关键字 |
| 多样性,衰落信道,结合技术,无线通信,分布式天线,失学,空间复用能力,放大和转发,解码和转发,合作 |
在无线信号传播的挑战 |
| 无线通信已经产生了巨大的影响对一个人的生活方式。无线网络提供了高速流动的声音,以及从各种来源的数据流量。最根本的现象使得传输不可靠是时变衰落[1]。这种现象被描述为之间的建设性和/或破坏性的干扰信号通过不同的路径到达相同的天线,因此不同的延迟和阶段,导致接收信号强度的随机波动。当发生相消干涉时,信号功率可以显著降低,这种现象称为消退。深消退,可能发生在特定的时间或空间频率或导致严重下降的质量信号的接收机有时无法解码或检测。多路径衰落时由于信号到达接收机天线的非相干性的组合。 |
| 有许多类型的干涉真正的无线通信。一个重要的原因是多路径传播。在模拟类型的电视广播,鬼魂现象观察到由于多路径效应。延时信号是由多路径生成。这将导致电流之间的重叠和前面的符号象征。这种重叠导致国米符号干扰(ISI)是由破坏子载波的正交性在正交频分复用(OFDM)系统。多路径衰落往往是相对较深,即信号完全消失,而在其他时候衰落可能不会导致信号低于某种可用的力量[2]。 |
| 干扰是由于deep-fades发生在一个特定的空间,或在特定时间或频率,并导致严重退化的质量信号的接收机从而无法检测或解码。一些数学模型被开发来描述这样的渠道。该模型考虑了多径衰落现象和子信道之间的相关性。常见的模型采用瑞利,Ricean和Nakagami-m分布近似实际信道条件[3]。系统的性能(的错误率)可以由衰落严重退化。通过这些渠道沟通是困难的,可能需要特殊的技巧来达到满意的性能[4]。图1显示了信号干扰造成的反射的概念。 |
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| 答:衰落的原因 |
| 多路径效应是衰落的主要原因,可能是由于卫星信号的反射(无线电波)对象。同样的效果,引起鬼图像在电视天线在屋顶上还更普遍,而不是今天卫星天线。在任何地面无线电通信系统中,信号到达接收机不仅通过直接的路径,但也由于反射对象(如建筑、山、地面、水等毗邻的主要路径。整个无线电接收机信号是多种信号的求和得到[5]。因为他们都有不同的路径长度,因此不同阶段,信号将添加或减去根据它们的相对阶段。图2描述了多路回波的形成从一个实际的目标。衰落的原因主要是反射、绕射、散射和多普勒频移。 |
| 1)反射 |
| 这发生在波影响大小的阻碍更大的波长相比一个¯害怕害怕一个½¯½的信号。例子从地球上反射和建筑物。这些反射可能会干扰原始信号有建设性的或具有破坏力。 |
| 2)衍射 |
| 这发生在发送方和接收方之间的无线电波传播路径阻塞乱糟糟的身体和一个表面与锋利的违规行为(边缘)。这个细节无线电信号如何旅游城市和农村环境没有lineof——视线(LOS)路径。 |
| 3)散射 |
| 这发生在无线电频道包含对象的大小的扩散波的波长或更少,也当障碍物的数量相当大。由小型对象,他们甚至产生表面粗糙度及其它违规行为的通道。它遵循相同的衍射原理。它使发射机能量辐射在很多方向。例子是灯的帖子和街头迹象表明可能引起散射。 |
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STATISTIACL衰落信道模型 |
| 了解无线通信,有必要探索发生了什么信号从发射机到接收机。正如前面提到的,一个重要方面是发射机和接收机之间的这条道路发生消退。许多模型的概率分布函数(PDF)信号振幅暴露于移动衰落有解释这样的褪色现象。这些模型瑞利,Ricean Nakagami衰落模型是使用最广泛的,因为学术和实际应用的观点。 |
| 瑞利衰落信道: |
| 瑞利衰落了接收信号包络分布,所有的组件都是瞄准线[6],[7]。瑞利衰落的基本模型假定接收多路信号由一个(理论上无限)大量的反射波与独立同分布(先验知识)阶段和正交振幅[8]。移动或室内无线信道的特征是多路径的接待。信号提供给接收机不仅包含直接视距(LOS)无线电波,也大量的反射无线电波。在城市中心,洛杉矶常常被障碍,一组不同的接收延迟波移动天线。这些反射波干扰的直接波,导致重大的性能退化的链接。另外,如果天线的移动,通道随位置和时间,因为反射波的相对相位变化。这导致衰落:时间接收到的振幅和相位的变化。不褪色的(固定)无线电信道误比特率(BER)迅速降低时,信噪比(更具体地说,信号干扰)比例增加。这种现象仍然存在,即使(平均)信噪比大。 So the BER only improves very slowly, and with a fixed slope, if plotted on a log-log scale. A wireless system has to be designed in such way that the adverse effect of multipath fading is minimized [8]. |
| 瑞利衰落后的随机变量R的累积分布函数(CDF)¯害怕一个½¯害怕一个½¯害怕害怕一个½¯一½(¯害怕害怕一个½¯½)和概率密度函数(PDF) fA¯害怕一个½¯害怕一个½(¯害怕害怕一个½¯½)给出的, |
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| b . Ricean衰落信道 |
| Ricean衰落背后的模式是类似于瑞利衰落,除了在Ricean衰落强势主导洛杉矶组件。精制Ricean模型还考虑以下几点: |
| 一个¯·主波可以是相量之和占主导地位两个或两个以上的信号,如视距,加上地面反射。这个组合信号然后主要视为确定性(完全可预测的)过程,和 |
| 一个¯·主波还可以受影子衰减。这是一个受欢迎的假设卫星频道的建模。 |
| 除了主要的组件,移动天线接收大量的反射和散射波。 |
| 如上所述,Ricean分布结果的时候,除了多路径组件,存在一个发射机和接收机之间的直接路径。信封在这种情况下有一个Ricean密度函数f r (r)的[9] |
