91精品人妻互换日韩精品久久影视|又粗又大的网站激情文学制服91|亚州A∨无码片中文字慕鲁丝片区|jizz中国无码91麻豆精品福利|午夜成人AA婷婷五月天精品|素人AV在线国产高清不卡片|尤物精品视频影院91日韩|亚洲精品18国产精品闷骚

   作者：鄭曉敏    

1  引言

    隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的高速發(fā)展以及更加高速率、大容量的通信要求，傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)顯然已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)這種業(yè)務(wù)需求，而由貝爾實(shí)驗(yàn)室的Marzetta提出的大規(guī)模MIMO已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。大規(guī)模MIMO系統(tǒng)是適過(guò)在基站配置由成百上千根天線組成的天線陣列，同時(shí)在有限的時(shí)頻資源上服務(wù)更多的用戶終端，并且可以通過(guò)數(shù)量龐大的天線來(lái)增加有用信號(hào)的功率，提高了功率利用率，同時(shí)也增大了SINR以此來(lái)減少干擾的影響。

    空時(shí)編碼和波束成形則是兩種不同的發(fā)送分集技術(shù)�？諘r(shí)編碼的目的是通過(guò)編碼的方式來(lái)提供發(fā)射分集，通過(guò)在不同的天線上發(fā)送有特定關(guān)系的符號(hào)，從而可以使接收端正確地獲取原始發(fā)送信號(hào)：波束形成，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是對(duì)數(shù)據(jù)先加權(quán)再發(fā)送，將信號(hào)能量聚集在期望用戶上，等效于形成一個(gè)窄的發(fā)送波束。在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中波柬成形／預(yù)編碼方案對(duì)其信號(hào)處理發(fā)揮著巨大作用。分析了ZF(zero-forcing)在下行大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中頻譜效率、能量效率等方面的性能；在參考文獻(xiàn)中，提出了一種復(fù)雜度降低的ZFBF(zero-forcingbeamforming)方案；在參考文獻(xiàn)中，對(duì)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中ZF與MRT(maximum ratio transmission)兩種方案的性能進(jìn)行了分析對(duì)比。本文在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中將空時(shí)編碼和波束形成相結(jié)合（即STBC-BF技術(shù)），可以在不增加算法復(fù)雜度的情況下獲得更好的性能。

2  STBC-BF

2.1 STBC

    空時(shí)塊碼(STBC)是由Alamouti最先提出的，它是用于兩根發(fā)射天線的復(fù)正交空時(shí)分組碼。Alamouti空時(shí)編碼首先需要將k byte信息調(diào)制為2k進(jìn)制的符號(hào)，即通過(guò)調(diào)制將比特流變?yōu)榉��?hào)流，之后再選取兩個(gè)連續(xù)的符號(hào)，根據(jù)如下的空時(shí)編碼矩陣進(jìn)行編碼。

    即在當(dāng)前時(shí)隙內(nèi)，兩根天線分別發(fā)送x1和X2，而在下一個(gè)時(shí)隙，第一根天線發(fā)送的為-X2*，第二個(gè)天線發(fā)送的為Xl*.空時(shí)編碼器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

相鄰兩個(gè)符號(hào)周期內(nèi)接收到的信號(hào)表示為：

其中，n1、n2為加性高斯白噪聲。譯碼過(guò)程如下：

從而可以得到如下輸出信號(hào)：

    由于Alamouti空時(shí)編碼可以實(shí)現(xiàn)滿分集、全速率，并且通過(guò)采用簡(jiǎn)單的最大似然譯碼準(zhǔn)則可以獲得完全的天線增益，而且易于實(shí)現(xiàn)，因此本文以Alamouti為例進(jìn)行討論。

2.2 STBC-BF

    根據(jù)發(fā)射端天線的陣列分組情況，此方案可以分為兩類：-類是單天線陣，即發(fā)射端的所有天線作為一個(gè)天線陣，將加權(quán)后的信號(hào)在所有天線上同時(shí)發(fā)送，如圖2所示；另一類是多天線陣，即發(fā)射天線分為多個(gè)子陣，將各自加權(quán)后的信號(hào)通過(guò)各自的天線陣發(fā)送，如圖3所示。

    在單天線陣模型中，s(n)先經(jīng)STBC后分為兩個(gè)分支，再經(jīng)過(guò)兩個(gè)波數(shù)成形權(quán)Wl、W2后，再直接相加，并通過(guò)所有天線發(fā)射，其發(fā)射的信號(hào)為：

