一種基于空域的MIMO系統(tǒng)鏈路自適應(yīng)策略研究

1、    一種基于空域的MIMO系統(tǒng)鏈路自適應(yīng)策略研究        楊 宇， 匡鏡明， 費(fèi)澤松 時(shí)間:2008年05月08日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:<"cblue" " target='_blank'>發(fā)射天線<"cblue" " ta

2、rget='_blank'>接收端<"cblue" " target='_blank'>最大<"cblue" " target='_blank'>鏈路<"cblue" " target='_blank'>服務(wù)質(zhì)量            摘要： 提出基于空域上聯(lián)合SM和TD的LA策略。

3、該策略通過檢測后的符號(hào)SNR來自適應(yīng)搜尋滿足<"cblue" " title="服務(wù)質(zhì)量">服務(wù)質(zhì)量要求的最優(yōu)空間分組方案，天線組內(nèi)部使用空時(shí)分組編碼(STBC)，組間進(jìn)行復(fù)用。仿真結(jié)果表明，同基于時(shí)域的LA策略相比，該策略能充分利用SM與TD在時(shí)域及空域的性能折中，具有更優(yōu)的吞吐量性能，且復(fù)雜度較低。 關(guān)鍵詞： MIMO系統(tǒng) <"cblue" " title="鏈路">鏈路自適應(yīng) 空間復(fù)用 發(fā)射分集多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)是指在發(fā)射端和<"cblue

4、" " title="接收端">接收端同時(shí)使用多個(gè)天線的系統(tǒng)，通過充分利用無線信道的豐富多徑散射環(huán)境來極大地提高帶寬受限信道容量1。MIMO系統(tǒng)既可使用發(fā)射分集(TD)方案來獲得高的通信可靠性，也可使用空間復(fù)用(SM)方案來得到高數(shù)據(jù)速率2?，F(xiàn)有SM系統(tǒng)的鏈路自適應(yīng)(LA)在滿足服務(wù)質(zhì)量(QoS)要求的前提下(例如目標(biāo)誤塊率)，將系統(tǒng)的調(diào)制編碼方案(MCS)與等效獨(dú)立子信道的信道條件相匹配，進(jìn)而提供更優(yōu)的系統(tǒng)吞吐量。SM方案同TD方案相比，前者對(duì)信道條件的變化更為敏感，因此當(dāng)MIMO信道惡化時(shí)，SM方案會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)吞吐量的嚴(yán)重?fù)p失。另外，目前已有關(guān)于

5、在時(shí)域上進(jìn)行TD方案(如空時(shí)分組碼STBC)與SM方案聯(lián)合切換的研究3，但這種基于時(shí)域的LA不能有效利用SM與TD的性能折中。本文研究一種新的LA策略。該策略在空域上聯(lián)合SM與TD兩種方案，進(jìn)而更好地利用二者性能折中。所謂空域LA，是將<"cblue" " title="發(fā)射天線">發(fā)射天線分成若干組，而每組中使用的空時(shí)編碼相互獨(dú)立，因此可以將每個(gè)天線組看成傳統(tǒng)SM方案中的一個(gè)發(fā)射天線。本文在接收端使用了迫零(ZF)分組檢測4，根據(jù)每個(gè)天線組的信道條件選擇最優(yōu)MCS，從而<"cblue" " ti

6、tle="最大">最大化MIMO系統(tǒng)吞吐量。為研究簡便，這里的STBC僅選用Alamouti編碼，發(fā)射天線個(gè)數(shù)設(shè)為4，不使用信道編碼。另外本文還研究了空間相關(guān)信道對(duì)最優(yōu)天線分組方案選擇的影響。1 系統(tǒng)模型圖1是窄帶nT×nR MIMO系統(tǒng)模型。假設(shè)信道是準(zhǔn)靜態(tài)平坦瑞利衰落，即信道在一個(gè)數(shù)據(jù)塊內(nèi)保持不變，在塊間獨(dú)立變化，信道矩陣的元素是獨(dú)立同分布的均值0、方差1的復(fù)高斯變量。噪聲服從均值0、方差的2復(fù)高斯分布。系統(tǒng)有理想的信道估計(jì)、符號(hào)同步接收機(jī)和理想定時(shí)。又假設(shè)在接收端得到的控制信息能被無延時(shí)無誤差地反饋回發(fā)射端。根據(jù)來自接收端反饋的控制信息，發(fā)射端選擇最優(yōu)

