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          MIMO發(fā)射分集矢量信號(hào)測(cè)試分析仿真技術(shù)研究

          作者:張煜 時(shí)間:2018-05-30 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏
          編者按:依據(jù)3GPP標(biāo)準(zhǔn)和MIMO矢量信號(hào)分析測(cè)試需求,進(jìn)行MIMO發(fā)射分集矢量信號(hào)分析測(cè)試仿真研究,著重針對(duì)發(fā)送模式TM2發(fā)送(TX)分集多天線建模和測(cè)試仿真,實(shí)現(xiàn)MIMO信號(hào)檢測(cè),進(jìn)而分析MIMO發(fā)射分集矢量信號(hào)的性能指標(biāo),并對(duì)包括MIMO發(fā)射分集信號(hào)頻域特性、星座圖等核心參數(shù)進(jìn)行了仿真,并給出仿真結(jié)果。

          作者 張煜 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所(安徽 蚌埠 233010)

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201805/380764.htm

            *基金項(xiàng)目:中國(guó)電科技術(shù)創(chuàng)新基金項(xiàng)目(微波毫米波大帶寬大規(guī)模測(cè)試技術(shù)研究)

            張煜(1980-),男,高級(jí)工程師,研究方向:無線移動(dòng)通信測(cè)試技術(shù)。

          摘要:依據(jù)3GPP標(biāo)準(zhǔn)和矢量信號(hào)分析測(cè)試需求,進(jìn)行矢量信號(hào)分析測(cè)試仿真研究,著重針對(duì)發(fā)送模式TM2發(fā)送(TX)分集和測(cè)試仿真,實(shí)現(xiàn)MIMO,進(jìn)而分析MIMO矢量信號(hào)的性能指標(biāo),并對(duì)包括MIMO信號(hào)頻域特性、星座圖等核心參數(shù)進(jìn)行了仿真,并給出仿真結(jié)果。

          0 引言

            移動(dòng)通信和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是20世紀(jì)末促進(jìn)人類社會(huì)飛速發(fā)展的重要技術(shù),給人們的生活工作和政治、經(jīng)濟(jì)帶來了巨大的影響。為支持在成對(duì)和非成對(duì)頻譜中進(jìn)行發(fā)射,LTE空中接口支持頻分雙工(FDD)和時(shí)分雙工(TDD)模式,它支持使用多路輸入多路輸出(MIMO)天線進(jìn)行發(fā)射,以實(shí)現(xiàn)更大的吞吐量,并擴(kuò)大容量或距離。當(dāng)前通信技術(shù)進(jìn)入成熟期,從時(shí)域、頻域、碼域所能獲得的技術(shù)紅利已進(jìn)入技術(shù)瓶頸期,空域則成為進(jìn)一步改善通信能力的必要手段,多路分集多天線技術(shù)是提升通信傳輸速率的有效手段。當(dāng)然,隨著物理層增加,更大的復(fù)雜度、MIMO天線越來越復(fù)雜。從測(cè)試角度來說,隨之而來是給MIMO分析測(cè)試帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn):多通道相位同步測(cè)量通道,多天線發(fā)出的信號(hào)定時(shí)對(duì)齊誤差必須小于90 ns,這就需要各測(cè)量通道之間的時(shí)延具有足夠的冗余。所以,支持傳輸分集分析的MIMO矢量信號(hào)分析儀是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng),為了對(duì)該復(fù)雜系統(tǒng)的行為進(jìn)行較為精確的描述,需要通過仿真來模擬該系統(tǒng)內(nèi)部工作機(jī)制,觀察其運(yùn)行情況,并對(duì)設(shè)計(jì)方案以及采用的算法作定性或定量的分析。

          1 發(fā)射分集中的MIMO處理

            發(fā)射分集在發(fā)射端使用多天線技術(shù)達(dá)到提高分集增益和鏈路質(zhì)量的目的,LTE中定義了兩種發(fā)射分集方案:2×2 SFBC[1](Space Frequency Block Coding,空頻分組編碼)技術(shù)和4×4技術(shù)。兩種技術(shù)都提供全速率編碼并通過分集提高性能。MIMO操作包括層映射和預(yù)編碼。在發(fā)射分集中,預(yù)編碼和層映射在一個(gè)編碼內(nèi)操作完成。發(fā)射分集編碼器將調(diào)制符號(hào)分成兩個(gè)一組,通過分集編碼將調(diào)制符號(hào)對(duì)通過不同的發(fā)射天線輸出。因不同天線的采樣實(shí)際上是對(duì)相同的調(diào)制數(shù)據(jù)進(jìn)行的,故發(fā)射分集的層為一。每個(gè)發(fā)射天線上的采樣來自于原始調(diào)制符號(hào)流,層映射可認(rèn)為是在后臺(tái)完成且預(yù)編碼是一系列共軛和取負(fù)的結(jié)果。

