文摘

高频谱效率的多输入多输出(MIMO)传播传统上依赖于丰富的散射环境中多路复用增益高,不会总是在视距(LOS)环境中,特别是在更高的微波频段。在本文中,一种新型天线阵设计规则提出了保证完整的多路复用增益LOS-MIMO系统与一个或二维天线阵列的场景,和严格的垂直约束在二维情况下发布。最小天线阵列面积和性能对面积误差的敏感性也获得指导实际的系统设计。然后,mimo - ofdm系统演示设计广场天线阵在15 GHz载波实现小说千兆以太网(GE)开关基于软件无线电(SDR)平台,结合硬件加速单元(HAUs)通用处理器(gpp)。现场评价结果表明,该系统吞吐量和频谱效率大于1 Gbps和15个基点/ Hz,分别。我们所知,这是首次证明Gbps LOS-MIMO-OFDM系统在这样的世界上微波波段,可以成为一个成功的设计实例为下一代无线回程或固定无线接入。

1。介绍

随着现代移动网络的快速发展和移动互联网的爆发,下一代移动网络被定义为用户提供更高的数据速率,这需要回程网络的容量相应改善,包括无线回程的情况下很难找到纤维。传统无线回程是点对点的输出天线在微波频率。交叉极化干扰取消(XPIC)通常用于多路复用增益的容量的两倍 ,但仍不足以赶上下一代回程。

有一些可能的解决方案的问题。一个是使用广泛的带宽更高频段(1]。虽然这样的系统的吞吐量可以传统的微波系统,调制顺序通常是有限的由于相位噪声增大。在[2),只有正交相移编码用于60 GHz频率,从而导致较低的频谱效率。另一种方法是增加多路复用增益天线技术包括天线极化(3,4]。理论上,无限的能力可以增加有足够的天线已知信道状态信息时发射机,但应该注意的是,天线阵的尺寸将是一个大问题对于大型天线阵列。一些以前的工作5- - - - - -7)结合使用这两种技术,MIMO在毫米波频率,得到多路复用增益和更大的带宽,但相比仍然较低,频谱效率与MIMO系统在微波频率。

在无线回程,通道是准静态洛杉矶。一些先前的工作下来为LOS-MIMO天线阵的设计。文献[8]分析了最优条件均匀线性阵列(ULA)”和一个40 ghz LOS-MIMO系统提出了(9使用齿龈)。天线阵列扩展到广场和矩形(10,11),但数组的两个轴应垂直。本文给出了更一般的规则来实现最优信道矩阵(或最大信道容量)一维,二维天线阵列没有垂直的要求。同时,天线阵列的最小面积推导最佳LOS-MIMO通道设计基于我们的最优规则。进一步,阵列面积误差的影响信道容量和信道矩阵的条件数分析给实际系统设计的指导方针。

基于LOS-MIMO导出最优天线阵的条件,我们设计一个高容量固定无线电系统使用方天线阵对称发射机( )和接收器( )。MIMO-OFDM,使用最广泛的技术之一,作为基本的传输方案,相对更严重的相位噪声在微波波段被认为是在信道估计。

通常,高容量MIMO系统需要复杂的信号处理的更喜欢灵活、适应性强、可编程,特别提款权和强大的平台12]。基于通用处理器(GPP)平台(13- - - - - -15)有很大的适应性和可编程性,但是吞吐量往往是由于缺乏实时信号处理能力有限。相比之下,SDR平台基于硬件加速的单位(HAUs),例如,现场可编程门阵列(fpga),可以提供实时的信号处理能力强但相对贫穷的可编程性。在这篇文章中,通用电气开关基于SDR平台Gbps无线电系统,将优势HAUs和gpp达到良好的实时处理性能具有良好的适应性和灵活性。此外,HAU资源可以灵活安排mimo - ofdm传输方案和选择通用电气作为一个平台接口。

