I. Introdución
As antenas intelixentes normalmente chámanse matrices de antenas adaptativas, que poden formar feixes de antenas específicos para lograr a transmisión e recepción direccionais, e úsanse principalmente para completar o filtrado e posicionamento espacial. Esencialmente, usa a relación de posición entre os elementos da matriz de antena, é dicir, a relación de fase do sinal para superar a interferencia de acceso múltiple e a interferencia de camiño múltiple. Esta é a diferenza esencial entre ela e a tecnoloxía tradicional de diversidade.
O sistema MIMO refírese a un sistema de comunicación que utiliza simultaneamente varias antenas no extremo transmisor e no extremo receptor. Utiliza de xeito eficaz o desvanecemento aleatorio e a posible propagación multipath para duplicar a velocidade de transmisión do servizo. A súa tecnoloxía principal é o procesamento de sinal espazo-tempo, que usa unha combinación de varios dominios de tempo e dominios espaciais distribuídos no espazo para o procesamento de sinal. Polo tanto, pódese ver como unha extensión de antenas intelixentes.
O sistema de antena intelixente ten varias antenas no extremo transmisor / ou receptor da ligazón de comunicación móbil. Segundo se o procesamento do sinal está situado no extremo transmisor ou no extremo receptor da ligazón de comunicación, a tecnoloxía da antena intelixente defínese como saída única de entrada múltiple (MISO). Saída única, saída múltiple de entrada única (SIMO, saída múltiple de entrada única) e saída múltiple de entrada múltiple (MIMO, saída múltiple de entrada múltiple), etc.
2. Estrutura de transceptor de antena intelixente de varias entradas e saídas múltiples e avance da investigación
Na figura 1 pódese ver que despois da codificación, modulación e procesamento do espazo-tempo (formación de feixes ou codificación espazo-tempo), o fluxo de bits mapéase en diferentes símbolos de información e transmítese desde varias antenas ao mesmo tempo; utilízanse varias antenas no extremo receptor Recibe, realiza a demodulación, a descodificación e o procesamento do espazo-tempo correspondentes.
Figura 1 Estrutura de transceptor de antena intelixente de entrada múltiple de saída múltiple
As tecnoloxías de procesamento espazo-tempo no sistema MIMO inclúen principalmente a formación de feixes, a codificación espazo-tempo e a multiplexación espacial. O Beamforming é unha tecnoloxía clave nas antenas intelixentes, que mellora a relación sinal-ruído dirixindo a enerxía principal ao usuario desexado. A formación do feixe pode suprimir eficazmente a interferencia co-canle, e a clave é determinar o peso da formación do feixe.
1. Esquema de transmisión do sistema MIMO
O esquema de transmisión do sistema MIMO divídese principalmente en dous tipos: o esquema de transmisión que maximiza a velocidade de datos (multiplexación espacial SDM) e o esquema de transmisión que maximiza a ganancia de diversidade (codificación espazo-tempo STC). O esquema de transmisión de velocidade máxima de datos realiza principalmente a multiplexación espacial mediante a transmisión de sinais independentes en diferentes antenas. O esquema de codificación espazo-tempo refírese á codificación conxunta do fluxo de datos no extremo transmisor para reducir a taxa de erro do símbolo causada polo esvaecemento e o ruído da canle. Aumenta a redundancia do sinal a través da codificación conxunta no extremo transmisor, de xeito que se recibe o sinal. O final gaña unha ganancia de diversidade, pero o esquema de codificación espazo-tempo non pode aumentar a velocidade de datos.
(1) Codificación espazo-tempo Nalgúns documentos danse un gran número de mecanismos de transmisión. Estes mecanismos poden maximizar respectivamente a eficiencia do espectro, a taxa máis alta e a relación sinal / ruído (SNR, relación sinal / ruído). Todos dependen da información do estado da canle (CSI). , Información sobre o estado da canle) é coñecido polo transmisor e o receptor. O CSI pódese obter no extremo receptor mediante a estimación da canle e, a continuación, pódese notificar o extremo transmisor mediante retroalimentación.
