MIMO系統(tǒng)的自適應(yīng)無線鏈路范文

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《無線通信技術(shù)雜志》2014年第二期

1已有的天線選擇方法在工程應(yīng)用中的一些問題

為了實(shí)現(xiàn)通過選擇發(fā)射天線保證空間信道的最大復(fù)用系數(shù)，需要解決下面3個(gè)問題:*確定需要選擇的發(fā)射天線總個(gè)數(shù);*確定選擇哪幾根發(fā)射天線;*將選擇的天線狀態(tài)信息反饋到發(fā)射端。目前基于最大信道容量原則的天線選擇方法，包括發(fā)射天線選擇和接收天線選擇，這兩種天線選擇的基本思路完全一致。以發(fā)射天線選擇為例:假設(shè)發(fā)射天線數(shù)為M，保持接收天線數(shù)目不變，從M個(gè)發(fā)射天線中一個(gè)一個(gè)進(jìn)行刪除，使得刪除后的信道容量最大。但是，需要選擇的發(fā)射天線總數(shù)較難確定，而且需要多次計(jì)算行列式，運(yùn)算量較大。基于依據(jù)解調(diào)信號(hào)的信噪比選擇天線，通過計(jì)算與每根發(fā)射天線相關(guān)的前向信道的信噪比(SNR)，以確定多根發(fā)射天線中每根發(fā)射天線對(duì)應(yīng)的前向信道的信道特征。并將該信道狀態(tài)特征作為發(fā)射天線的選擇信息反饋到發(fā)射機(jī)，由發(fā)射機(jī)根據(jù)此信息選擇狀態(tài)較好的發(fā)射天線來發(fā)射業(yè)務(wù)信號(hào)。該方法的缺點(diǎn)是未考慮去除一個(gè)天線發(fā)出的信號(hào)后信噪比的改善，估計(jì)會(huì)有較大誤差，需要額外估計(jì)信噪比的運(yùn)算量以及沒有給出如何確定需要選擇的發(fā)射天線數(shù)目的方法。基于信號(hào)強(qiáng)弱進(jìn)行選擇，其基本思想是通過信道的散射矩陣來選擇具有相對(duì)隔離性能的發(fā)射天線以分離專用數(shù)據(jù)流。以從4×4配置中選擇2根發(fā)射天線和2根接收天線組合為例:首先采用第一根發(fā)射天線發(fā)送第一個(gè)信號(hào)(此時(shí)別的發(fā)射天線不發(fā)送信號(hào))，這個(gè)信號(hào)被所有接收天線接收并被度量(信號(hào)強(qiáng)度)，記錄下那些接收信號(hào)強(qiáng)度較強(qiáng)(可以被接受)的和較弱(不能被接受)的接收天線，然后用其余的發(fā)射天線依次重復(fù)上述過程，進(jìn)而形成多個(gè)發(fā)射天線和多個(gè)接收天線相對(duì)性能的信道矩陣;然后依據(jù)此信道矩陣選擇至少兩根發(fā)射天線和兩根接收天線的組合，以實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收功能。其散射信道矩陣的產(chǎn)生在實(shí)際應(yīng)用中是不太現(xiàn)實(shí)的。而且未考慮空間信道間的隔離度，選擇性能較差;將選擇結(jié)果反饋到發(fā)射端，需要額外的反饋信息。