现场评价验证LOS-MIMO天线阵列的设计规则,性能Gbps的吞吐量和15个基点/ Hz频谱效率。同时,频谱效率可以翻了一倍,达到30个基点/ Hz正交极化天线阵没有尺寸增加。

本文的其余部分组织如下。给出了天线阵设计规则LOS-MIMO和敏感性分析部分2。的MIMO-OFDM-based LOS-MIMO Gbps无线电系统提出了部分3。通用电气开关基于SDR平台,提出Gbps系统给出的实现部分4。现场评价结果部分所示5。最后,结论和讨论未来的工作6。

2。天线阵的设计

2.1。香奈儿和LOS-MIMO能力模型

考虑一个准静态LOS-MIMO通道与天线阵列 和 站在原点 和 如数据所示1和2。的坐标 天线和 天线 和 , ,在那里 之间的距离是 和 。天线的距离对( , )是 。它是合理的假设之间的距离intra-array元素之间的比这小得多 和 数组,我们有 。


图1
线性天线阵间距相等。

图2
二维天线阵列。

当纯洛认为,通道的 th 天线的 th 可以写成: 在哪里 是在传输距离衰减因子吗 。在一定的距离 , 为所有天线对是一个常数,所以就省略了以下能力分析。

假设 ,在平坦衰落MIMO容量可以表示如下(16]: 在哪里 的特征值 。

优化信道容量,最优信道矩阵性质进行了研究。让 ,然后 在哪里 表示两个向量的内积。假设 天线阵在 中所描绘的一样,平面数据1和2, , ,我们有

通道实现其最大的条件

方程(5)显示的 和 数组平行和垂直于传播方向( 设在)可以减少天线阵列的大小,但它不是一个必要条件,以实现最优的能力。

2.2。一维线性阵列

一维线性阵列如图1以同样的间距在 和 边, 是 矢量的振幅 )阵列间距和方向 阵列方向。然后,我们有 ,(5)是减少到 一个充分条件(6可以找到)如下: 在哪里 。

的有效性(7)和(6)的总和 th 1的复杂根源,这应该是0。在这里, 表示两个正整数的最大公约数。

现在让我们考虑最紧凑的MIMO多路复用增益的线性阵列设计 。让 和 ,我们得到 。很明显平行设置两个数组的最小天线分离产品(ASP) (4] 。让 和 天线阵列的长度 和 ,我们有最优条件:

平等的大小 和 ,从(8)我们得到最佳的数组长度如下:

2.3。二维数组

二维天线阵列如图2,在那里 数组是放在 飞机与 元素和 在数组 飞机与 元素。和数组元素重新编号如下: 在哪里 , 和 , 是一维的二维扩展吗 , 与类似的定义。注意,当 ,(5)可以改写如下:

集 分别得到必要的条件: 当 , (或 , ),(12)可以进一步简化

方程(13)类似于一维的情况。二维数组的一个充分条件案例可以得出结论如下:(1)第一个维度 第二维度 分别满足最优线性阵列条件,(2)的第一个维度 是正交的第二维度 ,第二个维度 和第一个 。

考虑最紧凑的设计和相同数量的元素数组 和 , ,数组区域满足 在哪里 和 数组的领域吗 和 ,分别。对称的数组 和 ,数组区域收益率 。

从(14),多路复用增益 在大 ,这是按照导致(10]。这里的结果是更一般的比(10],它没有垂直二维数组本身要求,所以它的叶子形状灵活选择,从任何平行四边形,系统设计师。

作为一个实际的例子,表1展示了一些典型的最低数组区域数组使用对称阵列配置。15 GHz频率和传输距离 公里,分别。

表1
最低数组不同的配置。

2.4。灵敏度分析为数组

从之前的部分,我们知道最优参数,但是遇到一些偏离是合理的安装和生产实践中,特别是对天线阵。有必要做敏感性分析衍生规则的鲁棒性。对于高容量固定无线访问应用程序,我们通常集中在高信噪比的政权。不同信噪比条件下的灵敏度分析比较数组区域。

至于性能度量,信道矩阵的条件数和信道容量。信道矩阵的条件数 表示为 ,这是最大和最小奇异值的比值 。在LOS-MIMO情况下,对应的最佳渠道 ,大的条件会导致较低的信道容量。

仿真结果的灵敏度分析条件和能力由于阵列面积偏差数据所示3和4条件下15 GHz频段, 公里, dB,等于数组大小 和 。实际面积比最优最小面积作为分析参数和不同的阵列配置。在图5与不同的信噪比,相同的性能条目显示值15分贝为典型的4×4 30 dB数组。


图3
信道条件数与天线阵列的区域。

图4
信道容量和天线阵。

图5
信道容量和天线阵。

结果表明,条件数和能力对区域偏差对大多数阵列配置,但性能下降增加多个天线元素。把最优容量的90%作为阈值,可容忍的范围面积偏差率 和 数组是 和 分别在 dB。从图5,可以看出,公差范围为不同的信噪比非常接近,这意味着该设计规则对信噪比也不敏感。另一个有趣的发现是, 和 数组,也可以实现最优容量时的实际面积是3乘以最低最优的和 和 2乘以最低最优领域仍然是最优的。这些都是由于相对的主要属性 和 在这些情况下(7)。

3所示。MIMO-OFDM-Based LOS-MIMO Gbps系统

MIMO系统提供一个额外的空间维度,无线通讯和自由度增加。这些额外的自由度导致明显的容量增加:系统 发送和接收天线分别能力增加成正比 。与此同时,正交频分复用(OFDM)调节平行副载波在频域的信息。它有一个明显的优势在抗衰落能力比传统的单载波技术。

mimo - ofdm(因此,17,18),结合MIMO和OFDM技术,被认为是物理层计划在我们Gbps无线电系统,由于其独特的优势在许多方面的系统性能,如系统容量,频谱效率和抗衰落的能力。

3.1。主要参数

为了实现1 Gbps的吞吐量,系统占用 MHz带宽在 GHz频段。对于每一个33 MHz带宽, 使用分布式天线子系统。的参数 MIMO-OFDM设置表中给出2和3。

表2
链接总水平参数。
表3
OFDM参数。

系统的框架结构如图6。由一个序言和一个超帧 数据帧。


图6
框架结构的超帧。

一个超级帧从一个序言,同一时间一个OFDM符号(6.64美元),用于定时同步,信道估计和相位噪声校正。楚序列(19]介绍了恒模量和推导系统作为序言。

有32个在一个超帧,数据帧,每个人包括 OFDM符号。一个OFDM符号由循环前缀和 点传输线。 的 副载波用于每个OFDM符号。

3.2。算法设计
3.2.1之上。序言

促进快速同步,数据包之前用已知序列(序言)。序言是精心设计为一个好包提供足够的信息检测、相位噪声估计和信道估计。楚的顺序介绍了恒模量和推导系统作为序言。它是由19] 在哪里 序列的长度和吗 指数序列,互质 。

估计MIMO信道,重要的是,不同的子信道 天线的每一个 天线可以唯一标识。为实现这一目标的前言不同 天线应该是正交的。此外,执行校正相位噪声,应保留几副载波OFDM符号不仅在序言帧数据帧,接收机可以估计的数据帧之间的相位旋转和序言框架。

3.2.2。信道估计

通道响应可以估计使用已知的训练符号在序言中。当时机正确恢复,我们知道收到样品对应培训部分信道估计。更准确地说,我们知道的哪一部分收到序言由发射天线发送 。4传输天线分享序言的副载波正交频分的。

序言,我们可以估计信道响应值 ,在那里 发射天线数, 表示发送的副载波传输天线的位置 。只有一个频道价值每四副载波可以获得直接从训练符号,其他副载波上的值是由线性插值估计方案基于最小均方误差(MMSE)准则。

