I. Giới thiệu
Ăng-ten thông minh thường được gọi là mảng ăng-ten thích ứng, có thể tạo thành các chùm ăng-ten cụ thể để đạt được truyền và nhận định hướng, và chủ yếu được sử dụng để hoàn thành lọc và định vị không gian. Về cơ bản, nó sử dụng mối quan hệ vị trí giữa các phần tử trong mảng ăng-ten, tức là mối quan hệ pha của tín hiệu để khắc phục nhiễu đa truy nhập và nhiễu đa đường. Đây là sự khác biệt cơ bản giữa nó và công nghệ đa dạng truyền thống.
Hệ thống MIMO đề cập đến một hệ thống thông tin liên lạc sử dụng đồng thời nhiều ăng-ten ở đầu phát và đầu nhận. Nó sử dụng hiệu quả tính năng làm mờ ngẫu nhiên và khả năng lan truyền đa đường để tăng gấp đôi tốc độ truyền dịch vụ. Công nghệ cốt lõi của nó là xử lý tín hiệu không-thời gian, sử dụng kết hợp nhiều miền thời gian và miền không gian được phân bố trong không gian để xử lý tín hiệu. Do đó, nó có thể được xem như một phần mở rộng của ăng-ten thông minh.
Hệ thống ăng ten thông minh có nhiều ăng ten ở đầu phát / hoặc đầu nhận của liên kết thông tin di động. Tùy theo việc xử lý tín hiệu nằm ở đầu phát hay đầu nhận của liên kết truyền thông, công nghệ ăng ten thông minh được định nghĩa là đầu ra đơn đầu vào (MISO). Một đầu ra, một đầu vào nhiều đầu ra (SIMO, một đầu vào nhiều đầu ra) và nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO, Multiple Input Multiple Output), v.v.
2. Cấu trúc bộ thu phát anten thông minh đa đầu vào và đa đầu ra và tiến độ nghiên cứu
Hình 1 có thể thấy rằng sau khi mã hóa, điều chế và xử lý không-thời gian (tạo chùm hoặc mã hóa không-thời gian), luồng bit được ánh xạ thành các ký hiệu thông tin khác nhau và được truyền từ nhiều anten cùng một lúc; nhiều anten được sử dụng ở đầu thu Nhận, thực hiện xử lý giải điều chế, giải mã và xử lý không-thời gian tương ứng.
Hình 1 Cấu trúc bộ thu phát anten thông minh nhiều đầu vào nhiều đầu ra
Các công nghệ xử lý không-thời gian trong hệ thống MIMO chủ yếu bao gồm định dạng chùm, mã hóa không-thời gian và ghép kênh không gian. Beamforming là một công nghệ quan trọng trong ăng-ten thông minh, giúp cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu bằng cách hướng năng lượng chính đến người dùng mong muốn. Định dạng chùm tia có thể triệt tiêu nhiễu đồng kênh một cách hiệu quả và điều quan trọng là xác định trọng lượng tạo chùm tia.
1. Sơ đồ truyền dẫn của hệ thống MIMO
Sơ đồ truyền của hệ thống MIMO chủ yếu được chia thành hai loại: sơ đồ truyền tối đa hóa tốc độ dữ liệu (ghép kênh không gian SDM) và sơ đồ truyền tối đa hóa độ lợi phân tập (mã hóa không gian-thời gian STC). Sơ đồ truyền tốc độ dữ liệu tối đa chủ yếu thực hiện ghép kênh không gian bằng cách truyền các tín hiệu độc lập trên các anten khác nhau. Sơ đồ mã hóa không gian-thời gian đề cập đến việc mã hóa chung luồng dữ liệu ở đầu truyền để giảm tỷ lệ lỗi ký hiệu do phai kênh và nhiễu. Nó làm tăng độ dư thừa của tín hiệu thông qua mã hóa chung ở đầu truyền, do đó tín hiệu được nhận. Đầu cuối đạt được độ lợi phân tập, nhưng sơ đồ mã hóa không-thời gian không thể tăng tốc độ dữ liệu.
