Massive MIMO系統中的信道估計仿真分析

西南林業大學 王曉艷

昆明鐵道職業技術學院 徐高魁

引言：隨著通信技術的發展和進步，使得移動終端所需處理的通信數據越來越多。此外，隨著現代網絡對通信速度的要求越來越高及智能終端的普及，對與之匹配的移動通信網絡系統提出了新的要求和挑戰。為了適應當前通信時代的要求，未來的通信系統需具有更快的通信速度、更佳的通信質量以及更廣的通信范圍。

MIMO通信系統簡稱為多天線系統，該系統集合了傳輸分集、空間復用等技術為進一步提高通信系統的通信質量及通信效率奠定了堅實的基礎。然而，在全新通信時代的要求下，當前的MIMO系統已經不能夠滿足當前大容量、高速率、低成本的要求。Massive MIMO通信系統基于其獨特的傳輸方式，并在其基站段加入了數量可觀的天線，從根本上解決了傳輸信號功率低的問題，進而提高了通信系統的信干比，從根本上提升了系統信號傳輸的可靠性及頻譜使用效率。

鑒于Massive MIMO通信系統具有光明的發展前景，需將其充分應用于當前的通信系統中。故本文對Massive MIMO通信系統中的信道估計進行了仿真分析，為該通信系統的推廣奠定了基礎。

1.Massive MIMO系統傳統導頻設計分析

本文所研究的Massive MIMO系統模型是由一定數量的六邊形小區構成的移動蜂窩通信網絡。設系統中每個小區中各有一定數量的基站天線，且該小區內的基站天線數大于小區內的用戶數。此外，小區內用戶與用戶之間的導頻序列相互正交，基于OFDM技術實現對信號的調制；用戶與小區內基站天線的通信是基于TDD模式實現的，信道估計是在通信中的上行導頻傳輸過程中實現的。

基于TDD模式下的數據通信的，包含了上行導頻傳輸、上行數據傳輸以及下行數據傳輸三個階段。其中導頻傳輸如圖1所示。

圖1 導頻傳輸過程

LS估計和MMSE估計為通信系統中常用的兩種信道估計方法。其中，LS信道估計為最小二乘信道估計算法，基于該算法下的估計值如式（1）所示：

分析式（1）可知，基于LS算法所得信道估計值受到了噪聲及其他導頻信道的干擾的影響。因此，干擾信號影響著基于LS算法下的信道估計值。

MMSE信道估計算法是最小均方誤差信道估計算法，該算法能夠有效降低干擾信道對信道估計值的準確度。基于MMSE算法下的信道估計值如式（2）所示：

分析式（2）可知，MMSE算法能夠有效降低噪聲及其他干擾因素對信道估計值的影響。

2.仿真分析

本節著重對三種不同導頻設計方案下通信系統的性能進行仿真分析。系統的仿真分析如圖2所示。

圖2 仿真流程圖

2.1 仿真參數設置

本次仿真的步驟如圖2所示。此外，為了保證仿真結果的有效性，本文做出如下設置：通信系統的SNR為5dB，假設小區的用戶數量為3戶，小區內的基站的天線數量為50，導頻設計的相干時間為10，導頻序列間隙時間為1000萬。本次仿真主要針對傳統信道估計、半正交導頻信道估計以及修正后的半正交導頻信道估計三種情況。

2.2 仿真結果分析

2.2.1 不同方案下系統頻譜效率與SNR關系的仿真分析

基于傳統導頻設計、半正交導頻設計以及修正后導頻設計三種方案下，系統的頻譜效率與SNR之間的關系如圖3所示。

分析圖3可知，基于半正交導頻設計方案下系統的頻譜效率優于修正后半正交導頻設計方案和傳統導頻設計方案下的頻譜效率。且隨著SNR的增加，系統的頻譜效率均出現平穩狀態。

2.2.2 基站天線數目、用戶數目與系統頻譜效率關系的仿真分析

基于傳統導頻設計、半正交導頻設計以及修正后導頻設計三種方案下，系統的頻譜效率與基站天線數目、用戶數目之間（設置此時SNR=20）的關系如圖4所示。

圖3 系統頻譜效率與SNR關系

圖4 基站天線數與系統頻譜效率的關系

圖5 用戶數與系統頻譜效率的關系（SNR=20）

分析圖4可知：隨著基站天線數量的增加，系統的頻譜效率逐漸增加，且同一天線數目下半正交導頻設計方案下系統的頻譜效率均高于其他兩種導頻設計方案。

分析圖5可知，基于傳統導頻設計下系統的頻譜效率隨著用戶數先增大后減小，且用戶數為4時是分水嶺；此外，基于另外兩種導頻設計方案下系統的頻譜效率隨著用戶數的增大而增大，且同一用戶數下半正交導頻方案下系統的頻譜效率明顯高于修正后的半正交導頻方案。

2.2.3 系統均方誤差性能仿真分析

為了驗證不同導頻設計方案下系統的均方誤差，我們將對不同相干長度、不同用戶數以及不同SNR下系統的信道均方差。

1）不同導頻設計方案下系統信道估計的均方差與相干時間之間的關系如圖6所示。

分析圖6可知，傳統導頻設計和半正交導頻設計下系統的信道估計均方差不隨相干時間變化，而修正后的半正交導頻信道設計下系統的信道估計均方差隨著相干時間的增加而減少。

2）不同導頻設計方案下系統信道估計的均方差與用戶數目之間的關系如圖7所示。

圖6 相干時間與系統信道估計均方差的關系

圖7 用戶數目與系統信道估計均方差的關系

分析圖7可知，傳統導頻設計下的信道估計均方差不隨用戶數目的變化而變化；其余兩種方案下系統的信道估計均方差隨著用戶數目的增加而增加，且同一用戶數下，修正后的半正交導頻設計方案下系統的信道估計均方差小于半正交導頻設計方案。

3）不同導頻設計方案下系統信道估計的均方差與SNR之間的關系如圖8所示：

圖8 SNR與系統信道估計均方差的關系

分析圖8可知，當天線數目為20時，隨著信噪比的增加，系統信道估計的均方差不斷減小。且傳統導頻設計方案下的均方差最大，半正交導頻設計方案下的均方差最小。

3.總結

本文在分析傳統導頻設計和半正交導頻設計方案的基礎上，對半正交導頻設計方案進行了改進，并分析評估了修正后半正交導頻設計方案的性能。為了驗證該導頻設計方案的有效性，本文對傳統導頻設計、半正交導頻設計以及修正后的導頻設計方案下系統的性能進行仿真分析。通過仿真分析可知，基于半正交導頻方案下系統的頻率效率高于傳統導頻設計方案；基于修正后半正交導頻設計方案下系統信道估計的誤差小于半正交導頻設計方案。