MIMO信号处理信道容量提高的新领域.docVIP

MIMO信号处理 信道容量提高的新领域Syd Aon Mujtaba(invited)无线系统研究部门Agere SI. 摘要传统上,增加单用户通信信道容量是通过提高信号波特率（导致更大的带宽）或者增加信号星座尺寸（需要较大信噪比）。因为无论在有线还是无线通讯系统中，带宽都是有限的，在这种情况下一种基于多输入多输出原理利用空间域来增加信道容量的新的信号处理技术诞生了。在一个MIMO系统中，假设在传输媒介中多个传送信号线性干扰，信号被分在多个发射机上同步发送并且在多个接收机上同步接收。在本文中，我们检查在三种实际通讯系统（a）无线局域网、(b)铜有线局域网、(c) ADSL本地环路。在这些应用中MIMO技术提供的潜在能力是其他技术不能实现的。II 介绍由于数字网络的普及应用,数字传输系统吞吐量被通讯系统所有领域持续推动. 首先(最为公众所注意的)发生在广域网，受益于光纤技术的革命性发展，及其可能提供的近乎无限大的容量。而光纤的容量确实是是其他媒介（如无线和铜线）的大约数倍，但是相关电子设备的花费加上第一英里的瓶颈都制约着光纤革命.同样,增加数据容量的焦点已经从广域网转移到局域网和城域网并不令人惊讶，然而这些也更加被原有的基础设备所局限，并且花费和网络所有权也是一个敏感的问题。随着UTP铜缆成本效率的最大增长，局域网第一次开始用在有线媒介上。 如图 1,每一代新的有线网络以增加了物理层10x的吞吐量为目的，推动实现更高的数据传输速率持续发展.传输速率从l0M比特/秒到100M比特/秒波使特率增加到 125M比特,这就要求UTP从3类线升级到5类线双绞线电缆. 然而，从100M比特/秒到1G比特/秒的转变要求4对双绞线的电缆的全双工操作，造成需要补偿回波和近端的串话干扰。近期关于引入10G比特/秒双绞线的提案也强调突出了需要由MIMO信号处理技术进行补偿远端串话干扰造成的冲突问题。 近年来,随着越来越多地使用便携式电脑，无线局域网得到普及. 如图1所示.每一个新一代无线局域网都以5x提高物理层的吞吐量. 不同于有线局域网的最高波特率被电缆限制, 无线局域网必须根据经营需要来调整带宽.按照FCC（前向纠错编码）规定，每个信道带宽被限制在大约20MHz,3个信道在2.4GHz应用于ISM带宽,12个信道在5.4GHz应用于UNII带宽。 因为无线传输的信道容量被限制在20MHz,所以目前通过调整信噪比的方法来增加信道容量.通过降低扩频序列增益从11到1.375可得到传输速率从2MBPS到11Mbps的提高。同时传输速率从11Mbps到54Mbps的跨跃还需要扩展星座大小从QPSK调制到64QAM.为了将速率（吞吐量）扩展到250Mbps，需要更大的星座大小= 16M，这是不切实际的.一个可行的方案是通过多天线传输和多天线接收使用MIMO信号处理技术达到这个目标。ADSL（不对称数字用户环路）标准在“最后一公里”传输中是一种稳定的可接收的宽带接入机制。ADSL是通过电信营运商部署于本地环路的铜线基础设施来进行传输的。在铜线上功率是随着长度以指数衰减,所以ADSL的数据传输率从6000尺至18000尺是以10x下跌。.一项被考虑到的建议是从中央机房到用户设备之间用几对导线创造一条高速逻辑通道. 这种技术引入大量串音干扰,要求MIMO信号处理技术清除这些干扰.本文结构如下， 在下一部分,我们描述由MIMO技术带来信道容量的增加. 在随后第三部分里，我们讨论MIMO技术在无线局域网、 有线局域网、ADSL中的应用. 我们在第五部分得出一些结论。III.MIMO信道理论容量单输入单输出(SISO)通道的特点是把单个用户信号送入信道，单个接收者在从信道中提取出信号. 香农公式给出了在高斯白噪声影响下的SISO信道容量： （1）其中c是理论上的信道容量, B是信道能够传输的输入信号带宽, 信噪比是在接收端信号与噪声的比例. 注意到信道容量C定义在任意低误码率(BER)下都支持最高传输速率. 公式(1)仅仅在带宽B是平稳的并且加性噪声是白噪声或者高斯噪声的情况下才成立. R为实际接收中的信道容量， 由于信号丢失（导致信噪比下降）和调制方式的影响 (诸如qpsk,16-QAM信号等). 