MIMO系统的自适应无线链路范文

《无线通信技术杂志》2014年第二期

1已有的天线选择方法在工程应用中的一些问题

为了实现通过选择发射天线保证空间信道的最大复用系数，需要解决下面3个问题:*确定需要选择的发射天线总个数;*确定选择哪几根发射天线;*将选择的天线状态信息反馈到发射端。目前基于最大信道容量原则的天线选择方法，包括发射天线选择和接收天线选择，这两种天线选择的基本思路完全一致。以发射天线选择为例:假设发射天线数为M，保持接收天线数目不变，从M个发射天线中一个一个进行删除，使得删除后的信道容量最大。但是，需要选择的发射天线总数较难确定，而且需要多次计算行列式，运算量较大。基于依据解调信号的信噪比选择天线，通过计算与每根发射天线相关的前向信道的信噪比(SNR)，以确定多根发射天线中每根发射天线对应的前向信道的信道特征。并将该信道状态特征作为发射天线的选择信息反馈到发射机，由发射机根据此信息选择状态较好的发射天线来发射业务信号。该方法的缺点是未考虑去除一个天线发出的信号后信噪比的改善，估计会有较大误差，需要额外估计信噪比的运算量以及没有给出如何确定需要选择的发射天线数目的方法。基于信号强弱进行选择，其基本思想是通过信道的散射矩阵来选择具有相对隔离性能的发射天线以分离专用数据流。以从4×4配置中选择2根发射天线和2根接收天线组合为例:首先采用第一根发射天线发送第一个信号(此时别的发射天线不发送信号)，这个信号被所有接收天线接收并被度量(信号强度)，记录下那些接收信号强度较强(可以被接受)的和较弱(不能被接受)的接收天线，然后用其余的发射天线依次重复上述过程，进而形成多个发射天线和多个接收天线相对性能的信道矩阵;然后依据此信道矩阵选择至少两根发射天线和两根接收天线的组合，以实现发射和接收功能。其散射信道矩阵的产生在实际应用中是不太现实的。而且未考虑空间信道间的隔离度，选择性能较差;将选择结果反馈到发射端，需要额外的反馈信息。

2自适应无线链路

MIMO信道容量下降的主要原因是发射天线发出的信号在接收端形成的空间特征相似度太大造成的。考虑相关性的同时还应该考虑空间特征矢量的范数，即信号在信道中的衰落特性。为此提出了一种综合评估准则:波束形成矢量的范数。对于信号模型，分离多信道信号的方法之一就是波束形成，如典型的迫零算法，本文在等式的两端乘以H矩阵的伪逆。通过波束形成，消除了其他发射天线发送的信号，但是对噪声进行了放大，放大的量和wn的范数有关，且第n个发射天线信号的空间特征矢量hn(即H的第n列)的范数越小或与其他天线发射信号的空间特征矢量相关度越大，wn的范数越大。所以，我们可以通过考察wn的范数来对发射天线进行筛选。将此种天线筛选方法运用于空间复用，可以实现空间信道自适应链路。以VBLAST系统为例:利用无线通信系统中导频具有最高解调可靠性的基本假设，我们在接收端对接收的导频信息进行解调误差估计，将最差的信道与预先设定的门限进行对比，如果最差的信道能够满足系统要求，则其余的信道也能满足要求;如果最差的信道不满足要求，则将其对应的发射天线删除，再循环判断其余的信道条件，直到剩余的信道满足系统要求为止。由此可以依据所估计的信道状态条件来确定所需选择发射天线数目和具体哪几根发射天线被选择。选择结果的反馈可以通过专用字节或导频来反馈。频率选择性衰落信道下，基本原理和上面相同。唯一的不同是在频率选择性衰落信道下hnm为一列向量，长度跟信道最大长度相同。我们通过波束形成权矢量范数的排序得到子信道通信质量的排序，通过对最差的子信道的信噪比的测量来确定同时工作的子信道个数。子信道个数确定后，选择的子信道也就可以确定了。采用上述方法，与现有技术相比，将发射天线的数目确定和天线选择两个过程融合在一起，大大简化了MIMO系统中天线选择的步骤，提高MIMO系统中无线链路的自适应性。

3性能仿真与分析

本文考察对于自适应链路下吞吐量的变化。吞吐量定义为单位时间内，所有用户的无误码传输的帧所包含的数据长度。图1给出了VBLST空间复用发射方案。采用3GPP提供的空时信道模型(SCM)，选择市区宏小区(urbanmacronlos)场景，不计路径损耗和阴影衰落。基站端天线为8元均匀圆阵，移动台端天线数为2，阵元间距为0．5个波长，用户数为4，移动台移动速度为30km/h，仿真次数为100。比较采用1根发射天线，使用2根发射天线但不采用天线选择，以及使用2根发射天线同时采用天线选择得到的误码率和吞吐量曲线如图2和图3所示。图中结果表明，进行天线选择后吞吐率性能明显优于不进行天线选择的情况，且在低信噪比时更加明显。上面现象可以这样解释:如果要区分2根发射天线的信号势必会放大噪声，在低信噪比下会带来较大的误帧率，所以尽管空间复用系数增加了，吞吐量不一定会增加，天线选择算法给出了一个合理的折衷。另外，门限的选择至关重要。实际上，当把门限设置得很低时，就可以等效不进行天线选择的情况。最优的门限值和调制方式、解调方法以及帧长有关。

4结论

由仿真结果表明，在发射天线总数相同的条件下，基于本文方法的选择效果逼近最大容量的选择效果。在自适应链路的实现中，发射天线的个数由接收性能最差信道的信噪比确定，能够保证在当时通信环境下最大的空间复用系数。

作者：柴欣单位：国家无线电频谱管理研究所