7、的天線分組方案，同時(shí)為每個(gè)天線組選擇MCS和發(fā)射功率。1.1 檢測后SNR檢測后SNR是每個(gè)天線組的發(fā)射信息在接收端分組檢測后得到的SNR值，其值是由分組檢測算法決定的。下面詳細(xì)描述了4個(gè)發(fā)射天線情況下的計(jì)算方法。其他發(fā)射天線個(gè)數(shù)的情況可使用類似方法得到。1.1.1 天線分組個(gè)數(shù)為2將發(fā)射天線分為2組，每組都使用Alamouti編碼。令h1,n,h2,n,h3,n,h4,n為第n個(gè)發(fā)射符號(hào)周期內(nèi)4個(gè)發(fā)射天線與nR個(gè)接收天線間4個(gè)nR×1信道向量，并且設(shè)信道在第n和n+1個(gè)符號(hào)周期內(nèi)保持不變。如果第一組包括發(fā)射天線1和發(fā)射天線2，而第二組包括發(fā)射天線3和發(fā)射天線4，則接收信號(hào)可以表示為

8、：仍無法滿足QoS要求時(shí)，則將這些天線關(guān)閉。本文研究目標(biāo)是尋找最優(yōu)發(fā)射天線模式，使其能在滿足目標(biāo)誤塊率的要求下最大化系統(tǒng)吞吐量。天線模式選擇是基于無線信道的統(tǒng)計(jì)信息，這能使LA減小反饋負(fù)載和復(fù)雜度。該方法的思想是搜尋能夠定義模式切換區(qū)域的SNR門限，然后將接收端估計(jì)出的SNR與門限相比，并選擇最優(yōu)發(fā)射模式。具體步驟如下：首先通過仿真得到每個(gè)星座圖滿足目標(biāo)誤塊率時(shí)的SNR門限(如果QoS要求為目標(biāo)誤比特率，則可以通過文獻(xiàn)7中SNR與誤比特率的關(guān)系式計(jì)算出SNR門限)；然后，將每個(gè)天線組的檢測后SNR與這些SNR門限相比，為每組天線選擇滿足QoS要求的最大星座圖；最后，把選擇出的控制信息反饋回發(fā)射

9、端，進(jìn)行發(fā)射系統(tǒng)參數(shù)配置。實(shí)際中，基站可以根據(jù)周期性的上行鏈路質(zhì)量報(bào)告來為下行鏈路選擇最優(yōu)發(fā)射天線模式。為降低應(yīng)用復(fù)雜度，可以在接收端事先建立一個(gè)含有不同信道條件下最優(yōu)發(fā)射模式的查詢表。本文僅考慮4個(gè)發(fā)射天線的情況，因此共有4種分組方案、12種模式。每種模式都使用RAP的功率分配方法與自適應(yīng)調(diào)制來獲得最大吞吐量。2.2 仿真結(jié)果仿真中，假設(shè)4×4自適應(yīng)MIMO系統(tǒng)所用星座圖為Gray映射的BPSK 、QPSK、16QAM和64QAM。TD使用的是Alamouti編碼和1/2速率的STBC，不使用信道編碼，其塊長為400個(gè)比特。QoS要求目標(biāo)誤塊率為0.1。仿真圖中每個(gè)信道條件使用了5

10、0 000次的統(tǒng)計(jì)平均。?圖2給出使用空域LA的 MIMO系統(tǒng)吞吐量性能。由仿真結(jié)果可以看出空域LA能綜合4種分組方案的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)當(dāng)前的信道條件選擇最優(yōu)的天線發(fā)射模式，從而獲得較單個(gè)分組方案更優(yōu)的吞吐量。圖3給出每種分組方案的使用概率情況。在低SNR時(shí)，將所有發(fā)射天線分成一組，即使用STBC的發(fā)射分集增益來滿足QoS要求。在高SNR時(shí)，每個(gè)發(fā)射天線單獨(dú)分為一組，等同于SM方案，這是由于SM能提供最大的復(fù)用增益?？稍诤玫男诺罈l件下進(jìn)一步改進(jìn)系統(tǒng)吞吐量，可以看出空域LA策略能更好地利用TD與SM的折中來提高吞吐量。圖4比較了空域LA與時(shí)域LA的性能。后者僅僅是在1/2速率的STBC編碼系統(tǒng)與SM間