因为调制方式决定每个符号所含有的比特数，所以根据目标误码率(BER)和信噪比来选择调制方式Q ，我们可以把R写为: （2）每秒所发送的符号个数取决通过奈奎斯特采样定理得出的带宽B.因为普通无线传输信号受瑞利衰落的的影响，SNR在接收端是时变的。因此，平均容量就显得更加有意义。如果导致SNR时变的统计过程是各态历经的，我们得到： （3）其中p(SNR)是SNR的传递函数，如果SNR的时变在传送端被得知，则WF原理适用于最大容量，这就使人想到当SNR比较高的时候就有更高的传输能力，反之则传输能力较低。同时较大的信噪比允许我们使用更高的调制方式。注意从接收端到发送端的信道中状态信息的反馈必须遵守注水分布准则。如果在通道中有回声和临时性分散（比如多重传输路径）,频率响应可能就不在平稳。相对于平稳频率信道，选择频率信道总是减少信道容量，公式如下： （4）注水分布也可以应用到变频信道中，这是传输能力跟信噪比成正比。在实际中，一个通讯信道的衰弱要比加性高斯白噪声信道大的多。环路不匹配和非线性插入导致在接收端和发送端都有失真。而且，附近的传输者也会有一部分信号作为外部干扰信号一起进入信道。失真和干扰在接收端无法被补偿导致信号完整性下降。而且，典型失真和干扰信号功率谱密度既不是高斯的也不是白噪声。如果是非白色噪声，那么公式（1）便不再成立。然而白噪声滤波器可以使乘性色噪声变成白噪声，但是同时也导致信道频率选择性。这样，公式（4）可以用来估计有色噪声中系统的信道容量。因此乘性色噪声信道容量比加性高斯白噪声信道容量要低。如果是非高斯白噪声，公式（1）仍然不成立。然而，如果应用中心极限定理的话，非高斯信源可以和高斯信源等同处理。根据公式（1），可以通过增加带宽和提高信噪比2个方法提高信道容量，信噪比的提高可以通过下面几个方法来实现：a.增加传输功率;b.减少信道衰弱；c.最小化频率选择性，失真和干扰的影响。增加带宽会导致更加严重信道频率选择性。因此，虽然通过带宽拓宽了通道容量，但是由于频率选择性，导致容量上就有一个退化。一个重点需要注意的是信道容量随带宽线性变化，但是跟信噪比仅成对数关系。在有线通信系统中，带宽是按照管理机构来分配的（例如在US中是按照FFC的方式来分配带宽的）。因此，为了提高传输能力而增加带宽需要管理批准。由于商业无线系统的普及以及军事目的对频谱的需求，带宽已经成为稀有的资源。然而在有线通信中，带宽并不是无限的。非屏蔽双扭电缆的信道响应是跟电缆长度和信号频率相关的函数（由于趋肤效应）： （5）100m长UTP导线的频率响应如图2所示，其中K=如果把一个单输入单输出信道看成一个空间通道，增加通信能力的一个直接方法是在多个并行传输管道上同时传输信息。如果在各个通道没有串音干扰，那么信道容量将随着传输通道的的数量线性增加。支持多输入多输出的的通信系统被称为MIMO系统。在实际中，各个通信信道之间是有串音干扰的。例如，在一个无线系统中，从多个传输天线上传送的电磁能会在自由空间互相干扰。图3是一个33MIMO系统模型。如果在信道中混合是线性的，那么输入向量X和输出向量Y有下列关系： （6）其中M是输入天线个数，N是输出天线个数，代表元素的卷记，n是是接收向量的噪声。标量函数是从输出i到输入j的信道脉冲响应。如果信道没有时间分散，那么公式简化为：y=Hx+n。 （7）假定噪声n是加性的并且是高斯白噪声，根据(1).(2)得出线性混合信道容量： （8）其中E.是期望运算符。假定在接收端每个分支上噪声是互不干扰的，则得到,其中是各个接收分支上的噪声。为了提高线性MIMO信道的信道容量，根据矩阵2，4的分解奇值得到： （9）其中D是矩阵的对角数，U和V是正交复数关系：。如图4（a）所示，如果发送端输入x是整形的，则MIMO信道中的输入是Vx,同样，MIMO信道中输出信号z是整形的话，则在接收端按接收，这样x和y之间就有一个新的关系： （10）这样，MIMO信道中发送信号和接收信号的去耦线性转换如图4(b)所示。MIMO信道矩阵H所支持的天线数目与矩阵D的非零奇值数相等。注意MIMO传输SVD的正交化必须知道传输矩阵H.。如果我们假定发送分布P等于M,并且输入x没有被校正，那么可以被写为： （11）因为对角矩阵的对角值决定对角矩阵，信道容量可以根据信道矩阵奇值明确的表示出来： （12）是矩阵H的奇值例如D的对角线上值。