 (3) |
| (。)哦,我是0订单修改第一类贝塞尔函数、常数d k决定直接组件的强度。Ricean累积分布的随机变量给出F r (r) |
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| c . Nakagami衰落信道 |
| Nakagami衰落产生多径散射相对较大的延迟时间传播,不同集群的反射波。在任何一个集群,个别反射波的阶段是随机的,但所有波延迟时间大致相等。由于每个累积集群信号的包络是瑞利分布。假设平均延时集群之间也有明显的差异。当延迟时间也大大超过了一点时间数字链接,不同的集群产生严重的传输干扰(ISI),因此多路自干扰然后接近同信道干扰的情况下由多个相干Rayleighfading信号。在下面我们国家一些重要事实与Nakagami消退。 |
| 一个¯·如果信封Nakagami分布,相应的瞬时功率伽马分布。 |
| 一个¯·Nakagami衰落是被„¯害怕一个½¯害怕一个½¢参数定义方程6。参数:一个¯¿害怕一个½¯½叫做的形状系数Nakagami或伽玛分布。 |
| 一个¯·特殊caseA¯害怕一个½¯害怕½= 1,瑞利衰落是恢复(从Nakagami分布),但指数分布的瞬时功率。 |
| 一个¯·¯一个害怕害怕一个½¯½> 1,信号强度的波动减少比瑞利衰落。 |
| 可以描述Ricean和瑞利衰落的帮助下单个模型使用Nakagami分布[7]。已经尝试找到Nakagami和瑞利分布之间的一对一映射。接收信号的衰落模型信封,由Nakagami提出的PDF f r (r) |
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技术来减轻褪色效果 |
| 移动通信要求信号处理技术,提高链路的性能。均衡、多样化和信道编码是一些改善通道的技术障碍。 |
| ISI均衡补偿由多路时间内分散渠道。一个均衡器接收机内补偿预期通道的平均范围振幅和延迟特性。换句话说,一个均衡器滤波器在移动接收的脉冲响应的倒数(逆)信道脉冲响应。因此均衡器发现他们使用的频率选择性衰落信道。如果信道脉冲响应beHc (f)的均衡器应该传递函数Heq (f) = 1 / Hc (f)。 |
| 信道编码可以提高移动通信链路的性能通过添加冗余数据位传输消息。信道编码是用于纠正深衰落或光谱零[11]。淡入淡出效果及其减排技术的总体框架如图3所示。 |
| 多样性是另一个用来补偿技术快衰落,通常使用两个或两个以上的接收天线实现。它是基于个人渠道经验的事实不同程度的衰落和干扰。多个版本(或副本)相同的信号可以传输和/或接收和接收器的组合。它通常是用来减少深度和持续时间的消失在衰落信道接收器所经历的[3]。 |
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| 答:均衡 |
| ISI已被确定为高速数据传输的一个主要障碍在移动无线频道。如果调制带宽超过广播信道的相干带宽(即。频率选择性衰落),调制脉冲传播,导致ISI。根据传输媒体,ISI的主要原因是带限制在细胞communication.c电缆线路和多路径传播 |
| 可靠的数字传输系统有必要减少ISI的影响。均衡器的需要[12]来自通道是分散在两个振幅和相位导致传输信号的干扰。发射器和接收器的设计取决于假设信道传递函数。但在大多数数字通信的应用程序中,通道传递函数不知道足够的水平将适当的过滤器来消除通道效应在发射器和接收器[13]。例如,在电路交换通信,信道传递函数通常是恒定的,但它改变了每一个不同的路径从发射机到接收机。值得提到这里有一些非平稳等频道无线通信。这些通道传递函数随时间,所以不可能使用这些类型的渠道的最佳滤波器。均衡器可以解决这个问题。均衡器是为了工作,数量应该在高信噪比水平低。均衡器的逆通道接收信号和组合的通道和均衡器赋予一个平坦的频率响应和线性相位(14 - 16)。 An equalizer at the front end of a receiver compensates for the average range of expected channel amplitude and delay characteristics. |
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| 因此,如果信道频率选择性,均衡器增强了与小振幅和频率成分变弱的强劲频率接收到的频率响应[17]。 |
| 随着移动衰落信道是随机和时变,均衡器必须跟踪移动信道的时变特性,因此应该时间不同或自适应。 |
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| 1)均衡的缺点 |
| 一个¯·虽然具有有限长度的信道冲激响应,均衡器的脉冲响应需要无限长。 |
| 一个¯·在某个频率接收信号可能会弱一些时间瞬间。补偿,零迫使均衡器的大小变得非常大。因此任何噪声添加后,通道被一个大因素推动和破坏了整体的信噪比 |
| 一个¯·线性均衡器的基本限制,如横向滤波器,是表现不佳的通道光谱null [18]。 |
| 一个¯·缓慢收敛(由于特征值扩散)。 |
| b信道编码 |
| 在信道编码,添加冗余数据位传输消息,这样如果发生瞬时消失在通道,仍然可以恢复数据接收器没有请求的重传。这就是所谓的前向纠错。信道编码器传输消息映射到另一个特定代码包含更多的比特序列。然后调制编码信息传输的无线频道[19]。一个线性(n, k)块代码是一个示例k位消息映射到n位编码。使用信道编码发射机和接收机检测或纠正错误介绍了数字通信通道[20]。下面的图5显示了数字通信系统中信道编码的概念。 |
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| 1)信道编码的优点 |
| 一个¯·信道编码处理错误控制技术。如果数据在通信系统的输出发生太频繁,所需的使用错误,这些错误通常可以减少使用的技术。 |
