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  • 什么是MIMO-OFDM技术

    千次阅读 2019-04-08 12:55:47
    什么是MIMO-OFDM技术 摘要 第四代移动通信提供高的数据传输速率,而MIMO和OFDM提高了频谱效率,从而提供高传输速率和系统容量的技术。两者的结合已经成为第四代移动通信技术研究中的热点。通过这两种技术的优势互补...

    什么是MIMO-OFDM技术
    摘要
    第四代移动通信提供高的数据传输速率,而MIMO和OFDM提高了频谱效率,从而提供高传输速率和系统容量的技术。两者的结合已经成为第四代移动通信技术研究中的热点。通过这两种技术的优势互补,可以为系统提供高传输速率,同时也能提高系统容量,降低成本。文中详细介绍了这两种技术及信道估计。

    图1. 采用MIMO-OFDM技术的新标准。
    一、引言
    目前没有第四代移动通信的确切定义,但比较认同的解释是:“第四代移动通信的概念可称为宽带接入和分布网络,具有非对称的和超过2Mbit/s的数据传输能力。它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统、互操作的广播网络和卫星系统等。此外,第四代移动通信系统将是多功能集成的宽带移动通信系统,可以提供的数据传输速率高达100Mbit/s甚至更高,也是宽带接入IP系统”。简单而言,4G是一种超高速无线网络,一种不需要电缆的信息超级高速公路。这样在有限的频谱资源上实现高速率和大容量,需要频谱效率极高的技术。MIMO技术充分开发空间资源,利用多个天线实现多发多收,在不需要增加频谱资源和天线发送功率的情况下,可以成倍地提高信道容量。OFDM技术是多载波传输的一种,其多载波之间相互正交,可以高效地利用频谱资源,另外,OFDM将总带宽分割为若干个窄带子载波可以有效地抵抗频率选择性衰落。因此充分开发这两种技术的潜力,将二者结合起来可以成为新一代移动通信核心技术的解决方案,下面详细介绍这两种技术及其二者的结合方案。
    二、MIMO技术
    MIMO(Multiple-InputMultiple-Output)系统示意图如图1所示,该技术最早是由Marconi于1908年提出的,它利用多天线来抑制信道衰落。MIMO技术是指在发射端和接收端分别设置多副发射天线和接收天线,其出发点是将多发送天线与多接收天线相结合以改善每个用户的通信质量(如差错率)或提高通信效率(如数据速率)。MIMO技术实质上是为系统提供空间复用增益和空间分集增益,空间复用技术可以大大提高信道容量,而空间分集则可以提高信道的可靠性,降低信道误码率。通常,多径要引起衰落,因而被视为有害因素,然而对于MIMO来说,多径可以作为一个有利因素加以利用,MIMO技术的关键是能够将传统通信系统中存在的多径衰落影响因素变成对用户通信性能有利的增强因素,MIMO技术有效地利用随机衰落和可能存在的多径传播来成倍地提高业务传输速率,因此它能够在不增加所占用的信号带宽的前提下使无线通信的性能改善几个数量级。假定发送端有N个发送天线,有M个接收天线,在收发天线之间形成M×N信道矩阵H,在某一时刻t,信道矩阵为:

    其中H的元素是任意一对收发天线之间的增益。对于信道矩阵参数确定的MIMO信道,假定发送端不知道信道信息,总的发送功率为 ,与发送天线的数量M无关;接收端的噪声用N×1向量n表示,是独立零均值高斯复变量,各个接收天线的噪声功率均为 ;发送功率平均分配到每一个发送天线上,则容量公式为:
    
    令M不变,增大N,使得 ,这时可以得到容量的近似表达式:
    
    从上式可以看出,此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量,在不增加带宽和天线发送功率的情况下,频谱利用率可以成倍地提高。利用MIMO技术可以成倍提高信道的容量,同时也可以提高信道的可靠性,降低误码率。前者是利用MIMO信道提供的空间复用增益,后者是利用MIMO信道提供的空间分集增益。目前MIMO技术领域另一个研究热点就是空时编码。常见的空时码有空时块码、空时格码。空时码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集,从而降低信道误码率。
    