信道容量是跟成比例的，如图4（b）所示。如果我们假定：（1）M=N是对称分布的；（2）满秩信道rand(D)=M=N;(3)各个奇值大约相等，则我们得到容量和发送接收天线的线性相关性： （13）在非常大的N范围内，公式（13）中近似相等。这样应该注意为了从MIMO信道中获得相当多的容量收益，通道矩阵H必须是用紧紧分布地大奇异值填满矩阵，即近似等于1。可以利用注水分布进一步提高信道容量，传输分配奇向量V和他的奇值成正比。公式（2）扩展到MIMO系统中，可以提高数据率3个自由度： （14） IV MIMO技术在无线网络中的应用现在无线通信中应用最多的是802.11b标准。他被设计应用于2.4GHz的ISM频带中。802.11b支持4个数据传输速率：1Mbps,2Mbps,5.5Mbps和11Mbps。其中较低的2个数据率采用直接序列扩频（DSSS）技术作为调制技术。1Mbps用BPSK调制，而2Mbps用QPSK调制。较高的2个数据率采用CCK调制技术，5.5Mbps采用BPSK调制，11Mbps采用QPSK调制。802.11b的频谱占据了22MHZ的带宽允许在83.5MHZ的ISM（工业，科研和医学）频带存在3个不重叠的通道。因为随着距离的增加，从发送天线发出的信号由于辐射的原因不断衰减，所以在较短的距离可以得到较高的吞吐量，反之亦然。在802.11b后又推出第二代802.11a标准，他被定义了占用5.2GHz的自由频段在UNII中的应用。802.11a制定标准的时候并没有考虑与802.11b的产品相兼容，他使用正交频分复用（OFDM）技术，支持这几个传输速率：6，9，12，18，24，36，48，54Mbps. 802.11A使用1/2速率的卷积编码他的输出被削弱到传输的2/3或者4/3.表格I详细给出了每个数据率的编码率和星座图大小。 UNII中频带为5GHz的信道空间带宽间隔是20MHz，有12条不重叠的信道，分为3个子通道。较低UNII带宽被指定在室内经营，并限制传输能力为16dBm(40mW).UNII中间带宽被用到室内和室外，允许传输速率为23dBm（200mW）。而UNII高频部分被用到室外，允许29dBm(800mW)传输速率。随着无线网络中802.11b的普及，促使在2.4GHZISM带便准话一个高调制速率的发展作为802.11g，他的目的是标准化在物理层802.11a在2。4GHz频段。为了兼容和使用802.11b不支持长报头的产品，802.11g标准增加了支持长报头，在短报头传输中优先使用RTS/CTS握手协议。相对于802.11b,在衰落的无线信道中802.11a和802.11g都需要复杂的整流器和数字信号处理器来支持54Mbps速率的传送。因为补偿器的设备简单所以选择OFDM调制方式,只需要在高速率下处理码间干扰的问题。OFDM在平均功率比率上有一个高峰值这就需要在功率放大器上有一个大的补偿去最小化畸变在QAM星座图中，引出终端误差矢量值。 802.11a/g中基带DSP结构如图5所示。传送通路包括1/2速率卷积编码。信号消弱到2/3或者3/4速率。QAM映射表把信号比特映射到相关的同相和正交分量上，64点IFFT映射52QAM信号到64点。在52个信号里，48个承载有效信息，4个用来承载导频信息，用于在接收端进行相位跟踪。加一个循环前缀可以使OFDM信号不受多径延迟扩展的影响。循环标志按照OFDM符号长度的1/4选择，OFDM的开窗口是为了抑制旁瓣。802.11a/g的主要标志是物理层采用OFDM的64-QAM调制方式。接收数据通路通过执行适当的同步和估计函数来帮助数据检测。为了达到目的把报头放在负载的前面。因为FFT对频率偏移比较敏感，这样在FFT运算前就校正负载。时间偏移估计要求从ODFM符号中去处循环标志。时间偏移根据多径传输延迟选择避开火点，这样可以吃进保护间隔。关键的，信道估计的选择是根据相位循环和FFT各个载体输出的大量数据来的，下面就可以执行QAM调制。为了达到高水平综合化，RFICs 作为零接口和低接口的工具。在零接口结构中，RF上的接收信号是被一次性向基带转变的，然而在低接口结构中，RF信号是向附近耦合转变的。相反的，传送信号无论是从DC或者低接口值都是向上转换到RF的。在802.11a标准中，54Mbps速率最最小敏感度是65dBm。