多天線波束成形的MIMO-OFDM跨層自適應資源分配

任志勇+劉鵬+趙闊

【摘要】 為了克服MIMO空間各子信道相互干擾，論文對多天線波束成形的MIMO-OFDM跨層自適應資源算法進行了研究。在層資源自適應算法模式下，對于各空間信道相互不獨立，存有干擾情況時，利用空頻塊碼SFBC算法，以此來對抗信道干擾，而在各空間信道相互獨立的情況下，采用空間波束發送多重性模式，以此來提高系統的數據傳輸速率。仿真驗證表明，采用層資源自適應算法模式，在滿足信號質量要求的情況下達到了非常高的傳輸速率。

【關鍵詞】 多天線 多輸入多輸出 正交幅度調制 自適應

一、引言

為開發出滿足更低傳輸時延、更高用戶傳輸速率、更大系統容量的移動通信系統，動態自適應傳輸技術、MIMO--OFDM[1]技術等被認為是LTE無線移動通信系統框架中的關鍵技術。OFDM技術使用多載波調制技術，各個子載波互相正交，在多徑動時變信道情況下，可以有效克服頻率選擇性衰落和提高頻譜利用效率。由于增加了空間上的自由度，多天線波束成形的MIMO環境中自適應傳輸算法的設計也更為靈活和復雜。對多用戶MIMO--OFDM系統，在給定發射功率并滿足BER要求的前提下，依據邊際自適應原則，提高通信鏈路數據速率的方法是增加接收信號的功率增益，而多天線波束帶來的分集接收增益是一個增加接收信號功率增益的有效途徑。本文對多天線波束成形的MIMO-OFDM跨層自適應資源分配進行了研究，主要探討了多天線波束成形的MIMO-OFDM自適應資源分配模型和MIMO多天線下空頻塊碼SFBC算法，并根據信道條件的變化，對多天線波束成形的MIMO-OFDM跨層自適應資源分配進行了性能仿真，顯示了根據MIMO空間信道矩陣特征值變化，自適應利用不同層資源情況下的鏈路傳輸速率與誤碼率的變化。

二、MIMO-OFDM自適應資源分配模型

LTE系統物理層模型由發射端、信道和接收端組成。利用多輸入多輸出（MIMO）技術，發射端將連續的信號比特流拆分成多個信號子流，再將各信號子流通過不同的天線發射出去，傳輸各信號子流的多個發射天線與接收天線構成了空間信道矩陣。空間信道是高斯白噪聲的多徑延遲、頻譜偏移的MIMO衰落信道[2]。接收端從多個天線接收信號，根據信道估計并通過一系列算法對信號進行恢復。為了提高頻譜效率，長期演進（LTE）移動通信系統中采用了鏈路自適應技術，根據信道條件的變化，系統動態地采用不同的調制和編碼、MIMO傳輸模式、傳輸層的數量、預編碼和發射功率等技術[3-4]，以期在保證信號質量的情況下取得最大的傳輸效率。MIMO-OFDM自適應資源分配模型如圖1所示。

三、MIMO多天線下空頻塊碼SFBC算法

為提高多天線的分集接收增益，MIMO技術可以采用空頻塊碼SFBC算法，將相同的調制信號經過不同的天線發射，層資源數量取空間各自獨立的發射天線數量，以此提高鏈路傳輸質量。

假定發射信號為[x1（n），x1（n）]，2×2的MIMO信道矩陣為：[h1，1（n），h1，2（n）；h2，1（n），h2，2（n）]，則同一時間不同天線接收信號可以表示為：

為了對多天線的每個天線的接收信號都得到估值，采用最大比值合并原則，對發射信號作估值運算。

四、多天線波束MIMO-OFDM跨層自適應資源算法仿真實驗

為了對MIMO多天線下空頻塊碼SFBC算法性能作對比，在建立LTE移動通信模型基礎上進行了仿真實驗。調制采用16QAM正交幅度調制，采用Turbo編碼方式，信噪比取16dB。調制信號經過MIMO衰落信道后，在接收端，16QAM信號在空頻塊碼SFBC接收前和接收后星座如圖2所示，可以看出，采用空頻塊碼對信號進行估值接收后，信號在很大程度上克服了衰落信道的影響，星座圖更接近于初始發射信號的星座圖。

為了使通信鏈路在保證質量的前提下獲得最大的傳輸速率，仿真采用靈活的多天線波束空間信道矩陣層資源自適應算法模式。在該模式下，在MIMO空間信道矩陣的秩等于發送天線數量時，此時，各空間信道相互獨立不干擾，就采用空間波束發送多重性模式，將數據比特流拆分成多重比特子流，通過不同的天線發送出去，以此來提高系統的數據傳輸速率；如果MIMO空間信道矩陣的秩低于發送天線數量時，此時，各空間信道相互不獨立，存有干擾，就采用空間波束發送多樣性模式，利用空頻塊碼SFBC算法，以此來對抗信道干擾并提高鏈路傳輸質量。仿真信號采用16QAM調制方式，信噪比SNR為13dB，幾種算法的實驗仿真數據如表1所示。

從表1可以看出，采用空間波束發送多重性模式時，速率最高，但比特誤碼率較大，采用空頻塊碼SFBC算法的波束發送多樣性模式時，比特誤碼率較小，但數據傳輸速率低，而采用層資源自適應算法模式時，在滿足信號質量要求的情況下達到了非常高的傳輸速率。

五、結論

論文對多天線波束成形的MIMOOFDM跨層自適應資源分配算法進行了研究，探討了多天線波束成形的自適應資源分配模型和MIMO多天線下空頻塊碼SFBC算法。SFBC算法將調制的輸入信號與天線的發射信號做匹配映射，信號經過噪聲信道后，對發射信號作估值恢復，通過仿真驗證，采用該算法的16QAM調制信號星座圖在很大程度上克服了衰落信道的影響，同時，根據信道條件變化情況，采用空間信道矩陣層資源自適應算法，使移動通信系統在滿足信號質量要求的前提下獲得較大的傳輸速率，增加了系統的傳輸容量。

參 考 文 獻

[1] E Larsson， O Edfors， F Tufvesson.. Massive MIMO for next generation wireless systems [J]. IEEE Communications Magazine ， 2014， 52（2）：186-195.

[2] 趙海軍，李敏，崔夢天等. 基于STBC的MIMO OFDM系統中的I/Q不平衡及CFO的聯合均衡策略[J]. 北京：通信學報，2013年11月. 34（11）：51-58.

[3] 孫巧云，田輝，董琨等. MIMO-OFDM系統中具有QoS保證的動態資源分配[J].北京：電子與信息學報， 2009年01月. 31（1）：42-44.

[4] 胡武君，楊霖. MIMO-OFDM系統中基于循環移位和信號聯合的改進SLM算法[J].北京：通信學報， 2015年4月. 36（4）：170-177.