2毫米波通信系统与MIMO

引言第一代移动通信系统提出于上世纪80年代，移动通信已经发展了近50年。目前，移动通信不仅优化了人与人之间的沟通与交流，还深影响着每个人的生活方式。现如今的人们早已离不开移动通信。从第一代移动通信的传输模拟信号（IG）到第二代移动通信的传输数字信号（2G），人类算是进了一小步。第三代移动通信系统的宽带CDMA（3G）也是人类进步的证明。但目前的移动通信系统已经发展到了第四代，并成功普及到了各地。在各大运营商和通信公司等的共同努力下，不久的以后我们也将和第五代移动通信系统见面了。第四代移动通信系统是正交频分复用（OFDM）和多输入多输出（MIMO）技术的结合。时代在进步，科技在升华，技术的革命和创新给人们带来了意想不到的便捷，让人们有着丰富多彩的人生。社会不断的进入信息化和数据化，以智能手机为主的移动设备确实让人们的生活不仅便捷而且多彩。目前的4GLTE系统中的无线通信技术使用了当今先进的科技技术，但是社会在信息化和数据化，物联网、云计算、大数据的时代已经来临且还在不断地发展中，这些数据每年以指数的形式增长，难以计数的无线终端已经深入人们并改善着人们的工作和生活。初步估计，近两年将会有500亿的移动设备会发生互联，移动数据需求也会在十年内增长千倍甚至万倍。在以后的无线通信系统发展的过程中，不仅考虑技术上的问题还要针对人们对于无线数据的需要。现如今的无线通信系统，大多使用的是10GHz以下的频谱来传输信号，但是这部分的频谱资源非常紧缺。大规模MIMO，载波聚合，CoMP等新技术的研究，都是为了能在4GLTE系统中持续提高通信容量。但是，这些技术并不能有效的提高频谱效率，从而实现不了未来对数据量的需求。异构网络是一种被广泛关注的方法，但是由于广泛布置异构网络仍然面临巨大的问题，所以也就慢慢放弃了对于异构网络的研究。10GHz以上的频谱进行通信已经成为一个重要途径，位于30GHz-300GHz（既波长为1mm-10mm）的毫米波通信，成为了研究下一代无线通信领域的热点。在部署天线阵列时，天线间的距离最小为波长的一半，所以在毫米波系统中，可以在相同区域范围内部署更多的天线单元，可以使用大规模MIMO，以此来提高系统的性能。毫米波通信系统与MIMO2.1毫米波通信系统在以后研究的无线通信系统中，毫米波通信会受到广泛的研究与讨论。毫米波通信与传统微波通信系统相比，其频段频率高了十多倍。毫米波较高的频段有着大量的频谱资源，使得毫米波通信系统与传统通信系统有着不同的特性。毫米波的工作频率在微波和光波之间，因此利用毫米波来进行通信能够同时获得微波和光波的优点，毫米波主要具有以下四个特点:第一、波束窄。通过对天线波束的研究可以发现，在同种天线尺寸下，波长越短波束越窄，因此毫米波的波束比微波的波束要窄的多。例如，在9.4GHz和94GHz的频率条件下，一个12cm天线的波束宽度分别为18度和1.8度,相差十倍。利用毫米波波束窄的特性，可以提高系统的分辨率。第二、极宽的带宽。这是毫米波最有吸引力的一个特点。现如今，频谱资源非常紧张，经研究，频率范围在26.5GHz-300GHz的毫米波能够提供高达273.5GHz带宽的频带资源，即使考虑到大气吸收的影响，但是毫米波频率范围内有四个主要的频带能够进行信号传输，这四个频带的带宽和也可以达到135GHz,是当下使用的微波及其以下各波段带宽和的5倍。第三、设备小型化。