大規(guī)模MIMO系統(tǒng)性能的仿真研究

武警工程大學(xué)　郭耀廷　胡瑞超

大規(guī)模MIMO系統(tǒng)性能的仿真研究

武警工程大學(xué)郭耀廷胡瑞超

大規(guī)模MIMO已經(jīng)被認(rèn)為是解決更大通信數(shù)據(jù)量的5G關(guān)鍵技術(shù)。本文通過分析和仿真證明大規(guī)模MIMO在不同傳播環(huán)境下系統(tǒng)性能漸近特性，并且發(fā)現(xiàn)常規(guī)OLB算法應(yīng)用于大規(guī)模MIMO會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能急劇惡化。

大規(guī)模MIMO；系統(tǒng)性能；OLB

1　引言

大規(guī)模MIMO是一種多用戶MIMO技術(shù)，每一個(gè)基站都配置了一個(gè)由M個(gè)發(fā)射天線組成的單元，并利用它們與K個(gè)單天線終端在相同的時(shí)間和頻段內(nèi)通信，基站天線數(shù)量越多信號(hào)的空間聚焦性越好［1］，但是系統(tǒng)特性會(huì)出現(xiàn)一些新的變化，本文對不同信道傳播環(huán)境和開環(huán)波束賦形（OLB，Open-Loop Beamforming）下的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)性能進(jìn)行分析和仿真，得出了相關(guān)結(jié)論。

2　大規(guī)模MIMO系統(tǒng)性能分析

2.1在非富散射環(huán)境中的系統(tǒng)性能

終端和基站間的信道響應(yīng)可以用M維矢量代替。因?yàn)镵個(gè)信道矢量通常是互不正交的，需要先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)來抑制干擾從而達(dá)到總的多用戶信道容量。理想的傳播環(huán)境意味著K個(gè)用戶的信道矢量是相互正交的［1］。因?yàn)楦蓴_可通過簡單的利用信道正交性做線性處理就可以消除，但是實(shí)際中是不存在理想的傳播信道［2］。

一種近似理想傳播的形式可以在具有富散射的非視線環(huán)境下達(dá)到，該環(huán)境下每一個(gè)信道矢量都具有零均值且相同分布的隨機(jī)輸入。在這些條件下，信道矢量的內(nèi)積隨著增加基站天線數(shù)量的增加而趨于零，意味著信道矢量隨著M的增加逐漸趨于正交化［3］。瑞利衰落信道通常被認(rèn)為是大規(guī)模MIMO研究的基礎(chǔ)。但是，近似的理想的傳播環(huán)境在許多其它情形下也可以達(dá)到［4］。

2.2仿真

假設(shè)基站使用以半波長的天線間隔的均勻線性陣列（ULA）。仿真中假設(shè)基站的發(fā)射天線數(shù)M=100，用戶終端數(shù)K=12，在獲取理想的信道狀態(tài)信息后，上行鏈路的SNRu=-5dB。

圖1 采用OLB時(shí)的系統(tǒng)性能仿真

圖1對比了兩種情形當(dāng)采用OLB技術(shù)時(shí)大規(guī)模MIMO的陣列增益：運(yùn)用ULA（i）非視線non-LoS全向同性散射（獨(dú)立同分布的瑞利衰落），（ii）視線LoS傳播。運(yùn)用最大比接收技術(shù)時(shí)的線性陣列增益是， 表示CSI的品質(zhì)［5］。大規(guī)模MIMO在兩種情形下的陣列增益都是。對于OLB，為了模擬允許的最大的導(dǎo)頻，當(dāng)時(shí)我們使碼本尺寸L=M，時(shí)L=50。通過均勻離散化搜索空間，使碼本適合每種情形。LoS情形下，OLB當(dāng)時(shí)在圖1顯示線性斜率，但是當(dāng)碼本尺寸最大時(shí)，陣列增益飽和。如果天線在ULA稍微放錯(cuò)位置這種情況會(huì)更快出現(xiàn)。在全向同性情形下性能表現(xiàn)更差，在飽和發(fā)生前只能獲得對數(shù)形式的陣列增益。

總之，傳統(tǒng)的OLB在LoS情形下低維陣列中將有相當(dāng)好的陣列增益，但是不可度量且不能處理全向同性衰落。特別是當(dāng)一個(gè)特定終端的信道可能不具備全向同性地分布卻有明確的空間統(tǒng)計(jì)特性。雖然OLB的碼本不是為特定終端定制的，但卻需要開發(fā)陣列可能的所有信道方向，對于具有任意傳播特性的大規(guī)模陣列，大規(guī)模MIMO的信道必須通過導(dǎo)頻信號(hào)來測量。

3　結(jié)論

因?yàn)槿蛲院蚅oS傳播代表兩種非常極端的環(huán)境，并且都可以滿足大規(guī)模MIMO中運(yùn)行，所以真實(shí)的傳播環(huán)境是介于上述兩種極端情形間的，因此也可以滿足系統(tǒng)要求。這個(gè)觀點(diǎn)進(jìn)一步解釋了大規(guī)模MIMO信道特性的理想傳播。通過分析和仿真可以發(fā)現(xiàn)，大規(guī)模MIMO的系統(tǒng)性能在實(shí)際傳播環(huán)境下也能到達(dá)近似于理想傳播環(huán)境下的性能，并且常規(guī)OLB算法由于所需碼本長度過大不適合應(yīng)用于大規(guī)模MIMO系統(tǒng)之中。

［1］T. L.Marzetta，“Noncooperative cellular wireless with unlimited numbers of base station antennas，IEEE Trans.Wireless Commun.，vol.9，no.11， pp. 3590-3600， 2010.

［2］J.Vieira， S. Malkowsky， K.，“A flexible 100-antenna testbed for massive MIMO，”in Proc.IEEE Globecom Workshop- Massive MIMO：From Theory to Practice， 2014.

［3］H.Yin，D.Gesbert， M. Filippou， and Y. Liu，“A coordinated approach to channel estimation in large-scale multiple-antenna systems，”IEEE J.Sel.Areas Commun.，vol.31， no.2， pp. 264-273， 2013.

［4］H.Q.Ngo，E.G.Larsson， and T. L. Marzetta， “Aspects of favorable propagation in massive MIMO，” in Proc. EUSIPCO， 2014.

［5］Emil Bjornson，Erik G.Larsson，and Thomas L.Marzetta， “Massive MIMO：10 Myths and One Grand Question，”IEEE Trans. Inf. Theory，vol. 60， no.11， pp.7112-7139， 2014.