(1) Mã hóa không-thời gian Một số lượng lớn các cơ chế truyền được đưa ra trong một số tài liệu. Các cơ chế này tương ứng có thể tối đa hóa hiệu suất phổ, tốc độ cao nhất và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR, Signal to Noise Ratio). Tất cả đều dựa trên thông tin trạng thái kênh (CSI). , Thông tin trạng thái kênh) được biết đối với máy phát và máy thu. CSI có thể thu được ở đầu nhận thông qua ước tính kênh và sau đó đầu truyền có thể được thông báo thông qua phản hồi.
Đối với các cơ chế truyền không yêu cầu CSI ở đầu truyền, mã hóa không-thời gian có thể được giới thiệu hoặc độ lợi ghép kênh không gian có thể được sử dụng để tận dụng chiều không gian. Mã hóa không-thời gian chủ yếu được chia thành mã mắt cáo không-thời gian và mã khối không-thời gian. Tín hiệu nhận được được phát hiện bởi bộ giải mã khả năng tối đa (ML, Maximum Likelkel). Mã không-thời gian sớm nhất là STTC (Space-Time Trellis Code). Theo cách này, máy thu cần một thuật toán Viterbi đa chiều. Sự phân tập mà STTC có thể cung cấp bằng với số lượng anten phát và độ lợi mã hóa được cung cấp phụ thuộc vào độ phức tạp của từ mã mà không làm giảm hiệu quả băng thông. Mã khối không gian-thời gian (STBC, Mã khối không gian-thời gian) có thể cung cấp độ lợi phân tập giống như STTC, nhưng nó không có độ lợi mã hóa. Ngoài ra, vì STBC chỉ cần xử lý tuyến tính khi giải mã, nên STBC thường được sử dụng. Công nghệ mã hóa không-thời gian thường giả định rằng CSI hoàn toàn được biết đến ở đầu nhận. Khi CSI chưa được biết ở cả hai đầu, mã hóa không-thời gian đơn nhất và mã hóa không-thời gian khác biệt được đề xuất.
(2) Ghép kênh không gian Ghép kênh không gian đề cập đến việc truyền các tín hiệu độc lập ở đầu phát và sử dụng ZF, MMSE, ML, V-BLAST [3] và các phương pháp khác để giải mã ở đầu nhận. Nó có thể tối đa hóa tốc độ truyền trung bình của hệ thống MIMO và có thể hy sinh một số tốc độ dữ liệu để đạt được độ phân tập cao hơn.
(3) Kết hợp ghép kênh không gian và mã hóa không thời gian Kết hợp ghép kênh không gian và mã hóa không gian thời gian, đồng thời tối đa hóa tốc độ dữ liệu trung bình với điều kiện mỗi luồng dữ liệu đạt được độ lợi phân tập tối thiểu. Hiện tại, chủ yếu có hai sơ đồ kết hợp ghép kênh không gian và mã hóa không thời gian, mã hóa liên kết và hệ thống MIMO thích ứng sử dụng ánh xạ mã khối. Lược đồ mã hóa liên kết đề cập đến việc sử dụng nội bộ của mã hóa không-thời gian, sử dụng bên ngoài của mã sửa lỗi kênh truyền thống (TCM, mã chập, mã RS) [4], lược đồ này không chỉ có thể cung cấp độ lợi phân tập mà còn cải thiện năng lực hệ thống. Bởi vì sự tương quan giữa các kênh sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả phổ của hệ thống nhiều ăng ten, khi kênh ở trạng thái lý tưởng hoặc sự tương quan giữa các kênh là nhỏ, máy phát sẽ sử dụng sơ đồ truyền ghép kênh không gian và khi mối tương quan giữa các kênh lớn , mã hóa không-thời gian được sử dụng. Khởi động kế hoạch.
