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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ISO 11898-3 中文
ISO 11898-3-2006道路车辆—控制器区域网络（CAN）—第三部分：低速，容错，媒体专用接口前ISO(国际标准化组织)是一个世界性的国际化标准组织(ISO成员团体)。制定国际标准的工作通常是由ISO技术委员会来完成的。何一个对已绎成立的技术委员会感兴趣的成员机构都有权派代表参加该委员会。与ISO有关的国际组织,政府和非政府国际标准化组织,也可参加有关的工作。ISO在电工技术标准化的所有事项中都与国际电T委员会(IEC)有密切的合作国际标准是根据 ISO/IEC法规、第2部分屮给出的法规进行起草的。技术委员会的主要工作为制定国际标准。经过技术委员公通过的国际标准草案都会分发给各成员团体进行投票。国际标准需要经过至少75%的各成员机构的投票审批之后才能够出版发行。文件中的一些元素可能会是属于某项专利,这一点需要引起注意。ISO没有鉴别这些专利的义务。ISO11898-3是山 ISO/TC22,道路车辆,SC3小组委员会,电器及电子设备技术委员会起草的取消第一版的ISO11898-3,并使用在技术上口经经过修订的ISO11519-2:1994将其替代ISO118%8包含以下的部分,在道路车辆的总标题之下一控制器区域网络CAN部分1:数据伡层和物理信号。部分2:高速媒体访问单元一部分3:低速,容错,媒体专川接口。一部分4:通信的时间触发部分5:低功耗模式下的高速媒体访问单元介绍ISO11898第一次发表是在1993年11月,包括控制器局域网(CAN)数据链层以及高速物理层。在对IsO11898审查和调整中:IsO11898-1描述了数据链层的协议以及媒体访问的控制ISO11898-2对高速的媒体访问单元(MAU)以及媒体专用接口(MDI)进行了规定取消ISO11898-1:2003以及ISO11898-2:2003,取代ISO11898:1993。除了高速CAN之外,最初由ISO115192所包含的低速CAN的发展,获得了诸如容错技术的新的方式。ISO11898部分的主题为对获得此窄错技术的必要条件以及容错本身的规范进行定义和描述。特別是对媒体专用接口和媒体访问控制的部分进行描述。道路车辆-控制器区域网络(CAN)部分3:低速,容错,媒体专用接口1范围此IsSO11898部分制定了在之间安装有控制器区域网终(CAN)的道路车辆的电子控制单元在40 kBit/s到125 kBit/s的传输率之间建立一个交换数字信息的特性。CAN是一个支持分布式控制和多路控制的串行逦信协议。此ISO11898部分介绍了低速CAN应用中的容错方式,以及符合 ISO/OSⅠ分层模型的物理层部分。此ISO11898部分包含以下的物理层部分:一媒体相关接口(MDⅠ)—物理媒体链接(PMA)。另外,此ISO11898部分也对物坦层部分的信号(PLS)以及媒体部分的接入控制(MAC)的定义有一定的影响。在OSI模型中的所有的其他层,既不在CAN协议之内与之匹配以及也不作为用户电平的一部分,也不会影响低速CAN物理层的容错行为,因此不能够构成此ISO11898的一部分。2术语和定义出于使用此文档的目的,使用下列术语和定义。2.1总线所有的儿点都达到了被动链接的允许在两个方向传输的通信网终的布局结构2.2总线故障由诸如屮断,短路等所引起的一个物理总线机能失常的故障。2.3总线值两个互补的逻辑值的其中的显性和隐性。注释:显性值代表一个逻辑“0”隐性值代表一个逻辑“1”。在显性和隐性位同时传输时,所导致的总线值应该为显性。2.4总线电压相对于地面的每个CAN节点的总线电路CANL和CANH的电压。注释: VCAN L和VcANⅡ表示总线电压。差分电压diffCANH和CANL线之间所能看到的电压。注释:Vd=VCAN IIVCAN L2.无故障通信不丢失信息的操作模式。