为了使在瑞利衰落信道中频率选择的分组差错率小于5%，在输出段进行A/D转换要求信噪比为26。5dB.标准限制在54Mbps速率失真要小于25dbc,在转移到接收端要小于31dBc.这就意味着在接收端噪声和失真在接收端的小于29dBc.如果我们假定20%来自失真，80%来自噪声，接收能允许的噪声为6dB。如果我们假定在RF中来自于无源元件（如天线摆动，过滤器，不平衡等）的损失大约是2dB,这时RFIC必须让噪声小于4dB.一个基于Zero-IF结构的收发布局如图6所示。802.1 Ib最大数据速率是1 lMbps,802.11g和802.11a的最大数据速率都是54Mbps。 因为全部三个标准都被约束在带宽为大约20MHz才生效，所以从802.11b到802.11a/g的数据速率的增加只能通过扩展从QPSK到64-QAM的星座大小来实现。 这个结论可以直接从公式(2)得到。 在2.4GHz的ISM频带下，只有3条信道可用为传输。 所以，通过增加带宽达到更高的数据速率的方法是不可行的。 并且加倍每个符号所含有的比特数从6bits/s（这时是64-QAM）到12bits/s要求用4096-QAM调制，很明显这是不切实际的! 所以，在2.4GHz频带下增加数据速率唯一的可行选择是使用MIMO系统，由公式(14)表示的。5GHz UNII频带有12个可利用的信道，其中较低8个和上面的4个是紧邻在一起的。 因此，在5GHz的频带下使用信道接合的方式来达到更高的数据速率是可能的。 如图I所示， LEEE 802.11标准化机构从一代到下一代的W-LAN数据率是以5的因数增加的。 所以，传统观念认为未来无线网络将支持近似250Mbps的数据速率。 表I1提出了两个可以选择的方法来使数据速率从54Mbps增加到250Mbps。 选择I，可适用于2.4GHz和5.2GHz频带，要求4x4 MIMO系统(即 4发送，并且4接受天线)。 然而，那只能把数据速率增加到216Mbps。 通过从64-QAM到128-QAM来增加星座的方法，可以达到252Mbps。必须不改变信道编码率，然而3/4已经很大了。 选择II，只有在5GHz的频带下是可行的，以2的因数增加信道带宽并且只要求2x2 MIMO系统(即2传送，并且2接受天线)。在两个相邻信道传播信号以大于2个因数增加，这样在二种信道之间频率防护频带可能用于传送有用的数据。在无线MlMO系统，吞吐量的增加通过空间复用即多个发送天线上独立传输数据来实现的。 我们在802.11a/g标准下考虑OFDM系统多天线传送。802.11a/g基带结构中1/4部分介绍空间复用（如图5）。. 这些选项在表III被概述：选项(a)因为BLAST系统而闻名，各个信息位都在一个天线上。每个天线上的信息流可以被看成在时间上的扩展层， 并且，当层数通过MIMO信道，他们互相混合。 层的主要好处是它在接收端取消连续干涉，每层都是连续地译码和并且从接收信号中去掉，因而可以相当合理的减少复杂度。 选择（b）到(e)根据比特交织编码调制（BICM）方式各不相同，信息流在空间和频域里共同被解码。注意在802.11a/g.标准中，解码是在频率里进行的而不是空间里，因为信道衰落是准静态的。 如图7所示发射机和接收器基带结构使用BICM调制的2x2 MIMO-OFDM结构，在空间频率插入下代码位被空间复用。MIMO系统中使用BICM结构的各种技术如图7所示. 从公式(7)中，平稳频谱MIMO信道的混频被表示为y=Hx+n，同样适用于MIMO-OFDM系统，因为使用OFDM调制副载波频率是相互正交的。 实际上， OFDM 在独立频率容器正交信道。 为了解映射，信道矩阵H需要在被传送前进行序列估计。 在802.11a/g.标准下， x对应于QAM标志，在54Mbps速率下采用64-QAM调制。 最简单的MIMO 解映射 (探测器)是基于线性处理技术的： （15）W = 相当于ZF解映射，受噪声影响，因为信道矩阵H中零相位放大了噪声。 MMSE接收是对ZF接收的改进，在中他改进了对噪声的处理。最优检测器是基于非线性极大似技术，要求寻找所有可能的星座点。在64-QAM调制的SISO系统中，搜寻超过64点。然而在2x2MIMO系统中，可能被搜寻到的点为，最大似然估计为