Para os mecanismos de transmisión que non requiren CSI no extremo transmisor, pódese introducir a codificación espazo-tempo ou pode usarse a ganancia de multiplexación espacial para aproveitar a dimensión espacial. A codificación espazo-tempo divídese principalmente en códigos de enreixado espazo-tempo e códigos de bloqueo espazo-tempo. O sinal recibido é detectado polo decodificador de máxima probabilidade (ML, Maximum Likelihood). O primeiro código espazo-tempo é STTC (Space-Time Trellis Code). Deste xeito, o receptor precisa un algoritmo Viterbi multidimensional. A diversidade que STTC pode proporcionar é igual ao número de antenas de transmisión e a ganancia de codificación proporcionada depende da complexidade da palabra de código sen sacrificar a eficiencia do ancho de banda. O código de bloqueo espazo-tempo (STBC, Space-Time Block Code) pode proporcionar a mesma ganancia de diversidade que STTC, pero non ten ganancia de codificación. Ademais, dado que STBC só precisa procesamento lineal ao descodificar, normalmente úsase STBC. A tecnoloxía de codificación espazo-tempo generalmente asume que o CSI é completamente coñecido no extremo receptor. Cando CSI é descoñecido nos dous extremos, propóñense a codificación espazo-tempo unitaria e a codificación espazo-tempo diferencial.
(2) Multiplexación espacial A multiplexación espacial refírese á transmisión de sinais independentes no extremo transmisor e ao uso de ZF, MMSE, ML, V-BLAST [3] e outros métodos para descodificar no extremo receptor. Pode maximizar a velocidade media de transmisión do sistema MIMO e pode sacrificar algunhas velocidades de datos para obter maior ganancia de diversidade.
(3) Combinación de multiplexación de espazo e codificación espazo-tempo Combina multiplexación de espazo e codificación espazo-tempo e maximiza a velocidade media de datos a condición de que cada fluxo de datos obteña a ganancia mínima de diversidade. Na actualidade, hai principalmente dous esquemas que combinan multiplexación espacial e codificación espazo-tempo, codificación de enlaces e sistemas MIMO adaptativos mediante mapeamento de código de bloques. O esquema de codificación ligado refírese ao uso interno da codificación espazo-tempo, ao uso externo do esquema de codificación do código tradicional de corrección de erros de canles (TCM, código convolucional, código RS) [4], este esquema non só pode proporcionar ganancia de diversidade, senón tamén mellorar a capacidade do sistema. Debido a que a correlación entre canles afectará a eficiencia do espectro do sistema de varias antenas, cando a canle está nun estado ideal ou a correlación entre canles é pequena, o transmisor adopta un esquema de transmisión de multiplexación espacial e cando a correlación entre canles é grande úsase a codificación espazo-tempo. Plan de lanzamento.
2. MIMO recibe tecnoloxía de diversidade
Os algoritmos de descodificación do sistema MIMO no extremo receptor inclúen principalmente algoritmo ZF, algoritmo MMSE, algoritmo de decodificación de retroalimentación de decisións, algoritmo de decodificación de máxima probabilidade e algoritmo de procesamento espazo-tempo en capas (laboratorios de campanas espazo-tempo en capas, BLAST). Entre eles, o algoritmo de forza cero e o algoritmo MMSE son algoritmos lineais, mentres que o algoritmo de decodificación de decisións, o algoritmo de decodificación de máxima probabilidade e o algoritmo de procesamento espazo-tempo en capas son algoritmos non lineais. No extremo receptor da ligazón de comunicación SIMO ou MIMO, o receptor ou o ecualizador utiliza o sinal multipath para reconstruír o sinal transmitido. Na canle SIMO non selectivo de frecuencia, o mecanismo de recepción óptimo é a combinación de razón máxima (MRC, Maximum Ratio Combining); para a canle SIMO de frecuencia selectiva, o mecanismo de recepción óptimo é a detección de ML, pero é non lineal e a súa complexidade é similar á da antena. O número é exponencial (pódese substituír por un descodificador lineal, pero o rendemento reducirase). O ecualizador ZF pode eliminar a interferencia entre símbolos ISI (InterSymbol Interference) a través da inversa da canle, pero a costa de amplificar o ruído. O receptor MMSE pode facer unha compensación entre a amplificación do ruído e a cancelación de ISI. O ecualizador de feedback de decisión (DFE, Decision Feedback Equalizer), un mecanismo non lineal subóptimo baseado na retroalimentación de decisións, pode usarse para mellorar o rendemento dun ecualizador lineal. Elimina parte do ISI xerado polo símbolo anterior do símbolo actual a través dun filtro de retroalimentación. A igualación ML e lineal pódese estender ás canles MIMO. O problema relacionado cos receptores MIMO é a existencia de interferencias multi-fluxo (MSI, Multistream). MSI pode causar interferencia mutua entre múltiples fluxos de datos. O ecualizador de cancelación continua non lineal ou o ecualizador V-BLAST poden converter canles MIMO en canles paralelos, pero este mecanismo pode ter propagación de erros.
