下一代移动通信中的关键技术移动通信春精学习教案

1、下一代移动通信下一代移动通信(tng xn)中的关键技术中的关键技术移动通信移动通信(tng xn)春精春精第一页，共35页。在一个在一个(y )(y )载波上串行载波上串行传输数据传输数据在多个子载波在多个子载波(zib)(zib)上并行传上并行传输数据输数据第1页/共35页第二页，共35页。OFDMOFDM的每个的每个子载波都是子载波都是窄带窄带(zhi (zhi di)di)信道，信道，可克服宽带可克服宽带信道的频率信道的频率选择性衰落，选择性衰落，即克服了即克服了ISIISI第2页/共35页第三页，共35页。单载波单载波(zib)(zib)传输受传输受ISIISI影响严重，影响严重，O

2、FDMOFDM多载波多载波(zib)(zib)传输受传输受ISIISI影响轻微，通过影响轻微，通过CPCP技术可克服技术可克服ISIISI影响。影响。第3页/共35页第四页，共35页。通过保护间隔消除通过保护间隔消除OFDMOFDM符号间的相互影响。符号间的相互影响。CPCP技术技术(jsh)(jsh)是一种是一种GIGI第4页/共35页第五页，共35页。传统频分复用，频带(pndi)划分为N个互不重叠的子信道。正交频分复用，各子载波有1/2重叠但正交，频谱效率翻倍。第5页/共35页第六页，共35页。传统传统(chuntng)(chuntng)频分复用频分复用OFDMOFDM第6页/共35页第

3、七页，共35页。 1FX tx t 1Fz tX th tx th t y tx th t FFZ tz tx th tx t HjZ tx tHj若对信号先进行傅立叶反变换(binhun)，再发射时域接收(jishu)信号对时域接收(jishu)信号进行傅立叶变换，将宽带信道退化为窄带信道 信号通过宽带无线信道存在ISI问题第7页/共35页第八页，共35页。 12/01IFFTNjkn Nkx nX kX k eN IFFTy nx nh nX kh n FFT IFFTY kX kh nX k H kY kX kH k若对频域信号 先进行(jnxng)IFFT，再发射时域接收(jishu)

4、信号对时域接收(jishu)信号进行FFT X kOFDMOFDM理论分析理论分析第8页/共35页第九页，共35页。 12/01=Njkn Nkx nX k eN 10=cosNiiiix ts tttFDMFDM仅利用了不同频率仅利用了不同频率(pnl)(pnl)正正弦信号的正交性弦信号的正交性OFDMOFDM还利用还利用(lyng)(lyng)了正弦信号与了正弦信号与余弦信号间的正交性余弦信号间的正交性第9页/共35页第十页，共35页。第10页/共35页第十一页，共35页。第11页/共35页第十二页，共35页。 Y kX kH k第12页/共35页第十三页，共35页。第13页/共35页第十

5、四页，共35页。下一代移动通信(tng xn)中的关键技术MIMO技术所谓MIMO系统就是在发射端和接收端同时安装多个(du )天线的一种空域处理系统 。与之相对应的还有SIMO（simple-input multiple-output）和MISO（multiple-output simple-input）系统。 第14页/共35页第十五页，共35页。第15页/共35页第十六页，共35页。第16页/共35页第十七页，共35页。22log (1| )b/s/HzCh单输入(shr)单输出（SISO）系统 ：第17页/共35页第十八页，共35页。单输入多输出(shch)（SIMO）系统 ：221l

6、og (1| )b/s/HzMiiCh第18页/共35页第十九页，共35页。多输入(shr)单输出（MISO）系统 ：221log (1| )b/s/HzNiiChN第19页/共35页第二十页，共35页。多输入多输出(shch)（MIMO）系统 ：*EP221log det()log (1)b/s/HzmMiiCINNHH第20页/共35页第二十一页，共35页。yHxntttrrrrt1112111212222212NNNNNNN Nhhhxyhhhxyxyhhh第21页/共35页第二十二页，共35页。HFDGrr1212diag,0,000000000 000000NND，FFIGGI假设(

7、jish)NrNt第22页/共35页第二十三页，共35页。将 代入MIMO系统中包含的M个正交SISO子信道，M为发射天线(tinxin)数量与接收天线(tinxin)数量的较小者。因此MIMO系统的容量可由下式给出：HFDGyHxnyDxn,yF yxG xnF ntrr11122200000000000000NNNxyxyxy*EP221log (1)log det()b/s/HzMiMiCNNIHH第23页/共35页第二十四页，共35页。第24页/共35页第二十五页，共35页。第25页/共35页第二十六页，共35页。 MIMO系统的提出是为了进一步提高无线通信系统容量，它可以在不用增加系

