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.