    假設(shè)空間中包含L條可分離的路徑，h1為信道衰落因子，O為下行波達(dá)角(DOA)，a(θl)為下行導(dǎo)向矢量，l=1，…，L。

其中,d為陣元間隔，A為波長(zhǎng)�？臻g信道為：

則下行協(xié)方差矩陣可以表示為：

    經(jīng)過(guò)波束成形加權(quán)后的符號(hào)在所有發(fā)射天線上發(fā)送，再通過(guò)對(duì)下行協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征值分解，用幾個(gè)最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量作為加權(quán)向量。假設(shè)空間路徑數(shù)W1、W2是下行協(xié)方差矩陣R的兩個(gè)最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量。這里只分析單用戶單數(shù)據(jù)流，并未討論功率分配問(wèn)題。對(duì)于多數(shù)據(jù)流的情況，LiCG等提出了基于能量效率最大化的功率分配方案。

則兩個(gè)符號(hào)周期內(nèi)接收到的信號(hào)可以表示為：

    將hT·WH1和hT·HW分別看作兩個(gè)虛擬信道，然后采用傳統(tǒng)Alamouti的檢測(cè)方法進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)。

    而在多天線子陣模型中，發(fā)射端被劃分為兩個(gè)子陣，每個(gè)子陣都有一條從天線陣列到終端的空間傳播路徑，與單天線陣不同的是，經(jīng)Alamouti編碼后的兩支路信號(hào)，通過(guò)各自的加權(quán)后，兩個(gè)波束分別在兩個(gè)天線陣上發(fā)射。

兩個(gè)符號(hào)周期內(nèi)的接收信號(hào)可以表示為：

    將(h1a(θ1))T· WH1和(h2a(θ2))T·WH2分別看作兩個(gè)虛擬信道，然后采用傳統(tǒng)Alamouti的檢測(cè)方法進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)。

3  大規(guī)模MIMO

    假定在一個(gè)多小區(qū)多天線的蜂窩系統(tǒng)中，共有，個(gè)小區(qū)，且每個(gè)小區(qū)都有一個(gè)配置有M根天線的基站及K個(gè)單天線的終端(K≤M)，且該系統(tǒng)的信道衰落是由路徑損耗和陰影衰落以及快衰落共同組成的。假設(shè)第；個(gè)小區(qū)中基站的第m根天線和第i個(gè)小區(qū)中第k個(gè)移動(dòng)終端之間的信道傳輸系數(shù)為gijk可以表示為：

    其中，hijkm是快衰落系數(shù)，且為服從獨(dú)立同分布的零均、值、方差為1的循環(huán)對(duì)稱的復(fù)高斯隨機(jī)變量。βljk是第j個(gè)小區(qū)中第k個(gè)用戶與第i個(gè)小區(qū)之間的大尺度衰落系數(shù)。本文考慮的是在TDD模式下的下行數(shù)據(jù)傳輸。在TDD模式下，利用互易性可以通過(guò)上行鏈路信道矢量gij的轉(zhuǎn)置gqr來(lái)表示下行信道狀態(tài)信息[16J。那么小區(qū)，中的第K個(gè)移動(dòng)終端收到的信號(hào)矢量yi就可以表示為：

    其中，si表示小區(qū)i的基站發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)矢量，nj表示加性高斯白噪聲，pd>0表示基站的平均發(fā)射功率。傳送的數(shù)據(jù)矢量可以表示為：

    其中，Wi=[wi1…WiK]∈CNXK為預(yù)編碼矩陣，x。=[xil…XiK]T∈CA為發(fā)送的數(shù)據(jù)符號(hào)，]]]、／A。為編碼矩陣的歸一化因子。

因此，式(14)可以重寫(xiě)為：

4  STBC-BF在大規(guī)模MIMO中的應(yīng)用

    本文考慮基于單小區(qū)的大規(guī)模多天線系統(tǒng)，假設(shè)有一個(gè)位于小區(qū)中心的基站，其配置有個(gè)陣元的天線陣列，小區(qū)中有1個(gè)單天線的移動(dòng)終端。

