基于特征值分布的自適應MIMO接收方法

徐 堯，蔣攀攀，王大鳴

?

基于特征值分布的自適應MIMO接收方法

徐 堯，蔣攀攀，王大鳴

(解放軍信息工程大學信息系統工程學院，鄭州 450002)

多輸入多輸出(MIMO)系統性能優劣依賴于信道的相關特性，空分復用技術適用于低相關信道，而波束形成技術適用于高相關信道。依據上述信道相關特性，提出一種基于信道特征值分布的自適應MIMO接收方法。該方法以均勻圓形天線陣列結構為基礎，能夠根據信道相關情況動態選擇接收方式：當角度擴展較大時，選用傳統MIMO接收方式(稱為天線MIMO方式)；當角度擴展較小、多徑獨立時，選用基于智能天線的多波束接收方式(稱為波束MIMO方式)。分析角度擴展、多徑對信道特征值分布的影響，并給出自適應MIMO接收切換的條件。仿真結果表明，該方法能夠適應復雜的無線環境，誤碼率較低，性能更加穩定可靠。

多輸入多輸出；波束形成；特征值分布；相關性；角度擴展；誤碼率

1 概述

在上述基礎上，本文研究了多徑、角度擴展(Angular Spread, AS)對上述2種接收方式的影響，在不同的角度擴展條件下，天線MIMO與波束MIMO性能表現不同。據此，分析了多徑、角度擴展與信道特征值分布的關系，提出一種基于信道特征值分布的自適應MIMO接收方法。在不同的角度擴展環境下，自適應地選擇天線MIMO方式或波束MIMO方式接收空分復用信號。

2 系統及信道模型

鑒于均勻圓陣(Uniform Circular Array, UCA)的各種優勢[6]，如全方向覆蓋能力、方向圖受來波方向影響較少等特點，將均勻圓陣應用于接收端具有的優勢。因此，本文提出的自適應MIMO接收模型如圖1所示。

圖1 自適應MIMO接收模型

則波束信道輸出信號表示為：

3 自適應MIMO接收方法

3.1 多徑、角度擴展的影響分析

MIMO系統性能依賴于信道相關性的強弱。在實際通信環境中，尤其是由于多徑、角度擴展的影響，接收端信道相關性不斷變化?；诰鶆驁A陣的MIMO多徑簇信道模型幾何示意圖如圖2所示。

圖2 MIMO簇信道模型幾何示意圖

由第2節信道模型可知，MIMO信道相關性由相關矩陣表示，接收(發送)端的相關矩陣表示為：

假設接收端信號角能量分布服從均勻分布。函數表達式為：

在大角度擴展條件下[9]，角度擴展相比于天線間距對相關性的影響要大，且通過增加天線間距降低信道相關性并不能獲得理想效果。且隨著角度擴展和多徑數量的增加，信道相關性逐漸減弱，有利于天線MIMO技術的應用。這也是為什么本文所提方法在天線陣列間距配置較小的情況下，選擇在大角度擴展條件時使用天線MIMO方式接收的原因。

在小角度擴展條件下，通過增加接收天線陣列間距，也很難降低空間信道相關性。當每徑角度擴展較小且多徑到達角夾角較大時，多徑之間的相關性是很小的，特別是在散射不充分環境下，天線間相關性增強，傳統MIMO系統性能受限于系統相關性影響，波束MIMO技術正好可以彌補MIMO系統在該種環境下的不足。因此，考慮在小角度擴展條件下利用陣元之間的強相關性和多徑之間的弱相關性，通過智能天線多波束形成的方式，建立波束MIMO信道。這就是本文接收方法在角度擴展小，多徑獨立時選用波束MIMO方式接收的原因。

3.2 自適應切換條件

因此，可以將分析多徑角度擴展大小和多徑相關性的問題轉化為對信道矩陣特征值分布的研究。信道相關矩陣表示為：

信道條件數的大小直接反映了信道相關性的強弱[12]，考慮采用波束MIMO接收方式時，應當具有多條獨立的徑，以達到構造不相關子信道的目的。因此，可以在相關信道中檢測是否具有多個較大的特征值。下面以雙流空分復用信號接收為例，波束MIMO接收切換條件為：

4 仿真分析

圖3 不同角度擴展下的切換條件

圖4 不同入射夾角下的切換條件

圖5和圖6分別仿真了小角度擴展條件下(=5°)和大角度擴展條件下(=30°)，獨立同分布高斯(IID)信道下 2發2收系統和本文描述的基于均勻圓陣的天線MIMO、波束MIMO接收方式誤碼率性能。從圖5可以看出，在小角度擴展條件下，波束MIMO接收方式誤碼率性能要優于天線MIMO方式，而且兩波束MIMO信道相比于四波束MIMO信道接收方案誤碼率性能相差不大，表明在小角度擴展條件下，波束MIMO接收方式更優，且采用主徑接收，忽略弱徑影響的波束MIMO接收方式是合理的。波束信道能夠提高接收信噪比，且具有降低信道間相關性的作用，這是波束信道MIMO系統能夠提高接收系統誤碼率性能的主要原因。從圖6可以看出，在大角度擴展條件下，天線MIMO方案優于波束MIMO方案，且隨著角度擴展的增大，四波束MIMO信道優于兩波束MIMO信道，天線MIMO方式優于波束MIMO方式。這主要是因為隨著角度擴展的增大，信道相關性減弱，可用子信道數增加，帶來了一定的分集增益。

