天线MIMO和波束MIMO空分复用系统性能分析

天线MMO和波束MMO空分复用系统性能分析[谌开元姜永权黄鹏林元模]L摘要文章通过仿真分析了多径数量以及波東数量分别在天线信道和波来信道下对空分复用结枃( V-BLAST)误码性能的影响,进而得出多径数量和波束数量都会各自影响信道天线间相关性的结论.并且比较了同样条件下 V-BLAST结构在天线信道以及波柬信遒下的误码性能,得出它们的平均误码性能是一样的结论关键词:波来信道天线信道多径数量波束数量空分结构汕头大学研究生,主要研究方向为无线通信中MMO技术、空时编码技术姜永权汕头大学教授、硕士生导师,主要研究方向为高性能无线通信中的智能天线、OFDM、MMO技术黄爵汕头大学研究生,主要研究方向为移动通信中的MMO分集技术林元模汕头大学研究生,主要研究方向为移动通信中的OFDM资源分配技术,认知无线电技术1引言列元素之间的相关,而对链路另一端的阵列元素没有影多翰入多输出(MMo)技术在不增加功率和带宽消响。但是它们忽略了分析扩散量也就是所接收到的多径数耗的情况下具有大幅度提高容量和无线链路覆盖面的潜量对阵列元素之间相关性的影响,本文运用文献提出的力。传统的MMO系统模型是在相互独立的平坦瑞利衰落MMO天线信道模型分析了多径数量对M|MO系统的误码信道假设条件下进行的,但在实际传输信道环境中,天性能的影响,进而得出相应的结论。线之间的距离和天线周围散射体分布往往不能满足这个条考虑到智能天线诸多优点,有很多学者尝试在MMO件。文献详细论述了天线间距离、扩散角分布对MM系统中采用波束形成天线技术。具有代表性的文献是信道容量的影响,而且证明只有相邻的天线环境产生阵国内也有一些相关的文献,其中文献把MMO与波束》新技术新业务形成结合的系统称为波束MMO系统和而把传统的MMO上式中:=avq",k=1,2,…K,而称为天线MMO系统,并且对两种信道的容量进行了分析,表明波束信道具有更大的容量潜力,可惜的是没有w(0p)=e/(x/4)dcose对它们进行空分复用误码性能分析,本文继续了这样的工2r/ANd cesc(2r/M)m-or/A)d cos((2x/MXM-l)-il作,得出了波束信道尽管比天线信道具有更大的容量潜力,但是平均误码性能却没有提高其中a表示第k发射天线的第p个AOA多径分量到接收天线的空间传输复系数,w()为7对应的Mx12天线MMO信道与波束MMO信道模型阵列方向响应矢量其中λ、d分别为射频载波的波长和本文所要研究的MMO信道只是在接收端存在相关接收天线间的距离。性,为了构造起满足这样条件的物理信道模型。本文依据把k、v(O)代入到(2),那么天线MMO信道每一波达角(AOA分量在MM接收天线间引起的响应是强的冲激响应矩阵为相关的,但随着AOA数量和扩散量的增大,MMO空间信道间的相关性将减弱这一事实,采用文献提出的模型H∑[av(e)av()…av(e)…以叫对于传统的天线MMO信道模型,系统框图如图1所示。用Kx1列矢量对于波束MMO信道模型,图2给出了系统框图。在波束信道MMO系统中,波束空吋編码器空时译码器空时编码器波束形成空时译码器图1天线MMO系统图2波束MMO系统框图[Sx」表示每个符号周期内的形成产生的阵列方向图的数量用B表示,则波束信道发射信号,M×1列矢量y=y1y2y,丁表MMo系统可获得B个波束的B路多输出信号,用Bxl矩示接收僖号,N(m)=[n2…n,]表示接收噪阵[…回表示B个波束信道声列矢量,其中上标7表示矩阵的转置运算。当所有可分输出信号构成的列矢量。z[小]可以从辨的信道延时扩展均不超过一个调制符号持续期,天线信z[=w"y{b=1,2…,B得到。其中W为道M|MO系统的多输出信号y可用下式表示第b波束(阵列方向图)的Mx1权系数列矢量,上标H表y=√EHs+N(n)示矩阵的共轭转置运算。由B个列矢量形b,其中MxK矩阵H为信道冲激响应矩阵。用波达b=1,2,…,B构成的MxB波束信道权系数矩阵角度(AOA)对多径分量进行划分,设可分辨的独立WAOA的数量为P表示,则则多波束信道输出信号构成的列矢量z[n]=W"[n]=WHs/]+WN[] (5)天线MMO和波束MMO空分复用系统性能分析其中,第b波束信道的输出信号SB=sp+E-H:Nz[小]=wy[小]=wB[小+wN[](6)那么由式(5)我们得到波束信道的冲激响应矩阵[eaei)=.[HH"]NJE[HH."]H=WH所以在波束信道中第k数据流的信噪比(7)式(2rl2)ycos(2r/R)0-△6/2B(2b+1)Ye(11)age)(2*/)cos(2x/R)r-A0/2B(26+1))可知yk=yk,所以它们的总的平均误码率将会相(2r/)ycos(2r/RNR-1)-△6/2B(2b+1)等3 V-BLAST复用结构和迫零(zF接收机4系统性能分析和仿真结果V-BLAST的编码器由图3给出。