任志勇+劉鵬+趙闊

【摘要】 為了克服MIMO空間各子信道相互干擾，論文對(duì)多天線波束成形的MIMO-OFDM跨層自適應(yīng)資源算法進(jìn)行了研究。在層資源自適應(yīng)算法模式下，對(duì)于各空間信道相互不獨(dú)立，存有干擾情況時(shí)，利用空頻塊碼SFBC算法，以此來(lái)對(duì)抗信道干擾，而在各空間信道相互獨(dú)立的情況下，采用空間波束發(fā)送多重性模式，以此來(lái)提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率。仿真驗(yàn)證表明，采用層資源自適應(yīng)算法模式，在滿足信號(hào)質(zhì)量要求的情況下達(dá)到了非常高的傳輸速率。

【關(guān)鍵詞】 多天線 多輸入多輸出 正交幅度調(diào)制 自適應(yīng)

一、引言

為開(kāi)發(fā)出滿足更低傳輸時(shí)延、更高用戶傳輸速率、更大系統(tǒng)容量的移動(dòng)通信系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)自適應(yīng)傳輸技術(shù)、MIMO--OFDM[1]技術(shù)等被認(rèn)為是LTE無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)框架中的關(guān)鍵技術(shù)。OFDM技術(shù)使用多載波調(diào)制技術(shù)，各個(gè)子載波互相正交，在多徑動(dòng)時(shí)變信道情況下，可以有效克服頻率選擇性衰落和提高頻譜利用效率。由于增加了空間上的自由度，多天線波束成形的MIMO環(huán)境中自適應(yīng)傳輸算法的設(shè)計(jì)也更為靈活和復(fù)雜。對(duì)多用戶MIMO--OFDM系統(tǒng)，在給定發(fā)射功率并滿足BER要求的前提下，依據(jù)邊際自適應(yīng)原則，提高通信鏈路數(shù)據(jù)速率的方法是增加接收信號(hào)的功率增益，而多天線波束帶來(lái)的分集接收增益是一個(gè)增加接收信號(hào)功率增益的有效途徑。本文對(duì)多天線波束成形的MIMO-OFDM跨層自適應(yīng)資源分配進(jìn)行了研究，主要探討了多天線波束成形的MIMO-OFDM自適應(yīng)資源分配模型和MIMO多天線下空頻塊碼SFBC算法，并根據(jù)信道條件的變化，對(duì)多天線波束成形的MIMO-OFDM跨層自適應(yīng)資源分配進(jìn)行了性能仿真，顯示了根據(jù)MIMO空間信道矩陣特征值變化，自適應(yīng)利用不同層資源情況下的鏈路傳輸速率與誤碼率的變化。

二、MIMO-OFDM自適應(yīng)資源分配模型

LTE系統(tǒng)物理層模型由發(fā)射端、信道和接收端組成。利用多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)，發(fā)射端將連續(xù)的信號(hào)比特流拆分成多個(gè)信號(hào)子流，再將各信號(hào)子流通過(guò)不同的天線發(fā)射出去，傳輸各信號(hào)子流的多個(gè)發(fā)射天線與接收天線構(gòu)成了空間信道矩陣?？臻g信道是高斯白噪聲的多徑延遲、頻譜偏移的MIMO衰落信道[2]。接收端從多個(gè)天線接收信號(hào)，根據(jù)信道估計(jì)并通過(guò)一系列算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行恢復(fù)。為了提高頻譜效率，長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）移動(dòng)通信系統(tǒng)中采用了鏈路自適應(yīng)技術(shù)，根據(jù)信道條件的變化，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)地采用不同的調(diào)制和編碼、MIMO傳輸模式、傳輸層的數(shù)量、預(yù)編碼和發(fā)射功率等技術(shù)[3-4]，以期在保證信號(hào)質(zhì)量的情況下取得最大的傳輸效率。MIMO-OFDM自適應(yīng)資源分配模型如圖1所示。

三、MIMO多天線下空頻塊碼SFBC算法

為提高多天線的分集接收增益，MIMO技術(shù)可以采用空頻塊碼SFBC算法，將相同的調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)不同的天線發(fā)射，層資源數(shù)量取空間各自獨(dú)立的發(fā)射天線數(shù)量，以此提高鏈路傳輸質(zhì)量。

假定發(fā)射信號(hào)為[x1（n），x1（n）]，2×2的MIMO信道矩陣為：[h1，1（n），h1，2（n）；h2，1（n），h2，2（n）]，則同一時(shí)間不同天線接收信號(hào)可以表示為：