在现代工业科技生产中，毫米波元器件的尺寸大小要比微波的元器件小得多，由于其波长短的特点，更容易在小型设备上集成天线阵列，以此来更好的提高系统的性能。因此，毫米波系统更容易支持设备小型化。第四、全天候性。毫米波在传播的过程中，受到天气的影响要比激光小得多，即使在恶劣的自然环境中仍能很好的进行工作，对实际应用更加符合要求。2.1.1有限散射特性移动通信中，发射端进行信号传输时，不但可以对发送的信号进行波束赋形，还可以运用预编码技术来提高系统的工作效率。在现如今已经研究出的波束赋形和预编码方法中，大部分需要使用系统的信道状态信息CSI来加以实现，这种方式对研究通信系统的信道状态提供了参考，这对以后继续研究通信系统奠定了基础。在无线通信系统中，需要通过电磁波传播的方式来进行通信。因此电磁波在大气和自由空间的传播方式主要可以划分为：天波传播，地波传播和实现传播三种。经研究讨论表明出电磁波的传输特性对于其波长的影响十分严重。目前，无论是现在使用的无线通信系统还是以后使用的毫米波通信系统，信号的传输都是通过LOS的传播方式。但是，传统无线通信系统，研究人员大多以大量的散射路径为假设，并将信道建模为独立同分布的瑞丽衰落信道。但在毫米波通信系统中，瑞丽衰落信道并不可以实现。在毫米波通信系统中，毫米波与传统的微波传输存在着一些差异，毫米波的波长很短，所以特殊的传输特性使得毫米波在遇到障碍物和雨水等不可避免的因素影响时，将会受到十分严重的能量损耗。在信道的矩阵中，这些急剧降低的部分趋近于零，唯一的方式只有视距路径和零散的几条路径能有较好的能量体现。但对于毫米波，其散射是有限的，也可以认为毫米波在传输过程中是稀疏的。具体来说，信号在某些方向的分量较大，而在其他方向的分量很小，甚至可以忽略，造成信号在空间的一组主要分布在个别方向，这是毫米波传输的稀疏性。由于毫米波系统的有限散射特性，所以在进行系统仿真时，要将毫米波的MIMO信道模型中散射路径描述为以簇来到达的形式。而且每个簇的功率、延迟、达到角和中心角的中心角度等参数服从某些或某个分布条件。实际的物理意义，每个路径簇所对应的是在实际传播过程中聚集在一起的路径集合，而每个簇内的角度拓展和时延拓展则反映了族内各传播路径的反射特性及散射特性。2.1.2路径损耗经研究表明，假定理想的各向同性天线是无损耗的，根据经典的Friis公式可知，当信号在自由空间中传播的时候，经过传播之后其功率的损耗程度以分贝数表示遵从下述公式:L0=10lg4Πdλ式中的L0表示信号的损耗系数，d表示传播的距离，λ由于毫米波通信系统有着较高的频段范围，良好的提供了丰富的可使用的频带，从而受到研究人员的喜爱，但是同样因为毫米波通信系统比传统通信系统提高数十倍的原因，毫米波通信系统的波长只有传统通信系统的十分之一。从路径损耗公式来看，与传统通信系统相比，毫米波通信系统中信号传输过程的路径损耗却高达千倍。因此，路径损耗是毫米波通信系统最必须解决的问题。实际的天线阵列部署时，天线之间的间距为波长的一半。毫米波通信系统中更短的波长，说明了再部署天线时可以减少天线之间的距离，从而天线阵列变得非常密集。相对于传统通信系统，毫米波通信系统可以在相同的面积里部署更大规模的天线阵列。利用大规模天线阵列对发送的信号进行波束赋形，不仅可以有效的将发射功率集中在一个发射方向，还解决了毫米波通信系统在信号传输时的路径损耗过大的问题。不仅如此，大规模天线阵列在同时传输多个数据流，使毫米波通信系统获得可观的复用增益和分集增益，从而更好的提高了系统的性能。2.2MIMOMIMO(Muliple

