提高无线通信系统的信噪比和能力利用天线阵列
无线通信系统的目标是为尽可能多的用户提供最高数据率的约束条件,如辐射功率预算限制和操作。提高数据速率,关键是要提高信号噪声比(信噪比)。为更多的用户服务,关键是要重用资源。在过去的几十年中,许多算法采取了提高信噪比和重用资源在时间、频率,和编码空间。这个例子显示了如何采用天线阵列可以帮助改善了信噪比和无线连接的能力。
介绍
天线阵列已经成为标准配置的一部分5 g无线通信系统。因为有多个元素在天线阵列,这种无线通信系统通常被称为多输入多输出(MIMO)系统。天线阵列可以帮助改善信噪比,探索跨多个发送和接收通道冗余。他们还可以重用空间信息系统中提高覆盖率。
对于这个示例,假设系统是部署在60 GHz,正在考虑这是一个频率为5 g系统。
c = 3 e8;%传播速度fc = 60 e9;%载波频率λ= c / fc;%的波长rng (6466);
没有损失的通用性,将发射机的起源和接收者大约1.6公里的地方。
txcenter = (0, 0, 0);rxcenter = (1500; 500; 0);
在这个例子中,scatteringchanmtx函数将被用于创建一个通道矩阵不同的传输和接收阵列配置。函数模拟多个散射之间的传输和接收数组。信号从发射阵列的散射,然后反射散射到达接收数组。因此,每个散射体定义了一个信号通路之间的传输和接收数组和由此产生的信道矩阵描述了一个多路径环境。任意大小的函数与天线阵列在任何指定的频带。
阵列增益提高信噪比的视线传播
最简单的无线信道是一个视线(LOS)传播。虽然简单,但是这样的渠道常常可以发现在农村地区。采用天线阵列在这种情况下可以提高接收机的信噪比,进而提高通信链路的比特误码率(BER)。
输出洛杉矶通道
之前讨论的性能MIMO系统,建立一个基线,是很有用的单输入单输出(输出)通信系统。洛杉矶的一个输出通道直接路径从发射机到接收机。这样一个频道可以建模为一个特例的多路径通道。
[~,txang] = rangeangle (rxcenter txcenter);[~,rxang] = rangeangle (txcenter rxcenter);txsipos = (0, 0, 0);rxsopos = (0, 0, 0);g = 1;%获得的路径sisochan = scatteringchanmtx (txsipos rxsopos、txang rxang, g);
使用BPSK调制,误比特率(BER)等可以策划的输出通道
Nsamp = 1 e6;x =兰迪([0 1]Nsamp 1);ebn0_param = 10:2:10;Nsnr =元素个数(ebn0_param);ber_siso = helperMIMOBER (sisochan, x, ebn0_param) / Nsamp;helperBERPlot (ebn0_param ber_siso);传奇(“输出”)
单洛杉矶通道
与基线建立输出系统,本节的重点是单输入多输出系统(单)。在这样的系统中,有一个发送天线,但多个接收天线。同样,假设有一个发射机和接收机之间的直接路径。
假设接收数组是第4单元齿龈半波间距,然后可以建模为单通道
rxarray = phased.ULA (“NumElements”4“ElementSpacing”λ/ 2);rxmopos = getElementPosition (rxarray) /λ;simochan = scatteringchanmtx (txsipos rxmopos、txang rxang, g);
单系统,因为接收到的信号在接收数组元素是连贯的,可以引导接收阵列器改善信噪比。注意,这个假定信号入射方向接收方。在现实中,获得的角度通常是使用波达方向估计算法。
rxarraystv = phased.SteeringVector (“SensorArray”rxarray,…“PropagationSpeed”c);或者说是=连词(rxarraystv (fc rxang));ber_simo = helperMIMOBER (simochan x, ebn0_param 1 wr) / Nsamp;helperBERPlot (ebn0_param [ber_siso (:) ber_simo (:)));传奇(“输出”,“极点”)
的误码率曲线显示了提供的增益为6 dB接收数组。
味噌洛杉矶通道
多输入单输出系统(味噌)以类似的方式工作。在这种情况下,发射机是第4单元与半波间距齿龈。
txarray = phased.ULA (“NumElements”4“ElementSpacing”λ/ 2);txmipos = getElementPosition (txarray) /λ;misochan = scatteringchanmtx (txmipos rxsopos、txang rxang, g);
视线味噌系统达到最佳信噪比当发射机接收机的知识,引导光束向接收器。此外,与输出系统做一个公平的比较,总发射机功率应该是相同的两种情况。
txarraystv = phased.SteeringVector (“SensorArray”txarray,…“PropagationSpeed”c);txang wt = txarraystv (fc) ';ber_miso = helperMIMOBER (misochan x, ebn0_param wt 1) / Nsamp;helperBERPlot (ebn0_param [ber_siso (:) ber_simo (:) ber_miso (:)));传奇(“输出”,“极点”,“味噌”)