2. Công nghệ đa dạng nhận MIMO
Các thuật toán giải mã của hệ thống MIMO ở đầu nhận chủ yếu bao gồm thuật toán ZF, thuật toán MMSE, thuật toán giải mã phản hồi quyết định, thuật toán giải mã khả năng tối đa và thuật toán xử lý không-thời gian phân lớp (phòng thí nghiệm chuông phân lớp không-thời gian, BLAST). Trong số đó, thuật toán không bắt buộc và thuật toán MMSE là thuật toán tuyến tính, trong khi thuật toán giải mã quyết định, thuật toán giải mã khả năng tối đa và thuật toán xử lý không-thời gian phân lớp là thuật toán phi tuyến tính. Tại đầu nhận của liên kết giao tiếp SIMO hoặc MIMO, bộ thu hoặc bộ cân bằng sử dụng tín hiệu đa đường để tái tạo lại tín hiệu đã truyền. Trong kênh SIMO không chọn lọc tần số, cơ chế nhận tối ưu là Kết hợp tỷ lệ tối đa (MRC, Maximum Ratio Combine); đối với kênh SIMO chọn lọc tần số, cơ chế thu tối ưu là phát hiện ML, nhưng nó là phi tuyến và độ phức tạp của nó tương tự như của ăng-ten. Số là cấp số nhân (có thể được thay thế bằng bộ giải mã tuyến tính, nhưng hiệu suất sẽ bị giảm). Bộ cân bằng ZF có thể loại bỏ nhiễu liên ký hiệu ISI (InterSymbol Interference) thông qua nghịch đảo của kênh, nhưng với chi phí là khuếch đại nhiễu. Bộ thu MMSE có thể cân bằng giữa khuếch đại tiếng ồn và loại bỏ ISI. Bộ cân bằng phản hồi quyết định (DFE, Bộ cân bằng phản hồi quyết định), một cơ chế phi tuyến tối ưu dựa trên phản hồi quyết định, có thể được sử dụng để cải thiện hiệu suất của bộ cân bằng tuyến tính. Nó loại bỏ một phần ISI được tạo bởi ký hiệu trước đó khỏi biểu tượng hiện tại thông qua bộ lọc phản hồi. ML và cân bằng tuyến tính có thể được mở rộng cho các kênh MIMO. Vấn đề liên quan đến máy thu MIMO là sự tồn tại của nhiễu đa luồng (MSI, Multistream). MSI có thể gây nhiễu lẫn nhau giữa nhiều luồng dữ liệu. Bộ cân bằng hủy liên tục phi tuyến tính hoặc bộ cân bằng V-BLAST có thể chuyển đổi các kênh MIMO thành các kênh song song, nhưng cơ chế này có thể có lỗi lan truyền.
3. Công nghệ tạo tia trong hệ thống MIMO
(1) Mô hình hệ thống của hệ thống MIMO eigenbeamforming là r = Hs + n, và ma trận kênh H chịu sự phân rã giá trị đơn lẻ. Nếu thông tin kênh được biết ở đầu truyền, thì eigenbeamforming ở đầu truyền và xử lý tuyến tính ở đầu nhận có thể được sử dụng để biến đổi MIMO Kênh được chia thành các kênh phụ song song. Nếu máy phát không biết thông tin trạng thái kênh, trong môi trường nhiều người dùng, phương pháp tạo chùm ngẫu nhiên có thể được sử dụng để đạt được phân tập đa người dùng.
