多输入与多输出(MIMO)下的快速天线选择技术的研究开题报告

浙江师范大学本科毕业设计(论文)开题报告学院专业学生姓名学号指导教师职称合作导师职称论文题目多输入与多输出(MIMO)下的快速天线选择技术的研究一、选题背景和意义MIMO系统是无线通信领域的研究热点,他能够极大地提高通信系统的容量和频谱利用率。然而使用多个射频的MIMO系统增加了天线的体积、功率和硬件,从而增加了成本。因此寻找具有MIMO天线优点且低价格、低复杂度的最优天线选择极具吸引力。总结了天线选择的方案、介绍了两类关键实现算法和最新研究进展,并在性能上进行分析比较,最后指出了该技术的实际应用问题。随着全球科技的发展，无线通信系统经历了从模拟通信到数字通信的飞速技术更新，同时移动通信用户的数目也以前所未有的速度递增。随之日益增长的语音业务、数据业务和宽带Internet业务的需求，则对无线通信系统在传输速率、系统业务容量以及性能等方而提出了更高的要求。如何用较少的频率资源来传输更多的信息以及抑制无线电干扰技术，来满足未来移动通信的需求，成为了通信业界研究的热点。此时，作为下一代无线移动通信关键技术之一的MIMO技术，受到了越来越广泛的关注。但是，MIMO技术应用在无线通信系统中也带来了新的问题。随着天线数目的增加，编码和解码算法的复杂性显著增加，发送和接收机的设计结构也变得很复杂，这将直接影响到算法的实时性。天线选择使用相对较少的收发射频链路支持较多的天线，从而使系统不再完全受射频成本的限制，并且通过天线选择，发送和接收机的算法复杂度也可以降低。一般来说,天线选择既可以在发送端进行,也可以在接收端进行,或者收发两端同时进行,他们对MIMO系统的性能影响不同,因此要视具体情况而定。随着各种无线通信业务和宽带数据业务的不断发展，无线瓷源，尤其是频谱资源变得越来越紧张，如何更高效地利用这些有限的通信资源成为无线通信新技术发展的焦点所在。研究表明，基于多发射多接收天线的MIMO技术能够充分利用空间资源，在不增加系统带宽和天线总发射功率的情况下，可有效地对抗无线信道衰落的影响，大大提高系统的频谱翻用率和信道容量，是高速数据传输的优选技术之一。二、国内外研究现状、发展动态尽管MIMO技术是一个崭新的、富有挑战性的研究领域，但是MIMO技术的基础一分集技术并不是一个全新的概念。简单的空间分集技术在2G系统中就有应用，GSM中使用的多接收天线接收分集就是一种成熟的空间分集技术，在2G基站中经常使用它来提高上行链路范围。然丽，由予实施代价和空闻的限制，接收分集方法并不像移动电话那样可行。鉴于此，3G宽带CDMA的第一版的标准在基站孛运用了发射分集方案以提高下行链路的可靠性，这些方案是专为两个联合信道的天线设计的。虽然分集技术已经比较成熟，且已应用于现有的移动通信系统中，健它并不是真正的MIMO系统。而信息论预示了MIMO系统具有潜在的巨大的信道容量，但是在实际中是获得这个容量的全部还是部分以及为此需要花费多大代价等等，都值得我们仔细研究。因此，目前全世界有很多学术机构和大公司正在对MIMO技术展开更深入的研究，推动着这项技术豳益朝实用化方向发展。最近删和3GPP已着手铡定在3G和B3G的移动通信中使用MIMO技术的有关标准。对于3G，MIMO及其相关的技术可以看成是用予提高数据流量、系统性能和频谱效率方面的有力补充，詈前具有很强的吸弓l力。在蜂窝移动通信中，目前还没有商用化的MIMO产品，在3G中，除了使用纯反射分集的解决方案外，也没有使用MIMO技术。实验系统是MIMO技术研究的重要一步，目前各个大公司均在研制实验系统。几年前，朗讯公司已做过了MIMO系统的早期实验，并成功地测试了两款B掀ST芯片，芯片的最高速度达到了19.2Mbps，而且BLAST研究小组最近取得了以前难以想象的无线频率效率：20～40bps/Hz，比较而言，使用传统的无线调制技术，对于蜂窝移动通信系统取得的频谱效率为：1～5bps/Hz；对于点对点的微波通信系统取得的频谱效率为：10～12bps/Hz。