Massive MIMO Simulation


在Wireless Insite 中實現MIMO 波束賦形,空間複用,天線分集等技術

Wireless InSite 支援運用下列常見的MIMO技術 :
  • Antenna diversity
  • Spatial multiplexing
  • Beamforming
  • 比較一組有4RX天線的MIMO接收端運用不同的天線分集的信噪比差异,紅色曲線代表使用Selection combining配置,可以减少衰减幷適度改善信噪比,equal gain combining(橘色曲線)maximal ratio combining(綠色曲線)都增加了幾個dB的信噪比。

天線分集

藉由利用彼此距離半個波長或更遠的不同天線單元接收到信號的差異,天線分集技術可以降低衰減使得接受器更可靠,Wireless InSite 支援接收器分集方法:
  • Selection Combining : 選用來自有最佳信噪比之接收信號的天線的信號。
  • Equal Gain Combining: 加總每一隻接收天線的接收信號電壓值。
  • Maximum Ratio Combining: 對每個信道施加權重值來對齊個別天線電壓信號的相位差同時經由基于信噪比做歸一化來增强信號較弱的通道來調節幅值。
在發射器端,分集技術使用發射器天線單元的預編碼來改善信號傳輸,降低接收信號相關(correlated)的機會,改善接收端天線分集的效益,Wireless Insite透過讓用戶自定義預編碼的碼表(Precoding table)來支援發射端分集技術,用戶可以視需要不受限的自定義包含Alamouti code以及pseudo code等編碼。
當發射以及接收兩端的分集技術選項都被啓用的時候,Wireless Insite會同時運用這兩者來合幷信號,對從發射端到每一個接受點的信號串流數據的接收做改善。

空間複用

數學模型上Wireless Insite使用奇异值分解法(Singular Value Decomposition ,SVD)實現空間分集,SVD方法經由掌握發射/接收天線之間的信道差异來建立多個獨立的數據流,在這些平行的數據流上輸送資料來增加吞吐量。
SVD方法會把信道分解成數量小于發射/接收天線數量的多個數據流,比方說對一組2x2或4x2的MIMO天線陣列收發組合,SVD可以産生2條獨立的數據流,在一個4個發射天線對4個接收天線的收發組合,SVD可以産生4條數據流,技術上可能將吞吐量增爲4倍。
在實務上,真實的吞吐量會由每一個數據流的信號與干擾加噪聲比(SINR)有多高來决定,Wireless Insite 運用SVD技術將能量分開到每一支數據流幷分別計算SINR,所以可以先預測每一支數據流的吞吐量然後再計算所有數據流的吞吐量之和。
 
波束成形

波束成形技術的目的是運用多個天線單元合成一支信號波束,借由提高SINR來提升到接收端的吞吐量,目前Wireless Insite支援兩種波束成形方式:
  • Maximum Ratio Transmission (MRT): 將TX點到RX點之間的波束强度以自適應的方式提升到最高
  • Precoding Tables: 用戶可以自定義一個波束構成列表,Wireless Insite 支援用戶使用碼本等方法定義波束然後在仿真時從預定義的波束選擇。
MRT方法使用發射/接收天線之間的信息來建立指向接收端的最佳波束,而實務上這種技術通常用在時分雙工(TDD)系統,上行鏈路和下行鏈路會使用同一頻帶,所以接收端可以先送一個引航信號(pilot signal)到基站,引導基站産生一支適應環境的最佳波束。
Wireless Insite 支援用戶建立預編碼表單則是一種更通用也更有彈性的方法,用戶可以預定義多組波束成形的權重值,Wireless Insite會將之納入計算,幷且選擇可以到達每個接收端的最强波束,這可以用來仿真一個能提供多種預定義的波束的基站透過多種方法來决定提供給目標信道的波束。
 
用單天線建立發射接收鏈接的吞吐量(左圖),使用的波束成形技術的Massive MIMO 通信系統之吞吐量(右圖)的比較
 

波束成形與接收端分集方法的結合

波束成形技術的主要用途是最大化傳遞到理論上用戶的設備所在的接受點的信號功率,當用戶設備有多個接收天線時,Wireless Insite可以將發射端的波束成形技術和接收端的天線分集技術結合起來,進一步改善SINR,在仿真中建立信號强度最佳的數據流,幷提供後續吞吐量以及誤碼率等分析所需的輸出。.


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