天線(xiàn)MIMO和波束MIMO空分復用系統性能分析

天線(xiàn)MMO和波束MMO空分復用系統性能分析[諶開(kāi)元姜永權黃鵬林元模]L摘要文章通過(guò)仿真分析了多徑數量以及波東數量分別在天線(xiàn)信道和波來(lái)信道下對空分復用結枃( V-BLAST)誤碼性能的影響,進(jìn)而得出多徑數量和波束數量都會(huì )各自影響信道天線(xiàn)間相關(guān)性的結論.并且比較了同樣條件下 V-BLAST結構在天線(xiàn)信道以及波柬信遒下的誤碼性能,得出它們的平均誤碼性能是一樣的結論關(guān)鍵詞:波來(lái)信道天線(xiàn)信道多徑數量波束數量空分結構汕頭大學(xué)研究生,主要研究方向為無(wú)線(xiàn)通信中MMO技術(shù)、空時(shí)編碼技術(shù)姜永權汕頭大學(xué)教授、碩士生導師,主要研究方向為高性能無(wú)線(xiàn)通信中的智能天線(xiàn)、OFDM、MMO技術(shù)黃爵汕頭大學(xué)研究生,主要研究方向為移動(dòng)通信中的MMO分集技術(shù)林元模汕頭大學(xué)研究生,主要研究方向為移動(dòng)通信中的OFDM資源分配技術(shù),認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)1引言列元素之間的相關(guān),而對鏈路另一端的陣列元素沒(méi)有影多翰入多輸出(MMo)技術(shù)在不增加功率和帶寬消響。但是它們忽略了分析擴散量也就是所接收到的多徑數耗的情況下具有大幅度提高容量和無(wú)線(xiàn)鏈路覆蓋面的潛量對陣列元素之間相關(guān)性的影響,本文運用文獻提出的力。傳統的MMO系統模型是在相互獨立的平坦瑞利衰落MMO天線(xiàn)信道模型分析了多徑數量對M|MO系統的誤碼信道假設條件下進(jìn)行的,但在實(shí)際傳輸信道環(huán)境中,天性能的影響,進(jìn)而得出相應的結論。線(xiàn)之間的距離和天線(xiàn)周?chē)⑸潴w分布往往不能滿(mǎn)足這個(gè)條考慮到智能天線(xiàn)諸多優(yōu)點(diǎn),有很多學(xué)者嘗試在MMO件。文獻詳細論述了天線(xiàn)間距離、擴散角分布對MM系統中采用波束形成天線(xiàn)技術(shù)。具有代表性的文獻是信道容量的影響,而且證明只有相鄰的天線(xiàn)環(huán)境產(chǎn)生陣國內也有一些相關(guān)的文獻,其中文獻把MMO與波束》新技術(shù)新業(yè)務(wù)形成結合的系統稱(chēng)為波束MMO系統和而把傳統的MMO上式中:=avq",k=1,2,…K,而稱(chēng)為天線(xiàn)MMO系統,并且對兩種信道的容量進(jìn)行了分析,表明波束信道具有更大的容量潛力,可惜的是沒(méi)有w(0p)=e/(x/4)dcose對它們進(jìn)行空分復用誤碼性能分析,本文繼續了這樣的工2r/ANd cesc(2r/M)m-or/A)d cos((2x/MXM-l)-il作,得出了波束信道盡管比天線(xiàn)信道具有更大的容量潛力,但是平均誤碼性能卻沒(méi)有提高其中a表示第k發(fā)射天線(xiàn)的第p個(gè)AOA多徑分量到接收天線(xiàn)的空間傳輸復系數,w()為7對應的Mx12天線(xiàn)MMO信道與波束MMO信道模型陣列方向響應矢量其中λ、d分別為射頻載波的波長(cháng)和本文所要研究的MMO信道只是在接收端存在相關(guān)接收天線(xiàn)間的距離。性,為了構造起滿(mǎn)足這樣條件的物理信道模型。本文依據把k、v(O)代入到(2),那么天線(xiàn)MMO信道每一波達角(AOA分量在MM接收天線(xiàn)間引起的響應是強的沖激響應矩陣為相關(guān)的,但隨著(zhù)AOA數量和擴散量的增大,MMO空間信道間的相關(guān)性將減弱這一事實(shí),采用文獻提出的模型H∑[av(e)av()…av(e)…以叫對于傳統的天線(xiàn)MMO信道模型,系統框圖如圖1所示。用Kx1列矢量對于波束MMO信道模型,圖2給出了系統框圖。在波束信道MMO系統中,波束空吋編碼器空時(shí)譯碼器空時(shí)編碼器波束形成空時(shí)譯碼器圖1天線(xiàn)MMO系統圖2波束MMO系統框圖[Sx」表示每個(gè)符號周期內的形成產(chǎn)生的陣列方向圖的數量用B表示,則波束信道發(fā)射信號,M×1列矢量y=y1y2y,丁表MMo系統可獲得B個(gè)波束的B路多輸出信號,用Bxl矩示接收僖號,N(m)=[n2…n,]表示接收噪陣[…回表示B個(gè)波束信道聲列矢量,其中上標7表示矩陣的轉置運算。當所有可分輸出信號構成的列矢量。z[小]可以從辨的信道延時(shí)擴展均不超過(guò)一個(gè)調制符號持續期,天線(xiàn)信z[=w"y{b=1,2…,B得到。其中W為道M|MO系統的多輸出信號y可用下式表示第b波束(陣列方向圖)的Mx1權系數列矢量,上標H表y=√EHs+N(n)示矩陣的共軛轉置運算。由B個(gè)列矢量形b,其中MxK矩陣H為信道沖激響應矩陣。