| 一个¯·编码允许增加了信息传递的速度在一个固定的(指定)或符号错误率,或一个固定的传输速率的降低错误率。 |
| 2)噪声信道编码定理 |
| 在信息理论,噪声信道编码定理(有时是香农定理),建立,对于任何给定的一个通信信道的噪声污染程度,可以交流离散数据(数字信息)几乎无错可计算的最大速率通过通道。这个结果是克劳德·香农提出的在1948年[2]。表示由香农定理描述的最大可能的效率或权衡纠错方法和水平的噪音干扰和数据损坏。香农定理已经广泛的应用在通信和数据存储。这个定理是基本的重要的现代信息论和编码。香农只给了一个大纲的证据。第一个严格证明是由于Amiel范斯坦在1954年。 |
| 香农定理的州 |
| 给定一个噪声信道和信道容量C和信息传播速度R,然后如果¯害怕害怕一个½¯½<¯害怕一个½¯害怕一个½存在代码,允许误差的概率在接收机任意小。这意味着,从理论上讲,是可能的传输信息几乎没有错误在任何利率低于限制利率,C [19], [21]。 |
| 反过来也很重要。如果¯害怕害怕一个½¯½>一个¯害怕害怕一个½¯½,错误的概率在接收机不能任意小只需使用编码。所有代码都有一个错误的概率大于一定积极的最低水平,这个水平增加随着速率的增加。所以,无法保证信息传输可靠的跨通道速度超出了通道容量[22]。这个定理并没有解决罕见的情况下,利率和能力是相等的。信道容量C可以计算从一个通道的物理性质;我们现在给的数学表述带限信道高斯噪声,使用Shannon-Hartley定理。 |
数学表述 |
| 对于每一个离散的内存更少的通道(参见图6),信道容量被定义为 |
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| 推论1:在处理内最大信道容量,引入冗余比特增加发射机的速度,因此带宽需求也增加,同时减少带宽效率,但也降低了误码率。 |
| 推论2:如果不引入数据冗余在宽带噪声环境中,自由表现在不可能的错误(例如,码分多址(CDMA)通信在3 g手机)。 |
多样性和结合技术 |
| 在无线传输,信号质量遭受严重退化由于影响像褪色的由多径传播引起的。减少这些影响,多样性,[6]提出的,同样可以用来传输不同样品的信号(信号相同的复制品)本质上独立的渠道。有几种方法来实现无线传输的多样性。多样性利用无线电传播的随机性质通过独立的通信信号路径。当有多个路径选择、瞬时和平均信噪比接收机可以显著优化。多样性的决定通常是由接收器。与均衡、多元化不需要训练开销作为训练序列。注意,如果两个接收器之间的距离是λ2的倍数可能发生有两个信号之间的相消干涉,在载波的波长λ。因此接收器在多样性技术被用于这种方式接收到的信号是独立于其他。 |
| a类型的多样性 |
| 有几种不同类型的多样性应用在无线通信系统中,即频率、时间和空间的多样性。 |
| 1)频率分集: |
| 频率分集利用传输相同的信号在两个不同的间隔频率运营商实现两个独立衰落的版本的一个信号。频率分集是同时使用多个频率传输信息。这种技术被用来减少多径衰落的影响自组件波长不同的频率可能导致不同的和不相关的衰落特性[6]。最有可能是衰减的信号不会遭受同样的水平在不同的频率,接收方拿起最强的信号传输的控制。不同频率的波传播有效地诱导不同的多路径结构的传播媒体。传输信号的副本被传输到接收者在频域的冗余。如图7所示,信号通过M s (t)调制不同的运营商的频率间隔Ws。运营商之间的分离应该至少它所代表的相干带宽Δf和不相关的信号的频率间隔。这里不同的副本进行独立的衰落[23]。因此,总发射功率是运营商之间的分裂。 It is obviously a cost-effective mechanism to use because of difficulties to generate several transmitted signals and the combining signals received at several different frequencies simultaneously. Frequency diversity consumes extra bandwidth. |
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| 2)时间多样性: |
| 时间的多样性是通过发送相同的信息重复在短时间间隔。添加多余的前向纠错编码和信息传播及时传播之前通过位交错。因此,错误避免破裂,这简化了误差修正。时间差异的另一个限制是,两个传输之间的时差应该大相比,时间是需要移动天线移动半个波长。与固定式天线系统,如室内无线通信、时间多样性会减少有效信道特性不改变随着时间的推移。然而,时间的多样性可能是有益的,如果不相关的干扰信号是连续经历尝试[6]。 |
| 如图8所示,期望信号s (t)是在M不同时间即传播。,每个符号传播M乘以频率间隔Ws。传输之间的时间间隔相同的符号应该至少Δt相干时间。这里也假定不同的副本进行独立的衰落不同程度。这将导致减少效率(有效的数据率<真实数据率)。 |
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| 3)空间的多样性 |
| 空间多样性被认为是传播的一种方法或接待,或两者兼而有之,在衰落的影响最小化的同时使用两种或两种以上物理上分离的天线,最理想的是由一个或多个波长的一半。收到的信号空间上分开天线有不相关的信封。空间的多样性,这被广泛利用在无线通信对抗信道衰落,承诺更高的数据速率和更大的网络覆盖[3]。空间多样性是通过使用多个天线基站或移动电台或两端。空间分集技术可以有效地减轻衰落造成的性能恶化,没有实施延迟和带宽扩展,这个属性显然是可取的从效率和系统可用性的观点[23]。图9 (a)和(b)连续9显示了一个广义的概念空间的多样性。 |
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| 4)旋转的多样性 |