Input

Muliple

Output)是一种在发射端和接收端均部署多根天线进行通信的技术。通过对预编码和合并算法进行设计，可以将MIMO系统等效为多个互不干扰的SISO(Single-Input

Single-Output)系统，从而使得MIMO系统的容量随着天线的数目呈线性增长.之所以能够获得性能的提升，是因为从物理意义上来看，收发端相互分离的多根天线能够带来额外的空间自由度。MIMO系统通常可以根据所服务用户的数目分为两类:单用户(SU)MIMO系统(SU-MIMO)和多用户(MU)MIMO系统(MU-MIMO)。单用户MIMO系统可以获得空间复用，发射端向一个用户发送多个数据流，每个数据流所占用的时隙和频点都是相同的:多用户MIMO系统又叫做空分多址技术，发射端向多个用户发送多个数据流，每个数据流都古用相同的时间-频率资源，在多用户MIMO系统中，上行链路的实现相对而言是比较简单的，只需要通过使用资源调度技术便能够改善系统的性能，实现下行链路通信的难点主要在于处理发送信号过程的优化设计，理论上需要综合考虑使用用户调度算法、功率分配算法以及脏纸编码(DirtyPaperCoding，DPC)才能够使得系统性能接近多用户MIMO系统的容量界。多用户MIMO系统与单用户的情况相比主要有以下几个优点:（1）信道矩阵不满秩时会导致系统容量产生损失，在单用户系统中这种情况常常发生，但是在多用户系统中，可以通过用户选择减轻上述问题:通过采用多用户调度算法，还可以避免信道中LOS径分量对单用户MIMO系统的系统的严重影响;在多用户系统中，可以利用多用户增益来弥补由于信道相关性产生的影响。（2）在多用户MIMO系统中，如要采用MISO方法，能更好的获得空间复用增益。通过在接收端仅仅部署单根天线，不仅可以简化接收设备的硬件设计，对节约开发成本也是很可观的。在多用户MIMO系统中，想获得上述的性能增益，同样也需要付出一定的代价以获取必须的信息:(1)在单用户系统中，发射端要得到所有用户的信道状态信息，发射端不一定需要获得信道状态信息。发射端为获取下行链路的CSI，需通过反馈从接收端获得，从而大大增加了系统的开销。(2)如果多用户MIMO系统想要提高系统的信道容量，不仅需要使用媒体接入控制(MediaAccess

Control,MAC)层的功率分配算法和多用户调度算法，还需要考虑改进物理层的空时处理技术，因此大大增加了实现的复杂度。如前所述，在多用户系统中需要使用多用户调度算法才能够获得多用户增益，目前比较经典的多用户调度算法有随机用户调度算法、最大化和速率算法、贪婪算法等等。多用户虽然能够提高系统的性能，但是存在用户间干扰。通常通过预编码技术来解决这个问题，包括基于MMSE的线性预编码、基于信漏噪比的线性预编码、矢量扰动(VP)预编码、基于ZF的线性预编码、非线性脏纸编码(DPC)和非线性模代数预编码(THP)等等。多用户MIMO系统特别是大规模用户的MIMO系统正受到广泛的研究。预编码技术3.1MMSE预编码在MIMO系统中，利用迫零的思想进行迫零预编码可以有效解决信号间干扰的问题。迫零预编码矩阵可以表示为F=βH+=βH使得发送信号经过预编码后总的发射功率保持不变。可以看出在迫零预编码算法中并没有考虑到信道中所存在的高斯白噪声的影响，在低信噪比的情况下，噪声会对信号产生很大的影响，从而大大降低了迫零预编码算法的性能。为了克服信道中加性高斯白噪声对于信号的影响，研究人员提出了最小均方误差(MMSE)预编码算法。γMMSE-1单用户MIMO的MMSE预编码过程如图γnn发送端接收端发送端接收端Q(.)xsHFQ(.)xsHFy图1-1MIMO系统MMSE预编码示意图MMSE预编码以接收信号矢量与发送信号矢量之间的均方误差最小为优化目标，进行预编码矩阵的设计。具体过程如下所示。接收端的接收信号y可以表示为y=γMMSEHFs+n其中s∈CM×1表示M条并行数据流的发送信号矢量，nγMMSE=P1tr优化问题可以描述为:minEyγMMSE-s根据各变量的特性，可以得知E[SSH]=I,E[nnH]=σ2INE=E===trHF-I=trHFFHH令∂trHFFHH对F进行求解。因为∂trHFFHHH所以式（2.8）可表示为HHHrF+F=HHH+σ2MMSE预编码算法有效地解决了信道中加性高斯白噪声的影响，即使在低信噪比的环境下，也能很好地降低误码率。3.2SVD预编码在单用户MIMO系统中，接收端也能够获得完全的信道状态信息，因此可以利用在接收端对接收信号进行合并来提升系统的性能。针对MIMO系统，研究人员设计了奇异值分解(SVD)预编码。SVD预编码本质E是利用对信道矩阵进行奇异值分解，将现实中的MIMO信道等效为多个相互独立的子信道来进行信号的传输。每条子信道的信道增益分别为信道矩阵的奇异值，挑选出信道增益最佳的几条子信道进行信号传输，再在发射端利用注水算法进行功率分配，便能够是系统获得最佳的系统容量性能。下面SVD预编码的具体过程进行简单描述。在单用户MIMO系统中，假设信道是瑞利衰落的，接收端进行合并完成之后的接收信号y可以表示为:y=WHFx+W其中x∈CMH=UΣVH

(其中U和V都是西矩阵，Σ是一个对角阵。令F=V,W=UH为了提高系统的容量，可以对分配给各个子信道的功率进行重新分配，如注水算法是一种广泛使用的能