2.7谷错在指定的至少有一个性能下降的总线故障条件下运行的能力。例如:减少信号的信噪比2.8收发器的循环时间延迟从施加一个逻辑信号到收发器逻辑一侧的输入口到收发器逻辑一侧的输出口检测到此信号的延时时间。2低功耗模式降低功耗的工作模式。注释:低功耗模式下不干扰其他节点之间的通信2.10节点链接到通信线路,能够根据给定的通信协议规范通过网终进行父换的组装点。2.11普通模式在网终通信中积极参与(发送和/或接收)的收发器的工作模式2.12T作电容有一个或多个节点能够检测到链接器的总线线路的总电容,受媒体的布局结构和物理介质的影响13物理层实现ECU与总线之间进行连接的电路。2.14物理介质(总线的)成对的电线,平行或双绞线,屏蔽或非屏蔽注释:单个电线,可表示为CANH和CANL。2.15接收器用其将信息转换成逻辑信息或数据信号的物理信号的转换设备2.16发射器将逻辑信息或数据信号转换为电信号,使这些信号能够通过被物理介质进行传输的设备2.17收发器适用于物理层的逻辑信号设各,反之亦然。3缩略语ACK应答CAN控制器区域网终RC循环冗余校验CSMA载波侦听多路访问DC数据长度码ECU电子控制单元EOF结束帧FCE故障本质的界定IC集成电路LAN局域网LLC逻辑链路控制LME层管理实体LPDU LLO协议数据单元SB最低有效位LSDU LLO服务数据单元LS-MAU低速媒体访问单元MAC媒体访问控制MAU媒体访问单元MDI媒体独立接口MPDU MAC协议数据单元MSB最高有效位MSDU MAC服务数据单元NRZ不会返回到零OSI开放式链接系统PL物理层PLS物理层信号PMA物埋介质附属物RTR远程传输请求SOF帧头4OSI参考模型根据在图1中所显示的OSI参考模型,CAN架构代表两层:一数据链路层;物理层。此部分对一个具有容错的低速的CAN收发器的物理层的进行了介绍。只给出了些对数据链层的影响。0SI参考模CAN架构层绍蚊据链层LLCMAC数据链物理物理层MAMDI图1OSl参考模型CAN分层架构5MD规范5.1物理媒休51.1一般说明用来对CAN散播进行传输的物理介质应为一对并行(或双绞线)的线,屏蔽或非屏蔽取决于EMC的要求。分别对线进行标记为CANH和CANL。在显性状态,CANL的电平低于隐性状态时的电平,CANH电平高于隐性状态时的电平。5.1.2总线连接节点CANH和CANL两线的终止端为一个能够被各自的节点识别的终端网络。每条线的总终端电阻应高于或等于1009。但是,由于电阻制造商的限制,指定节点的终端的电阻值不应该低于5009。代表隐性状态的CANL连接到Vc,CANI连接到CANI。图2显示了一个指定总线节点的通用连接法。RTLCAN LCAN HRIH题解a可选图2-个单一总线节点的连接在图2中,终端电阻可选。这意味着,如果适当的满足整体终端的要求,在特定的条件下并不是所有的节点都需要一个独立的终端。51.3工作电容下列规程适用于一个一般用于汽车应用的简单的连线方式。他由一对如在5.1.4中描述的布局式连接的双绞铜线构成。下列在图3和4中所示的基木模型可用于计算ROP题角a驱动器。b连线图3-总线替代电路2C.12CAN H○cANL题解:a对称轴b地线图4参考网络长度1的工作电容使用公式1来对操作电容进行计算CoP=I(C+2C12)+ n Cnode +k Cplug这里CoP工作电容;C线与地线之间的电容参照电线长度单位为米(m)C12两线(假设为对称的)之间的电容参照电线长度单位为米(m)Cmod来自总线侧的一个附加总线节点的电谷;pug一个连接插头的电容;1整个网络电缆长度;n节点的数量k插头数量例子:参考关于下述示范网络的总网络电缆长度的一个典型的操作电容的值,可有下式得出(C+2C12)=120[pF/m514介质时序所允许的最大工作电谷受到诸如下列网络固有参数的限制:一总终端电阻 rterm;布线类型和布局一通信速率一采样点的电压阀值;接地漂移,等等下面的公式提供了个计算最大允许工作电容的计算方法:
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