    图1 MIMO系统框图
    三、OFDM技术
    根据多径信道在频域中表现出来的频率选择性衰落特性,提出正交频分复用的调制技术。如图2所示,正交频分复用的基本原理是把高速的数据流通过串并变换,分配到传输速率相对较低的若干子信道中进行传输,在频域内将信道划分为若干互相正交的子信道,每个子信道均拥有自己的载波分别进行调制,信号通过各个子信道独立传输。如果每个子信道的带宽被划分得足够窄,每个子信道的频率特性就可近似看作是平坦的,即每个子信道都可看作无符号间干扰(ISI)的理想信道,这样在接收端不需要使用复杂的信道均衡技术即可对接收信号可靠地解调。在OFDM系统中,在OFDM符号之间插入保护间隔来保证频域子信道之间的正交性,消除OFDM符号之间的干扰。
    但是要注意,在发送端实际发送1个OFDM时域序列的长度为Nd+Nc,Nd是一个OFDM符号能够传送的频域符号数,加在前面长度为Nc的序列称为循环前缀(CyclicPrefix)或防护间隔(GuardInterval),利用它使得前—OFDM符号对当前OFDM符号的干扰只影响到循环前缀部分,不会对当前OFDM符号造成影响,这就有效地消除了OFDM符号之间的干扰(ISI)。引入循环前缀会使系统的传输效率有所下降,但这是为保证OFDM子载波之间的正交性和消除OFDM符号间干扰所必须付出的代价。OFDM技术之所以越来越受关注,是因为OFDM有很多独特的优点:
    (1)频谱利用率很高,频谱效率比串行系统高近一倍。这一点在频谱资源有限的无线环境中很重要。OFDM信号的相邻子载波相互重叠,从理论上讲其频谱利用率可以接近Nyquist极限。
    (2)抗多径干扰与频率选择性衰落能力强,由于OFDM系统把数据分散到许多个子载波上,大大降低了各子载波的符号速率,从而减弱多径传播的影响,若再通过采用加循环前缀作为保护间隔的方法,甚至可以完全消除符号间干扰。
    (3)采用动态子载波分配技术能使系统达到最大比特率。通过选取各子信道,每个符号的比特数以及分配给各子信道的功率使总比特率最大。即要求各子信道信息分配应遵循信息论中的“注水定理”,亦即优质信道多传送,较差信道少传送,劣质信道不传送的原则。
    (4)通过各子载波的联合编码,可具有很强的抗衰落能力。OFDM技术本身已经利用了信道的频率分集,如果衰落不是特别严重,就没有必要再加时域均衡器。但通过将各个信道联合编码,可以使系统性能得到提高。
    (5)基于离散傅立叶变换(DFT)的OFDM有快速算法,OFDM采用IFFT和FFT来实现调制和解调,易用DSP实现。
    
    图2 OFDM系统框图
    四、MIMO与OFDM的结合
    MIMO系统在一定程度上可以利用传播中多径分量,也就是说MIMO可以抗多径衰落,但是对于频率选择性深衰落,MIMO系统依然是无能为力。目前解决MIMO系统中的频率选择性衰落的方案一般是利用均衡技术,还有一种是利用OFDM。大多数研究人员认为OFDM技术是4G的核心技术,4G需要极高频谱利用率的技术,而OFDM提高频谱利用率的作用毕竟是有限的,在OFDM的基础上合理开发空间资源,也就是MIMO-OFDM,可以提供更高的数据传输速率。另外ODFM由于码率低和加入了时间保护间隔而具有极强的抗多径干扰能力。由于多径时延小于保护间隔,所以系统不受码间干扰的困扰,这就允许单频网络(SFN)可以用于宽带OFDM系统,依靠多天线来实现,即采用由大量低功率发射机组成的发射机阵列消除阴影效应,来实现完全覆盖。下面给出MIMO-OFDM的结合方案。
    

