文摘

多输入多输出(MIMO)天线方案是一种有效的技术为未来地面数字视频广播系统,如broadcasting-next-generation手持(DVB-NGH)来克服传统单天线无线通信的限制信息理论没有任何额外的带宽和传输能力增强。在本文中,我们提出一个混合双极化天线的波束形成方案空间复用DVB-NGH广播系统。感兴趣的系统利用相移和振幅衰减器的数模在波束形成阶段预编码器发射机终端最大化信噪比增加DVB-NGH系统的信道容量。在接收端,最大似然(ML)探测器是用来评估系统的性能。我们认为signal-to-interference-and-noise比(SINR)和可实现的平均能力DVB-NGH MIMO与各种FFT大小,发射天线的数量,不同的调制方案。比特误码率性能结果,信道容量,beampatterns表明,该混合波束形成和双极化天线空间复用方案提供更多对信号干扰的鲁棒性波束形成和/或调零技术。仿真结果也表明,该系统达到更高的容量比现有的分布式天线方案DVB-NGH系统。

1。介绍

数字视频广播(DVB)是一个家庭的标准化技术在地面电视广播,有线、卫星和移动通信系统(1]。在过去的十年中,DVB是密集的区域发展和标准化活动,如DVB - h(手持),媒体弗洛(仅转发链接),DVB-SH(手持卫星)(2- - - - - -4]。他们开发了支持大规模消费的大规模移动电视等多媒体服务(电视)。然而,移动电视服务并未实现最初的预期由于缺少一个成功的商业模式和高成本的发展新的移动广播网络。今天,新一代的移动广播技术是新兴的不断增加的需求和期望用户和运营商,将最新的无线通信的进步提供巨大的容量和覆盖的改进。迄今为止,最新的新兴家庭成员标准DVB DVB-NGH(下一代掌机)[5]。它是第二代数字地面电视广播的移动演化技术基于物理层DVB-T2,最先进的数字地面电视(德勤)技术在世界上6]。因此,它可以纳入DVB-T2传输,允许重用DVB-T2频谱和基础设施,提供更多的健壮性、灵活性和至少50%的频谱效率比任何其他技术(7]。

DVB-NGH创建的目标增加覆盖性能区域和网络容量不仅优于前现有的移动广播标准dvb - h和DVB-SH还优化DVB-T2在许多方面5]。DVB-NGH无线运营商重要的利益,因为它允许IP的传播(互联网协议)大规模多媒体内容广泛的移动设备,从可穿戴设备如耳机、手机、MP3播放器到笔记本电脑和车载接收机在非常高的数据速率(8]。DVB-T2相比,DVB-NGH使用可伸缩视频编码(SVC)技术与多个物理层管道(MPLPs)优雅的服务退化,TFS(时频切片)技术,使多个频率通道组合成一个更广泛的渠道,以提高效率和鲁棒性的数字电视地面传输(德勤)(9,10]。在数据流媒体服务,DVB-NGH使用RoHC(健壮的报头压缩)方法来减少开销IP封装、额外的卫星组件增加覆盖范围,提高信号的鲁棒性(5]。DVB-NGH允许本地服务的有效传播在增强单频网络(eSFN) [11]。DVB-NGH改善SFN规划的灵活性(4 k模式12]。最后,DVB-NGH是第一个广播系统将多输入多输出(MIMO)天线方案的关键技术不仅提高信号传输的可靠性通过利用MIMO信道的空间多样性也通过空间复用实现提高数据速率。最近,互惠了大规模校准算法研究了未来地面广播技术(13]。在这工作,罗等人提出了一个新颖和创新的巨大的MIMO系统闭环互易校准方法更好的性能比现有的方法。实验室测量设置了BS硬件损伤的测量和实现。