3.2.3。相位噪声校正

就像前面提到的3.2。1,接收方可以估计数据帧之间的相位旋转和序言帧保留副载波在每个OFDM符号。相位噪声矩阵用 在哪里 和 ,在那里 和 表示的相位噪声 接收和发送天线,分别。传输相位噪声向量定义为 。 可以获得的 在哪里 是 矩阵的列 。同样,接收相位噪声向量定义为 ,可以估计 在哪里 是 th排 。一旦 和 了,目前OFDM符号的信道矩阵是由吗

4所示。特别提款权GE-Based Gbps系统的平台和实现

4.1。平台架构

根据OFDM理论,整个OFDM信号的传输频带可分为几个部分波段,可以独立处理。OFDM的多波段的能力使得宽带系统的设计更加灵活。涉及通用电气接口连接多个处理单元和射频前端。根据通用电气开关,我们建立一个数据流的高通量管道以及控制信号的低延迟路径之间切换每个单元在我们的特别提款权的平台。采用分布式处理策略得到高效的并行计算能力和减少为每个处理单元计算能力的要求。平台的优势HAUs和gpp达到良好的实时处理性能具有良好的适应性和灵活性。的详细架构通用电气开关基于SDR平台如图7。


图7
GE-based SDR平台。

这个平台可以分为以下四个功能模块:数据服务处理,实时处理,无线电频率(RF)预处理块,和GPP处理块。发射机的一面,例如,我们可以展示平台上的数据转换过程如下。

用户数据流首先转换成固定长度的数据包通过数据服务处理。与通用电气开关,数据包分布到不同的分解处理单元和回忆在频域处理(如信道编码、调制、副载波映射,和预编码)在每一块实时处理。然后,数据包在频域分布到每个射频预处理块(执行传输线,插入的CP等)通过通用电气开关。最后,在时域处理的数据流传输射频前端。

接收方的基本功能分区类似于上面的发射机。然而,最复杂的计算过程,如信道估计、时间和频率同步,和矩阵分解为MIMO检测和预编码,已经分配给GPP处理块。左边函数接收方只有在实时处理块HAUs信道解码模块。

另一方面,通用电气接口系统开发人员来说是一个强大的调试工具。方便获取数据样本的输入输出端口这个平台,支持通用电气设备。

4.2。Gbps系统通用电气SDR平台上的实现

基于上述天线阵mimo - ofdm方案设计和LOS-MIMO, Gbps系统上实现通用电气开关基于SDR平台,利用其灵活性、可编程性和实时处理能力。尽管交通数据处理和射频前端系统的重要模块,只有发射机和接收机路径进行了较为详细的试验研究。

发射机的结构和过程分区如图8。


图8
发射机的结构。

用户应用程序数据首先经过数据服务处理块和多路复用为恒定比特率流映射到标准通用包交换。

然后,数据流分布 实时处理单元实时处理块,对应于四个副环带,数据流经过QC-LDPC编码器和映射 QAM符号。之后,multiantenna多路复用模块将这些符号分为四个独立的并行数据流,每一个对应于一个发射天线。同样地,数据流的形式传递给射频预处理块通用电气MAC包。

在每个射频预处理单元对应于每个发射天线,在同一帧数据样本收集从每一次能带计算 分传输线。然后,CP插入每个OFDM符号。最后,一个序言,包括训练序列添加到每个超帧在决赛之前 信号是upconverted射频前端和传播。

GPP处理块可以配置所有HAU块的参数。

与发射机相比,GPP处理块在接收机中扮演更重要的角色。虽然gpp的实时处理能力无法与千兆比特每秒传输的需要,算法在低利率样本,比如慢衰落信道,信道估计时间和频率同步,和矩阵分解为MIMO检测和预编码,可以实施gpp对他们极大的灵活性和可编程性。接收机结构和过程分区如图9。


