李娜娜，景小榮，2，張祖凡，2，陳前斌，2

（1.重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶400065;2.重慶郵電大學(xué)移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065）

0 引言

隨著數(shù)據(jù)通信與多媒體業(yè)務(wù)需求的發(fā)展，對無線通信系統(tǒng)的速率要求也越來越高。為此，3GPP提出了長期演進(jìn)計(jì)劃（long term evolution，LTE）。后來，根據(jù)技術(shù)演進(jìn)的進(jìn)一步需要，提出了LTE后續(xù)演進(jìn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，即LTE-Advanced。在LTE-Advanced中，3GPP引入了上/下行增強(qiáng) MIMO（multi-input multi-output）技術(shù)。

MIMO技術(shù)在不增加帶寬的情況下，可以成倍地提高系統(tǒng)容量和傳輸鏈路的可靠性［1］，為此，近十年來，對MIMO技術(shù)的研究取得了十分豐富的理論成果［2-4］;但是，大多數(shù)的研究都沒有考慮到實(shí)際移動(dòng)通信環(huán)境的復(fù)雜性和多樣性。

以實(shí)際通信環(huán)境為背景，3GPP在 Release 9［5］中對LTE-Advanced的無線應(yīng)用場景進(jìn)行了優(yōu)化，明確提出了采用ITU提出的IMT-Advanced信道模型作為未來移動(dòng)通信技術(shù)研究和評估的參考信道模型。IMT-Advanced信道模型定義了室內(nèi)熱點(diǎn)（indoor-hotspot）、市區(qū)微小區(qū)（urban-micro）、市區(qū)宏小區(qū)（urban-macro）、郊區(qū)宏小區(qū)（rural-macro）4個(gè)測試場景，同時(shí)定義了視距（LOS）和非視距（NLOS）這2種傳輸模式。表1為各測試場景的參數(shù)配置。

表1 各測試場景的參數(shù)配置Tab.1 Configuration parameters of the test scene

但是，通過對大量國內(nèi)外文獻(xiàn)的查閱發(fā)現(xiàn)，針對MIMO技術(shù)在以上通信環(huán)境的適應(yīng)性研究未見報(bào)道。因此，本論文以LTE-Advanced為背景，針對單用戶MIMO技術(shù)中的空間復(fù)用和空間分集，結(jié)合不同的無線通信場景，對其誤碼率性能進(jìn)行了深入的數(shù)值仿真分析，評估了2種MIMO技術(shù)的適應(yīng)性。

1 單用戶MIMO系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)簡介

單用戶MIMO無線通信系統(tǒng)中的主要技術(shù)包括空間分集和空間復(fù)用。空間分集的原理是利用空間信道的弱相關(guān)性，結(jié)合時(shí)間/頻率上的選擇性，為信號的傳遞提供更多的副本，從而提高信號傳輸?shù)目煽啃?。LTE中的傳輸分集技術(shù)的候選技術(shù)很多，比如空時(shí)編碼、循環(huán)延時(shí)分集以及天線切換分集技術(shù)等?？臻g復(fù)用技術(shù)則是一種利用空間信道的弱相關(guān)性的技術(shù)，其主要工作原理是在多個(gè)相互獨(dú)立的空間信道上傳遞不同的數(shù)據(jù)流，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆逯邓俾省?/p>

1.1 空間分集技術(shù)

空間分集是通過在空間引入信號冗余以達(dá)到分集的目的，圖1給出了2發(fā)2收空間分集方案。發(fā)送端在2個(gè)不同時(shí)刻，通過在2根天線上發(fā)送互相正交的信息集合，從而獲得分集增益。

1.2 空間復(fù)用技術(shù)

空間復(fù)用指在同一時(shí)頻資源，各發(fā)送天線發(fā)送不同的信息，以達(dá)到頻譜資源不變的情況下成倍地提高頻譜效率的目的。圖2給出了2發(fā)2收的空間復(fù)用方案。

1.3 主特征值空間復(fù)用

主特征值空間復(fù)用模式，是指當(dāng)發(fā)送端確知信道狀態(tài)信息時(shí)，就可利用奇異值分解創(chuàng)建一正交空間濾波器，發(fā)送端利用該空間濾波器，可將信道分成若干子信道［6］。

假設(shè)MIMO系統(tǒng)的信道矩陣為Hu×s，其中，s表示發(fā)送端天線數(shù);u表示接收端天線數(shù)。在發(fā)送端已知信道狀態(tài)信息條件下，將信道矩陣H進(jìn)行奇異值分解，得到