8、统带宽的情况下改善了系统性能，提高了数据速率。 平坦衰落信道中，MIMO系统可以利用传播中的多径分量，但是，对于频率选择性衰落信道，MIMO系统依然无能为力。 而在目前的宽带无线通信中，一般都会发生频率选择性衰落。为了使得MIMO系统性能在频率选择性衰落信道中依然良好，可以将MIMO系统和正交频分复用OFDM调制技术结合起来，形成MIMO-OFDM系统。将MIMO系统与OFDM技术相结合，可以充分利用二者的优势(yush)，而又互相弥补不足之处。 MIMO-OFDM系统在OFDM高的频谱效率的基础上，又开发了空间资源，能够进一步提高系统容量，4G空中接口的关键技术。 另一方面，加入了OFDM调

9、制技术的MIMO系统在抗多径方面表现出了很大的优势(yush)，使得MIMO系统在频率选择性衰落信道中也能发挥作用。 第26页/共35页第二十七页，共35页。智能智能(zh nn)天线技术天线技术 智能天线组成原理智能天线组成原理(yunl)框图框图 幅相加权幅相加权幅相加权天线分配网络控 制 器合成用户1用户2用户 N用户x1(n)x2(n)xN(n)w1(n)w2(n)wN(n)y(n)射频射频到到基带基带转换转换(zhu(zhunhunhun)n)解调解调自适应算法自适应算法第27页/共35页第二十八页，共35页。1. 最小均方（最小均方（LMS）算法）算法定义定义: 第第n时刻时刻N个

10、天线接收信号列矢量个天线接收信号列矢量X(n)=x1(n), x2(n), xN(n)T,W(n)=w1(n), w2(n), wN(n)T为对应的幅相加权矢量。为对应的幅相加权矢量。则智能天线暂态输出则智能天线暂态输出y(n)=WH(n)X(n)，误差误差e(n)=y(n)-d(n)=WH(n)X(n)-d(n)，d(n)为训练信号。为训练信号。LMS算法阵列加权矢量更新的递推公式为算法阵列加权矢量更新的递推公式为 式中：式中：即为搜索步长，是控制即为搜索步长，是控制(kngzh)收敛速度和稳定性的标收敛速度和稳定性的标量常数因子，量常数因子， 当选择当选择02/Tr(R)时算法收敛时算法收

11、敛, Tr(R)为数据自相为数据自相关矩阵关矩阵R的迹，的迹， R=EX(n)XT(n) 。 *(1)( )( )( )nn e nnWWX第28页/共35页第二十九页，共35页。 2. 直接矩阵求逆（直接矩阵求逆（DMI）算法）算法DMI算法是一种开环计算方法，它通过直接求解阵列算法是一种开环计算方法，它通过直接求解阵列协方差矩阵协方差矩阵R来估计权矢量，能实现与特征值散布度来估计权矢量，能实现与特征值散布度无关的最快的收敛速度。无关的最快的收敛速度。假设天线为假设天线为N阵元的线阵结构，接收信号阵元的线阵结构，接收信号(xnho)X(n)为为1N的复向量的复向量)可表示为可表示为 1( )

12、( ) ( )( )Miiins nnXaN式中，a(i)是第i个来波方向(fngxing)i的空间响应函数， 21 sin=dij iiea第29页/共35页第三十页，共35页。 在实际应用中，可这样进行(jnxng)求解：假设X(n)的K次取样组成一个NK的矩阵，表示为 12( ).(1)( ).(1)( )( ).(1)NNKNNx nxnKx nxnKnxnxnKX则 ( )( )( )HKKnnnRXX互相(h xing)关矢量为 ( )( ) ( )HKnnnQXd第30页/共35页第三十一页，共35页。d(n)=d(n) d(n+1) d(n+K-1)T是一个是一个K1的列矢量。

13、的列矢量。 则则DMI算法算法(sun f)得到的最优解为得到的最优解为 11( )( )( )( )( )( ) ( )HTKKKnnnnnnnWRQXXXd分析表明，当取样数K2N时，它就能收敛到最优值的3dB之内。但是当干扰分布广泛时，收敛所需的取样数就要大。由于该算法的计算复杂性与N3成正比，因此对于小型阵列，其计算效率很高，而对于大尺寸阵列，它所要求的信号处理能力要很强。 此外，对于给定的K值，由时间平均得到的估计(gj)的质量依赖于输入SNR，当输入SNR下降时，估计(gj)质量下降，则需要更多的取样值来消除噪音的干扰，才能得到更精确的估计(gj)。 第31页/共35页第三十二页，

14、共35页。4. 计算机仿真计算机仿真(fn zhn) 在计算机仿真算法中，为简单起见，期望信号的干扰均用互不相关的高斯噪声来表示。算法中期望信号的入射方向为0，信噪比为4 dB，干扰的入射方向为20，干噪比为20 dB。 假设期望信号不变， 仅干扰的入射方向变为10，天线阵元分别为阵元间距为/2的四阵元和八阵元，采用(ciyng)RLS算法进行仿真， 观察阵元数目对天线性能的影响。 在相同的信号环境下，分别对八阵元的线阵和圆阵进行仿真，观察不同阵列结构对天线性能的影响。 第32页/共35页第三十三页，共35页。三种算法三种算法(sun f)的方向图比较的方向图比较 2103303002402709018001503