2自適應(yīng)無線鏈路

mimo信道容量下降的主要原因是發(fā)射天線發(fā)出的信號(hào)在接收端形成的空間特征相似度太大造成的。考慮相關(guān)性的同時(shí)還應(yīng)該考慮空間特征矢量的范數(shù)，即信號(hào)在信道中的衰落特性。為此提出了一種綜合評(píng)估準(zhǔn)則:波束形成矢量的范數(shù)。對(duì)于信號(hào)模型，分離多信道信號(hào)的方法之一就是波束形成，如典型的迫零算法，本文在等式的兩端乘以H矩陣的偽逆。通過波束形成，消除了其他發(fā)射天線發(fā)送的信號(hào)，但是對(duì)噪聲進(jìn)行了放大，放大的量和wn的范數(shù)有關(guān)，且第n個(gè)發(fā)射天線信號(hào)的空間特征矢量hn(即H的第n列)的范數(shù)越小或與其他天線發(fā)射信號(hào)的空間特征矢量相關(guān)度越大，wn的范數(shù)越大。所以，我們可以通過考察wn的范數(shù)來對(duì)發(fā)射天線進(jìn)行篩選。將此種天線篩選方法運(yùn)用于空間復(fù)用，可以實(shí)現(xiàn)空間信道自適應(yīng)鏈路。以VBLAST系統(tǒng)為例:利用無線通信系統(tǒng)中導(dǎo)頻具有最高解調(diào)可靠性的基本假設(shè)，我們?cè)诮邮斩藢?duì)接收的導(dǎo)頻信息進(jìn)行解調(diào)誤差估計(jì)，將最差的信道與預(yù)先設(shè)定的門限進(jìn)行對(duì)比，如果最差的信道能夠滿足系統(tǒng)要求，則其余的信道也能滿足要求;如果最差的信道不滿足要求，則將其對(duì)應(yīng)的發(fā)射天線刪除，再循環(huán)判斷其余的信道條件，直到剩余的信道滿足系統(tǒng)要求為止。由此可以依據(jù)所估計(jì)的信道狀態(tài)條件來確定所需選擇發(fā)射天線數(shù)目和具體哪幾根發(fā)射天線被選擇。選擇結(jié)果的反饋可以通過專用字節(jié)或?qū)ьl來反饋。頻率選擇性衰落信道下，基本原理和上面相同。唯一的不同是在頻率選擇性衰落信道下hnm為一列向量，長(zhǎng)度跟信道最大長(zhǎng)度相同。我們通過波束形成權(quán)矢量范數(shù)的排序得到子信道通信質(zhì)量的排序，通過對(duì)最差的子信道的信噪比的測(cè)量來確定同時(shí)工作的子信道個(gè)數(shù)。子信道個(gè)數(shù)確定后，選擇的子信道也就可以確定了。采用上述方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，將發(fā)射天線的數(shù)目確定和天線選擇兩個(gè)過程融合在一起，大大簡(jiǎn)化了MIMO系統(tǒng)中天線選擇的步驟，提高M(jìn)IMO系統(tǒng)中無線鏈路的自適應(yīng)性。

3性能仿真與分析

本文考察對(duì)于自適應(yīng)鏈路下吞吐量的變化。吞吐量定義為單位時(shí)間內(nèi)，所有用戶的無誤碼傳輸?shù)膸臄?shù)據(jù)長(zhǎng)度。圖1給出了VBLST空間復(fù)用發(fā)射方案。采用3GPP提供的空時(shí)信道模型(SCM)，選擇市區(qū)宏小區(qū)(urbanmacronlos)場(chǎng)景，不計(jì)路徑損耗和陰影衰落。基站端天線為8元均勻圓陣，移動(dòng)臺(tái)端天線數(shù)為2，陣元間距為0．5個(gè)波長(zhǎng)，用戶數(shù)為4，移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)速度為30km/h，仿真次數(shù)為100。比較采用1根發(fā)射天線，使用2根發(fā)射天線但不采用天線選擇，以及使用2根發(fā)射天線同時(shí)采用天線選擇得到的誤碼率和吞吐量曲線如圖2和圖3所示。圖中結(jié)果表明，進(jìn)行天線選擇后吞吐率性能明顯優(yōu)于不進(jìn)行天線選擇的情況，且在低信噪比時(shí)更加明顯。上面現(xiàn)象可以這樣解釋:如果要區(qū)分2根發(fā)射天線的信號(hào)勢(shì)必會(huì)放大噪聲，在低信噪比下會(huì)帶來較大的誤幀率，所以盡管空間復(fù)用系數(shù)增加了，吞吐量不一定會(huì)增加，天線選擇算法給出了一個(gè)合理的折衷。另外，門限的選擇至關(guān)重要。實(shí)際上，當(dāng)把門限設(shè)置得很低時(shí)，就可以等效不進(jìn)行天線選擇的情況。最優(yōu)的門限值和調(diào)制方式、解調(diào)方法以及幀長(zhǎng)有關(guān)。

4結(jié)論

由仿真結(jié)果表明，在發(fā)射天線總數(shù)相同的條件下，基于本文方法的選擇效果逼近最大容量的選擇效果。在自適應(yīng)鏈路的實(shí)現(xiàn)中，發(fā)射天線的個(gè)數(shù)由接收性能最差信道的信噪比確定，能夠保證在當(dāng)時(shí)通信環(huán)境下最大的空間復(fù)用系數(shù)。

作者：柴欣單位：國(guó)家無線電頻譜管理研究所