接收天線選擇對MIMO-OFDM系統信道容量的影響

顧朝志，張 磊，李 莉

(1.中國石油大學 計算機與通信工程學院，山東青島 266580;2.南京郵電大學，南京 210003)

MIMO-OFDM技術可以在不增加額外帶寬和發射功率的情況下提高無線通信系統的容量和頻譜利用率，并能有效地抵抗多徑衰落、抑制符號間干擾，成為4G的核心技術。在MIMO-OFDM系統中，由于收發兩端均采用多天線，因此要使用與天線數目同樣多的射頻鏈路，大大增加了系統的硬件成本和信號處理難度。天線選擇技術通過較少的射頻鏈路來支持較多的天線，以很小的性能損失換取成本的大幅降低，加速了MIMO-OFDM技術的發展和應用。

天線選擇主要運用于單純的MIMO系統［1-8］，近年來這一技術也逐漸應用到 MIMOOFDM系統中［9-11］。MIMO-OFDM系統的天線選擇有基于子載波和子系統兩種方式。采用基于子載波的選擇方法時，在每一子載波的天線子集選擇過程中，實際上面對的就是一個單載波的MIMO系統，所以現有的MIMO系統的天線選擇方法可引入到MIMO-OFDM系統的天線選擇中。由于發射天線選擇時需將CSI反饋給發射機，這在信道隨機變化很快時是不可行的，所以接收天線選擇更具吸引力。理論而言，接收天線選擇會降低信道矩陣的秩，勢必引起信道容量的降低，若在天線選擇后聯合相應的信號合并處理算法，則可彌補這一性能損失。本文基于MIMO-OFDM系統的接收天線選擇和信號處理算法展開分析。

1 MIMO-OFDM系統結構及信道模型

圖1為MIMO-OFDM系統接收端天線選擇框圖。由天線接收到的信號經特定的天線選擇算法選擇出需要解調的天線，之后經FFT、并串轉換、解調等過程恢復信源的信息。

圖1 MIMO-OFDM系統接收端天線選擇框圖

令Ci代表每一個子信道的容量，Ci=log2det為歸一化的信道矩陣，則整個MIMO-OFDM系統的信道容量為

在計算信道矩陣時，假設在每一個天線對之間，信號路徑都遵循射線追蹤方法中的兩射線模型(如圖2所示)。

圖2 兩射線模型

未歸一化的信道矩陣為

其中:元素hij表示第j根發射天線到第i根接收天線的信道衰落系數。選擇n根天線進行接收，實際上就是從H中選擇行數為n的子矩陣，并使用某種選擇準則來計算特定天線選擇結果下的MIMO系統的性能，將能使MIMO系統相應的性能達到最佳的選擇結果作為最終選擇輸出。

2 天線選擇及合并信號處理算法仿真分析

假設發射機和接收機均采用均勻線陣，子載波數取256，在計算每一子載波上天線選擇的信道容量時，采用Monte-Carlo法。圖3是在復高斯隨機信道中，3×3天線結構、采用最優算法選擇2根天線接收的信道容量結果。

圖3 接收天線選擇信道容量圖

從圖3可以看到:接收端進行天線選擇后，所有接收子集的信道容量均低于未進行天線選擇時的信道容量。這是由于接收天線選擇使信道矩陣的秩減小，從而降低了信道容量。

最優算法的最大缺點是計算量過大，很難應用于實時性要求較高的系統。一些次優算法如遞減算法、遞增算法、最大范數算法等可大大降低復雜度。所以在最優算法的基礎上，引入遞增、遞減、最大范數法等從8×8天線陣列中選擇2根接收天線，各算法比較結果如圖4所示。從圖4可以看出:遞減算法選擇出的2根天線信道容量最高，最大范數法和遞增算法曲線重合，性能相同，此時遞減算法為最優選擇算法。雖然經上述天線選擇算法進行接收天線選擇后的信道容量都有所降低，但天線選擇能節省射頻鏈路，降低系統的復雜度，這正是天線選擇的目的所在。

圖4 8×8接收天線選擇算法比較

上述仿真結果已經驗證了接收天線選擇會導致信道容量損失，若在接收端進行天線選擇后再聯合一些數字信號處理算法，則能彌補這一性能損失。圖5是8×8天線結構接收天線選擇和最大比值法(MRC)結合的結果，可以看出:遞減算法選擇2根天線聯合MRC算法所得的信道容量比未進行天線選擇的信道容量還高。圖6是8×8天線結構接收天線選擇和等增益合并法(EGC)結合的結果，可以看出:遞增算法與EGC算法選擇2根天線所得的信道容量比未進行天線選擇的信道容量高。從而說明在接收端進行天線選擇導致信道容量降低的情況下，可聯合相應的信號處理算法來提高信道容量。

圖5 接收端天線選擇加MRC算法

圖6 接收端天線選擇加EGC算法

3 結束語

本文基于雙射線模型，以最大化容量為指標，將MIMO的天線選擇方法引入MIMO-OFDM系統。仿真分析了遞增算法、遞減算法、最大范數算法等天線選擇方法對信道容量的影響，并給出天線選擇聯合信號處理算法如MRC、EGC等對系統性能的影響。

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