基于特征值分布的自適應(yīng)MIMO接收方法

徐 堯，蔣攀攀，王大鳴

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基于特征值分布的自適應(yīng)MIMO接收方法

徐 堯，蔣攀攀，王大鳴

(解放軍信息工程大學(xué)信息系統(tǒng)工程學(xué)院，鄭州 450002)

多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)性能優(yōu)劣依賴于信道的相關(guān)特性，空分復(fù)用技術(shù)適用于低相關(guān)信道，而波束形成技術(shù)適用于高相關(guān)信道。依據(jù)上述信道相關(guān)特性，提出一種基于信道特征值分布的自適應(yīng)MIMO接收方法。該方法以均勻圓形天線陣列結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，能夠根據(jù)信道相關(guān)情況動(dòng)態(tài)選擇接收方式：當(dāng)角度擴(kuò)展較大時(shí)，選用傳統(tǒng)MIMO接收方式(稱為天線MIMO方式)；當(dāng)角度擴(kuò)展較小、多徑獨(dú)立時(shí)，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(kuò)展、多徑對(duì)信道特征值分布的影響，并給出自適應(yīng)MIMO接收切換的條件。仿真結(jié)果表明，該方法能夠適應(yīng)復(fù)雜的無線環(huán)境，誤碼率較低，性能更加穩(wěn)定可靠。

多輸入多輸出；波束形成；特征值分布；相關(guān)性；角度擴(kuò)展；誤碼率

1 概述

在上述基礎(chǔ)上，本文研究了多徑、角度擴(kuò)展(Angular Spread, AS)對(duì)上述2種接收方式的影響，在不同的角度擴(kuò)展條件下，天線MIMO與波束MIMO性能表現(xiàn)不同。據(jù)此，分析了多徑、角度擴(kuò)展與信道特征值分布的關(guān)系，提出一種基于信道特征值分布的自適應(yīng)MIMO接收方法。在不同的角度擴(kuò)展環(huán)境下，自適應(yīng)地選擇天線MIMO方式或波束MIMO方式接收空分復(fù)用信號(hào)。

2 系統(tǒng)及信道模型

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

圖1 自適應(yīng)MIMO接收模型

則波束信道輸出信號(hào)表示為：

3 自適應(yīng)MIMO接收方法

3.1 多徑、角度擴(kuò)展的影響分析

MIMO系統(tǒng)性能依賴于信道相關(guān)性的強(qiáng)弱。在實(shí)際通信環(huán)境中，尤其是由于多徑、角度擴(kuò)展的影響，接收端信道相關(guān)性不斷變化。基于均勻圓陣的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(jié)信道模型可知，MIMO信道相關(guān)性由相關(guān)矩陣表示，接收(發(fā)送)端的相關(guān)矩陣表示為：

假設(shè)接收端信號(hào)角能量分布服從均勻分布。函數(shù)表達(dá)式為：

在大角度擴(kuò)展條件下[9]，角度擴(kuò)展相比于天線間距對(duì)相關(guān)性的影響要大，且通過增加天線間距降低信道相關(guān)性并不能獲得理想效果。且隨著角度擴(kuò)展和多徑數(shù)量的增加，信道相關(guān)性逐漸減弱，有利于天線MIMO技術(shù)的應(yīng)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(kuò)展條件時(shí)使用天線MIMO方式接收的原因。

在小角度擴(kuò)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(guān)性。當(dāng)每徑角度擴(kuò)展較小且多徑到達(dá)角夾角較大時(shí)，多徑之間的相關(guān)性是很小的，特別是在散射不充分環(huán)境下，天線間相關(guān)性增強(qiáng)，傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)性能受限于系統(tǒng)相關(guān)性影響，波束MIMO技術(shù)正好可以彌補(bǔ)MIMO系統(tǒng)在該種環(huán)境下的不足。因此，考慮在小角度擴(kuò)展條件下利用陣元之間的強(qiáng)相關(guān)性和多徑之間的弱相關(guān)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(kuò)展小，多徑獨(dú)立時(shí)選用波束MIMO方式接收的原因。

3.2 自適應(yīng)切換條件

因此，可以將分析多徑角度擴(kuò)展大小和多徑相關(guān)性的問題轉(zhuǎn)化為對(duì)信道矩陣特征值分布的研究。信道相關(guān)矩陣表示為：

信道條件數(shù)的大小直接反映了信道相關(guān)性的強(qiáng)弱[12]，考慮采用波束MIMO接收方式時(shí)，應(yīng)當(dāng)具有多條獨(dú)立的徑，以達(dá)到構(gòu)造不相關(guān)子信道的目的。因此，可以在相關(guān)信道中檢測(cè)是否具有多個(gè)較大的特征值。下面以雙流空分復(fù)用信號(hào)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(kuò)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(kuò)展條件下(=5°)和大角度擴(kuò)展條件下(=30°)，獨(dú)立同分布高斯(IID)信道下 2發(fā)2收系統(tǒng)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(kuò)展條件下，波束MIMO接收方式誤碼率性能要優(yōu)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(kuò)展條件下，波束MIMO接收方式更優(yōu)，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(guān)性的作用，這是波束信道MIMO系統(tǒng)能夠提高接收系統(tǒng)誤碼率性能的主要原因。從圖6可以看出，在大角度擴(kuò)展條件下，天線MIMO方案優(yōu)于波束MIMO方案，且隨著角度擴(kuò)展的增大，四波束MIMO信道優(yōu)于兩波束MIMO信道，天線MIMO方式優(yōu)于波束MIMO方式。這主要是因?yàn)殡S著角度擴(kuò)展的增大，信道相關(guān)性減弱，可用子信道數(shù)增加，帶來了一定的分集增益。

圖5 小角度擴(kuò)展下誤碼率性能

圖6 大角度擴(kuò)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(kuò)展、低信噪比環(huán)境下使用，而天線MIMO方案更適合于大角度擴(kuò)展、高信噪比環(huán)境下應(yīng)用。

綜上所述，在信道相關(guān)性強(qiáng)、多徑獨(dú)立時(shí)選用波束MIMO接收方式；在信道相關(guān)性弱時(shí)，選用天線MIMO接收方式。顯然，自適應(yīng)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(yōu)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于均勻圓陣接收模型，研究了多徑、角度擴(kuò)展對(duì)相關(guān)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(xiàn)的原因，給出一種自適應(yīng)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(guān)信道下天線MIMO性能受限的缺點(diǎn)，保證了實(shí)際應(yīng)用中復(fù)雜多變無線環(huán)境下空分復(fù)用信號(hào)的可靠接收。仿真結(jié)果表明，該方法能夠針對(duì)多徑信道特點(diǎn)，較好地結(jié)合智能天線和MIMO 2種多天線技術(shù)，在不同的信道環(huán)境下自適應(yīng)地選用合適的接收技術(shù)，發(fā)揮了多天線技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

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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(guó)家科技重大專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目“新一代寬帶無線移動(dòng)通信網(wǎng)”(2011ZX03003-003-02)。

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

2013-03-08

2013-04-09 E-mail：qjpxy@126.com

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.03.022