@1Txantenna
(2)频谱效率:
a.下行:
3~4xHSDPARel.6
b.上行:
2~3xHSUPARel.6
(3)移动性:
系统应对较低的移动速度(0~15km/h)达到最好效果,在更高的移动速度
(15km/h~120km/h)能保持较高的性能,在120km/h~350km/h移动速度下需保持蜂窝网络的移动性。
(4)覆盖范围:
支持最大100km的覆盖半径,增强小区边缘的数据速率;
(5)适宜的系统和终端复杂度、成本、功率消耗;
2.1.1传统天线向多天线技术的发展
传统无线通信系统采用一副发射天线和一副接收天线,称作单入单出(SISO)系统。
SISO系统在信道容量上具有一个不可突破的瓶颈,即Shannon容量限制:
C=log2(1+P|h2)Bit/s/Hz(2.1)
式中,C是香农容量,r是接收天线的信噪比,h是归一化信道复增益,可见SISO系统信道容量没有利用空间维度。
无论是采用何种调制技术、编码策略或其他方法,无线信道都无法超越这个物理限制。
传统的无线通信理论一直将多径传播视为一种不利于信号传输的因素,因为具有不同延时的多径信号副本相叠加会产生破坏性干扰,使信号相互抵消,起伏衰落,链路性能不稳定,通信性能不可靠。
为提高移动通信中的多径衰落与提高链路的稳定性,人们提出了天线分集技术。
而将天线分集与时间分集联合应用,还能获得空间维与时间维的分集效益。
随着无线互联网多媒体通信的快速发展,无线通信系统的容量与可靠性有了更高的要求,结合天线发射分集与接收分集技术是无线通信发展的必然趋势,即从传统单天线系统向多天线系统(MIMO系统)演进,以寻求突破Shannon容量限制的途径。
2.1.2智能天线向多天线的发展
在常规术语中,智能天线是指仅在无线链路的一端采用阵列天线捕获与合并信号的处理技术,它能够在不利的传播条件(如存在多径衰落与干扰)下提供更可靠的通信链路。
智能天线的核心思想在于联合空间维度(自然扩展到时间维度)与天线分集。
如果估计出各接收天线单元对期望发射信号的响应,就可以根据各响应选择加权最优合并它们,从而最大化平均合并信号电平而最小化噪声与干扰。
进一步,在多径衰落中,信号完全丢失的概率
随着独立衰落的天线单元数目呈指数减小。
在发送端或在接收端采用智能天线技术(分别
称作MISO与SIM0)的无线链路容量随着采用的天线单元数目的呈对数增长。
对于NXI的
MISO系统,发端包含N副天线,在发送端无信道状态信息情况下,各发射天线支路平均分配发射功率,其信道平均容量为:
(2.2)
pN2
C=log2(1+—迟hj)Bit/s/Hz
Ni=1
式中,hi是第i副发射天线到接收天线的子信道复增益,P是接收天线的信噪比。
对于1XM的SIMO系统,其信道平均容量为:
N2
(2.3)
C=log2(17二hi)Bit/s/Hz
i=1
式中,hi是发射天线到第i副接收天线的子信道复增益。
以上表明,信道容量随发射或者接收天线数目呈对数增长,分集系统或智能天线系统利用了空间维度提高信道容量。
在高强度的多径分量比较丰富的环境下,自适应天线系统抗衰落的能力是相当有限
的,这是因为智能天线将无线信道的多径传播视为消极因素,从而加以抑制而不是利用。
由于在多径传播环境中,增大阵元间距与角度扩展以及结合空时处理都有利于捕获与
分离多径,那么结合天线发射分集与接收分集技术,充分利用而不是抑制多径传播,进-步开发空域资源,提高无线传输性能,成为无线通信发展的必然趋势,即从智能天线向多天线系统(MIMO系统)演进。
2.2多天线技术基本原理
无线信号在空中传播时,在发射端和接收端可能存在多条传播路径,称为多径。
到达接收端的信号是多条路径传输信号叠加的总和。
文献[2]表明多天线技术充分利用多天线特性来抵抗信道衰落,从而克服多径衰落,干扰等影响通信质量的主要因素,提高信号的链路性能;并能在不增加带宽的情况下,成倍地提高通信系统的容量和频谱效率。
图2.2为传统通信系统中信号达到接收端的示意图。
从图中可以看到到达接收端的信号衰落程度是随时间快速变化的,这是因为多条路径上的信号因为相位的差异形成了“破