(2) Sự kết hợp giữa mã hóa dạng chùm và không-thời gian Trong hầu hết các trường hợp, có thể cho rằng một phần thông tin CSI được biết đến ở đầu truyền, do đó, một cơ chế lai kết hợp mã hóa không-thời gian và định dạng chùm được đề xuất. Mã hóa không-thời gian và định dạng chùm là hai công nghệ phân tập truyền khác nhau. Mã hóa không-thời gian thuộc về công nghệ phân tập vòng mở và không yêu cầu thông tin kênh ở đầu truyền; định dạng chùm tia mảng là một công nghệ phân tập vòng kín sử dụng thông tin phản hồi kênh để lọc không gian hoặc triệt nhiễu. Độ chính xác của phản hồi kênh sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến tác dụng của tạo chùm. Khi người gửi nhận được một phần thông tin trạng thái kênh (chẳng hạn như trung bình kênh hoặc ma trận hiệp phương sai kênh), chiến lược truyền (dạng chùm hoặc mã hóa không-thời gian [5]) có thể được chọn theo thông tin kênh. Trọng lượng của dạng chùm được xác định bởi thông tin kênh phản hồi trong điều kiện đảm bảo rằng đầu thu đáp ứng các yêu cầu về tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu và tỷ lệ lỗi bit. Các tài liệu [6] [7] chỉ ra rằng việc kết hợp phân bổ công suất, tạo chùm tia và mã hóa không-thời gian có ảnh hưởng đến bộ phát
Tóm lại, các chỉ số hiệu suất mô tả các đặc điểm của bộ thu phát ăng ten thông minh MIMO là Lỗi hình vuông trung bình (MSE), SNR, Tỷ lệ lỗi bit (BER, Tỷ lệ lỗi bit), thông lượng có thể truy cập, công suất phát yêu cầu và dung lượng kênh. Các cơ chế truyền và nhận được tối ưu hóa theo các tiêu chí này. Thiết kế bộ thu phát của nó cần đặc biệt chú ý đến bốn thông số chính sau: (1) độ tin cậy của CSI tại bộ phát và bộ thu; (2) các đặc tính của tín hiệu truyền đi (điều chế, ghép kênh và thông tin huấn luyện); (3) tối ưu hóa Hiệu suất đo lường; (4) Độ phức tạp tính toán.
2019-6-11 09:07:33 Báo cáo bình luận
e085086068
0 Ba, lợi thế của ăng-ten thông minh
Trong hệ thống thông tin di động, đa đường và mở rộng trễ đa đường là những vấn đề chính trong thông tin di động. Sự lan truyền đa đường sẽ gây ra hiện tượng mờ tín hiệu nghiêm trọng và sự lan truyền trễ sẽ gây ra nhiễu giữa các ký hiệu, điều này sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng của các liên kết truyền thông. Đồng thời, nhiễu đồng kênh là yếu tố hạn chế chính đối với dung lượng của hệ thống thông tin di động, sẽ ảnh hưởng đến việc tái sử dụng hiệu quả tài nguyên mạng (tần số, thời gian) của người dùng. Ăng-ten thông minh có thể cải thiện chất lượng liên kết bằng cách sử dụng đa đường, tăng dung lượng hệ thống bằng cách giảm nhiễu lẫn nhau và cho phép các ăng-ten khác nhau truyền dữ liệu khác nhau. Tóm lại, có thể tóm tắt những ưu điểm của anten thông minh như sau:
(1) Tăng độ bao phủ. Việc thu tín hiệu nhất quán bởi mảng ăng ten ở đầu thu có thể tạo ra hệ số khuếch đại dạng chùm hoặc mảng, tỷ lệ với số lượng ăng ten thu.
(2) Giảm công suất / giảm chi phí Ăng-ten thông minh tối ưu hóa việc truyền tải của những người dùng cụ thể, có thể giảm công suất truyền dẫn, do đó giảm giá thành của bộ khuếch đại.
(3) Các hình thức nâng cao chất lượng liên kết / tăng độ tin cậy bao gồm phân tập thời gian, phân tập tần số, phân tập mã và phân tập không gian. Khi sử dụng ăng-ten thông minh để lấy mẫu miền không gian, sự phân tập không gian xảy ra. Trong kênh MIMO làm mờ chọn lọc không tần số, thứ tự phân tập không gian cực đại bằng tích của số lượng anten phát và số lượng anten thu. Nhiều anten phát có thể tạo ra phân tập phát bằng cách sử dụng một cơ chế mã hoá và điều chế đặc biệt, và phân tập thu của nhiều anten thu phụ thuộc vào sự kết hợp của các tín hiệu mờ độc lập.