3. Tecnoloxía Beamforming no sistema MIMO
(1) O modelo de sistema do sistema MIMO formador de feixe propio é r = Hs + n e a matriz de canle H está sometida a unha descomposición de valores singulares. Se a información da canle coñécese no extremo transmisor, a transformación propia no extremo transmisor e o procesamento lineal no extremo receptor pódense usar para transformar o MIMO. A canle divídese en subcanal paralelos. Se o transmisor non coñece a información do estado da canle, nun ambiente multiusuario, pódese usar un método de formación de feitos aleatorios para lograr diversidade multiusuario.
(2) Combinación de formación de feixes e codificación espazo-tempo Na maioría dos casos, é razoable supoñer que parte da información CSI se coñece no extremo transmisor, polo que se propón un mecanismo híbrido que combina codificación espazo-tempo e formación de feixes. A codificación espazo-tempo e a formación de feixes son dúas tecnoloxías de diversidade de transmisión diferentes. A codificación espazo-tempo pertence a unha tecnoloxía de diversidade de circuíto aberto e non require información de canle no extremo transmisor; a formación de feixes de matriz é unha tecnoloxía de diversidade de circuíto pechado que utiliza información de retroalimentación de canles para o filtrado espacial ou a supresión de interferencias. A precisión da retroalimentación da canle afectará seriamente o efecto da formación do feixe. Cando o emisor obtén parte da información do estado da canle (como a media da canle ou a matriz de covarianza da canle), a estratexia de transmisión (formación de feixes ou codificación espazo-tempo [5]) pódese seleccionar segundo a información da canle. O peso da formación do feixe vén determinado pola información da canle de retroalimentación coa condición de garantir que o extremo receptor cumpre cos requisitos de relación sinal-ruído e taxa de erro de bits. Os documentos [6] [7] sinalan que a combinación de asignación de potencia, formación de feixes e codificación espazo-tempo ten un efecto sobre o transmisor A optimización conxunta proporciona un mellor rendemento que a codificación espazo-tempo tradicional sen aumentar a complexidade do equipo e a perda da velocidade de transmisión.
En resumo, as métricas de rendemento que describen as características do transceptor de antena intelixente MIMO son Mean Square Error (MSE), SNR, Bit Error Rate (BER, Bit Error Rate), rendemento alcanzable, potencia de transmisión requirida e capacidade da canle. Os mecanismos de transmisión e recepción optimízanse segundo estes criterios. O deseño do seu transceptor debe prestar especial atención aos seguintes catro parámetros clave: (1) a fiabilidade do CSI no transmisor e no receptor; (2) as características do sinal transmitido (información de modulación, multiplexación e adestramento); (3) optimización Medición do rendemento; (4) Complexidade computacional.