    点击查看大图

    图3 MIMO-OFDM系统框图
    在本方案中的数据进行两次串并转换,首先将数据分成N个并行数据流,将这N个数据流中的第n(n∈[1,N])个数据流进行第二次串并转换成L个并行数据流,分别对应L个子载波,将这L个并行数据流进行IFFT变换,将信号从频域转换到时域,然后从第n(n∈[1,N])个天线上发送出去。这样共有NL个M-QAM符号被发送。整个MIMO系统假定具有N个发送天线,M个接收天线。在接收端第m(m∈[1,M])个天线接收到的第l个子载波的接收信号为:
    
    其中Hm,n,l是第l个子载波频率上的从第n个发送天线到第m个接收天线之间的信道矩阵,并且假定该信道矩阵在接收端是已知的,Cn,l是第个子载波频率上的从第n个发送天线发送的符号,ηm,l是第l个子载波频率上的从第m个接收天线接收到的高斯白噪声。这样在接收端接收到的第l个子载波频率上的N个符号可以通过V-BLAST算法进行解译码,重复进行L次以后,NL个M-QAM符号可以被恢复。
    4.1MIMO-OFDM的信道估计
    在一个传输分集的OFDM系统中,只有在收端有很好的信道信息时,空时码才能进行有效的解码。估计信道参数的难度在于,对于每一个天线每一个子载波都对应多个信道参数。但好在对于不同的子载波,同一空分信道的参数是相关的。根据这一相关性,可以得到参数的估计方法。MIMO-OFDM系统信道估计方法一般有三种:非盲信道估计、盲信道估计和半盲信道估计。下面分别对这三种信道估计方法进行简单介绍。
    4.1.1非盲信道估计
    非盲信道估计是通过在发送端发送导频信号或训练序列,接收端根据所接收的信号估计出导频处或训练序列处的信道参数,然后根据导频或训练序列处的信道参数得到数据信号处的信道参数。当信道为时变信道时,即使是慢时变信道,也必须周期性的发射训练序列,以便及时更新信道估计。这类方法的好处是估计误差小,收敛速度快,不足是由于发送导频或训练序列而浪费了一定的系统资源。
    4.1.2盲信道估计
    盲信道估计是利用信道的输出以及与输入有关的统计信息,在无需知道导频或训练序列的情况下估计信道参数。其好处是传输效率高,不足是鲁棒性相对较差、收敛速度慢,而且运算量较大。
    4.1.3半盲信道估计
    半盲信道估计是在盲信道估计的基础上发展起来的,它利用尽量少的导频信号或训练序列来确定盲信道估计算法所需的初始值,然后利用盲信道估计算法进行跟踪、优化,获得信道参数。由于盲信道算法运算复杂度较高,目前还存在很多问题,难以实用化。而半盲信道估计算法有望在非盲算法和盲算法的基础上进行折衷处理,从而降低运算复杂度。可以预计,对盲及半盲信道估计的研究将成为MIMO-OFDM信道估计研究的热点。
    五、结束语
    在未来的宽带无线通信系统中存在两个最严峻的挑战:多径衰落信道和带宽效率。OFDM将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦信道,减小了多径衰落的影响,而MIMO技术能够在空间中产生独立的并行信道同时传输多路数据流,这样就有效地提高了系统的传输速率,即在不增加系统带宽的情况下增加频谱效率。这样,将OFDM和MIMO两种技术相结合就能达到两种效果:一种是实现很高的传输速率,另一种是通过分集实现很强的可靠性,同时,在MIMO-OFDM中加入合适的数字信号处理的算法能更好地增强系统的稳定性。MIMO-FDM技术是OFDM与MIMO技术结合形成的新技术,通过在OFDM传输系统中采用阵列天线实现空间分集,提高了信号质量,充分利用了时间、频率和空间3种分集技术,大大增加了无线系统对噪声、干扰、多径的容限。因此,基于OFDM的MIMO系统具有逼近极限的系统容量和良好的抗衰落特性,可以预见,它将是下一代网络采用的核心技术。
    
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  • 分类误差

    千次阅读 2019-11-06 17:05:42
    这时候对应的信息是: T F + 3 1 - 1 4 T的分类误差为:1-max{1/4,,3/4} = 1/4 F的分类误差为:1-max{1/5,4/5} = 1/5 a1的总体误差为:(1/4*4 + 1/5*5)/ 9 = 2/9 ...