為了對(duì)多天線的每個(gè)天線的接收信號(hào)都得到估值，采用最大比值合并原則，對(duì)發(fā)射信號(hào)作估值運(yùn)算。

四、多天線波束MIMO-OFDM跨層自適應(yīng)資源算法仿真實(shí)驗(yàn)

為了對(duì)MIMO多天線下空頻塊碼SFBC算法性能作對(duì)比，在建立LTE移動(dòng)通信模型基礎(chǔ)上進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。調(diào)制采用16QAM正交幅度調(diào)制，采用Turbo編碼方式，信噪比取16dB。調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)MIMO衰落信道后，在接收端，16QAM信號(hào)在空頻塊碼SFBC接收前和接收后星座如圖2所示，可以看出，采用空頻塊碼對(duì)信號(hào)進(jìn)行估值接收后，信號(hào)在很大程度上克服了衰落信道的影響，星座圖更接近于初始發(fā)射信號(hào)的星座圖。

為了使通信鏈路在保證質(zhì)量的前提下獲得最大的傳輸速率，仿真采用靈活的多天線波束空間信道矩陣層資源自適應(yīng)算法模式。在該模式下，在MIMO空間信道矩陣的秩等于發(fā)送天線數(shù)量時(shí)，此時(shí)，各空間信道相互獨(dú)立不干擾，就采用空間波束發(fā)送多重性模式，將數(shù)據(jù)比特流拆分成多重比特子流，通過(guò)不同的天線發(fā)送出去，以此來(lái)提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率；如果MIMO空間信道矩陣的秩低于發(fā)送天線數(shù)量時(shí)，此時(shí)，各空間信道相互不獨(dú)立，存有干擾，就采用空間波束發(fā)送多樣性模式，利用空頻塊碼SFBC算法，以此來(lái)對(duì)抗信道干擾并提高鏈路傳輸質(zhì)量。仿真信號(hào)采用16QAM調(diào)制方式，信噪比SNR為13dB，幾種算法的實(shí)驗(yàn)仿真數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1可以看出，采用空間波束發(fā)送多重性模式時(shí)，速率最高，但比特誤碼率較大，采用空頻塊碼SFBC算法的波束發(fā)送多樣性模式時(shí)，比特誤碼率較小，但數(shù)據(jù)傳輸速率低，而采用層資源自適應(yīng)算法模式時(shí)，在滿足信號(hào)質(zhì)量要求的情況下達(dá)到了非常高的傳輸速率。

五、結(jié)論

論文對(duì)多天線波束成形的MIMOOFDM跨層自適應(yīng)資源分配算法進(jìn)行了研究，探討了多天線波束成形的自適應(yīng)資源分配模型和MIMO多天線下空頻塊碼SFBC算法。SFBC算法將調(diào)制的輸入信號(hào)與天線的發(fā)射信號(hào)做匹配映射，信號(hào)經(jīng)過(guò)噪聲信道后，對(duì)發(fā)射信號(hào)作估值恢復(fù)，通過(guò)仿真驗(yàn)證，采用該算法的16QAM調(diào)制信號(hào)星座圖在很大程度上克服了衰落信道的影響，同時(shí)，根據(jù)信道條件變化情況，采用空間信道矩陣層資源自適應(yīng)算法，使移動(dòng)通信系統(tǒng)在滿足信號(hào)質(zhì)量要求的前提下獲得較大的傳輸速率，增加了系統(tǒng)的傳輸容量。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] E Larsson， O Edfors， F Tufvesson.. Massive MIMO for next generation wireless systems [J]. IEEE Communications Magazine ， 2014， 52（2）：186-195.

[2] 趙海軍，李敏，崔夢(mèng)天等. 基于STBC的MIMO OFDM系統(tǒng)中的I/Q不平衡及CFO的聯(lián)合均衡策略[J]. 北京：通信學(xué)報(bào)，2013年11月. 34（11）：51-58.

[3] 孫巧云，田輝，董琨等. MIMO-OFDM系統(tǒng)中具有QoS保證的動(dòng)態(tài)資源分配[J].北京：電子與信息學(xué)報(bào)， 2009年01月. 31（1）：42-44.

[4] 胡武君，楊霖. MIMO-OFDM系統(tǒng)中基于循環(huán)移位和信號(hào)聯(lián)合的改進(jìn)SLM算法[J].北京：通信學(xué)報(bào)， 2015年4月. 36（4）：170-177.