| 调制多样性(MD)也被称为信号空间多样性(SSD);这个方案可以提高系统性能,而无需额外的带宽和功率[24],[25]。调制多样性背后的原理是基于多维信号的旋转组件的信号星座星座点独立衰落信道上发送。在2 d信号星座,组件发送阶段和正交基带传输的阶段。 |
| 信号空间多样性(SSD)计划在衰落信道实现分集增益。该计划是基于旋转信号星座和特定组件的交错。由于这些操作,SSD的决策边界不再是垂直的。这就是为什么不同的协调方法所需的错误率分析比传统的直角坐标[26]。在这条线,参考[27]探讨了信号空间多样性(SSD)方案结合接收机MRC衰落环境中为了获得更大的分集增益。旋转多样性利用一对衬垫和de-interleaver和同相正交组件接收的信号被独立的信道衰落系数的影响。这些衰落系数称为信道状态信息(CSI)被假定已知的接收器。错误的性能已被许多研究人员研究了旋转信号星座[24]- [29]。 |
| b相结合的方法 |
| 几个副本传送信号的接受独立的衰落和组合来增加整体接收机的接收功率。不同类型的多样性要求不同的组合方法。在这里,我们回顾几种常见的多样性相结合的方法。 |
| 1)结合显微技术的多样性 |
| 微生物多样性处理短期衰落效应。在这种情况下,下面是获得平等的信号平均功率通过使用多样性计划。许多研究人员一直在研究结合技术在不同环境中[30]- [41]。三种类型的线性多样性结合流行方案: |
| 一个¯·选择结合(SC) |
| 一个¯·最大比合并(MRC) |
| 一个¯·平等获得结合(EGC) |
选择相结合 |
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最大比率相结合 |
| MRC的所有分支机构都同时考虑。每个分支的信号加权与自己的信噪比增益系数成正比。MRC方案要求的信号后将它们添加到相同阶段[34],[35]。与第i个分支相关联的获得取决于信噪比相应的分支。如果我一个信号包络在¯害怕一个½¯害怕一个½¯害怕一个½¯害怕一个½¢分支则作为合并后的信号包络 |
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| MRC结合的主要挑战是co-phasing加权后传入分支[37]。图11商店ws简化图的最大比例组合器技术。Co-phasing和做是为了增加加权求和分支信号阶段。现代DSP技术和数字接收器正在这最佳的形式,因为它提供了最好的任何已知的线性统计减少褪色多样性组合器[38]。 |
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平等获得结合 |
| co-phase结合,带来所有阶段公共点,结合了他们。合并后的信号瞬时消失的和信封单独的分支。 |
| 因此co-phasing和总结完成的分支直接收到即g s我MRC方案等于1,所有一个¯害怕½¯害怕一个½= 1,2,3,……一个¯害怕害怕一个½¯½。等增益组合的性能比MRC [39]。信封是由合并后的信号 |
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| 以及由此产生的信噪比 |
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介绍了MIMO无线通信 |
| 多输入多输出(MIMO)系统进一步发展的自然延伸在天线阵的沟通。尽管多个接收天线的优点,如增益和空间多样性,调查一段时间[1],[35],[42],发射分集的使用只有研究过去[43],[44]。米姆在输出通信的优点是目前收到重要的关注[45],[46]。在特定的环境条件下,电力需求与高spectral-efficient沟通可以显著减少通过避免压缩区域的信息理论容量约束。提高通信系统的可靠性,可以将多个天线安装在发射器和接收器。Alamouti代码[47]被认为是最简单的发射分集方案而获得多样性包括等相结合的方法,最大比例,平等的获得和选择相结合。多个天线多样性背后的理念是提供由多个副本相同的信号接收器通过独立衰落信道传播。让我们描述的MIMO信道矩阵表示。在最简单的场景中,两个数据流传输通过两个传输天线(参见图13)。由此产生的输出相比,4个人传播路径,每个与一个复杂的透射系数。 The resulting two by two MIMO transmission channel can be represented mathematically as two by two matrices with 4 complex valued matrix elements. Each of the 2 receivers estimates two of the channel matrix elements based on known reference elements. |
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| 多天线系统的一个好处是,它可以极大地提高信道容量从不同的发射天线发送独立的信号。这些类别的多个天线技术的一个例子是贝尔实验室分层的时空(爆炸)空间复用方案,提高信道容量。此外,智能天线技术可以显著提高无线传输的数据速率,提高质量受到干扰,当地的散射和多路径传播。多用户多输入多输出(MU-MIMO)系统可以提供更高的数据速率比单用户多输入多输出(SU-MIMO)通过传输信号多个移动站(MSs)同时在同一光谱。先前的研究主要集中在MU-MIMO系统的频谱效率,最大化的一些例子,可以发现在[11],[48],[49]。权衡空间复用增益和inter-user之间的干扰,提出了光谱高效的模式切换SU-MIMO和MU-MIMO [49]。图14中总结了不同的多天线技术。 |
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| a那类型 |