首先,输入比特流仿真条件:选择的MMO系统是6根发射天线和8根接被解复用为并行的子数据流,然后每一路子数据流被调制收天线,采用 V-BLAST复用结构传输。接收天线间隔为并且从相应的发射天线发射。d=A/2,空间传输复系数a的实部、虚部均由N(,1)得高斯随机变量模型产生,N(m)(M×1)是具调制有协方差N的循环复加性高斯白噪声矩阵,波达角度调制e由△=30°得均勻分布随机变量模型产生解复用图4,图5和图6是仿真条件下,利用蒙特卡洛仿真新得出分别在天线MMo信道下不同多径数量的误码性能曲业线;在天线MMO信道下不同波束数量的误码性能曲线以图3空间复用 V-BLAST及在两种信道下不同多径数量和不同波束数量得到的误码性能曲线,从图4可知,多径数量增加会提高 V-BLAST的ZF接收机是比较简单的线性接收机,由于结构简单性能,但增加到一定情况下性能将变化不大。这主要是由在实际中得到广泛的应用。假设接收端已经对信道进行了于多径的增加而导致接收天线间的相关性减小,从而使得准确的估计,那么H的伪逆为H*=(HH)H",式 V-BLAST的性能提高。但是时间上的分集是有限的,所以达到一定的多径数量,性能将不会增加。图5曲线变化可得(1)两边乘以EH得出在不同波束数量下 V-BLAST的性能曲线。所形成的波束S=s+EHN越多, V-BLAST性能越好,但增加到一定数量性能将趋于那么[ae=M/E[rHr“].在天稳定。造成这种结果的原因是更多多波束下信道间的相关性要小,进而误码的性能要更好。同理时间上的分集是有线MMO信道中第k数据流的信噪比Yk为限的,那么性能也会在一定波束数量下达到稳定。图6表明在多径数量与所形成的波束的数量相当时,天线信道下的ESps性能要更好。这主要是由于选择的波束数量小会造成信道相关性减弱不明显而造成的。但是随着选择的波束数量的增加波束信道的误码性能会逼近天线信道的性能,但不会在波束MMo信道中:HB=W"H,N=W"N超过。说明波束信道虽然可以提高信道信噪比的均值阈,但式(5)两边乘以H=(HBH2)H得是没有提高反映误码性能的平均符号流的信噪比,这与前面理论推导是一致的。》新技术新业务5总结本文分析了天线信道和波束信道下空分复用误码性:!能,进而分析了多径数量以及波束数量对各自系统接收天线相关性的影响,并且得到了相应的结论。对研究相关性有一定的指导意义,一些结论在实际应用中具有理论指导关信遭下Pa5相关信通下P图6天线信道与波束信道下∨ BLAST性能参考文献antenna separation on the capacity of BLaST in correlatechannels[]. IEEE Commun, Letters, 2004(11): 337-3392 WJakes, Microwave Mobile Communications [M. IEEE信噪比(dB)Press, 19934天线信道下 V-BLAST性能3 A Moustakas, H Baranger, L Balents, et al. communicatiothrough a diffusive medium: coherence and capacity j:::::::波束信FScience,2000287287-2904姜永权,周渊平,柳平等.窄带波来信道MMO系统的容量分束信下B20析J电子学报,2006,34(3):445-4495 Zhongding Lei, Francois P.S. Chin, and Ying-Chang LiangCombined beamforming with space-time block coding forwireless downlink trans, mission[J]. Vehicular TechnologyConference, 2002. Proceedings. VTC 2002-Fall 2002 IEEE6th,4:2145-21486古露,智能夭线波柬形成与MMO空时编码结合技术的研究[D]哈尔滨工业大学,20057 Wolniansky P w, Foschini G.J., Golden G D, et al. V-BLAST:an architecture for realizing very high data rates over信噪比(dB)ireless channel (Al[C]. Proceedingsof the InternationalSymposium on Signals, Systems and图5波束信道下 V-BLAST性能Electronics. 1998. 295-300(收稿日期:20098-12)二二:二:二:二二:::::::二:二:=:二:下期要目《广东通信技术》节能连载专栏◆物联网业务关键技术与模式探讨基于中继辅助的不等发射功率调度算法的公平性研究