MIMO系統(tǒng)多包接收性能分析*

崔 苗， 姚 震

(1.廣東工業(yè)大學，廣東 廣州 510006；2.中國電子科技集團第七研究所，廣東 廣州510310)

MIMO技術不僅可以帶來空間復用增益和分集增益，還可實現(xiàn)多包接收(MPR)功能[1]。Sylvie Ghez等人在參考文獻[2-3]中提出了MPR概念，其思想是網(wǎng)絡中的節(jié)點具有同時接收多個數(shù)據(jù)包并能對它們進行有效分離，而不像傳統(tǒng)的沖突模型，即當多個數(shù)據(jù)包同時到達接收節(jié)點時，就認為產(chǎn)生了沖突而丟棄全部數(shù)據(jù)包，發(fā)送節(jié)點必須在隨后的時間里重新傳輸所有數(shù)據(jù)包。因此，MPR可以有效地提高整個網(wǎng)絡的吞吐量和減小數(shù)據(jù)包的等待時延。而在一個MIMO鏈路中，只要接收端天線數(shù)目不少于總發(fā)送天線數(shù)目，接收端就可以成功分離和解碼所有的輸入流[4-5]。由此可見，MIMO是一種高效的實現(xiàn)MPR功能的技術，在移動無線網(wǎng)絡應用MIMO技術,有效地消除了無線信道多徑和時變衰落的影響，在不增加帶寬條件下可以成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率，是下一代無線通信系統(tǒng)的關鍵技術之一[6-7]。

1 MIMO MPR傳輸系統(tǒng)

表1是MIMO MPR傳輸系統(tǒng)技術參數(shù)。當采用多天線進行發(fā)送時，節(jié)點可以采用分集和復用兩種傳輸方式，發(fā)送和接收天線數(shù)分別用nt和nr表示。由于MIMO MPR系統(tǒng)傳輸過程采用不同的空時編碼方式，因此必須考慮不同編碼方式的接收端檢測算法。常用的譯碼算法有極大似然譯碼算法、最小均方誤差譯碼算法等[8]。

表1 MIMO MPR傳輸系統(tǒng)主要技術參數(shù)

1.1 發(fā)送端傳輸方式

當系統(tǒng)采用分集傳輸方式時，發(fā)射端采用空時分組編碼STBC(Space-Time Block Coding)。STBC編碼是在正交設計理論的基礎上把Alamouti編碼從兩副天線推廣到多副發(fā)送天線系統(tǒng)中形成的一種編碼方案，而由于其正交性，使得譯碼算法簡單且易于實現(xiàn)[8]。

STBC的編碼原理如圖1所示，若采用M進制調(diào)制，每m=log2M個比特映射到一個星座點，即一個符號xi，來自信源的二進制信息每Km個比特為一組進行調(diào)制后共可得到K個符號(x1,x2,…,xK)。再把K個符號送入空時分組編碼器根據(jù)編碼矩陣進行編碼，編碼后將生成nt個長度為P的并行信號序列(P代表傳輸一組編碼符號的時間周期數(shù))，最后將編碼后的信號序列分別從nt副天線上同時發(fā)送到信道。

當系統(tǒng)采用復用傳輸方式時，發(fā)送端采用分層空時編碼中的垂直分層空時編碼V-BLAST(Vertical Layered Space-Time)。采用4天線進行發(fā)送時，發(fā)射機的發(fā)射模型如圖2所示，其基本思想是把高速的數(shù)據(jù)業(yè)務分解為若干低速數(shù)據(jù)業(yè)務，通過普通的信道編碼器編碼后，對其進行V-BLAST空時編碼，調(diào)制后再送多副天線發(fā)送。

1.2 接收端信號分離算法

圖3所示為節(jié)點的接收模型，在估計出信道矩陣H后，采用合適的信號分離和譯碼算法來恢復出期望信號。這里分別給出發(fā)送節(jié)點采用STBC和V-BLAST方式傳輸時接收端的信號分離和譯碼算法。

1.2.1 STBC方式的接收端信號分離算法

研究表明，一旦正交STBC的編碼矩陣給定，其接收端對應的輸出信號組合形式也就確定，而且這種組合形式一定是最大比合并。在本方案中，信號分離采用給出的極大似然算法ML(Maximum Likehood)。

若G為P×nt的正交分組碼矩陣，系統(tǒng)中第j副接收天線的接收向量xj=(,…可以表示為:

極大似然算法如下：

在接收端，根據(jù)從接收天線上得到的信號接收矩陣(x1,x2,…,xnr)計算關于所有發(fā)送碼度量。

1.2.2 V-BLAST接收端信號分離算法

在討論算法之前,先給出算法需要的幾個假設條件：(1)假設多天線系統(tǒng)的信道是平坦快衰落信道；

(2)假設各副發(fā)送天線到接收天線之間的信道相互獨立，并且信道呈瑞利分布，均值為0，每維方差為0.5；

(3)假設噪聲是均值為0的復高斯隨機噪聲；

(4)接收端已知信道信息。

在上述假設情況下，本方案主要采用基于排序的迫零串行干擾消除方法ZF-VBLAST(Zero Forcing-VBLAST)來進行信號分離和譯碼。若接收信號為：

具體的信號分離過程如下：

(1)排序：首先根據(jù)信道矩陣H求出加權矩陣：

然后根據(jù)W的行范數(shù)大小來確定解調(diào)符號的順序。

(2)迫零：根據(jù)排序確定要進行分離的信號，然后采用迫零算法來消除其他信號的干擾：x=Wr。若W的第i行有最大的范數(shù)，則x(i)為分離的第i個信號。