（1）式中:Uu×s和 Vu×s為酉矩陣為包含 H 所有奇異值的對角陣考慮到U和V為酉矩陣，所以利用V對所傳輸?shù)男盘朮進(jìn)行預(yù)編碼，在接收端，對接收信號左乘矩陣U*，有

（2）式中:n為加性高斯白噪聲。

2 LTE-Advanced系統(tǒng)仿真模型及信道模型

2.1 LTE-Advanced系統(tǒng)仿真模型

圖3給出了LTE-Advanced系統(tǒng)仿真的系統(tǒng)框圖，信道編碼采用Turbo碼，調(diào)制方式采用QPSK，16QAM和64QAM。層映射指將碼字映射到層上，層數(shù)一般要求小于等于信道矩陣秩。預(yù)編碼處理可分為非碼本式預(yù)編碼和基于碼本的預(yù)編碼。本論文仿真中采用基于信道奇異值分解的非碼本式預(yù)編碼［7］。MIMO處理過程這里主要指空間分集和空間復(fù)用。資源粒子映射指將經(jīng)過信道編碼、調(diào)制、層映射、預(yù)編碼和MIMO處理之后的數(shù)據(jù)符號映射到OFDM的時(shí)頻符號上。

圖3 LTE-Advanced系統(tǒng)仿真框圖Fig.3 LTE-Advanced system simulation diagram

2.2 MIMO信道模型

本文所采用的信道模型為IMT-Advance所提出的基于幾何分布統(tǒng)計(jì)模型［8］，是非物理信道模型中的一種，也叫做雙向信道模型，如圖4所示。

圖4 MIMO信道模型Fig.4 MIMO channelmodel

這種信道模型雖沒有明確地指出散射體的位置，但指出了發(fā)射線的方向?；趲缀谓５臒o線信道能夠使得傳播參數(shù)和天線分離。

在此信道模型中很多射線組成了一個(gè)簇，簇表示一條傳播路徑在空間中的擴(kuò)散，擴(kuò)散可以是在時(shí)延上或角度域上。通用MIMO信道模型適用于所有的情況，如室內(nèi)、城市和農(nóng)村。

MIMO信道的時(shí)間變量沖激響應(yīng)矩陣

（3）式中:t為時(shí)間;τ為時(shí)延;N為路徑數(shù);a為路徑指數(shù)。它由天線陣列各自發(fā)射響應(yīng)矩陣和接收響應(yīng)矩陣Frx和Ftx組成，群N的雙極化傳播信道響應(yīng)矩陣Ha為

集群a從發(fā)射天線端s到接收端u的信道表達(dá)為

（5）式中:Frx，u，V和 Frx，u，H，F(xiàn)tx，s，V和 Ftx，s，H分別表示天線元s和u的垂直和水平極化方向的空間域特性; αa，m，VV，αa，m，VH，αa，m，HV和 αa，m，HH分別表示射線（a，m）的垂直—垂直，垂直—水平，水平—垂直和水平—水平極化復(fù)增益;λ0表示載波波長;表示發(fā)射角單位矢量;表示入射角單位矢量;和表示元素 s和 u 各自的位置矢量; υa，m是射線 （a，m）的多譜勒頻率分量［5］。

3 LTE-Advanced系統(tǒng)仿真參數(shù)及仿真結(jié)果分析

3.1 仿真參數(shù)

IMT-Advanced所提供的仿真環(huán)境包括室內(nèi)熱點(diǎn)、城市微蜂窩、城市宏蜂窩和郊區(qū)宏蜂窩，所提供的傳輸模式包括視距（line-of-sight，LOS）和非視距（non-line-of-sight，NLOS）。表2顯示了這些環(huán)境之下的固定參數(shù)。

本仿真中Turbo編碼速率為1/3，OFDM符號形成中，IFFT變換長度為1 024。

表2 無線場景下的固定參數(shù)Tab.2 Fixed parameters of wireless scenarios

3.2 仿真結(jié)果分析

試驗(yàn)一 不同無線場景下，2種MIMO技術(shù)的誤碼率比較（調(diào)制方式相同）。該試驗(yàn)中，均采用QPSK調(diào)制，s=u=4。