需要傳輸?shù)姆��?hào)流先通過(guò)Alamouti空時(shí)編碼，而后再經(jīng)過(guò)波束成形權(quán)進(jìn)行加權(quán)，信號(hào)通過(guò)所有天線進(jìn)行發(fā)送，而信道衰落包含了大尺度衰落及小尺度衰落。以單天線陣系統(tǒng)為例，其系統(tǒng)模型如圖2所示。假設(shè)信道為平坦衰落信道，其衰落因子為gz=hf.]]]、／盧，由互易性可知下行鏈路的信道狀態(tài)信息為gTl。本文假設(shè)發(fā)射端完全已知信道狀態(tài)信息hl，設(shè)空間路徑數(shù)/=2，天線間距相對(duì)于終端到基站的距離而言可以忽略不計(jì)，因此兩條空間路徑的大尺度衰落系數(shù)β相同。即：

    由式(6)、式(7)可得其空間信道響應(yīng)為：g=gla(θ1)+ga(02)，則接收端收到的信號(hào)為：

    再進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，虛擬信道可設(shè)為：n1=（n1·a(θ1）+g2·a(θi))TWH1，n2=(g1·a(θ1)+g2·a(θ2))TWH2，由于g1與g2不相關(guān)，因此可得兩個(gè)虛擬信道n1與n2不相關(guān)，采用與Alamouti編碼相同的譯碼方案，即使用最大似然譯碼準(zhǔn)則來(lái)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)。

5  性能仿真及分析

    仿真主要參數(shù)見(jiàn)表1。

    圖4給出了6發(fā)射天線STBC-BF方案、單天線方案、2發(fā)l收Alamouti方案、6發(fā)射天線BF方案4種方案的誤碼率性能曲線。由圖4可以看出，未經(jīng)編碼的SISO系統(tǒng)的性能最差；進(jìn)行STBC編碼后，帶來(lái)了空間分集增益：而波束成形可以獲得陣列增益，降低干擾：進(jìn)一步將STBC與BF結(jié)合后，因?yàn)橥瑫r(shí)獲得分集增益和陣列增益，系統(tǒng)性能得到明顯的提升。圖5給出了在STBC-BF方案中對(duì)單天線陣及多天線陣的性能對(duì)比。從圖5可以看出，在一定的角度擴(kuò)展條件下，多天線陣的性能更優(yōu)。單子陣模型易受角度擴(kuò)展與波達(dá)方向的影響，而多子陣模型則克服了這些缺點(diǎn)，因此性能更優(yōu)。

    圖6給出了在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中單天線子陣方案與雙天線子陣方案的性能比較。每個(gè)陣列的陣元數(shù)均為128，均考慮大尺度衰落，大尺度衰落系數(shù)為β=d-e/2，其中d為終端到基站的距離。從圖6可以看出，兩個(gè)方案在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)下的性能非常接近。當(dāng)天線數(shù)目很大時(shí)，波束寬度很窄，因而較雙天線子陣模型而言，二者性能比較接近，但雙子陣模型性能略優(yōu)。

    圖7給出了大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中STBC-BF方案與ZF方案、MRT方案的性能比較。STBC-BF方案使用了單子陣模型，3種方案天線數(shù)均為128。從圖7可以看出，當(dāng)天線數(shù)目較大且接收端為單用戶（即不考慮用戶間干擾）時(shí)，MRT方案可以獲得與ZF方案幾乎相等的性能。而本文所提的方案是在空間中兩個(gè)正交波束上進(jìn)行信號(hào)傳輸，因而相比于其他兩個(gè)方案還可以獲得分集增益。本方案在進(jìn)行權(quán)值計(jì)算時(shí)需要進(jìn)行特征值分解，算法復(fù)雜度高于MRT方案，與ZF方案相當(dāng)。

6結(jié)束語(yǔ)

本文主要討論了大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中STBC-BF發(fā)射方案，發(fā)射端通過(guò)二者的結(jié)合，在接收端可以同時(shí)獲得分集增益和陣列增益。仿真結(jié)果表明，STBC-BF方案與ZF波束成形方案和MRT波束成形方案相比，性能有顯著的提高，而計(jì)算復(fù)雜度與ZF波束成形方案接近。

7摘要：

提出了大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的特征波束形成結(jié)合空時(shí)編碼(space-time block coding combined witheigen-beamforming, STBC-BF)的發(fā)射方案。首先進(jìn)行發(fā)射符號(hào)的空時(shí)編碼，然后進(jìn)行特征波束成形。接收端在兩個(gè)正交的空間波束上進(jìn)行空時(shí)譯碼，既可以獲得空間分集增益，又可以獲得陣列增益。理論分析和仿真結(jié)果都證明了該方案的有效性。