11、的切換，而前者利用了天線分組的方法，其中含有4種分組方案。從仿真結(jié)果看出，天線分組的使用使得空域LA優(yōu)于時(shí)域LA，在中段的SNR范圍內(nèi)前者能獲得系統(tǒng)吞吐量的改進(jìn)。3 空間相關(guān)性對(duì)空域LA的影響3.1 相關(guān)信道模型這里研究空間相關(guān)信道對(duì)空域LA性能的影響，使用Jakes模型來描述相關(guān)信道。一般地，空間信道的衰落相關(guān)性依賴于天線間距和入射無線電波的角度譜。如果天線的放置為線性等間距陣列，而且經(jīng)典Jakes相關(guān)模式的角度譜為均勻分布，則第i個(gè)與第j個(gè)發(fā)射天線間的相關(guān)系數(shù)為：其中J0(·)為第一類零階Bessel函數(shù)，為無線電波波長，d為天線間的距離。 由于接收天線不會(huì)影響到發(fā)射端天線模式的

12、選擇，故可假設(shè)接收端沒有空間相關(guān)性。無相關(guān)信道下天線分組個(gè)數(shù)一定時(shí)，不同天線模式的修正信道矩陣只進(jìn)行列交換，從統(tǒng)計(jì)意義上講，這些模式都是等效的。但是發(fā)射相關(guān)性卻會(huì)對(duì)天線模式產(chǎn)生不同的影響，這里假設(shè)天線分組個(gè)數(shù)為2，則共有3種天線模式，即模式1為(天線1，天線2)(天線3，天線4)，模式2為(天線1，天線3)(天線2，天線4)，模式3為(天線1，天線4)(天線2，天線3)。3.2 基于奇異值的模式選擇準(zhǔn)則由圖5可知，信道具有強(qiáng)相關(guān)性時(shí)，模式3最優(yōu)，而低相關(guān)信道下3種模式具有幾乎相同的最小奇異值?？臻g相關(guān)性的強(qiáng)弱是天線間距的函數(shù)。當(dāng)間距大于0.5倍無線電波波長時(shí)，信道的相關(guān)性很弱，3種模式的性能差

13、異很小。使用基于最小奇異值的選擇準(zhǔn)則能很容易得到最優(yōu)天線模式。圖69給出了不同相關(guān)信道下3種天線模式的系統(tǒng)吞吐量性能和使用概率?？梢钥闯觯趶?qiáng)相關(guān)信道下模式3具有最大吞吐量，并且使用概率最大，這說明模式3在強(qiáng)相關(guān)信道下是最優(yōu)的。在弱相關(guān)信道下3種模式有幾乎相同的吞吐量和使用概率，即沒有明顯優(yōu)于其他二種的天線模式。這個(gè)仿真結(jié)果與3.2節(jié)中使用基于最小奇異值的選擇準(zhǔn)則的分析結(jié)論是一致的。?本文提出基于空域的LA策略，即在滿足QoS要求下將MIMO系統(tǒng)的發(fā)射天線進(jìn)行自適應(yīng)分組，組內(nèi)使用STBC來獲得TD，組間做SM。該策略能根據(jù)信道條件自適應(yīng)搜尋最優(yōu)的天線分組方案，有效解決SM在低SNR時(shí)吞吐量損失

14、的問題。仿真結(jié)果表明，同基于時(shí)域的LA策略相比，基于空域的LA策略能更充分地利用TD與SM的性能折中，在中段SNR范圍內(nèi)改進(jìn)系統(tǒng)吞吐量，且應(yīng)用復(fù)雜度較低。參考文獻(xiàn)1 Foschini G J, Gans M J. On limits of wireless communica-tions in a fading environment when using multiple antennas. Wireless Personal Communications, 1998;6(3)3113352 Foschini G J. Layered space-time architecture for

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