| 空间分集方案已成为更具吸引力的多样性技术近年来由于其使用的灵活性与其他多样性技术[50]。分布式天线系统可以大致分为Multi-antenna类型合作那类型。 |
| 1)Multi-Antenna类型 |
| 在multi-antenna类型,多个天线放置在发射机和接收机。这个multi-antenna通信三种不同形式的分类,根据天线的数量。这些被称为multiple-input-single输出(味噌)single-input-multiple-output(单)和多输入多输出(MIMO)如表2所示。通过使用中显示巨大的改进空间分集MIMO技术的可靠性和无线通信系统的吞吐量。规模、成本和硬件约束MIMO技术的使用可能并不总是可行的特别是在手机等小型便携设备。为解决这一问题,介绍了合作的多样性的概念。 |
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| 2)合作那 |
| 之间的传输一个发射台和一个接收站,天线系统可以实现通过使用多个天线发射和接收电台。虽然同样的方法可用于实现MIMO的轨道中继系统,有一个根本区别,中继传输是由多个传输站到一个接收站。来自多个源的信号传输到一个目的地的信号可以被认为是单一来源的不同天线元素。 |
| 术语合作那是用来区分这个方案从传统的(没有任何合作传输站)相同的信号传输。 |
| 合作那可以用来提高轨道中继系统的性能通过基站(BS)和多个中继站(RS)参与执行相同的时空编码的中继传输过程但传输不同层的时空代码。例如,在每一跳中继传输的所有合作电台正交空时编码(OSTBC)生成一个常见的矩阵,和个人传输电台传输只有那些列指定[]51号~ 53号。合作MIMO中继传输的一个明显的优点是,可以实现空间复用增益;即使传输站没有多个发射天线,只要接收站有多个天线。图15给出了协同通信的例子。 |
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| b那多样性 |
| 在通信系统中,我们面临的挑战增加发射机和接收机之间的通信操作的可靠性,同时保持高频谱效率。最终的解决方案依赖于使用的多样性,可以被视为一种冗余[54]。多个天线系统已经知道增加多样性对抗信道衰落。每一对传输和接收天线提供了一个从发射机到接收机信号路径。通过发送信号,携带相同的信息通过不同的路径,多个独立褪色的副本可获得数据的符号在接收机端;因此更可靠接收实现[47]但更多的冗余。慢瑞利衰落环境中传输和N接收天线,传输信号通过不同的路径。如果衰落独立在天线对N的最大分集增益可以达到[3]。平均误差概率发现腐烂了1一个¯§N平均信噪比(γ)在高信噪比与γ的单输入单输出系统的输出。与多个发射天线M和一个接收天线,底层的想法仍然是平均收益增加的可靠性在多个路径。 It has been shown that with M transmit antennas and one receive antenna, a diversity gain within 0.1dB that of N receive antennas with one transmit antenna can be achieved [11], [55]. |
| 1)发射分集技术的介绍 |
| 天线阵列可以在无线通信系统中使用,因为其潜在能力对抗衰落,降低多路径失真,提高信噪比。天线阵列主要是用于接收模式;然而,有兴趣增加使用天线阵列的传输模式。发射分集提供基本相同的好处得到多样性,也可以扩展到执行transmit-beam形成[56 - 62]。 |
| 与接收多样性方法相关的主要问题是成本、远程单位的大小和力量。使用多个天线和运营商在无线电频率(RF)使远程单位规模更大,更昂贵。因此,多样性技术几乎完全被应用到基站以改善他们的接待质量。因为一个基站往往是几千的远程单位,它找到更便宜的设备添加到基站,而不是远程单位。出于这个原因,发射分集方案非常有吸引力。简单的发射分集方案建议Alamouti和时空编码提出的诉Tarokh et al。[63]引发了在这一领域的研究。等传输方案空间多路复用、空间多样性(时空编码)和智能天线和波束形成技术已经提出,以不同的方式利用MIMO信道。 |
| 在空间复用技术,信息去复用和独立传输多个天线。这将会增加数据速率由于多路复用但是分集增益降低,因为更高的错误率。空间分集技术传输相同的信息在多个天线反过来改善误码率和分集增益。 |
| 可以结合错误控制编码发射分集性能有更好的错误的链接。更优的方案是发射分集的联合设计,错误控制编码和调制[23]。这项技术被称为时空编码(STC)。优质、多样性和编码增益带宽扩展就能达到。大容量的收益已经被证明可能利用MIMO系统,和失学是方法能力的极限。信道容量公式的不同组合发送和接收天线可以在[65]。在实践中,多个多样性计划通常一起使用在实践。 |
| 2)空间分集技术 |
| 空间分集可以通过部署多个发射天线(发射分集)或多个接收天线(接收多样性)有足够的间距天线。发射分集的主要想法是提供一个多元化和/或编码增益通过发送冗余信号在多个传输天线[23],[63]。在接收器我们使用相结合的方案,消除了从其他天线空间干扰。在所有的结合方案假设已知信道状态信息(CSI)接收机。不同频率分集,可能需要额外的带宽和时间的多样性,需要额外的时间,空间多样性并不需要额外的带宽和传输时间。 |
闭环发射分集(CLTD)计划 |
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| 接收天线的处方,接收到的信号, |
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| 复杂的正交空时编码 |