图9
接收机结构。

第一,四个接收天线用于mimo - ofdm系统的每组和低利率的样本数据通过通用电气接口收到射频预处理块GPP处理块,在时域相关法是用于实现时间同步和频率偏移估计,然后GPP处理块结果通知到射频预处理块。在这一过程中,每个天线射频预处理单元可以识别的采样序列的起始点 OFDM数据符号的转换。然后,频域OFDM符号可以通过(1)校正频率偏移,(2)删除CP,和执行FFT算法。

序言的频域OFDM符号是送到GPP处理块,在信道估计。然后,MIMO检测矩阵得到每副载波相位噪声可以在频域估计。结果是传播实时处理。为了满足1 g传输数据速率,使用四个实时处理单元。在每个单位,每个副环带的样本数据在频域内进行相位噪声校正和MIMO检测,然后QC-LDPC解码算法执行。最终用户应用程序数据包从解码数据块数据服务处理块。

5。LOS-MIMO Gbps系统的现场评价

在本节中,我们将端到端Gbps的现场评价结果传输性能。在mimo - ofdm系统演示我们的通用电气开关基于SDR平台,个人电脑在1.6 GHz双核CPU操作用作GPP发射机和接收机的每一方。对于每个HAU,阿尔特拉两个气旋 FPGA芯片用于计算,再加上一个通用电气PHY芯片( )支持 通用电气接口。

一系列的实验和大田试验Gbps演示系统进行了适合建筑在清华大学,中国。就像前面提到的3,示范无线电系统由两套 MIMO-OFDM子系统。图10分别显示了发射机和接收机。


图10
老发射机和接收机通用平台。

现场测试是在室内环境与传输距离超过50米。不同位置的信噪比和误码率性能表中描述4,那里的 和 标志是坐标 和 沿着走廊的位置。在内部走廊场景中,存在明显的2-path效应由于反射墙两端的走廊。第二路径延迟和相对功率表4,遭受一些不同位置的变化。第二路径延迟决定主要是通过走廊的长度,和相对功率低于20 dBc大多数情况下。结果表明,该实现系统运行良好在这种2-path场景。

表4
信噪比和误码率不同位置。

最大的可实现的信息比特率计算1.171 Gbps = 2(两套子系统)×32每超帧(帧)×8 (OFDM符号每帧)×160(副载波OFDM符号)×6 (64 - qam调制指数)×4(数字传输天线)×5/6 (LDPC编码率)/ 0.001398(超级帧持续时间)。表5显示了峰值的现场试验结果数据传输吞吐量Gbps平台的不同方法,在Netperf基准是一个基于pc的网络工具。我们也使用自主研发的程序来测试系统吞吐量与TCP和UDP协议。

表5
吞吐量测试结果。

虽然Gbps示范系统可以提供超过1 Gbps的数据吞吐量在无线PHY层,上面的实现吞吐量有限由于通用数据接口本身的限制,个人电脑的性能,和以太网/ IP协议的开销。

6。结论

提出了优化设计原则和灵敏度分析LOS-MIMO天线阵LOS-MIMO系统设计提供理论支持,并简化了阵列形状的选择通过移动垂直布置的限制从早些时候的工作。

派生的指导下天线阵设计规则,MIMO-OFDM-based高容量无线电系统提出了洛通道15 GHz频段与对称的方格 和 。通用电气开关基于SDR平台旨在实现并验证该系统。由于通用电气接口的可扩展性和灵活性好,这个平台具有实时处理能力在GPP HAU和适应性和可编程性,因此适用于未来无线通信系统的发展。

在通用电气SDR平台上,LOS-MIMO系统产量的吞吐量 Gbps和频谱效率 通过现场评价bps / Hz。性能应该是翻倍的交叉极化天线在同一数组区域。拟议中的LOS-MIMO天线阵设计和Gbps无线电系统承诺解决费克斯酒对下一代宽带无线接入和无线回程网络。

确认

这部分工作是由中国国家基础研究计划(2012 cb316000)和国家科技重大项目(2012 zx03001026 - 003)。这部分工作是在CHINACOM 2010。