2019/6/11 09:07:33 Informe de comentario
e085086068
0 Tres, as vantaxes das antenas intelixentes
Nos sistemas de comunicación móbiles, a extensión de retorno multipath e multipath son os principais problemas na comunicación móbil. A propagación de múltiples rutas provocará un grave esvaecemento do sinal e a propagación do retraso provocará interferencias entre símbolos, o que afectará gravemente á calidade das ligazóns de comunicación. Ao mesmo tempo, a interferencia co-canle é o principal factor limitante da capacidade dos sistemas de comunicación móbiles, o que afectará a reutilización de recursos de rede efectivos (frecuencia, tempo) por parte dos usuarios. As antenas intelixentes poden mellorar a calidade das ligazóns usando multipath, aumentar a capacidade do sistema reducindo a interferencia mutua e permitir que diferentes antenas transmitan datos diferentes. En resumo, as vantaxes das antenas intelixentes pódense resumir do seguinte xeito:
(1) Aumentar a cobertura. A recepción coherente de sinais pola matriz de antenas no extremo receptor pode xerar matriz ou ganancia de formación de feixe, que é proporcional ao número de antenas receptoras.
(2) Redución de potencia / redución de custos As antenas intelixentes optimizan a transmisión de usuarios específicos, o que pode reducir a potencia de transmisión, reducindo así o custo do amplificador.
(3) As formas de mellorar a calidade das ligazóns / aumentar a fiabilidade inclúen diversidade horaria, frecuencia, código e diversidade espacial. Cando se utilizan antenas intelixentes para probar o dominio espacial, prodúcese diversidade espacial. Nunha canle MIMO de esvaecemento selectivo sen frecuencia, a orde de diversidade espacial máxima é igual ao produto do número de antenas transmisoras e do número de antenas receptoras. As antenas de transmisión múltiple poden xerar diversidade de transmisión mediante un mecanismo especial de modulación e codificación, e a diversidade de recepción de antenas de recepción múltiple depende da combinación de sinais de desvanecemento independentes.
(4) Aumentar a eficiencia do espectro. Controlar con precisión a potencia de transmisión mediante diferentes métodos reducirá a interferencia co-canle, aumentando así o número de usuarios que usan os mesmos recursos. A realización do acceso múltiple de división espacial (SDMA) mediante a formación de feixes pode lograr a multiplexación de recursos, aumentando así a velocidade de datos e a eficiencia do espectro. Esta ganancia tamén se chama ganancia de multiplexación espacial. No sistema MIMO úsanse múltiples dimensións espaciais independentes para transmitir datos simultaneamente. Nunha canle MIMO desbotada de Rayleigh sen correlación, a capacidade da canle é proporcional ao número mínimo de antenas de transmisión e recepción.
As antenas intelixentes adoitan estar deseñadas para centrarse nunha das ganancias mencionadas anteriormente, como a formación de feixes, a diversidade e a ganancia de multiplexación. A compensación entre estas ganancias converteuse recentemente no foco da investigación.
4. Tecnoloxía de antena intelixente nos futuros sistemas de comunicación móbil
Os futuros sistemas de comunicación móbiles requiren tecnoloxías de procesamento de sinal que se poidan adaptar a diversos ambientes de comunicación. Polo tanto, a fase inicial do futuro deseño de antena intelixente debe considerar coidadosamente o compromiso entre rendemento e complexidade.
1. Reconfigurabilidade da capa física
Para que o transceptor de comunicación móbil funcione nun ambiente onde se cambian continuamente varios parámetros, é necesario adoptar unha tecnoloxía adaptativa reconfigurable no transceptor para axustar a estrutura para obter o mellor rendemento. A reconfigurabilidade no transceptor de antena intelixente pode considerarse como o cambio intelixente da estrutura do transceptor en varios ambientes. Por exemplo, a literatura [8] [9] propuxo un algoritmo para o compromiso entre diversidade de espazo e multiplexación en canles MIMO.
2. Optimización entre diferentes capas
A interacción entre os altos niveis definidos polo modelo OSI (Open System Interconnection) pode mellorar o rendemento de todo o sistema. A antena intelixente está deseñada combinando os parámetros da capa física, a capa de enlace e a capa de rede, é dicir, o deseño ten en conta a relación entre as distintas capas, en lugar de considerar unha única capa. A práctica demostra que é ineficiente considerar a avaliación do rendemento do método de deseño dunha soa capa. Por exemplo, cando se introduce a programación, a ganancia obtida mediante a codificación espazo-tempo diminuirá ou incluso desaparecerá.