| 发射分集的主要想法是提供一个多样性(获得)通过发送冗余信号在多个传输天线[9]。在接收器我们使用相结合的方案,消除了从其他天线空间干扰。在所有这些计划假定信道状态信息接收者。然而,发射分集的价值只有在1998年,当Alamouti提出一个简单的技术,两个传输天线[54]。同年,Tarokh、瑟哈德里和Calderbank展示了他们的时空框架代码(STTCs)[64],将二维编码方案,系统具有多个发射天线。时空编码方案的基本结构如图17所示。冗余传输信号的预处理是执行的时空编码器,这很大程度上取决于特定的方案考虑。接收器,相应的检测/解码过程是由时空解码器。 |
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| 出于[47]的接收机结构简单,正交空时分组码(OSTBCs)[56],介绍了构成的泛化AlamoutiA¢s方案有超过两个传输天线。OSTBCs旨在实现完全的多样性对发送和接收天线的数量。STTCs相比,OSTBCs不提供任何额外的编码增益。OSTBCs基于正交设计的数学理论,这可以追溯到1890年代。正交设计是一种特殊的正交矩阵。一般来说,使用OSTBCs造成速度损失相比,一个un-encoded单天线系统。由于复值调制方案,只有批量OSTBC AlamoutiA¢年代发射分集方案[3]两个传输天线。在[56]表明,利率——½OSTBCs为复值调制方案可以构造任意数量的传输天线。然而,必须满足以下条件。 |
| 1。广场传输矩阵(即使用的传输天线Nt的数量等于数量时段m)。 |
| 2。统一码率(数量的使用时段m等于数量的传播符号)。 |
| 3所示。正交传输矩阵S的时间和空间域(SSH =无SH在哪里年代的共轭转置。 |
| 正如前面说的,最简单的复杂的正交时空代码是Alamouti代码使用两个传输天线,一个接收天线。此外,这个方案需要衰落信道包络在两时段保持不变。 |
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广义复正交空时编码 |
| Tarokh、Jafarkhani Calderbank[56]执行分析的时空编码两个多天线基于复杂的正交设计。广义复杂的正交设计有别于Alamouti代码,传输矩阵不是方阵(也就是说,使用数量时段≠发射天线的数量)和部分代码率(数量的传播符号<使用时段)的数量。传输矩阵的正交性只是时间意义上的保证。 |
| 由于这些属性,频谱效率降低和时段的数量增加而通道属性不会改变。传输矩阵的广义复杂的时空代码3天线,4传播符号(si, i = 1, 2, 3, 4)和8使用时段由[65]。 |
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| 家庭包括Vertical-BLAST (V-BLAST) Diagonal-BLAST (D-BLAST)和Turbo-BLAST (T-BLAST)。首字母缩写代表“贝尔实验室分层时空”。 |
Diagonal-BLAST |
| D-BLAST最初提出的g . j . Foschini 1996年[67]。D-BLAST,传播的符号排列在时空传输矩阵的对角线斜下的元素用零填充。图(19日)描述了三个D-BLAST发射机的结构传输天线。起初,位流de-multiplexed为三个独立并行流的编码和调制。随着时间的推移Encoded-modulated位流循环。方程(55)的一个例子是使用四发射天线时传输矩阵S。年代的第一对角通过第一天线传播;第二个对角线通过天线传播2,等等。 |
Vertical-BLAST |
| 一个简化版的D-BLAST提出了p . Wolniansky称为Vertical-BLAST或V-BLAST 1998年[68]。V-BLAST,传入的数据流是de-multiplexed为Nt流每个独立的编码和调制和传输天线。V-BLAST高层图是描绘在图19 (b)三个天线是在发射端使用。D-BLAST相比,V-BLAST不包括自行车随着时间的推移,因此复杂性大大降低。此外,不像D-BLAST V-BLAST不包括任何时空浪费。接收器,传播符号可以使用命令串行解码interference-cancellation (OSIC)检测器。OSIC正常工作,接收天线数量的Nr必须至少一样大传输天线元的数量。 |
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Turbo-BLAST |
| Turbo-BLAST首次被图雷和微积分在2002年[69]。Turbo-BLAST发射机结构是描绘在图19 (c),数据流比特首先de-multiplexed为Nt并行流的编码独立使用块编码器(外部编码器)。独立外部编码器的输出流是交叉和传递到内心的编码器。外编码器(信道编码器)的目标是实现random-layered时空(RLST)编码。我们列表在表4比较多样性的不同时空编码和爆炸的家庭计划。 |
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MIMO-OFDM未来宽带无线接入 |
| 正交频分复用(OFDM)是一种基于调制载波间隔的精心挑选,这样每个子载波正交于其他子运营商。在一些时间间隔两个信号是正交的,如果他们在区间内积为零。正交性可以通过仔细选择载波间隔(例如载波间距等于互惠有用的符号周期)。分载体最终再正交,每个航空公司都有一个空的频谱中心频率的系统中其它航空公司。这导致运营商之间没有干涉,让他们间隔尽可能理论上可行。数学上,假设我们有一组信号一个¯¹[70]。 |
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| 提前宽带访问局域网和男人,OFDM是使用不同的组合和技术例如天线系统。这能更好地对抗对抗多径衰落(深衰落),也支持高数据率。在无线电像高清电视支持多媒体应用程序。MIMO-OFDM降低了接收机的复杂性和操作分配数据信息在多个子运营商和传输在不同频率水平有利于频谱效率和错误控制传输。MIMO-OFDM发送独立的数据流信息来提高空间率在不同天线。 |
