摘 要： 提出基于空域上聯(lián)合SM和TD的LA策略。該策略通過檢測后的符號SNR來自適應(yīng)搜尋滿足服務(wù)質(zhì)量" 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)部使用空時分組編碼(STBC)，組間進行復(fù)用。仿真結(jié)果表明，同基于時域的LA策略相比，該策略能充分利用SM與TD在時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) 鏈路" 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)射端和接收端" title="接收端">接收端同時使用多個天線的系統(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]。現(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(例如目標誤塊率)，將系統(tǒng)的調(diào)制編碼方案(MCS)與等效獨立子信道的信道條件相匹配，進而提供更優(yōu)的系統(tǒng)吞吐量。SM方案同TD方案相比，前者對信道條件的變化更為敏感，因此當MIMO信道惡化時，SM方案會出現(xiàn)系統(tǒng)吞吐量的嚴重損失。另外，目前已有關(guān)于在時域上進行TD方案(如空時分組碼STBC)與SM方案聯(lián)合切換的研究[3]，但這種基于時域的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，進而更好地利用二者性能折中。所謂空域LA，是將發(fā)射天線" 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編碼相互獨立，因此可以將每個天線組看成傳統(tǒng)SM方案中的一個發(fā)射天線。本文在接收端使用了迫零(ZF)分組檢測[4]，根據(jù)每個天線組的信道條件選擇最優(yōu)MCS，從而最大" title="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)信道是準靜態(tài)平坦瑞利衰落，即信道在一個數(shù)據(jù)塊內(nèi)保持不變，在塊間獨立變化，信道矩陣的元素是獨立同分布的均值0、方差1的復(fù)高斯變量。噪聲服從均值0、方差的σ2復(fù)高斯分布。系統(tǒng)有理想的信道估計、符號同步接收機和理想定時。又假設(shè)在接收端得到的控制信息能被無延時無誤差地反饋回發(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)的天線分組方案，同時為每個天線組選擇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。下面詳細描述了4個發(fā)射天線情況下的計算方法。其他發(fā)射天線個數(shù)的情況可使用類似方法得到。
1.1.1 天線分組個數(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個發(fā)射符號周期內(nèi)4個發(fā)射天線與nR個接收天線間4個nR×1信道向量，并且設(shè)信道在第n和n+1個符號周期內(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，則接收信號可以表示為：
仍無法滿足QoS要求時，則將這些天線關(guān)閉。
本文研究目標是尋找最優(yōu)發(fā)射天線模式，使其能在滿足目標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)計信息，這能使LA減小反饋負載和復(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星座圖滿足目標誤塊率時的SNR門限(如果QoS要求為目標誤比特率，則可以通過文獻[7]中SNR與誤比特率的關(guān)系式計算出SNR門限)；
然后，將每個天線組的檢測后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)射端，進行發(fā)射系統(tǒng)參數(shù)配置。
實際中，基站可以根據(jù)周期性的上行鏈路質(zhì)量報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個比特。QoS要求目標誤塊率為0.1。仿真圖中每個信道條件使用了50 000次的統(tǒng)計平均。
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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，根據(jù)當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，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，每個發(fā)射天線單獨分為一組，等同于SM方案，這是由于SM能提供最大的復(fù)用增益。可在好的信道條件下進一步改進系統(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。
3 空間相關(guān)性對空域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個與第j個發(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)，λ為無線電波波長，d為天線間的距離。
由于接收天線不會影響到發(fā)射端天線模式的選擇，故可假設(shè)接收端沒有空間相關(guān)性。無相關(guān)信道下天線分組個數(shù)一定時，不同天線模式的修正信道矩陣Ｈ只進行列交換，從統(tǒng)計意義上講，這些模式都是等效的。但是發(fā)射相關(guān)性卻會對天線模式產(chǎn)生不同的影響，這里假設(shè)天線分組個數(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則
由圖5可知，信道具有強相關(guān)性時，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。空間相關(guān)性的強弱是天線間距的函數(shù)。當間距大于0.5倍無線電波波長時，信道的相關(guān)性很弱，3種模式的性能差異很小。使用基于最小奇異值的選擇準則能很容易得到最優(yōu)天線模式。
圖6～9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。可以看出，在強相關(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。這個仿真結(jié)果與3.2節(jié)中使用基于最小奇異值的選擇準則的分析結(jié)論是一致的。
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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時吞吐量損失的問題。仿真結(jié)果表明，同基于時域的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)改進系統(tǒng)吞吐量，且應(yīng)用復(fù)雜度較低。
參考文獻
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