表2 MIMO MPR系統(tǒng)仿真場景參數(shù)設置

(3)補償：在發(fā)送信號調(diào)制星座中選擇與解調(diào)信號估值之間歐氏距離最小的星座點判決為發(fā)送的符號。

(4)消除：在接收信號中消除掉已分離信號的影響，使得剩余信號分離的復雜度降低。然后繼續(xù)按照上面的步驟來分離剩余的符號，直到分離出所有的符號。

2 MIMO MPR仿真及性能分析

2.1 仿真場景設置

在此4×4 MIMO MPR系統(tǒng)仿真中，假設收發(fā)天線間的距離相同，因此接收端接收到的信號在大尺度上差別不大。MIMO MPR系統(tǒng)允許多個節(jié)點間同時傳輸數(shù)據(jù)，如圖4是仿真場景示意圖，該圖所示兩個發(fā)送節(jié)點（分別是節(jié)點 1和節(jié)點 3）一個接收節(jié)點（接收節(jié)點 3）的場景，箭頭表示數(shù)據(jù)流方向，而表2是MIMO MPR系統(tǒng)不同仿真場景接收端信號分離算法。

2.2 不同場景仿真結(jié)果分析

圖5中是場景一的仿真結(jié)果圖，本場景中節(jié)點1采用組復用發(fā)送方式，分集增益為4，復用增益為2。由圖可知，節(jié)點1的兩個STBC流的誤碼率基本一致，總的誤碼率介于二者之間。只是SNR較大時，曲線有些波動，這是由于此時誤碼率很低，一個偶然的隨機錯誤，就可以使曲線發(fā)生較大變化。

圖6是場景二的仿真結(jié)果圖，本場景中節(jié)點1和節(jié)點3隨機選擇兩根天線按照V-BLAST編碼將分組發(fā)送出去。由圖可知，兩個節(jié)點的誤碼率基本一致，總的誤碼率介于二者之間。

圖7是場景三仿真圖，在發(fā)送端節(jié)點1和節(jié)點3隨機選擇兩副天線分別采用Almouti的STBC編碼將分組發(fā)送出去。這時接收端的信號分離過程分為兩步，兩個節(jié)點的誤碼率基本一致，總的誤碼率介于二者之間。

圖8是場景四仿真結(jié)果圖，發(fā)送端4個節(jié)點分別隨機選擇一根天線，不采用任何空時編碼技術發(fā)送自己的數(shù)據(jù)。在接收端，系統(tǒng)的譯碼過程與點對點的V-BLAST系統(tǒng)相同。由圖可以看出，隨著SNR增加，4個數(shù)據(jù)流的誤碼率曲線開始分叉抖動，總的誤碼率曲線介于它們之間。

在基于MIMO信道的無線網(wǎng)絡中，由于可以有效地控制通信的空域、距離及干擾的大小，從而為網(wǎng)絡的自組織提供了新的自由度，由原來的節(jié)點之間連通性的單一形式自組織擴大為節(jié)點間天線、數(shù)據(jù)流等多種形式并存，這種自組織能力的提升是無線網(wǎng)絡性能得以進一步改善的基礎。對多種場景下MIMO系統(tǒng)的多包接收性能進行仿真。對比這些仿真結(jié)果可知，多個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)，接收端可以正確解調(diào)，即多包接收可行。

[1]Chen Biao,GANS M J.MIMO communications in Ad Hoc networks[J].IEEE trans.on signal processing,2006,54(7):2773-2783.

[2]GHEZ S,VERDU S,SCHWARTZ S C.Stability properties of slotted Aloha with multipacket reception capability[J].IEEE Trans.Automat.Contr.,1988,33(7):640-649.

[3]GHEZ S,VERDU S,SCHWARTZ S C.Optimal decentralised control in the random access multipacket channel[J].IEEE trans.on automatic cont.,1989,34(11):

[4]ZHANG P X,ZHANG Y J,LIEW S C.Multipacket reception in wireless local area networks[C].in Proc.IEEE ICC’06,2006:3670-36,75.

[5]崔苗,曹英烈,馮穗力.一種實現(xiàn)MIMO多包接收的 Ad Hoc網(wǎng)絡MAC協(xié)議[J].計算機工程與應用,2011,47(6):15-19.

[6]SUNDARESAN K,SIVALUMAR R,INGRAM M A,et al.Medium access control in Ad Hoc networks with MIMO links:optimization considerations and algorithms[J].IEEE Transactions On Mobile Computing,2004,3(4):350-365.

[7]CASARI P,LEVORATO M,ZORZI M.MAC/PHY crosslayer multi-packet reception based medium access control and resource allocation for space-time coded MIMO/OFDM[J].IEEE Trans.Wireless Commun.,2008,7(9):3372-3384.

[8]羅濤，樂光新.多天線無線通信原理與應用[M].北京：北京郵電大學出版社，2005.