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| 在OFDM分为窄带平坦衰落信道的带宽和数据传输在每个通道如图20所示。因此我们发现这是一个技术把许多平坦衰落信道频率选择性信道,每个子信道分配方案的应用[71]。利普森无线mimo - ofdm方案首先介绍了。它允许传输和成功的沟通non-LOS路径(如mimo - ofdm利用基站使用多路径场景[72])。 |
| 潜在的研究发生了在MIMO系统为了提高数据速率和容量。植入的OFDM和MIMO的许多想法已经解决了多样性和通道的能力,从而达到伟大的光谱高效环境[73]。在另一方面复杂的均衡可以最小化以极大的改善和潜在的mimo - ofdm方案几乎消除通过考虑均衡的复杂性。 |
| mimo - OFDM。OFDM的比较 |
| 1)OFDM具有更高的数据速率。在这整个频道分为狭窄的并行的子信道,从而提高符号持续时间和减少三军情报局效应引起的多路径组件。优质的特征代码效率高和良好的性能,是一种很有前途的技术来提高OFDM系统的效率和性能。必须使用宽带传输的时空处理减轻ISI。但用人OFDM-SISO系统与平坦瑞利衰落或窄带通道、时空处理的复杂性增加的带宽,和性能大大降低,当估计信道参数使用。 |
| 2)可以使用多个传输和接收天线OFDM进一步改善系统性能。因此需要更多的带宽信号传输更高的数据速率。然而,由于频谱的限制,通常是不切实际的和昂贵的增加带宽。在这种情况下,使用多个传输和接收天线的幽灵似地有效传播是一个可选择的解决方案。 |
| 3)mimo - ofdm的重点是在提高信道估计和信号检测。mimo - ofdm系统在实现发射分集增益和检测传输信号,时空处理器必须为时空解码器提取所需的信号。两个时空的处理器和时空解码需要CSI [70]。 |
| 4)MIMO系统可以提高信道系统容量的一个因素最小数量的传输和接收天线。mimo - ofdm的结果更多的接收天线,提高信噪比和更少的字错误率(回答)。mimo - ofdm是很有前途的技术,因此高光谱高效宽带传输,它可以有效地用于高速率无线系统。 |
性能改进 |
| MIMO系统的使用所带来的性能改善是由于阵列增益,分集增益和减少干扰。这里我们简要回顾一下这些系统中利用先生太传输和接收天线。 |
| 答:阵列增益 |
| 阵列增益可以通过处理在发射机和接收机。这些结果在平均接收信噪比的增加,由于一个连贯的结合效果。传输和/或接收阵列增益取决于传输和接收天线的数量和要求发射机和接收机信道知识,分别。信道知识通常是在发射机接收机而CSI是难于维护。 |
| b .分集增益 |
| 信号在无线信道随机消失。多样性技术依赖于传输信号在多个独立(理想情况下)衰落路径(时间/频率/空间)。空间(或天线)多样性是优先于时间/频率分集它不产生多余的传输时间和带宽。如果−¯害怕一个一个½¯害怕一个½¯害怕害怕一个½¯½链接构成独立MIMO信道衰落和传输信号是适当的恢复,然后接收方结合到达信号的合成信号展品相比大大减少振幅变化的输出链接,我们得到了th -秩序的多样性。使用合适的传输信号可以提取空间分集增益在缺乏知识频道发射机。相应的技术被称为时空编码[56],[64],[74]。 |
| c .减少干扰 |
| 同信道干扰的结果由于频率复用在无线频道。当使用多个天线,区分空间签名的期望信号和信道信号可以被利用来减少干扰。减少干扰需要知识所需的signalA¢s通道的不interfererA¢s通道。减少干扰(或避免)也可以实现发射机,目标是最小化干扰能量向公司发送渠道用户而提供的信号所需的用户。干扰减少允许激进的频率复用,从而增加多单元容量。不可能同时利用所有利用MIMO技术由于相互冲突的需求空间自由度(或数量的天线)。解决这些冲突的程度取决于信号方案和收发器的设计。 |
MIMO中继通道 |
| 继电器的概念起源于一个信息理论的场景在一篇“中继信道容量定理”由t . m .封面和a·a·e·贾迈勒在1979年[75]。摘要他们认为主要通道以及传递通道,继电器作为辅助节点的传输比特的信息。继电器的定义IEEE 802.16 j规定如下: |
| “一套通用设备,依赖于一种中继基站(MR-BS)提供连接,其他RSs或订户站(SS)。“一个继电器可以被认为是一个微型基站享受视线与另一个继电器或基站连接。不像一个基站,继电器不连接到有线回程。几个传送协议提出,比如amplify-and-forward (AF)、再生(DF)和编码的合作(CC) [50]、[76 - 79]。许多合作策略的基础上,近年来提出了中继信道。的策略分为以下三个类别之一,基于继电器的行为。 |
| 答:放大和转发: |
| 这种策略是最简单的方式,一个中继节点可能合作。在这个方案下,继电器缓冲区源nodeA¢s模拟传输/一些预先确定的时间间隔(即帧、代号等表示“合作期”)和重新传输一个放大的信号以下合作期间,如图21所示。这个方案的主要优点是简单和低成本。这个方案的负面效应放大了relayA¢年代收到噪声。然而,它已被证明在[50],[78],该计划提供收益不合作的中断概率,甚至可以表现在某些网络几何图形解码和向前传送。由于继电器不执行任何类型的解码,这种传输协议降低了硬件的复杂性。因此,这种合作高度依赖源和中继之间的信道条件。处理采样、放大和电源模拟值在这个方案是另一个潜在挑战。 |
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| b .解码和转发: |
| 在这种方法中,继电器解码收到消息从发送方,检查错误和一直传送到目的地。接收方使用最大比率结合估计信号的信息。整个信号继电器可以解码也可以执行符号,符号解码[50]。继电器解码收到信号时,信号中引入的噪声信息解码之前应该删除。否则,它更有可能的是,原始信号可能会损坏。目标必须完全解码信号。因此,必须意识到目的地的解码技术,为了充分解码信号如图22所示。在实时环境中,存在不确定性,解码信号的继电器将再次受到噪声影响。尼古拉斯Laneman表明解码和转发方法未能实现全空间的多样性。一般来说,再生优于amplify-and-forward继电保护的情况下继电器可以可靠地解码源nodeA¢s消息。 |