1.1。相关的工作

现在,那是一个关键的技术来增加容量和系统可靠性没有任何额外的无线带宽地面广播系统(14- - - - - -16]。在[戴等人解决14)的关键技术和研究趋势为下一代数字电视地面广播系统,包括讨论状态、技术挑战,更重要的是未来的研究趋势。此外,MIMO技术,OFDM-based传输,调制和信道编码的通用技术提高系统容量和提高传输的可靠性。作者在15- - - - - -17描述天线系统的好处,动机DVB-NGH的合并。在这些作品中,MIMO信道的结构预编码器数字地面电视系统和增强空间复用阶段跳跃(eSM-PH)以及所需元素的多输入多输出信号eSM-PH发射机和接收机终端解码 提出了反对unprecoded传播 天线系统方案。实际MIMO系统的性能和比较输出使用DVB-NGH物理层的评估 米姆与空间复用方案,支持四发射天线;天线系统可以提供重要载体噪声比(CNR)减少15]。bpc的系统容量和所需的CNR实现选定的QoS标准eSM-PH审议不同发射功率在相关莱斯衰落信道显然是提供。此外,文中价格代码允许通过空间复用提高数据速率。DVB-NGH那价格方案是最佳选择适合户外媒介/高信号用例,如平板电脑和汽车通常接待的低信噪比(信噪比)的便携式/室内接待大幅度减少可用的多路复用增益,可以利用(16]。然而,在DVB-NGH物理层架构的角度来看,这些研究没有考虑分布式天线波束形成设计多输入多输出信号通道预编码器的性能。

传统MIMO-beamforming系统需要一个专用的无线电频率(RF)链对于每个天线元素,这变得不切实际的大规模MIMO系统由于成本或功耗。减少射频链,混合波束形成(住宅),结合射频模拟和基带数字beamformers,已被建议作为一个有前途的解决方案来提高网络容量和覆盖范围的下一代移动无线通信18- - - - - -20.]。Sohrabi和Yu在[18,19)最大化的收发器设计大规模分布式天线系统的频谱效率与混合波束形成体系结构,其中射频连锁店的数量等于数据流的数量。混合波束形成结构可以达到相同的性能完全数字波束形成方案如果射频链两端的数量大于数据流数量的两倍。设计可以实现速度接近最优的详尽的搜索和使用额外的射频链显著改善系统性能的低分辨率相移(PSs)。

此外,毫米波(mmWave)蜂窝系统将使gbps数据速率由于大可用带宽mmWave频率。由于高成本和功耗的gigasample混合信号设备,mmWave预编码可能会分裂的模拟和数字域。大量的天线和模拟波束形成的存在需要的发展mmWave-specific信道估计和预编码算法(20.- - - - - -24]。混合模拟/数字预编码算法,克服了analog-only上的硬件约束波束形成,接近数码解决方案的性能,提出了在20.]。在[21),的问题mmWave预编码器设计作为sparsity-constrained复苏制定使用正交匹配追踪信号。这个框架可以应用到实际的设计问题,给出了MMSE mmWave系统组合器。最近,Magueta等人提出了一种混合多用户上行的均衡器宽带mmWave与动态子阵列天线系统(22]。混合subconnected架构设计的所需的PSs的数量低于完全连接体系结构和一组只有模拟将用户传送到一个基站和共享相同的无线电资源。在接收端,混合多用户均衡器设计通过最小化均方误差(MSE)之和的副载波,考虑到数字部分是迭代计算的函数模拟部分和派生的模拟与动态天线均衡器映射连接每个射频天线的最佳设置链。这个设计的混合动态两步均衡器实现性能接近完全连接,尽管它是不那么复杂的硬件和信号处理的要求。此外,同一作者在23)提出了迭代模拟-数字多用户均衡器通过最小化数据估计的均方误差的总和在副载波假设所有副载波模拟部分是固定的,而数字计算每个副载波上一部分。误比特率(BER)混合系统的派生和与其他混合均衡方案相比,最近为mmWave MIMO系统设计。这项技术显示,模拟-数字开发多用户均衡器的性能接近全数字对应,优于以前的混合方法。在[24],Hefnawi最近提出了一个混合波束形成方案mmWave异构网络形成一个宏单元基站(BS)和多个小细胞BS配备大型天线阵列,采用混合模拟和数字波束形成。数字波束形成的权值进行优化,最大限度地获得signal-to-interference-plus-noise比(SINR)的有效渠道。在这项研究中,beampatterns和各态历经信道容量进行评估,只有四个射频链同时要求大幅降低计算的复杂性。据我们所知,混合波束形成方案使用模拟-数字波束形成和双极化天线空间复用DVB-NGH系统尚未解决的文学。

因此在本文中,我们提出一个全面研究在模拟-数字波束形成的性能使用双极化天线空间多路复用DVB-NGH系统。不同于以往的作品,这种体系结构的目的是提高能力以及接收信号的鲁棒性。MIMO技术是用来提高覆盖范围,增加DVB-NGH系统的信道容量。因此,混合波束形成方案,结合双极化天线空间复用应该满足的期望未来的广播系统,如DVB-NGH。

1.2。主要贡献

在本文中,我们提出一个解决方案的类别绩效导向的技术开发DVB-NGH系统包括OFDM-based传输,调制方案和信道编码,特别是采用MIMO技术。因此,我们的设计选项包括以下:(我)我们设计和分析比特误码率性能和混合波束形成的各态历经信道容量双极化天线空间多路复用与eSM-PH结构。建议的体系结构利益利用相移和振幅衰减器数-模预编码器在波束形成阶段最大化信噪比增加的容量DVB-NGH系统(2)双极化天线的模拟预编码器设计发射机和接收机。此外,最大似然(ML)探测器用于混合接收器评估系统性能的目的。案例研究,我们清楚地描述signal-to-interference-and-noise比(SINR)和相应的可实现的平均容量DVB-NGH MIMO与各种FFT大小,发射天线的数量,不同的调制方案

本文的其余部分组织如下。部分2描述了系统模型描述了工作。部分3描述了一种价格的案例研究。节4,我们展示主要的比特误码率性能结果和讨论,各态历经容量和beampattern提议的方案。最后,给出了结论和方向5。

1.3。符号

黑体大写字母表示矩阵,和更低的粗体字母表示列向量。本文剩下的符号表1。

2。系统模型描述

在本节中,我们描述了混合波束形成方案提高双极化天线的性能空间复用DVB-NGH广播系统。

提出了双极化天线系统的框图空间复用结合数模波束形成DVB-NGH系统如图1。我们考虑到系统数据流可以同时传输相同的带宽使用 发射机天线。然后传输信号被分成各自的数据流的一组 接收机天线部署。在系统模型中,我们使用部分连接结构混合波束形成,其中每个射频链连接到一个数组双极化天线。这种结构有较低的硬件复杂性完全连接相比,但波束形成增益降低(25]。

在发射机(图1(一)),Bit-Interleaved编码调制(BICM)模块是最重要的一个模块,它提供了系统的纠错能力。BICM的输入模块由一个或多个逻辑数据流服务数据流分开流分割者。每个逻辑数据流是由一个物理层管(PLP)和相关调制星座,forward-error纠正(FEC)保护模式,一次交叉深度(26]。的结构DVB-NGH BICM模块由串行连接的FEC编码子系统执行外部编码使用Bose-Chaudhuri-Hocquenghem (BCH)代码,内部使用低密度奇偶校验码(LDPC)编码,交叉(BI),和一个星座映射器(地图)27]。

2.1。双极化天线数字预编码器的设计

图2说明了双极化天线预编码器为每个数据流输入数字预编码器。预编码器的设计基于空间复用(SM)增加通道频谱效率提供可靠的性能/擦除通道(28]。数字预编码器由三个不同的线性预编码的步骤、阶段跳跃,和功率校准。在第一步中,传播符号执行的线性预编码与传输信号在不同的发射天线。因此,即使一个或多个频道链接遇到消除现象,传输信号仍然可以从其他链接信号中恢复29日]。为每个PLP ,将数据可以表示为象征 预编码矩阵是由在哪里

在方程(2),如果旋转阶段 和 ,我们有eSM(增强SM)和阿达玛SM (hSM),分别。旋转阶段在系统的性能几乎没有影响16]。相位跳跃eSM (PH-eSM)由一个相位旋转的符号乘法与发射天线的第二个总统任期 。将数据与相位跳跃因此表示为象征 在哪里是由

在方程(4), ,和 跳跃,吗是细胞的数量/ FEC码字。符号的阶段跳跃定期改变阶段通过两种天线在一个选举委员会的块。这是由乘法的术语 。相位旋转被初始化为0°初每个选举委员会的块,增加了 对于每一个细胞。这个跳跃阶段循环增强鲁棒性对发射天线方向增加多样性(30.]。

圣编码数据符号与不平等的权力可以写成 在哪里被定义为一个矩阵规模两个天线之间的力量。它可以表示为

例如,当正交相移编码和16-QAM应用到两个天线,被设置为 。这意味着权力分配给两次16-QAM比QPSK符号。它是增加高阶星座的健壮性约束下的总信号功率。

eSM和所谓的eSM-PH阶段跳跃。的米姆价格代码DVB-NGH系统表示为

整体的数字预编码器DVB-NGH系统表示为 ,在哪里 。 数据将被象征 ;每个符号然后通过吗 - - - - - -射频链。

数字域信号从一个射频然后喂链执行传输模拟预编码传输天线。模拟预编码器向量表示为 在哪里 , 振幅因子和吗相移。最后,每个数据符号是传播的subantenna数组天线。

2.2。接收器

考虑接收端,其中混合模拟-数字波束形成架构如图1 (b)。接收到的信号数据符号 表示为 在哪里 , , 这是由

模拟预编码器的接收机在随后的矩阵表示形式:

在这个表达式,模拟预编码器的矢量接收器, ,定义同样的发射机。数据被表示为象征 。此外,在方程(9)的总噪声 ,在哪里复高斯随机变量与零均值和方差的 ,和 代表联合混合预编码矩阵的大小 。

2.3。能力分析

召回的各态历经容量MIMO信道假设完美的信道知识在发射机和接收机与零均值高斯分布输入。各态历经容量可以表示在一般形式(31日] 输入数据的协方差在哪里被编写为

因此,方程(12)是由 在哪里表示单位矩阵的维度 , ,和是复杂的共轭转置 , 。当信道矩阵是广场和正交( ),然后用一个恒等分布的数据输入通道容量可以重写为32]

能力是线性缩放与发射机天线的数量提高信噪比。一般来说,它可以证明,正交通道前面的示例中使用的最大化MIMO系统的能力。与平落一个恒等分布的通道,通道矩阵变得几乎正交当发射机天线高的数量33]。当发射机和接收机天线的数量是不同的,容量增加的最小数量是有限的。模拟波束形成的目的是提高信噪比。在下一节中,我们考虑一种价格,估计信噪比的能力评估。

3所示。那价格的案例研究

在本节中,我们描述了米姆在DVB-NGH指定的空间复用MIMO价格代码。术语“价格”基本上代表了两个独立的传播流。那价格代码DVB-NGH使用cross-polar天线排列(与正交极化天线)和两个发射机天线和两个接收机天线 MIMO系统)。

DVB-NGH MIMO价格接收器图如图3。在这个方案中,我们澄清的振幅因素和相位因子 。考虑到水平极化系统的一部分,接收到的信号可以写成 在哪里上标表示水平极化天线,和代表在第一个接收机天线接收到的信号,在第二个接收机天线接收到的信号,分别。 , 和传输信号,噪声组件在第一个接收天线,和参数代表噪声组件在第二个接收机天线,分别。和接收信号之间的相位因子在第一和第二接收器天线和振幅因子,分别。

当DVB-NGH MIMO系统的用途发射机和接收机天线,在接收端接收到的信号可以表示为 和输出的模拟beamformer表示为 在哪里 和 。的案例研究DVB-NGH MIMO系统价格,信噪比可以由最大化下面的表达式不同的相移和振幅因素 在哪里噪声功率。

此外,多个干扰DVB-NGH MIMO价格系统可以表示为 在哪里代表了干扰信号。DVB-NGH MIMO系统的情况下使用发射机和接收机天线,接收到的信号表示为 和输出的模拟beamformer表示为

signal-to-interference-and-noise比(SINR)对应的信号强度参数可以那么确定DVB-NGH MIMO价格系统。可以由SINR最大化下面的表达式不同的相移和振幅因素 在哪里噪声功率。