用波達b=1,2,…,B構成的MxB波束信道權系數矩陣角度(AOA)對多徑分量進(jìn)行劃分,設可分辨的獨立WAOA的數量為P表示,則則多波束信道輸出信號構成的列矢量z[n]=W"[n]=WHs/]+WN[] (5)天線(xiàn)MMO和波束MMO空分復用系統性能分析其中,第b波束信道的輸出信號SB=sp+E-H:Nz[小]=wy[小]=wB[小+wN[](6)那么由式(5)我們得到波束信道的沖激響應矩陣[eaei)=.[HH"]NJE[HH."]H=WH所以在波束信道中第k數據流的信噪比(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,所以它們的總的平均誤碼率將會(huì )相(2r/)ycos(2r/RNR-1)-△6/2B(2b+1)等3 V-BLAST復用結構和迫零(zF接收機4系統性能分析和仿真結果V-BLAST的編碼器由圖3給出。首先,輸入比特流仿真條件:選擇的MMO系統是6根發(fā)射天線(xiàn)和8根接被解復用為并行的子數據流,然后每一路子數據流被調制收天線(xiàn),采用 V-BLAST復用結構傳輸。接收天線(xiàn)間隔為并且從相應的發(fā)射天線(xiàn)發(fā)射。d=A/2,空間傳輸復系數a的實(shí)部、虛部均由N(,1)得高斯隨機變量模型產(chǎn)生,N(m)(M×1)是具調制有協(xié)方差N的循環(huán)復加性高斯白噪聲矩陣,波達角度調制e由△=30°得均勻分布隨機變量模型產(chǎn)生解復用圖4,圖5和圖6是仿真條件下,利用蒙特卡洛仿真新得出分別在天線(xiàn)MMo信道下不同多徑數量的誤碼性能曲業(yè)線(xiàn);在天線(xiàn)MMO信道下不同波束數量的誤碼性能曲線(xiàn)以圖3空間復用 V-BLAST及在兩種信道下不同多徑數量和不同波束數量得到的誤碼性能曲線(xiàn),從圖4可知,多徑數量增加會(huì )提高 V-BLAST的ZF接收機是比較簡(jiǎn)單的線(xiàn)性接收機,由于結構簡(jiǎn)單性能,但增加到一定情況下性能將變化不大。這主要是由在實(shí)際中得到廣泛的應用。假設接收端已經(jīng)對信道進(jìn)行了于多徑的增加而導致接收天線(xiàn)間的相關(guān)性減小,從而使得準確的估計,那么H的偽逆為H*=(HH)H",式 V-BLAST的性能提高。但是時(shí)間上的分集是有限的,所以達到一定的多徑數量,性能將不會(huì )增加。圖5曲線(xiàn)變化可得(1)兩邊乘以EH得出在不同波束數量下 V-BLAST的性能曲線(xiàn)。所形成的波束S=s+EHN越多, V-BLAST性能越好,但增加到一定數量性能將趨于那么[ae=M/E[rHr“].在天穩定。造成這種結果的原因是更多多波束下信道間的相關(guān)性要小,進(jìn)而誤碼的性能要更好。同理時(shí)間上的分集是有線(xiàn)MMO信道中第k數據流的信噪比Yk為限的,那么性能也會(huì )在一定波束數量下達到穩定。圖6表明在多徑數量與所形成的波束的數量相當時(shí),天線(xiàn)信道下的ESps性能要更好。這主要是由于選擇的波束數量小會(huì )造成信道相關(guān)性減弱不明顯而造成的。但是隨著(zhù)選擇的波束數量的增加波束信道的誤碼性能會(huì )逼近天線(xiàn)信道的性能,但不會(huì )在波束MMo信道中:HB=W"H,N=W"N超過(guò)。說(shuō)明波束信道雖然可以提高信道信噪比的均值閾,但式(5)兩邊乘以H=(HBH2)H得是沒(méi)有提高反映誤碼性能的平均符號流的信噪比,這與前面理論推導是一致的?！沸录夹g(shù)新業(yè)務(wù)5總結本文分析了天線(xiàn)信道和波束信道下空分復用誤碼性:!能,進(jìn)而分析了多徑數量以及波束數量對各自系統接收天線(xiàn)相關(guān)性的影響,并且得到了相應的結論。對研究相關(guān)性有一定的指導意義,一些結論在實(shí)際應用中具有理論指導關(guān)信遭下Pa5相關(guān)信通下P圖6天線(xiàn)信道與波束信道下∨ BLAST性能參考文獻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天線(xiàn)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姜永權,周淵平,柳平等.窄帶波來(lái)信道MMO系統的容量分束信下B20析J電子學(xué)報,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,智能夭線(xiàn)波柬形成與MMO空時(shí)編碼結合技術(shù)的研究[D]哈爾濱工業(yè)大學(xué),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圖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《廣東通信技術(shù)》節能連載專(zhuān)欄◆物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)關(guān)鍵技術(shù)與模式探討基于中繼輔助的不等發(fā)射功率調度算法的公平性研究