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| c编码的合作 |
| 编码的合作是合作相结合的方法为信道编码。它通过发送不同部分的每个userA¢s码字通过两个独立的衰落路径。基本的想法是,每个用户试图发送增量冗余的伙伴。每当这是不可能的,用户自动恢复到一个非合作模式。编码的合作效率的关键是,这一切都是通过代码自动管理设计,与用户[80]之间没有反馈。 |
| 考虑到原始码字有¯害怕害怕一个½¯½1 +一个¯害怕½¯害怕½2位;刺穿这个码字N1比特,我们获得第一个分区,这本身就是一个有效的(弱)码字。剩下的N2位在本例中是穿刺位。同样地,数据传输时间为每个用户分为两段N1和N2间隔。这里我们所说的这些时间间隔帧。第一帧,每个用户传输码字N1-bit代码组成的分区。每个用户也试图破解其合作伙伴的传播。如果这次尝试成功,第二帧用户计算和传递第二个代码分区的伙伴,含N2代码部分。否则,用户传输自己的第二个分区,再含N2碎片。因此,每个用户总是传送共有N =一个¯害怕害怕一个½¯½1 +一个¯害怕害怕一个½¯½2位/源块在两帧,如图23所示。The performance of the two-hop AF relay network has been studied in [81] for single relay and multiple relay under Rayleigh fading channels, and this is extended to Nakagami fading environment in [82] for i.i.d. case and for independent non-identical case [83]. Relay transmissions with nodes employing multiple antennas are gaining great interest. In [84], the tradeoff between the diversity and multiplexing is analyzed and the capacity bounds of MIMO relay channels have been found in [85] and the reference therein. |
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| 在[86],SER提出了波束形成在房颤两跳中继网络源和目标部署多个天线。能力范围了全双工中继信道派生[85],[87]。[88]的作者推导最优infinite-SNR diversity-multiplexing权衡半双工MIMO中继信道和得出结论,一个压缩——和转发策略在这个意义上是最优的。最近,实际为MIMO中继转发策略也已经被开发出来。[89]和[84]推导出mutual-information-maximizing非再生线性继电器用于空间复用时直接联系被忽略。在[88]和[90],性能分析OSTBC传输的协作中继网络提出了房颤和DF协议。 |
| 图24描绘一个放大和转发MIMO中继系统采用MRC技术多样性。我们更喜欢MIMO中继通道,因为这个应用程序在无线网络也有巨大的潜力。例如,对于从一个基站(接入点)用户,中继站可以利用为最终用户传递消息。使用的动机中继站可以简单地说: |
| 1)蜂窝网络,以确保可靠的通信,BS和用户之间的直接传输接近细胞边界可以非常昂贵的传动功率要求;和 |
| 2)现有的射频技术只能容纳几个天线在用户结束,表明当前无线系统不能充分受益于时空有前途的技术。利用中继站(可容纳多个天线)传递信息,传递通道有效地转化成一种渠道。另一个应用程序是利用中继节点合作通信特设网络,节点接近活跃的发射机和接收机可以传递数据包从发射机到接收机(见,例如,[80][91][92][93][94])。 |
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结论 |
| 对移动数据服务的需求增加了在过去的几年里,一些移动运营商大举经历更多的增长数字。根据最近的预测,全球移动数据流量有望成为双到2014年,每年导致全球约100%的复合年增长率。在系统开发的范围,LTE-Advanced和WiMAX - 2可以使用8×8米姆。另外介绍了新的参考信号同时支持解调/检测和信道状态信息估计。因此,一直特别注意信号为更先进的苏/ MU-MIMO方案。然而,分布式天线接收器通道干扰的关键敏感在蜂窝网络面临的主要挑战与MIMO技术的使用。一方面,系统设计应减少传输能量和数据率来抑制干扰引起邻近的细胞。另一方面,MIMO系统从本质上提高了传输的数据量,因此需要一个更大的接收信号干扰噪声比(SINR)。先进的信号处理技术在接收机和发射机的减少或取消所使用的干扰影响。 |
| 因此,本文的帮助下,我们发现,MIMO系统只不过是使用多个天线在发射机和接收机。这是用于提高可靠性和数据吞吐量的联系没有额外的带宽和传输能量。多用户MIMO和单用户MIMO天线系统的两种主要形式处理,如pre-coding多样性编码和特殊的多路复用。可重构天线被用来实现模式和频率分集天线系统。本文记录了这些技术大部分患有重要的现实不足的复杂性和频道信息,使他们的成功应用需要3 g蜂窝系统。 |
承认 |
| 我们值得庆幸的是承认从ECE部门获得的支持,工程技术学院,Mody理工学院和科学Lakshmangarh提供所有援助开展这项工作。 |
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