A información intercambiada entre diferentes capas de OSI pódese clasificar do seguinte xeito: (1) CSI: é necesario estimar a resposta de impulso da canle, información de posicionamento, velocidade do vehículo, intensidade do sinal, intensidade de interferencia, modelo de interferencia, etc. (2) QoS parámetros relacionados: incluíndo atraso de tempo, rendemento, taxa de erro de bits, taxa de erro de paquetes (PER, taxa de erros de paquetes), etc. (3) Recursos de capa física: incluído mecanismo de procesamento de espazo, número de matrices de antena, perda de enerxía da batería, etc.
É moi importante considerar criterios de optimización entre capas. No sistema real, a calidade da ligazón da antena intelixente non só depende do método de detección de datos adoptado, senón que tamén depende do mecanismo de codificación específico e da función de control de acceso medio (MAC, Control de acceso medio) adoptada na capa de ligazón. O rendemento da pila de protocolos empregado na capa superior. Polo tanto, os factores anteriores deben ser considerados de forma exhaustiva ao deseñar, en lugar dun único factor. Para servizos insensibles ao atraso, a tecnoloxía de antena intelixente como V-BLAST combínase co mecanismo de petición de repetición automática híbrida (H-ARQ, Petición de repetición automática híbrida).
3. Diversidade multiusuario
Na comunicación multiusuario, prestouse atención a un método de comunicación chamado mecanismo de oportunidade. A idea básica é multiplexar asignando canles aos usuarios que son máis propensos a completar a transmisión continua. Isto pode maximizar o rendemento do sistema. Para as canles espaciais reflectantes, o método oportunista de formación de feitos apuntará aos usuarios con maior SNR; por outra banda, no caso de dispersión suficiente, o mecanismo casual asignará a canle a aqueles usuarios con maior capacidade instantánea. O mecanismo de oportunidade pode xerar diversidade multiusuario, que pode ser un complemento á diversidade de códigos, a diversidade horaria, a frecuencia ou a diversidade espacial. Pero afectando o deseño do protocolo MAC, MAC abandonará o mecanismo de detección de conflitos e recorrerá ao mecanismo multiusuario.
4. Avaliación do rendemento real
No futuro sistema de comunicación móbil, o uso de antenas intelixentes depende principalmente dos resultados de dous estudos:
(1) Na fase de deseño do futuro sistema, deberían considerarse as características das antenas intelixentes e do entorno de comunicación móbil, como as características de propagación, a configuración da matriz de antenas, o modo de servizo, a situación de interferencia e a eficacia do ancho de banda do sinal, para garantir a compatibilidade;
(2) Segundo os parámetros clave relacionados co futuro sistema, o rendemento real da antena intelixente avalíase a través do compromiso de optimización entre a simulación a nivel de enlace e a simulación a nivel de sistema.
V. Resumo
O uso de tecnoloxía multi-antena en 3G baseada na tecnoloxía CDMA pode reducir efectivamente as interferencias de acceso múltiple e o procesamento do espazo-tempo pode aumentar moito a capacidade do sistema CDMA. Co seu excelente rendemento na mellora da utilización do espectro, MIMO e as antenas intelixentes convertéronse en temas candentes no desenvolvemento de 4G. Este artigo usa a combinación de antenas intelixentes e sistemas MIMO para dar un esquema de procesamento de sinal espazo-tempo de transceptor de antena intelixente multi-saída de varias entradas, discute as vantaxes das antenas intelixentes e as tendencias de desenvolvemento futuro das antenas intelixentes e tamén explica os problemas atopados no deseño. En resumo, o uso racional da tecnoloxía de antena intelixente mellorará moito o rendemento dos futuros sistemas de comunicación móbil.
Noso outro produto:
