MIMO技术原理及应用
PPT内容 pdf 现代通信先进技术MIMO技术原理及应用。MMO系统模型(1)MIMO系统模型(2)■M根发送天线发射的倌号矢量为■N根接收天线上引入的噪声矢量为N根接收天线HM根发送天线(n的每一个分量都是独立同发布的复高斯随机过程)■接攻信号可以表示为r= hs+n〔其中图MIM0系统框图MIMo系统模型(3)MIMO信道模型(1)■独立同分布的复高斯信道为n,表示第j根发送天线到第根接收天线幼冲击响应函数;且都是独立司分布的复机变量,实部和虚部都是高斯随机变量h注:这样的独立高斯信道,一般用于描述较强的散射环境,可以认为是比较理想的信道MIMO信道模型(2)MIMO信道模型(3)■带有相关性的信道模型主散射休>天线之间的间距入射波的到达角入射波的角度扩展接收端多輸入多输出系天线结构示意图MIMO信道模型(4)MIMo信道模型(5)■ nokia空间相关MMo信道模型■每一条路径接收角(A0A)和发送角(AOD)定研究的MHMo信道模型假定在远场区有很少的空间义为关于天线阵列和主要反射体位置的量。独立的主反射体,一个主反射体有一条主要路径■由于本地散射,每一条路径P都会有角度扩展a9),这条路径含有大量的引入波,这些波是由接收机使信号延时几乎相同的时间,但会随AOA的变化:和发射机附近的当地散射体的结构引起的g)=∑)∑yMIMo信道模型(6)MIMo信道模型(7)表示有L个本地散射体。同理定义发送端有当地散射的角度扩展(φ)假设接收天线在发送天线的远区场内。因此式中可假定接收天线接收的是平面波。通过天线阵列,平面波的传播在不同的天线环境下产生时延^。不同天线的波前到达的很小的时间延式中d“是两个邻近的天线的距离,几是通信系統的载迟导致接收天线的相移Φ波波长MIM信道模型(8)MIMO信道模型(9)≯阵列的传播向量包括关于第一个天线的这些■同样,在发送端相移。对于具有相同天线间隔d的线性阵列,向量a。可表示为Oo,uit. d sin o.接收端的相关矩阵为MIMo信道模型(10)MIMo信道模型(11)■发送端的天线之间的相关矩阵Noka空间相关MMO信道的仿真用生成单天线快衰落的方法,生成互相独立的列向量R1=∑ana3)用上述方法分別计算接收天线和发送天线的相关矩阵Rx、RR计算接收天线和发送天线的相关矩阵的Kronecker积,得到总的相关矩阵RNuMIMo信道模型(12)MIM◎信道 Shannon容量(1)Nokia空间相关MMO信道的仿真(续■基于前面所述的信道模型,根据信息论的结论,此将总的相关矩阵进行 Cholesky分解,得到矩阵MIMO系统能达到的系统 Shannon容量为Nx MNC=log;deo+fH”)bsH计算列向量hx=[h,h2,…,hw丁和矩阵其中du)表示取方阵的行列式,是NxN单位矩阵,p为每根CMww的乘积,得到列向量hMN接收天线的信噪比,∥表示信道矩阵的共轭转置■由于信道矩阵H是随机的,上式的容量也是一个随机变量将列向量h进行分段,得到矩阵hM,即为空间相关的MMO信道MIMo信道 Shannon容量(2)MIM信道 Shannon容量(3)■在理想情况下,即MMO信道可以等效为最大数目的独C=log, I/eI立、等增益、并行的子信道时,得到最大的 Shannon容量(为保证系统性能比较是在相同条件下,将发射功率Roll Lahs Tewchaui n AR s, UTs归一化;每根发送天线的发射功率与1/M成比例)当信道列矢量互相正交时可以达到的容量aCaloyM log,(C=Logo/.5以看出,对于采用多天线发送和接收技术的系统,理想情况下的信道容量将随着发射天线的数目成线性増长这就为MIMO的高速数据速率传输奠定了理论基础。MIM信道 Shannon容量(4)MIM信道 Shannon容量(5)■当接收天线和发送天线数目都为8根,且平均H吧M=信噪比为20旧B时,链路容量可以高达42b/s/HzDm5■在大信噪比下,仅仅在链路的一端采用多天线,比两端都采用多天线所取得的容量要小。例如,N=M=2在大信噪比下的容量比N=4,M=1的容量要大图二不同天线数目下, Shann。n容量与SNR曲线MIMo系统的实现接收分集(1)■接收分集■采用一个发送天线,多个接收天线的分集方式,■发送分集能够抗衰落和抗噪声■分层空时结构r=hs+n■空时编码■空时扩频其中■正交发送分集r=r2…y■空时发送分集Th, h,,hy j接收分集(2)接收分集(3)■最大比合并算法(MRc■容量为s=[h,,,+h1…hn=(h2+h2+,+h(+h1nhC-log(+p∑■分集增益为h2+1hP+,+h16发送分集(1)发送分集(2)■采用多个发送天线,一个接收天线的分集方式,能够抗衰落■如果和接收分集保持相同的总的发送功率,则每个发送天线的发送功率为发送分集的1MC=log(1-(p/M∑h■分集增益为(内2+h2F÷.+h)/M发送分集(3)发送分集(5)■上面的发送分集方案是在发送端不知道信道信息的情况下得到的性能,如果发送端准确地知道信道的信息,可以获得与接收分集相同的性S能,下面以2个天线的情况为例加以说明。√h22+|h22■对发送的信息进行预处理,令h2发送分集(6)发送分集(7)■则■系统增益为r= hs+nh2+1h2+.+h2h *s,+h,.s+n■容量为hIh,.s+nN4P+1212°h1P+1h2PC=log(+*∑2)2+|h2*s+n分层空时结构(1)分层空时结构(2)■为了充分利用MMO的信道容量,G. OSchin提出■将信源数据分为多个数据子流,分别经过多个信道编了分层空时结构( BLAST: Bel-laboratories码器编码,或不经过信道编码,直接送入调制映射器Layered Space-Time进行信号映射。输出的多路调制信号进行空间域和时间域的信号构造(对角结构、垂直结构等)后,再由■ BLAST的优点是真正意义上实现了高数据通信多个发射天线发射出去.经无线信道传播后,由多个因为它在多条并行信道里发送的是独立的、没有冗余接收天线接收。在接收机中经空时检测、解调、译码,的信息流,所以它的传输速率将远大于利用传统技术得到判决数据。所得到的传输速率分层空时结构(3)分层空时结构(4)■特点高散射高信噪比T开环系统,因为 BLAST的发射机不需要信道的data ende信息,只需在接收端进行信道预澳Fig 1 V-BLASTHigh-lerei syster dagra:m分层空时结构(5)分层空时结构(6)■发送端将单个用户的数据部变并到多个发送天线上,同时l D-BLAST( Diagonal Bell Laboratories Layered的、并行的发送这些数据,利用多输入和多输出方式在同Space-Time)技术是一种在接收端和发送端均使频率上传输并行信息流。如果信道是多径散射环境足够用多天线矩阵,并运用一种较好的钟层编码的结构,强,在接攻端可以采用 BLAST算法,恢复出原始信号码块在空时结构中分散在对角线在独立的瑞利散射环境中,这种处理技术理论上以使容量与发送天线数目成线而且接近于■ BLAST根据构造方式的不同,可以分为对角结构(D-Shannon容量极限的90%,但是这种算法较复杂BLAST: Diagonal BLAST)和垂直结构( V-BLAST实现较困难Vertical blast)。■ V-BLAST( Vertical BLAST)是一种简化的BLAST检测算法,也就是码块垂直分散在每根天线上在室肉慢表环境中其频谱效率可以达到40bits/Hz。8分层空时结构(7)分层空时结构(8)对角结构的检测也是对角线进行处理的。比如现在需要如图三阶示,设发送天线数检测第1路数据,a3:图中对角线(蓝色)以上部为M=5,5路数括流在5根天线上循环发,比如对于第1分(红色)都是未检测数据,对角线以下部分(绿色)路,第1个数据a在天熊1都是已测数据。对于数据干扰抵消法将巳检测的时间t泼送,第2个数据在b1,c1,d1,e1抵消,再进行检测;对于数据2,用干扰天线2上时间发送,5个时抵消法将已检测的b:;2d抵消,再用干扰置零法将未控间段完成一个循环测的巳2消除,再进行检测,依此类推。分层空时结构(9)分层空时结构(10)■发射机采用循环变动的结构;就避免了某一路数据因为信道条件的不好,而导致连续的误码,从如图四所示,设发射天线数而影响整个接收机的性能.D- BLAST能够达到为M5,5路数据流分別在5根天线上并行发送,第Shannon容量的90%,其运算极其复杂;所以贝路的数据恒在天线1尔实验室又进一步提出了 V-BLAST算法上发送:第二路的数据也恒在天线2上发送;等等依次类推分层空时结构(11)分层空时结构(12)广在检测时间!1的数据时,先计算出信道转移炬阵■ V-BLAST迫零算法的伪逆,取出其中模数最小的行向量,亦即对应于最大信噪比■迫零(ZF)矢量(w:i=1,2…,M)的数椐,假设为C1,用干扰置零法将术检测的a1hd,消除从而进行C1的检测,检测后的C1应在总的接收信号去掉它的影响,并且在信道转移矩阵中去掉相应的列向量,生成新的信7(H);=道矩阵;再计算此信道粳阵的伪逆,依此类推其中(为H的第j列,d为 Kronecker delta函数,迫零炬阵HH(伪逆)分层空时结构(13)分层空时结构(14)≯假设发送信号向量为a=(x1,42…,ax),对应的N维摄■V- BLAST迫零加干扰消除算法向量为由矩阵理论可知,矩阵H的列数越少,迫零失量的模越小所以性能越好y=Wr=(H"H)H"(Ha+v)=a+H"H"*v分层空时结构(15)分层空时结构(16)V- BLAST加干扰消除检测算法是一个循环过程,包括优化排序方法■以下是一个循环递归过程的选取W;=(G,)rGI=H=(HH)H(ZF这样就判决出了一个信号.然后把它的影响从接收信号中减去,并去掉k,= arg min (G;lI信道转移矩阵肀相应的列,得到新的转移矩降,并确定新竹伪迸阵,确定耕的判决顺序注:1k1,k为检测过程的排序2k1为追零矩阵G1中具有最小模值的行向k:= argmin(G21),‖表示H中去掉的量第《列后卓伪逆分层空时结构(17)分层空时结构(18)a的第k个成分检测后的SNR为■最小均方误差(MMSE)算法H*=( I+H"H)H在栓测过程中,不同的推序会产生不同的P1:例如M=3的系统,一般来说,先检测1和先检测2,所褥的■只是迫零矢量变化,不能严格迫零,但是使总的嗓声加干是不一样的。假没的所有成分均采用相同的消除方法:则扰的方差最小。信噪比内最小的成分将决定系純的误码率性能。因此,该系统中我们可以采用一种最小信噪比最大亿的概念。在榍环检测过程中,每一步我们都选择最好的,从这种将最小信嗅比最大化的意义上来说,就可以萩得最优化排序510
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基于PIC单片机的风光互补路灯照明控制器
基于PIC单片机的风光互补路灯照明控制器薛林,等基于PC单片机的风光互补路灯照明控制器成对蓄电池的充电。当光照较弱时,由于此时光DC-DC电路、实时时钟电路、充放电保护电路、伏板先将电能储存在电容,当电容的电压达到最路灯开关电路等组成;从控制器由液晶显示以及大功率点时再将电能转到蓄电池上,即只要光伏键盘组成(图3)。两个单片机之间通过RS232板产生电能,无论其电流多小都可以对蓄电池进DB9接口进行异步串行通信,即通过从控制器的行充电,最大限度地提取光伏板中的电流,充分键盘设置相关系统信息(主要包括日期设置、时利用光伏板。间设置、平均开灯时间设置、平均关灯时间设置3硬件电路时差设置、节能管理时数设置、蓄电池过充电压本文设计了一种新型的路灯控制器,其微处设置、蓄电池过放电压设置),然后传给主控制理器芯片均采用的是PC16F877。控制器包含主器。同时,在两个控制器相连时,主控制器的时间控制器和从控制器两个部分:主控制器主要由信息在从控制器的液晶上显示。NL ELtasRM4IAAnAAARWNF-I7 noa图3时钟及PWM产生电路Fig 3 Clock and the PWM generation circuit主控制器能够实现对蓄电池的充放电管理,DS12C887能够自动产生世纪、年、月、日、时、防止过充、过放。它有两路脉宽调制器(PWM)通分、秒等时间信息。DS12C887中自带有锂电道和8路可编程AD转换器通道,通过AD输池,外部掉电时,其内部时间信息还能够保持入口实现对蓄电池的采样测量,实现蓄电池的过10a。对于一天内的时间记录,有12h制和充、过放保护以及路灯光控开关。充电开关电路24h制两种模式,在12h制模式中,用AM和由两根控制线(光伏充电电路的PWM信号和风PM区分上午和下午。时间的表示方法有两机的PWM信号)与微处理器的PWM端口相连种:一种用二进制数表示,一种是用BCD码表接,实现PwM控制脉冲充电,能够极大地提高示。DS12C887中带有128字节RAM,其中有系统充电效率。放电开关电路也由两根控制线与11字节RAM用来存储时间信息,4个字节微处理器相连,控制开关动作,它能够实现光源RAM用来存储DS12C887的控制信息(称为控的开关和功耗调节。本控制器采用的节能管理方制寄存器),113字节通用RAM便于用户使式是在一个灯杆上安装两个灯,从天黑时到晚上用。另外,用户还可对DS12C887进行编程以节能管理时间之前两盏灯同时点亮,系统全功率实现多种方波输出,并可对其内部的3路中运行;到节能管理时数之后关掉其中一盏灯,系断,通过软件进行屏蔽。统半功率输出;为了延长路灯的使用寿命,采用基于时钟芯片Ds12C887,本文所设计的控两盏灯循环利用方式,即日期为偶数,在节能管制器是采用时空方式进行开关灯控制的,一年四理时间关掉A灯,日期为奇数,在节能管理时间季的开关灯时间变化如图4所示。