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未来通信系统中的多天线技术

未来通信系统中的多天线技术. 武卓 通信与信息工程学院 zwu@shu.edu.cn. 内容介绍. 课题概述 课题背景 存在的难点 开展课题的步骤与方法 目前的结论及发展方向. 课题概述. 题目：无线蜂窝系统中的多天线技术 研究主要内容：多天线蜂窝系统容量，针对多天线不同发送结构的功率控制技术，多天线 CDMA 系统的检测技术。. 课题背景. 无线通信系统的需求，语音业务 多媒体业务； 高速的传输速度成为必需； 无线频谱成为越来越稀缺的资源。 多天线技术的产生： 可以显著增加一个无线通信系统的频谱利用率；

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未来通信系统中的多天线技术

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Presentation Transcript

  1. 未来通信系统中的多天线技术 武卓 通信与信息工程学院 zwu@shu.edu.cn

  2. 内容介绍 • 课题概述 • 课题背景 • 存在的难点 • 开展课题的步骤与方法 • 目前的结论及发展方向

  3. 课题概述 • 题目：无线蜂窝系统中的多天线技术 • 研究主要内容：多天线蜂窝系统容量，针对多天线不同发送结构的功率控制技术，多天线CDMA系统的检测技术。

  4. 课题背景 • 无线通信系统的需求，语音业务 多媒体业务； • 高速的传输速度成为必需； • 无线频谱成为越来越稀缺的资源。 • 多天线技术的产生： • 可以显著增加一个无线通信系统的频谱利用率； • 可以获得分集增益来补偿无线信道传输中的衰落效应； • 可以兼容信道编码来进一步提高系统性能。

  5. 课题背景

  6. 课题背景

  7. 课题背景

  8. 课题背景 • MIMO技术的应用： • 3G UMTS （Optional）：3GPP WCDMA，GSM/EDGE; • Wireless LAN: IEEE 802.11 and HIPERLAN/2; • WIMAX: IEEE 802.16; • Strong candidate for 4G along with OFDM.

  9. 课题背景 • 多天线(MIMO)技术的产生 信源 信源编码 信道编码 数字调制 多发射天线 (MIMO) 无线信道 多接收天线 信道解码 输出 信源解码 数字解调 Output Signal

  10. 课题背景 • MIMO 技术的产生—经典文献： • E.Telatar, “Capacity of multi-antenna Gaussian channels”, European Transactions on Telecommunications, vol.10, pp.585-598, Nov.1999. • G.J.Foschini and M.I.Gans, “On limits of wireless communications in a fading environment when using multiple antennas”, Wireless Personal Communications, vol.6, pp.311-335, Mar.1998.

  11. 课题背景 • MIMO 信道容量 MIMO信道模型 H 为信道矩阵， 为发射天线的数量； 为接收天线的数量。 • H 的SVD （Singular Value Decomposition）分解 D 为 非负对角阵， U 和 V 分别为 和 的酉阵 （unitary matrix）

  12. 课题背景 • MIMO 信道容量 SVD分解后的等价多天线矩阵:(假设发射天线数多于接收天线数） 分解后的矩阵中子信道个数越多，信道容量越高！

  13. 课题背景 • MIMO 信道容量 W 为每个子信道的带宽； r 为信道特征值的非负方根的数目； 为信道特征值； P为所有发射天线上总的发射能量； 为附加高斯白噪声的方差。

  14. 课题背景 仿真结果－MIMO 信道容量（不同发射接收天线数量对比）

  15. 存在的难点 • 多天线系统的容量并不总是随着天线数目的增加而增加，有一些条件限制了系统容量的增加，比如：多天线信道要求的环境必需为富散射（rich finite scatterers）环境；多天线信道矩阵的秩（rank），也可以说是可分解为相互对立的子信道的数目，需随着天线数目的增加而增加才能使得天线数目的增加会带来系统容量的增加。 • 由于在多天线系统的接收端一根接收天线上收到的是发射端多跟发射天线传输的信号，因此如何更好地分离这些信号也是提高多天线系统性能地关键。

  16. 开展课题的步骤与方法 • 查找相关领域已有的研究 • 确定自己的研究方向 • 理论分析、算法设计 • 仿真结果验证 • 仿真软件：MATLAB，C语言 • 得出结论，确定下一步研究重点

  17. 开展课题的步骤与方法 • 查找相关领域已有的研究： • 查询渠道：IEEE Explore 网站，Journal 及 conference的文章均能查到；INSPEC数据库，其他数据库。。。 • 关于多天线蜂窝系统容量的研究文献查询结果： • 文献[1-3]指出多天线蜂窝系统的容量主要被同频干扰（CCI）所限制，这些分析都基于平坦Rayleigh衰落信道； • 文献[4]研究了相关信道下的多天线蜂窝系统容量； • 但以上这些分析都基于信息论理论上的分析。 • 多天线检测技术还由提升空间，有很多文章提出了很多提高系统性能的算法。

  18. 目前的结论及发展方向 • 实际仿真得到的蜂窝系统容量比信息论理论上的蜂窝系统容量要低得多（提升空间） • 提出的几种功率控制算法可以显著的提高多天线系统的性能，进而可以提高多天线蜂窝系统的系统容量 • 多天线的特殊发送结构，如space-time mapping技术可以显著提高多天线CDMA系统的性能 • 发展方向：更加实际信道情况下的多天线蜂窝系统的实际系统容量

  19. 附：一些参考文献

  20. 思考题 • 多天线技术可以显著提高系统的容量，但仍有一些限制使得多天线系统的容量不是简单的随着天线数目的增加而增加。这些限制指的是哪些条件？ • 多天线技术有哪些典型的发送结构及检测技术？可以从哪些出发点去提高多天线检测技术进而提高系统性能？

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