    看这个题,我们只看c选项的a1。

    这时候对应的信息是:

     TF
    +31
    -14

    T的分类误差率为:1-max{1/4,,3/4} = 1/4

    F的分类误差率为:1-max{1/5,4/5} = 1/5

    a1的总体误差率为:(1/4*4 + 1/5*5)/ 9 = 2/9

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  • 哈夫曼树中压缩到底是什么意思

    千次阅读 2020-12-12 23:09:35
    哈夫曼树中压缩到底是什么意思 编码的含义 编码就是将一系列个体赋予一个能唯一标识的信息标志,这个标志可以简单的是一个编号,或者更复杂的约定好的其他数据结构。目的就是将电脑不能用0、1表示的物体(声音、...

    哈夫曼树中压缩率到底是什么意思

    1. 编码的含义
      编码就是将一系列个体赋予一个能唯一标识的信息标志,这个标志可以简单的是一个编号,或者更复杂的约定好的其他数据结构。目的就是将电脑不能用0、1表示的物体(声音、视频、模式类别等),变成最终能用0/1编码来唯一标识的“码”。正因为有相互对应的特性,因而可以进行译码这样的逆操作。

    2. 哈夫曼树对应着一种编码方式,叫哈夫曼编码。被编码的对象,是一组有出现频率这个属性的对象。这种编码方式能够赋予出现频率值更大的对象更短的编码。同时任何一个编码不会是另一个编码的前缀(编译原理术语)。

    3. 假设有n种对象,且知道各自的出现频率,所谓压缩率是指
      压 缩 率 = ∑ 1 n 每 种 对 象 出 现 频 率 × 哈 夫 曼 编 码 码 长 n × ⌈   l o g n ⌉ . 压缩率 = \frac{\sum_1^n每种对象出现频率×哈夫曼编码码长 }{n×\left \lceil \ logn \right \rceil }. =n× logn1n×.

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  • 1 永磁同步电机MTPA的控制原理 1.1 MTPA控制方式与id=0...这会导致电流的利用不高,系统的效率降低。所以id=0的控制比较适用于隐极式电机(Ld=Lq),而对于凸极式电机并不最优,所以需要重新考虑控制策略。 1.2...

    注:
    1:此为永磁同步控制系列文章之一,应大家的要求,关于永磁同步矢量控制的系列文章已经在主页置顶,大家可以直接去主页里面查阅,希望能给大家带来帮助,谢谢。
    2:矢量控制的六篇文章后。弱磁、MTPA、位置控制系列讲解已经补充,也放在主页了,请大家查阅。
    3: 恰饭一下,也做了一套较为详细教程放在置顶了,内含基本双闭环、MTPA、弱磁、三闭环、模糊PI等基本控制优化策略,也将滑模,MRAS等无速度控制课题整理完成,请大家查看_

    1 永磁同步电机MTPA的控制原理
    1.1 MTPA控制方式与id=0控制方式的区别
    当电机采用id=0的控制策略,但是这种控制方法忽略和磁阻转矩的作用
    在这里插入图片描述
    这个从转矩方程最容易看出来,转矩分为永磁转矩Tr和磁阻转矩Tm,而id=0只剩下Tr。这会导致电流的利用率不高,系统的效率降低。所以id=0的控制比较适用于隐极式电机(Ld=Lq),而对于凸极式电机并不最优,所以需要重新考虑控制策略。
    1.2 推导过程
    为了找到电流和转矩的最佳匹配,使电机能最小的电流产生最大的转矩,这就是数学上的事情了。
    列下以下公式,转矩电流之间的关系式