            1.1 發(fā)射分集中兩天線端口MIMO處理

            使用兩個(gè)發(fā)射天線時(shí),LTE 發(fā)射分集基于SFBC。SFBC是與STBC(Space Time Block Coding,空時(shí)分組編碼)非常接近的技術(shù)。對(duì)STBC和SFBC技術(shù)做簡(jiǎn)短的描述,闡述SFBC和STBC之間如何轉(zhuǎn)換。

            STBC被認(rèn)為一種多天線調(diào)制和映射技術(shù),它實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的編碼譯碼和完全分集。STBC最簡(jiǎn)單的組成是兩天線Alamouti 編碼傳輸。Alamouti [2]編碼的STBC,如圖1所示,一組相鄰調(diào)制符號(hào)(s1,s2)在第一個(gè)采樣時(shí)間里被映射到兩個(gè)天線端口,其中這兩個(gè)相鄰向量是正交關(guān)系。在以后的采樣時(shí)間里,符號(hào)進(jìn)行交換并取共軛()再映射到兩個(gè)天線端口上。

            SFBC,如圖2所示,兩個(gè)相鄰的調(diào)制符號(hào)(s1,s2)直接映射到第一個(gè)天線端口的兩個(gè)相鄰采樣中。在第二個(gè)天線端口上,相同的操作來映射交換共軛符號(hào)()。兩個(gè)天線端口的相鄰向量也是正交關(guān)系。

            可通過簡(jiǎn)單的變換使Alamouti 編碼的STBC轉(zhuǎn)變成SFBC的輸出符號(hào)。如圖3所示,先對(duì)所有第二個(gè)調(diào)制符號(hào)取共軛并取負(fù),再進(jìn)行Alamouti 編碼和STBC映射,就可得到調(diào)制輸入對(duì)的SFBC輸出。這個(gè)操作有利于程序代碼復(fù)用,提高STBC和Alamouti 編碼的效率。

            1.2 發(fā)射分集中四天線端口MIMO處理

            使用四個(gè)發(fā)射天線時(shí),LTE采用SFBC與FSTD(Frequency Switched Transmit Diversity,頻率切換發(fā)射分集)技術(shù)相互結(jié)合的方法。圖4顯示了四個(gè)天線在發(fā)射分集下的處理步驟。這種技術(shù)下,對(duì)四個(gè)相鄰調(diào)制過的符號(hào)進(jìn)行發(fā)射分集的相關(guān)編碼。先對(duì)第一組調(diào)制符號(hào)(s1,s2)進(jìn)行SFBC操作,對(duì)其輸出的符號(hào)分別分配到第一個(gè)和第三個(gè)天線的前兩個(gè)采樣中。然后對(duì)第二組調(diào)制過的符號(hào)(s3,s4)進(jìn)行SFBC操作,其輸出的符號(hào)分別分配到第二個(gè)和第四個(gè)天線的第三和第四個(gè)采樣中。

          2 發(fā)射分集信號(hào)測(cè)試接收端處理

            為了獲取發(fā)射的調(diào)制符號(hào)的最優(yōu)估計(jì),需要在接收端進(jìn)行發(fā)射分集合并。發(fā)射分集合并可以認(rèn)為是發(fā)射分集編碼的反過程。

            假設(shè)時(shí)序(n)[3]時(shí)發(fā)射信號(hào)[x1 (n),x2 (n)]T,兩個(gè)接收天線得到的接收信號(hào)[y1 (n),y2 (n)]T,2×2 MIMO信道矩陣:

            該結(jié)果可用于任意接收天線端口的任意相鄰采樣對(duì)[4]。

            使用Alamouti 碼STBC的發(fā)射分集編碼映射調(diào)制符號(hào)(s1,s2 )到2×2發(fā)射信號(hào):

            假設(shè)兩個(gè)相鄰采樣的信道增益近似相等(即h1,1 (n)≈h1,1 (n+1)=h1,1和h1,2 (n)≈h1,2 (n+1)=h1,2),且確定時(shí)序的值(如y1 (n)=y1和y1 (n+1)=y2),可以化簡(jiǎn)上式為:

            該方程可以在給定接收天線求解發(fā)射符號(hào)的估計(jì)。為了得到發(fā)射符號(hào)的總估計(jì),需要使用MCR算法。如下面所述,MCR算法[5]合并所有接收端估計(jì)值。



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