圖5給出了MIMO技術(shù)在不同無線場景下的性能對比。圖5a和圖5b分別給出未進(jìn)行預(yù)編碼的空間復(fù)用和有預(yù)編碼的主特征值空間復(fù)用在不同環(huán)境下的誤碼率性能曲線圖，圖5c給出空間分集技術(shù)在不同環(huán)境下的誤碼率曲線。從圖5a－b中可看出:不同的無線場景中，不同空間復(fù)用方案的誤碼率性能相差很大。比如，在城市微蜂窩與室內(nèi)熱點(diǎn)的環(huán)境中，由于散射體比較豐富，從而使得MIMO信道中各個(gè)子信道間呈現(xiàn)強(qiáng)獨(dú)立性，因此，空間復(fù)用方案性能更佳，即在此環(huán)境中，更適宜采用空間復(fù)用MIMO傳輸模式。在郊區(qū)宏蜂窩和城區(qū)宏蜂窩的環(huán)境中，由于散射環(huán)境比較弱，空間信道的相關(guān)性較大，因此，空間復(fù)用效果要差很多，在郊區(qū)宏蜂窩和城區(qū)宏蜂窩的環(huán)境中，不適宜采用空間復(fù)用MIMO傳輸模式。從圖5a和圖5b還可以看出:①在同樣傳輸環(huán)境中，LOS傳輸?shù)男阅苓h(yuǎn)遠(yuǎn)差于NLOS傳輸，這也進(jìn)一步說明了，MIMO技術(shù)可以充分利用信道中的多徑成分來增加系統(tǒng)的傳輸可靠性;②在室內(nèi)LOS傳輸環(huán)境下，當(dāng)誤碼率為10－1時(shí)，未進(jìn)行預(yù)編碼的空間復(fù)用技術(shù)所需要的信噪比比采用預(yù)編碼的空間復(fù)用技術(shù)相差12 dB，這說明，當(dāng)充分利用信道狀態(tài)信息時(shí)，可以有效地提高空間復(fù)用技術(shù)的誤碼率性能。

從圖5c可看出:對于空間分集技術(shù)，在任何傳輸環(huán)境下隨信噪比的增加其誤碼率均呈現(xiàn)下降趨勢，且在任何環(huán)境下，其誤碼率都可以達(dá)到10－2以下，甚至更低。同樣地，在相同的無線場景之下，空間分集技術(shù)的LOS傳輸和NLOS傳輸對系統(tǒng)的性能影響是不同的，在NLOS傳輸下，系統(tǒng)的誤碼率將會(huì)更低，這也就說明MIMO技術(shù)主要利用空間信道的弱相關(guān)性來提高整個(gè)通信系統(tǒng)的質(zhì)量，也就是說如果在一個(gè)通信系統(tǒng)中賴斯因子K越大，MIMO系統(tǒng)的性能將越差。

試驗(yàn)二 不同調(diào)制方式下的MIMO技術(shù)性能比較（相同無線場景）。仿真采用室內(nèi)熱點(diǎn)的NLOS傳輸環(huán)境，s=u=4。

圖6給出了MIMO技術(shù)在不同調(diào)制方式下的性能對比。從圖6a－c中可以看出，不論對任何一種MIMO技術(shù)來說，采用QPSK調(diào)制時(shí)系統(tǒng)的誤碼率性能是最好的，但隨著調(diào)制階數(shù)的增加系統(tǒng)的誤碼率性能在逐漸降低，尤其對于空間復(fù)用來說，采用高階調(diào)制方式，即使是在室內(nèi)環(huán)境，其誤碼率性能急劇惡化;但是對于空間分集技術(shù)來說，即使采用了64QAM調(diào)制，其誤碼率還是可以達(dá)到10－3，這就說明空間復(fù)用不適用高階調(diào)制方式，但是空間分集不存在這個(gè)問題。

4 結(jié)論

本文以IMT-Advanced信道模型為基礎(chǔ)，針對單用戶MIMO中的空間復(fù)用和空間分集技術(shù)，在不同的無線場景和不同的調(diào)制方式下，對其誤碼率性能進(jìn)行了仿真分析，并結(jié)合無線場景的特點(diǎn)，評估了2種MIMO技術(shù)的環(huán)境適應(yīng)性。室內(nèi)和城市微蜂窩屬于強(qiáng)散射通信環(huán)境，導(dǎo)致信道矩陣的相關(guān)性比較弱。因此，無論是空間復(fù)用還是空間分集技術(shù)均具有很好的誤碼率性能。對于城市宏蜂窩和郊區(qū)，由于在這種環(huán)境下散射體較少，散射環(huán)境比較弱，從而信道矩陣的相關(guān)性很大，對于空間復(fù)用技術(shù)已不再適用，但是空間分集由于其發(fā)送的是正交的信號，具有抗信道相關(guān)衰落的性能，因此，對信道環(huán)境的要求比較低，無論是在任何環(huán)境中都可以得到很好的誤碼率性能。同時(shí)空間復(fù)用并不適用于高階的調(diào)制方式。以上這些結(jié)論對于實(shí)際LTE-Advanced系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

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