    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    为了找到极值关系,利用数学中的拉格朗日定理,引入辅助函数。

    在这里插入图片描述
    接着开始拉格朗日求极值的过程,
    在这里插入图片描述
    对上式进行求解,得到了直轴电流id和交轴电流iq的关系,
    在这里插入图片描述
    其实到了这里我们还是一个蒙蔽状态,因为这个公式没法用啊,我们矢量控制的转速环输出的是转矩给定Te,而且这个公式里面用iq来求id,我本来就不知道iq我还咋求id啊,仿真没法搭,好多的论文里面就到了这里就没有了,最后在一篇弱磁的论文里面才找到了最后可用的计算公式。

    在这里插入图片描述
    以上公式就是用转速环的输出来计算,来算出给定转矩所对应最低的id和iq,反映到电机上就是定子电流。

    1.3 控制框图以及仿真搭建
    从转速环输出部分框图
    在这里插入图片描述
    整体控制框图:
    在这里插入图片描述

    2 仿真结果分析
    2.1 电机参数
    在这里插入图片描述

    2.2 id=0 的转矩和定子电流结果
    id=0 带140N负载,转矩与定子电流波形。
    在这里插入图片描述

    放大结果

    在这里插入图片描述
    如图可以看出,id=0控制方式下,在140N负载时,定子电流在26.8A。

    2.3 MTPA 的转矩和定子电流结果
    MTPA 带140N负载,转矩与定子电流波形。
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    如图可以看出,最大转矩电流比控制方式下,在 140N 负载时,定子电流在24.5A。交轴电流为 iq = 22.94 A,直轴电流为 id = -8.75 A。

    3 小结
    从控制方式角度将,最大转矩电流比是凸极电机在矢量控制上的一种优化,提高逆变器电压的利用率,减少损耗,提高电机的效率。
    从数学上来讲,最大转矩电流比根据电流和转矩方程求最值。
    在这里插入图片描述
    反映在图上就是在最大转矩曲线上,我们的 id 和 iq 就是在这条曲线上取得。
    从应用角度讲,最大转矩电流比充分利用了凸极电机的磁阻转矩,降低损耗提高效率,降低了成本,而且在更为永磁同步电机弱磁控制提供了更好的基础。
    存在的部分问题,
    1、电机的参数在电机运行时会随电机的温度以及转速产生波动,这将影响MTPA的精确程度。
    2、在电机交直轴电感差值(Ld-Lq)较小时,磁阻转矩较小,MTPA的改善效果不明显。
    3、因为计算公式复杂,会给控制模块带来很大的负担,所以一般在实际工程应用中,会用到查表法,即先将对应转矩的 iq 和 id 计算出来。另外拟合法也是非常不错的方法。

    文章中的参考论文:
    MTPA 论文+部分公式截图
    整理不易,希望大家帮忙点个赞呀,谢谢啦~_

    系列文章链接:

    永磁同步电机矢量控制到无速度传感器控制学习教程(PMSM)
    永磁同步电机矢量控制(一)——数学模型
    永磁同步电机矢量控制(二)——控制原理与坐标变换推导
    永磁同步电机矢量控制(三)——电流环转速环 PI 参数整定
    永磁同步电机矢量控制(四)——simulink仿真搭建
    永磁同步电机矢量控制(五)——波形记录及其分析
    永磁同步电机矢量控制(七)——基于id=0的矢量控制的动态解耦策略
    永磁同步电机矢量控制(八)——弱磁控制(超前角弱磁)
    永磁同步电机矢量控制(九)——三闭环位置控制系统
    永磁同步电机矢量控制(十)——PMSM最优效率(最小损耗)控制策略

    展开全文
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    基带BBU集中放置在机房,RRU可安装至楼层,BBU与RRU之间采用光纤传输,RRU再通过同轴电缆及功器(耦合器)等连接至天线,即主干采用光纤,支路采用同轴电缆。 BBU负责数据处理与储存,主要组件为 数字信号处理器 ...

空空如也

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对应分率是什么意思