(4) Tăng hiệu suất phổ. Việc kiểm soát chính xác công suất phát thông qua các phương pháp khác nhau sẽ làm giảm nhiễu đồng kênh, do đó tăng số lượng người dùng sử dụng cùng tài nguyên. Việc thực hiện đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA) thông qua định dạng chùm có thể đạt được ghép kênh tài nguyên, do đó tăng tốc độ dữ liệu và hiệu quả phổ. Độ lợi này còn được gọi là độ lợi ghép kênh không gian. Trong hệ thống MIMO, nhiều chiều không gian độc lập được sử dụng để truyền dữ liệu đồng thời. Trong kênh MIMO mờ dần Rayleigh không tương quan, dung lượng kênh tỷ lệ với số lượng tối thiểu của ăng ten phát và nhận.
Các ăng ten thông minh thường được thiết kế để tập trung vào một trong các mức tăng lợi ích nêu trên, chẳng hạn như định dạng chùm, độ lợi phân tập và độ lợi ghép kênh. Sự cân bằng giữa những lợi ích này gần đây đã trở thành trọng tâm của nghiên cứu.
4. Công nghệ ăng ten thông minh trong các hệ thống thông tin di động trong tương lai
Các hệ thống thông tin di động trong tương lai đòi hỏi các công nghệ xử lý tín hiệu có thể thích ứng với nhiều môi trường truyền thông khác nhau. Do đó, giai đoạn đầu của thiết kế ăng-ten thông minh trong tương lai phải xem xét cẩn thận sự thỏa hiệp giữa hiệu suất và độ phức tạp.
1. Khả năng cấu hình lại của lớp vật lý
Để bộ thu phát thông tin di động hoạt động trong môi trường có nhiều thông số thay đổi liên tục, cần phải áp dụng công nghệ thích ứng có thể cấu hình lại trong bộ thu phát để điều chỉnh cấu trúc nhằm đạt được hiệu suất tốt nhất. Khả năng cấu hình lại trong bộ thu phát anten thông minh có thể được coi là sự chuyển đổi thông minh của cấu trúc bộ thu phát trong các môi trường khác nhau. Ví dụ, tài liệu [8] [9] đã đề xuất một thuật toán cho sự thỏa hiệp giữa phân tập không gian và ghép kênh trong các kênh MIMO.
2. Tối ưu hóa giữa các lớp khác nhau
Sự tương tác giữa các mức cao được xác định bởi mô hình OSI (Open System Interconnection) có thể cải thiện hiệu suất của toàn bộ hệ thống. Ăng-ten thông minh được thiết kế bằng cách kết hợp các thông số của lớp vật lý, lớp liên kết và lớp mạng, tức là thiết kế có tính đến mối quan hệ giữa các lớp khác nhau, thay vì xem xét một lớp duy nhất. Thực tiễn cho thấy rằng việc xem xét đánh giá hiệu suất của phương pháp thiết kế một lớp là không hiệu quả. Ví dụ, khi lập lịch được giới thiệu, lợi ích thu được thông qua mã hóa không-thời gian sẽ giảm hoặc thậm chí biến mất.
Thông tin trao đổi giữa các lớp khác nhau của OSI có thể được phân loại như sau: (1) CSI: Cần ước tính đáp ứng xung kênh, thông tin định vị, tốc độ xe, cường độ tín hiệu, cường độ nhiễu, mô hình nhiễu, v.v. (2) QoS các thông số liên quan: bao gồm độ trễ thời gian, thông lượng, tỷ lệ lỗi bit, tỷ lệ lỗi gói (PER, Packet Error Rate), v.v. (3) Tài nguyên lớp vật lý: bao gồm cơ chế xử lý không gian, số dãy ăng-ten, hao hụt nguồn pin, v.v.