坏性”叠加[其实多径不是坏事,丰富的多径有利于降低信道的相关性。
没有多径,MIMO
系统性能得不到很好体现]。
当发生深度衰落(谷底)时会给接收端信号的解调带来很大困难,从而大大破坏链路性能,这是多径传输给通信系统带来的影响。
但是值得注意的是,两个相邻深度衰落的发生间隔大约在半波长的传输距离上,而相邻谷底和峰值之间大约差四分之一波长的传输距离。
图2.2单天线系统的多径衰落
如果给图2.2中的天线系统再加入一个接收天线,结果如图2.3所示。
可以看到接收天线2的引入也并没有阻止信号的深度衰落,但在天线1和2上发生深度衰落的时间位置不同,而且没有表现明显的一致性。
事实上,当2个接收天线分布距离在四分之一距离以上时,发生在2个接收端的衰落是不相关的,即在天线1上发生深度衰落时,天线2上可能没有发生衰落,那么仍然有可能将信号正确解调出来。
这就给我们提供了一个思路:
可以利用多天线提升系统性能。
图2.2的右半部分也展示了当引入多天线后,系统性能的提升。
Y
Antenna2
Time
AntennaDiversityimprovesReceivedAverageSNR
BER
■
SignalPower
图2.3多天线系统的多径衰落
Antenna1
、空间复用(Spatial
多天线技术分为三大类:
空间分集(SpatialDiversity)Multiplexing)和波束成型(Beamforming)。
第一类旨在通过空间分集提升系统性能,比如抗噪声性能和覆盖范围;这类技术包括延迟分集、空时/频分组码、空时网格码、天线切换分集等。
第二种类型为空间复用。
当采用这一技术时,在散射丰富的环境中,同时经由不同天线传输相互独立的数据流,可以提高系统容量。
即在不增加系统带宽的前提下,成倍提高系统传输速率,提高频谱利用率。
第三类多天线系统的发射机充分利用信道的信息,也称为波束成形。
这种系统利用信道信息建立波束成形矩阵,作为发射机和接收机端的前置和后置滤波器,以实现容量增益。
第三章空间分集技术
3.1分集技术的概念
分集的基本原理是通过多个信道(时间、频率或者空间)接收到承载相同信息的多个副本,由于多个信道的传输特性不同,信号多个副本的衰落就不会相同。
接收机使用多个副本包含的信息能比较正确的恢复出原发送信号。
如果不采用分集技术,在噪声受限的条件下,发射机必须要发送较高的功率,才能保证信道情况较差时链路正常连接。
在移动无线环境中,由于手持终端的电池容量非常有限,所以反向链路中所能获得的功率也非常有限,而采用分集方法可以降低发射功率,这在移动通信中非常重要。
为了定量的衡量分集的改善程度,常用标称改善效果,分集改善效果指采用分集技术与不采用分集技术两者相比对减衰落影响得到的效果。
分集改善效果用分集增益和分集改善度这两个指标来描述⑶。
分集增益(DiversityGain)是指在某一累积时间百分比内,分集接收与单一接收时的收信电平差。
这一电平差越大,分集增益越高,说明分集改善效果越好。
积累时间百分比越小,分集增益越高。
分集增益一般表示为分贝。
分集改善度是指在某一相对的收信电平时,单一接收与分集接收的衰落累积时间百分比之比。
分集阶数(diversityorder)是指独立的支路衰落数,若每对接收天线间的衰落都
独立,则:
分集阶数=分集天线数Nt*接收天线数Nr
(3.1)
分集阶数越多,可以获得的最大分集增益越大,对系统性能改善越多。
在多径信道下分集阶数还会增加,即:
分集阶数=分集天线数Nt*接收天线数Nr*信道多径数(3.2)
3.2分集技术的分类
无线信道中的衰落根据产生原因和特性大体上分为两类:
大尺度衰落和小尺度衰落。
大尺度衰落,主要是由于建筑物,大山,各种阻碍物体对信号的阻挡造成的,形成了有的地方信号到达不了,形成阴影,因此也叫作阴影衰落,一般情况下服从正态分布。
而小尺度衰落,也就是上文提到的多径衰落,一般情况下服从瑞利分布。
在移动通信系统中主要有两类分集方式:
宏分集和微分集。
宏分集主要用于蜂窝通信系统,也叫做“多基站
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