可以通过在从关掉B灯。控制器上对当地的平均开关灯时间(即春分和秋本控制器采用的时钟芯片是 DALLAS公分时的开关灯时间)和时差进行设置,利用软件司生产的实时日历时钟芯片DS12C887,计算出当天的开关灯时间。可耳能骠2011,29(1)外,用户通过键盘对系统信息进行修改后,由从开灯时间控制器发送给主控制器进行处理。5结语本文介绍了一种用于风光互补路灯照明系关灯时间统的新型智能控制器。控制器由主控制器和从控制器组成,微处理器均采用PC16F877芯片。主控制器主要由DC-DC电路、实时时钟电路、充放春分夏至秋分冬至电保护电路、路灯开关电路等组成,从控制器由节气液晶显示以及键盘组成。两个单片机之间通过图4开关灯时间变化图RS232DB9接口进行异步串行通信,即通过从控Fig4 Turnon and turn off time variation制器的键盘设置相关的系统信息(主要包括:日从控制器主要由液晶显示和键盘组成。显示期设置时间设置、平均开灯时间设置、平均关灯部分是人机对话的窗口,具有重要作用。根据用时间设置时差设置、节能管理时数设置蓄电池户需求,控制器要实现的显示功能有日期设置、过充电压设置、蓄电池过放电压设置),然后传给时间设置、平均开灯时间设置、平均关灯时间设主控制器。同时,在两个控制器相连时,将主控制置、时差设置、节能管理时数设置、蓄电池过充电器的时间信息在从控制器的液晶上显示。试验和压设置、蓄电池过放电压设置。从控制器使用运行结果表明,应用此智能控制器的照明系统,LCD12864-12液晶显示模块,这种字符型液晶模具有效率高、稳定性好的优点,并能长期自动运块是一种带汉字库的液晶显示模块,可以进行4行在免维护状态下,具有广阔的应用前景。行字符显示。模块允许单片机随时访问显示参考文献RAM并可进行位操作。用户通过键盘模块对充昊理博,赵争鸣刘建政用于太阳能照明系统的智放电各种参数进行设置,本控制器采用中断的方能控制器[J清华大学学报(自然科学版),2003,43式进行按键处理。由于PIC单片机的 PORTB各(9):1195-1198端口具有弱上拉功能,只要通过软件设置相应的[2]谢小英,阴文平黄成德,阀控式铅酸电池的研究现控制位即可。并且 PORTB端口的高四位,即状与展望[电池,2009,39(1):47-48RB4~RB7引脚的电平发生变化时会产生中断。 KirCHEV A, DELAILLE A, KAROUI F,etat, Studies用电平变化产生中断的方式可以大大提高效率。of the pulse charge of lead-acid batteries for PV applications (I), Factors influencing the mechanism of the4软件设计pulse charge of the positive plate[J]. J Power Sources,主控制器和从控制器之间会实时地进行通2008,177(1):217-225信,主控制器通过异步通信方式把从时钟芯片凹张月滨,王星博,任永乐,等,延长铅酸电池寿命保护DS12C877读取的时钟信息传送到从控制器,从装置的设计门电池,2007,37(3):226-228控制器将其在液晶模块12864上进行显示。另DOI】CNKI:21-1469/TK201101261721006一++十“+“m+m“+“太阳能产业将成新兴能源支柱产业太阳能是目前最具发展前景的新能源。近几年我国全国能源工作会议上表示,下一步将加强太阳能行业规t太阳能产业发展势头迅猛,2010年全国光伏发电装机规划和准入管理,引导产业健康发展,把它培养成为我国模约达到60万kW。但光伏行业也承受着产能过剩、高先进的装备制造产业和新兴能源支柱产业。在具体落实牦能、高污染的质疑。上,要继续推广利用太阳能热水器,加大对太阳能发电经过多年发展,我国已形成了比较完整的太阳能光技术研发的支持。建设国家级太阳能研发试验中心,增伏产业链,对国内太阳能光伏发电市场的评价是:启动加财政和企业的研发投入。要在太阳能资源丰富、具有有序,起步良好。当前的主要问题是太阳能光伏发电转荒漠和荒芜土地资源的地区,建设一批大型并网光伏示化效率较低,发电成本较高。范电站。在内蒙古、甘肃、青海、新疆、西藏的适宜地区,国家发展改革委副主任、国家能源局局长张国宝在开展太阳能热发电试点〈来源中国经济网〉·110
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