圖5 小角度擴展下誤碼率性能

圖6 大角度擴展下誤碼率性能

綜合圖5和圖6還可以看出，波束MIMO方案更適合小角度擴展、低信噪比環境下使用，而天線MIMO方案更適合于大角度擴展、高信噪比環境下應用。

綜上所述，在信道相關性強、多徑獨立時選用波束MIMO接收方式；在信道相關性弱時，選用天線MIMO接收方式。顯然，自適應選擇較好的接收方式所獲得的性能要比固定使用一種接收方式性能更優。

5 結束語

本文基于均勻圓陣接收模型，研究了多徑、角度擴展對相關信道特征值分布的影響，分析了波束MIMO和天線MIMO 2種接收方式不同表現的原因，給出一種自適應MIMO接收方法，并明確了具體的切換條件。特別是波束MIMO接收方式的引入，解決了高相關信道下天線MIMO性能受限的缺點，保證了實際應用中復雜多變無線環境下空分復用信號的可靠接收。仿真結果表明，該方法能夠針對多徑信道特點，較好地結合智能天線和MIMO 2種多天線技術，在不同的信道環境下自適應地選用合適的接收技術，發揮了多天線技術的優勢。

[1] Foschini G J, Gans M J. On Limits of Wireless Communic- ations in a Fading Environment When Using Multiple Antennas[J]. Wireless Personal Communications, 1988, 6(3): 311-335.

[2] Winters J H. Smart Antennas for Wireless Systems[J]. IEEE Personal Communications, 1998, 5(1): 23-27.

[3] Lei Z, Chin F P S, Liang Y C. Combined Beamforming with Space-time Block Coding for Wireless Downlink Transmis- sion[C]//Proc. of VTC’02. Vancouver, Canada: IEEE Press,2002: 811-813.

[4] Zhu F, Lim M S. Combined Beamforming with Space-time Block Coding Using Double Antenna Array Group[J]. Electronics Letters, 2004, 40(13): 811-813.

[5] Kim I H, Lee K, Chun J. A MIMO Antenna Structure that Combines Transmit Beamforming and Spatial Multiplexing[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2007, 6(3): 775-779.

[6] Loannides P, Balanis C A. Uniform Circular Arrays for Smart Antennas[J]. IEEE Antenna and Propagations Magazine, 2005, 47(4): 192-208.

[7] Ozcelik H, Herdin M, Weichselberger W. Deficiencies of ‘Kronecker’ MIMO Radio Channel Model[J]. Electronics Letters, 2003, 39(16): 1209-1210.

[8] Tsai J A, Woerner D B. The Fading Correlation Function of a Circular Antenna Array in Mobile Radio Environment[C]// Proc. of IEEE Global Telecommunications Conference. San Antonio, USA: [s. n.], 2001: 3533-3537.

[9] 龍 懇. TD-SCDM向LTE TDD演進中的多天線技術[D]. 北京: 北京郵電大學, 2009.

[10] Forenza A, Mckay M R. Adaptive MIMO Transmission for Exploiting the Capacity of Spatially Correlated Channels[J]. IEEE Trans. on Vehicular Technology, 2007, 56(2): 619-630.

[11] 譚 萍, 漆蘭芬. 軟件天線不同環境的特征值分布[J]. 華中科技大學學報: 自然科學版, 2004, 32(2): 1-3.

[12]Liu Leilei, Hong Wei. Characterization of Line-of-sight MIMO Channel for Fixed Wireless Communications[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2007, 6(1): 36-39.

編輯 索書志

Adaptive MIMO Receiving Method Based on Eigenvalue Distribution

XU Yao, JIANG Pan-pan, WANG Da-ming

(Institute of Information System Engineering, PLA Information Engineering University, Zhengzhou 450002, China)

Multiple Input Multiple Output(MIMO) system performance depends on the correlation of the channel, Spatial Multiplexing (SM) is applicable to low correlation channel, and Beamforming(BF) is applicable to high correlation channel. This paper proposes an adaptive MIMO receiving method based on eigenvalue distribution according to the channel correlation. The proposed method can dynamically select the receiving mode based on a uniform circular antenna array. Under the conditions of large Angular Spread(AS) environment, it selects the conventional MIMO receiving mode(called antenna MIMO), and under the conditions of small AS, multipath independent environment, it selects the multi-beam receiving mode(called Beam-MIMO). The impact of AS and multipath on eigenvalue distribution is analyzed, and an adaptive MIMO receive switching criterion is given. Simulation results show that the proposed method can adapt to the complex wireless environment and provide better error rate performance.

Multiple Input Multiple Output(MIMO); Beamforming(BF); eigenvalue distribution; correlation; Angular Spread(AS); bit error rate

1000-3428(2014)03-0108-05

A

TP391

國家科技重大專項基金資助項目“新一代寬帶無線移動通信網”(2011ZX03003-003-02)。

徐 堯(1985－)，男，碩士研究生，主研方向：移動通信；蔣攀攀，碩士研究生；王大鳴，教授、博士生導師。

2013-03-08

2013-04-09 E-mail：qjpxy@126.com

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.03.022