而且在30kHz的带宽内，贝尔实验室在上述频谱效率上实现了0.5M～1Mbps的有效载荷数据速率，而使用传统的技术，在该带宽内取得的数据速率仅为50kbps。对于3GPP，表1．1给出了在平衰落条件下，2～4GHz频段、5MHz载波间隔，在移动通信的下行链路中，使用MIMO技术所取得的峰值数据速率：在实际系统中，为了实现收发多天线MIMO处理系统，首先必须同时在发射端和接收端或者说同时在基站和移动终端采用阵列天线。基站多天线已经用于现有系统的分集处理，进一步实现MIMO虽有难度，但己没有太大的技术障碍。而对于小体积的移动终端来说，多天线则有相当难度。无线多输入多输出技术(MIMO)因其巨大的容量优势与改善链路质量的潜力而在近几年受到了广泛的研究与关注，但在实际应用中，多天线系统的广泛使用却存在一些限制因素，其中一个非常关键的因素就是多个射频链路（包括低噪声放大器、混频器和A/D转换器等，这些器件的成本占了整个收发信机的很大部分）所带来的高成本，一种能有效降低射频链路成本但同时还能保证相当的性能增益的技术便是天线选择技术。天线选择的基本思想是在所有天线中选择“最好”的一小部分天线进行发射与接收，文献[8]指出采用天线选择的系统性能要比没有采用的性能好得多。采用天线选择技术可使得MIMO系统硬件结构简化节省硬件成本，发送和接收机的算法复杂度降低，另外，经过天线选择后的系统的通信品质可以得到保证。现有的天线选择算法有两种，一种是“最优”选择，即对所有可能的组合进行穷尽搜索，另一种是“次优”选择，即为了减少计算量和算法复杂度，采用的一种在性能和计算复杂度之间的“折中”的选择方法。这两种方法都有缺点，当天线数目很大时，最优选择的计算量很大，不能进行实时选择，而次优算法的选择增益不是很理想。针对这些不足，我们有必要对天线选择技术进行更进一步的研究。另外，现有的天线选择算法都将系统模型假设为接收端已经全部信道状态信息，这是非常理想化的一个假设，实际情况中，接收端是不可能完全知道信道状态信息，这就需要在接收端进行信道估计。由于信道估计有不同的算法，各种估计方法的性能也不一样，不可避免的要存在误差，所以，课题研究过程应该结合接收端的信道估计，研究实际情况中估计误差对天线选择后系统性能的影响，提出实际可用的改进算法。三、研究的内容及可行性分析（1）天线选择方案最优天线选择准则可分为2种：(1)以最大化多天线提供的分集增益提高传输质量；(2)以最大化多天线提供的容量来提高传输效率。一般来说，天线选择既可以在发送端进行，也可以在接收端进行，或者收发两端同时进行，他们对MIMO系统的性能影响不同，因此要视具体情况而定。（2）接收天线选择接收天线选择与RAKE接收提供的类似，接收机可收到发送信号的几个版本，每个都经历了不同的复数衰落系数和噪声。假接收机有N个接收天线，要从N个天线选择n个接收，经过空间复用恢复原始数据输出。系统框图如图1所示。接收信号的分集合并方法主要有3种：（1）选择分集选择来自SNR最高的路径信号进行检测；（2）最大比合并(MRC)基于路径信号的最佳线性组合进行判决；（3）等增益合并(EGC)简单地将各条路径的信号相加。当n=1时，即接收端只有一个RF分支，但为了进行最佳选择需要知道所有支路的SNR。解决此问题的方法之一是，基于信道增益的准静态性，在发送数据前缀使用训练序列，通过扫描天线，寻找信道增益最高的天线，选择他来接收下一个数据。当n≥2时，接收机的RF链路不止1条，可以选择接收天线的一个子集然后进行信号合并，称为广义选择。选择路径的合并可以通过MRC或EGC进行，其中MRC具有更好的性能，但是算法较麻烦，而EGC比较简单，但效率较低。（3）发送天线选择对一发送天线选择系统，假定从m个RF链和M根发天线(Mm)，接收端只有一根收天线。要从M根发天线中选择最合适的m根天线。天线的选择是在接收端进行的，通过信道估计获得信道准确信息，选择信道增益最佳的m个发送天线，再通过反馈链路通知发送端，如图2所示。