Điều rất quan trọng là phải xem xét các tiêu chí tối ưu hóa giữa các lớp. Trong hệ thống thực tế, chất lượng liên kết của anten thông minh không chỉ phụ thuộc vào phương pháp phát hiện dữ liệu được thông qua mà còn phụ thuộc vào cơ chế mã hóa cụ thể và chức năng kiểm soát truy cập phương tiện (MAC, Medium Access Control) được thông qua ở lớp liên kết. Hiệu suất ngăn xếp giao thức được sử dụng ở lớp trên. Vì vậy, các yếu tố trên cần được xem xét một cách toàn diện khi thiết kế, thay vì một yếu tố duy nhất. Đối với các dịch vụ không nhạy cảm với độ trễ, công nghệ ăng-ten thông minh như V-BLAST được kết hợp với cơ chế Yêu cầu lặp lại tự động kết hợp (H-ARQ, Yêu cầu lặp lại tự động kết hợp).
3. Đa dạng nhiều người dùng
Trong giao tiếp đa người dùng, một phương thức giao tiếp được gọi là cơ chế cơ hội đã được chú ý đến. Ý tưởng cơ bản là ghép kênh bằng cách gán kênh cho những người dùng có nhiều khả năng hoàn thành quá trình truyền liên tục nhất. Điều này có thể tối đa hóa thông lượng của hệ thống. Đối với các kênh không gian phản xạ, phương pháp tạo chùm tia cơ hội sẽ hướng đến người dùng có SNR cao nhất; mặt khác, trong trường hợp phân tán đủ, cơ chế may rủi sẽ phân bổ kênh cho những người dùng có dung lượng tức thời cao nhất. Cơ chế cơ hội có thể tạo ra phân tập nhiều người dùng, có thể là một bổ sung cho phân tập mã, phân tập thời gian, phân tập tần số hoặc phân tập không gian. Nhưng ảnh hưởng đến thiết kế của giao thức MAC, MAC sẽ từ bỏ cơ chế phát hiện xung đột và chuyển sang cơ chế nhiều người dùng.
4. Đánh giá hiệu suất thực tế
Trong hệ thống thông tin di động trong tương lai, việc sử dụng ăng-ten thông minh chủ yếu phụ thuộc vào kết quả của hai nghiên cứu:
(1) Trong giai đoạn thiết kế của hệ thống tương lai, các đặc điểm của ăng ten thông minh và môi trường thông tin di động, chẳng hạn như đặc tính lan truyền, cấu hình mảng ăng ten, chế độ dịch vụ, tình trạng nhiễu và hiệu quả băng thông tín hiệu, cần được xem xét để đảm bảo tính tương thích;
(2) Theo các thông số chính liên quan đến hệ thống trong tương lai, hiệu suất thực tế của ăng-ten thông minh được đánh giá thông qua sự thỏa hiệp tối ưu hóa giữa mô phỏng cấp liên kết và mô phỏng cấp hệ thống.
V. Tóm tắt
Việc sử dụng công nghệ đa ăng-ten trong 3G dựa trên công nghệ CDMA có thể làm giảm hiệu quả nhiễu đa truy nhập, và xử lý theo không gian thời gian có thể làm tăng đáng kể dung lượng của hệ thống CDMA. Với hiệu suất vượt trội trong việc cải thiện việc sử dụng phổ tần, MIMO và ăng-ten thông minh đã trở thành chủ đề nóng trong sự phát triển của 4G. Bài viết này sử dụng sự kết hợp giữa ăng-ten thông minh và hệ thống MIMO để đưa ra sơ đồ xử lý tín hiệu ăng-ten thông minh đa đầu vào, đa đầu ra, thảo luận về lợi thế của ăng-ten thông minh và xu hướng phát triển trong tương lai của ăng-ten thông minh, đồng thời giải thích các vấn đề gặp phải trong thiết kế. Tóm lại, việc sử dụng hợp lý công nghệ ăng ten thông minh sẽ cải thiện đáng kể hiệu suất của các hệ thống thông tin di động trong tương lai.
sản phẩm khác của chúng tôi:
