智能天线波束成形技术的比较及演进
2020-04-19
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维普资讯 http://www.cqvip.com 维普资讯 http://www.cqvip.com 。 h | 。 | 毒 0 0 l |,智能关 束成夥藏抽 棼瓣 l r ÷ t、 # l 线通信下行链路的基础上展开的。 2 智能天线收发机结构 智能天线通常也称作自适应天线阵列,可以形成特 定的天线波束,实现定向发送和接收,主要用于完成空间 滤波和定位。在如图1所示的一个多发射多接收天线系统 中,发送的数据块需要进行编码和复星座图的映射。在空 时加权后,每个符号被映射到一个发射天线,信号通过无 线信道后,在接收天线中首先进行解复用,然后通过加 权、解调、解码来恢复最初的发送数据。 匍@ 根发射天线 懒接收天线 Ell 智能天线收发机结构 3多用户分集 实现多用户分集的途径就是公平调度 (scheduling),以平坦衰落信道为例,在多用户系统 中,基站到用户之间的衰落信道是独立随机波动的。调度 的目标就是使得那些瞬时信道增益接近峰值状态的用户获 得基站当前的服务,而数据业务对有限时延的不敏感性使 得这种调度成为可能。这种利用信道的随机波动而带来的 好处,就是多用户分集。 获得多用户分集增益的系统要求:一是每个接收端 具有通过一个普通导频跟踪自己信道的sNR并将其瞬时信 道特性反馈给基站的能力,一是基站具有在用户之间调度 发送的能力,并且能够适应数据速率随着瞬时信道特性而 改变。 多用户分集在两个方面获得好处:一是可以使用户 、隹+ 亡一抻, 用 、在好的信道条件下提高前向链路的网络吞吐量,一是可以 通过多用户分集来减少反向链路上的反馈需求。 4 MIMO系统中的波束成形技术 (1)特征波束成形MIMO系统的系统模型为 r=Hs+n,将信道矩阵H进行奇异值分解,如果发射端已知 # } # } # { I# # 信道信息,通过发射端的特征波束成形和接收端的线性处 理,可将MIMO信道分成平行的子信道。如果发射端不知 道信道状态信息,在多用户的环境下,可以采用随机波束 成形方法实现多用户分集。 (2)波束成形与空时编码结合大多数情况下,假 设信道状态信息(csl,channel state information) ̄ 信息在发射端已知是合理的,因而提出了空时编码和波束 成形相结合的混合机制。空时编码和波束成形是两种不同 的发送分集技术。空时编码属于开环分集技术,在发送端 不需信道信息,阵列波束成形属于闭环分集技术,利用信 谱反儒信息讲行宰问滤漓 干扰抑制.信 反馈的准确性 信息选择发射策略(波束成形或空时编码)。波束成形的 权值在保证接收端达到信噪比和误码率要求的条件下,由 主 三 嘉 杂度和损失发射速率的条件下,提供了比传统空时编码更 好的十牛能。 总之,描述多输入多输出智能天线收发机特征的性 能度量为均方误差(MSE,Mean Square Error)、信噪比 SNR(signa1.to-noise ratio)、误比特率(BER,Bit Err0r Rate)、可达吞吐量、需要的发射功率和信道容量。发射 和接收机制都是根据这些准则进行优化的。 5 波束成形技术的长期发展 (1)相干波束成形信号通过多根发送天线发送给当 前所有用户,发送向量可以表示为 : ,其中 是标 量信号, :[w ,w 'L 】表示M根发送天线上的波束 成形矢量,天线加权系数用复向量表示,用户需要估计和 反馈多个天线信道各自的幅度和相位,反馈量很大,基站 发送端需要知道全部的CSI,因此会大大增加系统的开 销。当用户数目很大时,基站要从用户那反馈获得全部的 CSI几乎是不可能的,考虑到如果基站只获得部分CSI, 是否可以通过采用一些措施得到相同或者接近的性能呢? 2007-7’广东通信技术 维普资讯 http://www.cqvip.com 藏; 0 _ l ; {{ §F : ’ ?强 g # ‰ i § 嚣羲 零篱妻壤%《 在多用户通信中,一种叫作机会机制的通信方式得到了人 们的重视。其基本思想是通过把信道分配给那些最有可能 完成连续传输的用户来复用。这样可以使系统的吞吐量最 大化。对于反射空间信道,机会波束成形方法会指向具有 最高sNR的用户;另一方面,在充分散射情况下,机会机 制会把信道分配给那些具有最高瞬时容量的用户。在此基  ̄I-Pramod Viswanath等在2OO2年首次提出了机会波束 成形法。 (2)机会波束成形 引入随机衰落的措施,不需要 增加设备复杂度,只需在基站采用多个天线,终端采用一 个天线,不同发送天线上的加权复系数不一样,并且天线 加权系数以随机方式产生。每个用户测量接收的信噪比 SNR并将其反馈给基站发送端,基站总是选择SNR最大 的用户来通信。对于用户来说,给定信道矩阵H,当某个 时隙的加权复系数正好与某个用户的信道系数匹配时,该 用户具有最高的SNR,我们称之为波束成形结构配置。当 用户数足够大的情况下,对于随机产生的W每个时隙总是 会存在用户满足或接近波束成形结构配置,而且每个用户 的诵信加拿糟们可 认为旱均等的,因 系统的公平性可 以得到一定程度的保证,而系统的吞吐量也可以得到有效 的提高。但是,在用户数不够多的情况下,用户满足或接 近波束成形结构配置的机会就会大大减小,从而系统性能 就得小全U很好的改吾。 此,传{孑E明 l芸披束厩彤明优劣 受小用户数目的限制,随着用户数目的增 ̄D"-7以明显的改 善系统的性能。特别要指出的是,机会波束成形技术还具 有干扰机会零陷(Opportunistic Nu…ng)功能,它能抑制 当R O=B, 目的发送天线(假设 假设 网干艮大三琵J,仕茸f 曼炭滑。I面逗糸 l十I、,腿召川厂姒I1"./ 日 加相干波束成形和机会波束成形分别获得的吞吐量变化如 图2所示: 可以看出,在上述条件下,当用户数等于1611t,机 会波束成形的吞吐量性能已经非常接近相干波束成形。 1_5 .¨ 一一 j一一一一一一一一. / j。。 / 萎 / _蠹1 1 / 垂 i ’ 0・0一 omBFcoherent BF 1 0。 5 10 15 2o 玄 30 3 I5崩户数 图2相干波束成形与机会波束成形性能比较 (3)机会波束成形与接收天线选择结合法 在 MIMO ̄.qa,为了改善用户数目较少情况下系统的性 能,提出了结合天线选择的方案。每个用户端都有一个射 频(RF,Radio Frenquency)链和多个接收天线,假定接 收天线之间是独立衰落的,每个用户的多根天线与转换选 择模块连接,在任何时刻只有一个天线和RF相连接。系 统模型如图3所示: / 用户1 ,一 x/ \ 基站 \ 用户l 图3系统模型 假定每个用户都能跟踪与自己相关的CSI,用户接收 端只需监视自己多根天线上的所有接收SNR。只要移动用 户选择最好的接收天线并将此天线上的SNR反馈给基站, 维普资讯 http://www.cqvip.com … ≈ 智能天线波束成形技术的比较及旗进 基站就能像传统方式一样运用机会波束成形法。在这种方 式下,同时获得了天线选择分集增益和多用户分集增益, 实际上,接收端采用多天线可以看作等同于增加了下行链 路上的有效用户数,因此结合波束成形与天线选择这两种 技术显著的提高了系统的吞吐量。 (4)多波束机会波束成形多波束机会波束成形有两 种,一种是导频传输采取多波束模式,数据传输采用单波 束 ,在导频时隙,基站同时随机产生多重加权系数以形 成多个波束,每个用户反馈多重波束下的最大信噪比(或 信道增益)以及对应的波束序号,这种方法为每个用户提 供了多个可供选择的波束,所以增加了多用户分集增益, 尤其当用户数较少时更是如此。这种方法的主要不足是增 加了导频开销,对应干多个波束,导频时隙分成了多个子 时隙,而且,与最初的机会波束成形方法一样,由于数据 传输只采用单波束,没有利用多天线可能带来的空分多址 (SDMA,space division multiple access)增益。另一 种是在导频和数据传输阶段均采用多波束的方法 ,在导 频阶段生成多个波束,然后选择多个最好的用户进行数 据传输,选择的依据是信号干扰噪声比(SINR,signal・to・ noise・plus・interference ratio)而非信道增益(因为可能 存在波束问干扰),这种方法的主要问题是波束问的干扰 问题,空分多址是非完全正交的,所以在高信噪比条件下 (此时波束问干扰起决定作用)性能较差。 导频模式采用多波束,数据模式采用单波束的多波 束机会波束成形与单波束机会波束成形的性能比较如图 4,导频模式微时隙 与时隙 的关系为 =5%,发送 端天线数为8,每个用户有一个接收天线。可以看出,多 波束机会波束成形与传统的机会波束成形相比性能得到了 一定的改善。 (5)基于用户选择的正交机会波束成形(ORBF/ SUS.O rthOno rmal RandOm Beamfo rming with Systematic User Selection) 在多波束发展过程中又 提出了ORBF/SUS,并且又分为动态ORBF/SUS和静态 ORBF/SUS。顾名思义,动态ORBF/SUS就是数据传输 时选择的波束数在各衰落块中动态改变以达到最大的速率 4 5 4 3 5 3 2 1 5 1 multi,beam BF ORBF O 5 0 10 15 2O 25 30 JIj户数K 图4多波束机会波束与传统机会波束的性能比较 和,静态ORBF/SUS就是数据传输时选择的波束数不随衰 落块的改变而变化,因此,静态ORBF/SUS获得的速率和 与动态ORBF/SUS) ̄B比稍微差了一点,但它减少了计算复 杂度和反馈复杂度。与单波束相比,ORBF/SUS增加了反 固 馈量,但与传统的相干波束成形相比,反馈开销还是大大 圈 减少了,而且ORBF/SUS在性能上明显优于单波束机会波 困 困 束成形,尤其是在用户数目不足够多的情况下,更是有显 著的优越性。 如图5所示:在SNR=20dB,发送天线N=4,基 站产生的导频波束 =4,数据模式采用的数据波束 Bo=2条件下,静态ORBF/SUS,动态ORBF/SUS方案 和传统的机会波束成形方案性能的比较。从图中我们可以 看出,在用户数较少时,动态ORBF/SUS相比静态ORBF/ SUS有明显的优越性,随着用户数目的增加,静态ORBF/ SUS与动态ORBF/SUS性能的差距逐渐缩小,当用户数目 等于30时,静态方案与动态方案只有3%的差距。而这两 种ORBF/SUS与传统的机会波束相比,性能得到了明显的 改善。 6 波束成形技术发展的展望 目前提出的波束成形已经发展到在动态时分多址 (D・TDMA,dynamic time division multiple access)的 基础上结合空分多址(也即多波束),为了进一步提高 2007.7、广东通信技术 维普资讯 http://www.cqvip.com 露德 叠枣 _ : 黧赣 . 13 12 ;一一一 一 11 1O / N 一一 喜。 ,/ 一 。 / 毒 , 6 , 5 ~——静态ORBF/SUS / 4 / , 动态ORBF/ORBF SUS 一 3o 1o 2o 30 40~ 5 0 60 70 用广数 图5两种ORBF/SUS与机会波束成形的性能比较 系统容量和性能,未来我们可以研究宽带信道条件下收 发均采用多天线的正交频分复用(OFDM,orthonormal frequency division multiplexing)技术与多波束机会波束 成形相结合的动态空一时一频混和多址技术,研究多波束 的相互干扰问题,研究MlM0空间子信道的干扰问题,研 究降低反馈开销的技术。由于采用0FDM技术,增加了 频域自由度,而采用多波束机会波束成形增加了空域自由 度,使实现动态三维机会多址成为可能,另外,收发均采 用多天线可带来空间复用增益。这些研究将扩大未来无线 通信系统的总容量,扩大覆盖范围,提高抗干扰性能,提 高频谱利用率。 7 小结 本文介绍了智能天线的收发机结构,在此基础上引 出了对智能天线关键技术波束成形发展的研究,讨论了不 同阶段波束成形的发展及其优缺点,并作了一些定性的比 较,还提出了未来无线通信智能天线波束成形技术的研究 ;5-r ̄,总之,深入的研究并且合理地使用智能天线波束成 形技术将大大地提高未来无线通信系统的性能。 参考文献 1 TELATAR E.Capacity of multiantanna Gaussian channels【J】.AT&T-BELL Lab Internal Tech Memo,1 995, 1 0(6):585_596 2 FOSCHINI G J.Layered space—time architecture for wireless communication in a fading environment when us’ing multi—element antennas【J】.Bell Labs Tech J,1996, 1(2):41—59 3 FOSCHINIG J.GANSM J.Onlimits ofwireless ocmmunication in a fading environment when using multiple antennas【J】_Wireless Personal Commun,1 998, 6(3):311—335 4 TSE D N.Multiuser diversity in the wireless network 【A】.Wireless Communication Seminar【C】.Standford University,2001・1_60 5 VISWANATH P TSED N C,LAROLR.Opportunistic beamforming using dumb antennas【J】_IEEE Transactions on Information Theo ̄,2002,48(6):1 277—1 294 6 HEATH RW J,AIRYM,PAULRAAJ.Mu№serdiversity ofr MIMO wireless systems with linear receivers【A]. 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Trans.Inf.Theo ̄,2005,vo1.51(2):506-522 (收稿日期:2007.6.5) 回 国 园 圆 (上接第61页) (1 3)启动监听器。 ¥1snrctl start 数据库、可操作性强、无需其他领域(如操作系统及存 储)相关技术支持等优势,不失为实现ORACLE数据库存 储迁移的一种优选方案。 至此,整个数据库的存储迁移已全部完成,即数 据库已完整地迁移到新存储ESS800上,可对外提供使 用(实际迁移中几百G的数据库可以在几小时内完成迁 移)。同样的,用这种方法还可以实现部分数据文件的迁 移。 参考文献 1 2 ORACLE9i Recovery Manager User’S Guide(Release 2) ORACLE9i Database Concepts(Release 2) 3 温力.ORACLE数据库的数据迁移方法.计算机世界,2000 4 小结 通过RMAN COPY的方式进行数据迁移具有性能 好、时间短、可实现大数据量迁移、不需要创建新的目标 4 (美)弗里曼,(美)哈特著,梁志敏,蔡建译.Oracle 9i RMAN备份与恢复技术.清华大学出版社,2004 (收稿日期:2007—6—7) 79 2007.7‘广东通信技术