与收天线选择不同，需要从接收端到发射端的反馈路径。反馈速率很小，尤其是使用单天线选择时，除了这个差别以外，发天线选择和收天线选择很类似，选择提供最高接收SNR的天线。要求发射机不仅知道m根最合适的天线，而且需要知道从每根发天线到接收机的复值信道增益。当发射机知道信道信息，可以得到一些额外的容量。当发射机完全知道所有的信道系数，信道容量将得到最大，即有信道状态信息(CSI)的无线信道容量比没有CSI的要高。（4）收发联合选择收发联合选择是在发射端和接收端同时应用选择分集。如有M根发天线，N根接收天线，发送和接收端分别有m和n个RF链。总的信道矩阵H=M×N，选择天线的信道矩阵为H′=m×n。通常要使用空时码进行分集，如图3所示。联合发送/接收选择机制必须选择的行和列形成子集，最大化发收信道增益的幅度平方和，不易实现。由于水平和条件有限，本报告存在一些错误和疏忽，请老师和同学批评指正。四、论文需解决的关键问题及难点（1）信道建模与估计目前对天线选择的研究是在一定信道状态信息(CSI)条件下进行,即发送天线选择时在发射机端或在接收天线选择在接收端均需要了解一定的CSI。而实际上在接收端无线传播环境中是不可能知道信道冲激响应的,因此要进行信道估计。在3GPP会议中,由朗讯、诺基亚、西门子和爱立信公司联合提出了标准化MIMO信道的建立。推荐的信道建模方法有基于相关的方法和基于子径的方法。但对于如何实现没有达成共识。到目前为止ITU还没有统一的MIMO信道模型。（2）射频开关的实现现在的技术很难实现射频RF开关。目前生产的开关有转换损耗,必须通过在发射机的放大器中使用更大的发射功率,在接收端使用更敏感的低噪声放大器来补偿,这会抵消天线选择带来的好处。（3）算法的实现天线选择可以减少硬件的复杂度和成本,获得分集增益或提高系统容量,但这些都是以计算复杂度为代价的。在MIMO中使用信道估计和天线选择算法都会增加复杂度。如最佳天线选择基于接收信号的SNR,但是在实际中很难使用包络检波器检测出SNR最高的信号。如联合发送/接收选择方案中,连续选择最好的接收机,然后选择发射机并不一定会得到总的最佳选择。实际上,除了耗尽搜索,现在还没有更好的联合收发天线选择方案。（4）天线的数量和间距天线的数量和备天线之间的距离是MIMO系统设计的关键参数，在基站安装大量的天线，对周围的环境会造成一定的损害，因此天线的数量最好限制在一定的水平。对于终端，一般天线的最大数量预计为4根，但是实际实现中，对于小型的终端，例如手机，即使是安装2根天线也成闯题。因为基前手视的设计趋势是把天线嵌入到机壳中，目的是为了改进外观和增加产品的吸引力，这就使得天线的数量和间距要求成为一个非常严重的闯题。（5）接收机的复杂性MIMO接收机与单天线接收机相比，复杂性骧显要增加，具体表现在：由于多用户、多天线的存在，消除空间干扰的空时合并器和信号检测器的设计变得异常复杂；由于MIMO接收视受周围环境的散射影响，存在焦度扩展和延时扩展，在均衡和干扰对消方面需要增加一些附加的处理；MIMO信道估计也要导致复杂性的增加，因为整个信道矩阵的每一条路径延时都需要及时跟踪和更新，而不是只跟踪和更新单个系数；额外的复杂性还来自增加的RF链和相应的基带运算单元，还有接收机的隔离算法等。除上述因素外，还有其他一些因素也会使MIMO系统的性能退化，例如：不正确的信道估计，天线单元之间存在相关，较高的多普勒频移等。MIMO系统的上述缺点极大地限制了MIMO在移动通信系统中的大规模使用，尤其是成本过高与天线的数量和间距等问题，这是MIMO技术推广的关键性难题，不解决它们，就无法使MIMO技术真正走向实用化。五、研究方法天线选择实现算法很多，但一般可归纳为两类：分集最大化的空时分组编码算法和信道容量最大化的空间多路复用算法。(1)分集最大化的空时分组编码算法对发射天线进行有效配置和使多元发射天线的分集达到最佳的一组方案称为空时编码，他结合了信道编码和多