当期望信号 多条路径延迟和干扰信号有多个不同路径 与不同的延迟,那么最大SINR解决方案DVB-NGH MIMO价格系统在这种情况下给出的

相应的可实现的平均容量可以重写为32]

减少计算复杂度,无数次优米姆接收器使用如线性zero-forcing (ZF)和最小均方误差(MMSE)接收器34]。最优接收机。,the ML detector at the receiver, evaluates the squared Euclidean distance 并选择了双门跑车 这个距离最小化。可以表示为平方欧氏距离 在哪里弗罗贝尼乌斯规范和吗是接收到的噪声信号。

4所示。仿真结果

在本节中,我们将展示该系统的误码性能通过蒙特卡洛模拟。模拟估计的能力表现与信噪比和比特误码率与Eb /不比率。表2显示了两个研究案例提出的绩效评估系统。在第一种情况下,MIMO FFT 8 K的价格/ 16 K模式是使用64 - qam或执行256 - qam调制星座计划。在第二种情况下,那价格的2和4的substreams 16 K FFT执行模式使用64 - qam。在每一个研究案例中,我们评估系统参数与各种模拟预编码器的配置。并给出了详细的仿真参数表3。模拟包括内部LDPC码字长度尺寸为16200位(16 K)和外BCH。

图4显示了比特误码率(BER)性能与Eb /不为各种1和2的值。我们评估所有星座的组合订单64 - qam和256 - qam的FFT大小8 K、16 K。显然注意到系统的性能显著提高,当功率增益增加。此外,数据还显示,增加FFT大小严重提高误码性能,尤其是在10 dB的功率增益。然而,的情况下 ,有人指出最好的系统性能可以达到大约7.5 dB的功率增益的情况下MIMO价格,FFT的大小16使用64 - qam调制方案。

在图5,我们将展示DVB-NGH系统的误码性能与Eb /不。文中使用256 - qam调制方案和价格的FFT大小16 K为各种发射机天线 ,2、4、8。也看到误码率随Eb /不增加。此外,增加的数量显著增加了DVB-NGH发射机天线系统的性能。约5 dB的功率增益是当增加发射机天线的数量从1到2,2,4,4 - 8,在目标误码率小于10³。

现在,让我们评估提出了混合波束形成双极化天线空间多路复用与eSM-PH结构。数据6和7呈现系统容量达到64 - qam的调制方案,LDPC的8/5的内部编码和帧错误率在BCH(带)1%。分析方案是MIMO价格和米姆和四个射频链( )与 进行性能比较。这个案例研究中使用的通道模型是不相关的瑞利衰落的障碍天线元素之间的相关系数是1%。结果说明各种更好的性能值。波束形成的收益实现LDPC码率8/15的方方面面模拟预编码器解码与元素的数量增加,即。3 dB ( ),6 dB ( ),和8.9 dB ( )。

最后,图8显示了拟议的混合beamformer beampattern与两个射频链( )和数量的天线 和 (图8(一个))和四个射频链( ) 和 (图8 (b))。它可以从该方案,优化beamformer主导梁。这beampattern意味着数据流可以成功地通过这些光束传播。

5。结论

在本文中,我们开发了一种新的基于混合波束形成和双极化天线的波束形成方案空间DVB-NGH系统的多路复用。在拟议的方法中,波束形成方案最大化信道容量的MIMO-based DVB-NGH系统。仿真结果表明,该混合波束形成是有效实现高容量比现有的双极化天线空间多路复用DVB-NGH系统。绩效评估的比特误码率,遍历信道容量,beampatterns表明,该混合使用模拟-数字波束形成和双极化天线波束形成方案空间复用DVB-NGH系统主导梁。尽管取得了一些成绩,但一些挑战性的问题仍有待解决,例如,物理尺寸的减少。因此,在未来的工作中,混合波束形成可以优化配置方案在DVB-NGH手持接收机系统。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。仿真实验进行了使用MATLAB®。所有数据用于支持本研究的结果包括在本文中。后者可从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作由科技部支持越南的项目没有。NDT.32.ITA / 17。