注意,pre-steering,味噌的性能匹配性能的单系统,获得6 dB在信噪比。它可能不是直观的极点的情况相比,因为总不会增加传输能量。然而,通过更换一个各向同性天线与第4单元传输数组,一个6分贝增益。
米姆洛通道
因为一个单系统提供一个数组获得接收数组和味噌系统提供了传输数组,数组获得MIMO系统的LOS传播可以受益于发送和接收阵列增益。
假设一个分布式天线系统第4单元传送数组和第4单元接收数组。
mimochan = scatteringchanmtx (txmipos rxmopos、txang rxang, g);
为了实现最好的信噪比,传送阵和接收阵列需要引导向对方。这个配置,误码率曲线可以计算
txang wt = txarraystv (fc) ';或者说是=连词(rxarraystv (fc rxang));ber_mimo = helperMIMOBER (wt, mimochan x, ebn0_param wr) / Nsamp;helperBERPlot (ebn0_param [ber_siso (:) ber_simo (:) ber_mimo (:)));传奇(“输出”,“极点”,“再分配”)
正如所料,误码率曲线表明,发射阵列和接收阵列贡献6 dB阵列增益,导致总12 dB的增益输出情况。
改善信噪比,对多径分集增益
前面所有的渠道是视线通道。虽然这些通道是发现在一些无线通信系统中,一般无线通信发生在多径衰落环境。剩下的这个例子探讨了如何使用数组可以帮助在多径环境中。
输出多路通道
假设有10个随机散射通道,那么将会有10个路径从发射机到接收机,见下图。
Nscat = 10;[~,~,~,scatpos] =…helperComputeRandomScatterer (txcenter rxcenter Nscat);helperPlotSpatialMIMOScene (txsipos rxsopos,…txcenter、rxcenter scatpos);
为简单起见,假设信号沿着所有路径旅行到在同一时期信道是频率平坦的象征。
模拟衰落信道的误码率曲线,通道需要随时间变化。假设我们有1000帧,每一帧10000位。基线的输出多路信道误码率曲线构造
Nframe = 1 e3;Nbitperframe = 1 e4;Nsamp = Nframe * Nbitperframe;x =兰迪([0 1]Nbitperframe 1);Nsnr nerr = 0 (1);为m = 1: Nframe sisompchan = scatteringchanmtx (txsipos、rxsopos Nscat);或者说是= sisompchan ' /规范(sisompchan);nerr = nerr + helperMIMOBER (sisompchan x, ebn0_param 1 wr);结束ber_sisomp = nerr / Nsamp;helperBERPlot (ebn0_param [ber_siso (:) ber_sisomp (:)));传奇(“输出洛”,“输出路径”);
相比误码率曲线来源于一个洛杉矶频道,误码率下降缓慢得多,每一点能量的增加噪声功率谱密度比(Eb / N0)由于多径传播引起的衰落。
单多路径通道
随着越来越多的接收天线接收数组中使用,多份接收机接收到的信号是可用的。假设一个第4单元齿龈的接收器。
最优组合权重可以通过匹配信道响应。这样的结合方案通常被称为最大比合并(MRC)。虽然理论上这样的计划需要的知识频道,在实践中信道响应通常可以估计接收数组。
Nsnr nerr = 0 (1);为m = 1: Nframe simompchan = scatteringchanmtx (txsipos、rxmopos Nscat);或者说是= simompchan ' /规范(simompchan);nerr = nerr + helperMIMOBER (simompchan x, ebn0_param 1 wr);结束ber_simomp = nerr / Nsamp;helperBERPlot (ebn0_param [ber_sisomp (:) ber_simomp (:)));传奇(“输出路径”,“单多路径”);
注意,接收到的信号不再是由转向向量加权向特定的方向。相反,接收数组权重给出了在这种情况下的信道响应的复共轭。否则可能多路径可以使接收信号的相位与传输信号。这个假设信道响应接收方。如果未知的信道响应,飞行员可以用来估计信道响应信号。
从误码率曲线可以看出,单系统不仅提供了一些信噪比增益输出系统相比,但单系统的误码率曲线的斜率也陡而输出系统的误码率曲线。产生的增益斜率变化通常被称为分集增益。
味噌多路径通道
事情变得更有趣的多路径传播时的味噌系统。首先,如果通道已知发射机,那么策略来提高信噪比最大相似比率相结合。的信号辐射传输数组的每个元素应该加权,这样传播信号在接收机可以连贯地添加。
Nsnr nerr = 0 (1);为m = 1: Nframe misompchan = scatteringchanmtx (txmipos、rxsopos Nscat);wt = misompchan ' /规范(misompchan);nerr = nerr + helperMIMOBER (misompchan x, ebn0_param wt 1);结束ber_misomp = nerr / Nsamp;helperBERPlot (ebn0_param [ber_sisomp (:) ber_simomp (:) ber_misomp (:)));传奇(“输出路径”,“单多路径”,“味噌多路径”);
注意发射分集增益的误码率曲线所示。相比单多路径信道情况下,味噌多路系统的性能并不好。这是因为只有一个副本,接收到的信号传输能量传播在多个路径。当然可以放大信号在传输端实现一个等价的增益,但引入了额外成本。
如果发射机的通道是未知的,仍然有一些方法来探索多样性通过时空编码。例如,Alamouti代码是一个众所周知的编码方案,可用于实现分集增益,当通道是未知的。鼓励有兴趣的读者探讨介绍了MIMO系统在通信工具箱™。
MIMO多路径通道
剩下的这个例子着重于多路径分配频道。特别是,本节说明了情况环境中散射的数量大于传输和接收数组中元素的数目。这种环境通常被称为是一个丰富的散射环境。
之前到特定性能的措施,它有助于获得快速通道的样子。下面的helper函数创建了一个4 x4 MIMO信道,发射机和接收机都是这种第4单元。
[txang, rxang scatg scatpos] =…helperComputeRandomScatterer (txcenter rxcenter Nscat);mimompchan = scatteringchanmtx (txmipos rxmopos、txang rxang, scatg);
有多条路径之间的传送阵和接收阵列由于散射的存在。每个路径由一个反弹相应的散射体。
helperPlotSpatialMIMOScene (txmipos、rxmopos txcenter、rxcenter scatpos);
有两种方法可以利用MIMO信道。第一个方法是探索一种渠道提供的分集增益。假设通道,下图显示了分集增益与误码率曲线。
Nsnr nerr = 0 (1);为m = 1: Nframe mimompchan = scatteringchanmtx (txmipos、rxmopos Nscat);[u, v] =圣言(mimompchan);wt = u (: 1)”;或者说是= v (: 1);nerr = nerr + helperMIMOBER (wt, mimompchan x, ebn0_param wr);结束ber_mimomp = nerr / Nsamp;helperBERPlot (ebn0_param [ber_sisomp (:) ber_simomp (:) ber_mimomp (:)));传奇(“输出路径”,“单多路径”,“MIMO多路径”);
比较误码率曲线从MIMO信道的误码率曲线获得单系统。在多路径的情况下,天线的分集增益通道并不一定比单通道提供的分集增益。这是因为获得最好的分集增益,只使用一个MIMO信道的主要模式还还有其他频道,不习惯的模式。所以有另一种方法利用频道吗?
通过空间复用MIMO多路径通道提高能力
前一个问题的答案在于一种称为空间多路复用的方案。空间多路复用背后的想法是一种丰富的散射体环境的多路径通道可以同时发送多个数据流在通道。例如,4 x4 MIMO信道的信道矩阵变得满秩,因为散射。这意味着它可以发送多达4数据流。空间多路复用的目的是减少增加信噪比,但更多的是增加信息吞吐量。
空间多路复用的思想是独立的信道矩阵多个模式,以便发送的数据流传输数组中不同元素可以独立从接收到的信号中恢复过来。为了实现这一点,之前将数据流传输,然后结合后的接待。预编码,结合权重可以从信道矩阵的计算
[wp, wc] = diagbfweights (mimompchan);
为什么预编码的组合,结合权重可以帮助传输多个数据流的同时,检查产品的重量和信道矩阵。
wp * mimompchan * wc
答我= 10.3543 - 0.0000 -0.0000 - 0.0000 -0.0000 + 0.0000我0.0000 - 0.0000 -0.0000 0.0000 6.0693 + 0.0000 + 0.0000我我0.0000 + 0.0000 + 0.0000 -0.0000 -0.0000 + 0.0000 + 0.0000我2.4446 - 0.0000我-0.0000 + 0.0000 -0.0000 - 0.0000 0.0000 - 0.0000 -0.0000 - 0.0000 1.1049 - 0.0000我
注意,该产品是一个对角矩阵,这意味着每一个收到的信息接收数组元素只是一个按比例缩小的版本的传输数组元素。所以它像多个正交的子信道内原来的通道。第一子通道对应于占主导地位的传输和接收方向所以没有损失的分集增益。此外,现在可以使用其他子信道携带信息,见前两个子信道的误码率曲线。
Ntx = 4;Nrx = 4;x =兰迪([0,1],Nbitperframe Ntx);nerr = 0 (Nrx Nsnr);为m = 1: Nframe mimompchan = scatteringchanmtx (txmipos、rxmopos Nscat);[wp, wc] = diagbfweights (mimompchan);nerr = nerr + helperMIMOMultistreamBER (wp, mimompchan x, ebn0_param wc);结束ber_mimompdiag = nerr / Nsamp;helperBERPlot (ebn0_param [ber_sisomp (:) ber_mimomp (:)…:ber_mimompdiag (1)。:“ber_mimompdiag (2)。']);传奇(“输出洛”,“MIMO多路径”,“MIMO多路流1”,…《MIMO多路流2》);
虽然第二个流不能提供一个获得高达第一个流,因为它使用一个主要的子通道少,总体信息提高吞吐量。因此,下一节措施由信道容量,而不是误码率性能曲线。
最直观的方式传输数据在分布式天线系统是均匀分割传输元素之间的力量。然而,信道的容量可以进一步改善通道是否已知发射机。在这种情况下,发送器可以使用waterfill算法使传输的选择只在一个令人满意的子信道信噪比可以获得。下图显示的比较两者之间的系统容量配电方案。结果证实,waterfill算法提供了一个更好的系统容量比统一的功率分布。的差异变小,当系统级信噪比得到改善。
Nsnr C_mimo_cu = 0 (1);Nsnr C_mimo_ck = 0 (1);Ntrial = 1000;为m = 1: Nsnr为n = 1: Ntrial mimompchan = scatteringchanmtx (txmipos、rxmopos Nscat);N0 = db2pow (-ebn0_param (m));[~,~,~,~,铜)= diagbfweights (mimompchan 1 N0,“统一”);[~,~,~,~,ck) = diagbfweights (mimompchan 1 N0,“waterfill”);C_mimo_cu (m) = C_mimo_cu (m) +铜;C_mimo_ck (m) = C_mimo_ck (m) + ck;结束结束C_mimo_cu = C_mimo_cu / Ntrial;C_mimo_ck = C_mimo_ck / Ntrial;情节(ebn0_param C_mimo_cu (:),“- *”、ebn0_param C_mimo_ck (:),”——^”);包含(“信噪比(dB)”);ylabel (的能力(bps / Hz) ');传奇(统一的功率分布的,“Waterfill配电”);网格在;
为更多的细节在空间复用及其检测技术,指的是空间多路复用通信工具箱中的示例。
从波束形成预编码
最后,值得看看这些不同的方法使用数组之间的关系。从《渠道,如前面几节中所述,数组提供的好处是信噪比的改善。
[~,txang] = rangeangle (rxcenter txcenter);[~,rxang] = rangeangle (txcenter rxcenter);mimochan = scatteringchanmtx (txmipos rxmopos、txang rxang, 1);txang wt = txarraystv (fc) ';或者说是=连词(rxarraystv (fc rxang));helperPlotSpatialMIMOScene (txmipos rxmopos、txcenter rxcenter,…(txcenter + rxcenter) / 2 wt wr)
很明显的草图,在这种情况下,发送和接收权重两束形式指向对方。因此,阵列增益是通过波束形成技术。另一方面,如果一个人试图创建一个类似的素描MIMO信道,它看起来像下图。
[txang, rxang scatg scatpos] =…helperComputeRandomScatterer (txcenter rxcenter Nscat);mimompchan = scatteringchanmtx (txmipos rxmopos、txang rxang, scatg);[wp, wc] = diagbfweights (mimompchan);helperPlotSpatialMIMOScene (txmipos rxmopos、txcenter rxcenter,…scatpos, wp (1:), wc (: 1))
注意,第一数据流图只描述了模式然而很明显,这个模式不再必然有一个主导主光束。然而,如果散射的数量减少到一个,然后现场
[txang, rxang scatg scatpos] =…helperComputeRandomScatterer (txcenter rxcenter 1);mimompchan = scatteringchanmtx (txmipos rxmopos、txang rxang, scatg);[wp, wc] = diagbfweights (mimompchan);helperPlotSpatialMIMOScene (txmipos rxmopos、txcenter rxcenter,…scatpos, wp (1:), wc (: 1))
因此,《信道情况下,或更准确地说,一个散射体的情况下,可以认为是一种特殊情况的预编码。当只有一个可用的路径之间的传输和接收阵列,波束形成方案的预编码退化。
总结
这个例子解释了阵列处理可以用来提高MIMO无线通信系统的质量。根据信道的性质不同,数组可以被用来通过阵列增益和分集增益,提高信噪比或改善的能力通过空间复用。示例还展示了如何使用函数scatteringchanmtx和diagbfweights模拟的场景。在MIMO系统建模的更多信息,有兴趣的读者可以参考例子中提供通信工具箱。
参考
[1]大卫谢霆锋和Pramod Viswanath,无线通信原理,剑桥,2005年
[2]Arogyswami Paulraj,介绍无线通信时空,剑桥,2003年
