八波束STBC-BF發射方案中天線選擇技術的應用

王曼，戰金龍

（西安郵電大學通信與信息工程學院，陜西 西安 710121）

八波束STBC-BF發射方案中天線選擇技術的應用

王曼，戰金龍

（西安郵電大學通信與信息工程學院，陜西 西安 710121）

提出了大規模MIMO系統空時編碼結合特征波束成形（STBC-BF）方案中的天線選擇技術。發射符號空時分組編碼后經天線陣列加權，形成特征波束，利用天線選擇技術對發射天線和接收天線進行選擇，接收端采用傳統譯碼方法進行譯碼。該方案既可以獲得空間分集增益和陣列增益，又能減少射頻鏈路的數目，從而降低計算復雜度。仿真結果表明了該方案的有效性。

大規模MIMO；波束成形；空時編碼；天線選擇

1 引言

隨著人們對更高數據速率的需求，MIMO（multiple input multiple output，多輸入多輸出）已經成為很多現代無線通信標準的關鍵技術。2010年，貝爾實驗室的科學家 Marzetta提出了大規模MIMO系統[1,2]，與傳統的MIMO系統相比，大規模MIMO是在基站端配置大規模的天線陣列來得到更大的無線數據流以及更好的連接可靠性，通過大量天線數獲得更多的獨立空間數據流，可以降低小區間和小區內用戶間的干擾，使得頻譜效率得到數倍提高[3-5]。

空時編碼設計的目標就是以最簡單的譯碼算法，獲得高的分集增益、編碼增益和可能的最大吞吐量[6]，空時編碼雖然可以有效抵抗信道的深衰落，但卻無法有效抑制各種干擾。波束成形技術在增強期望信號、抑制用戶間同信道干擾方面具有強大的優勢，但對信道的深衰落無能為力。因此，將空時編碼和波束成形技術有效地結合，能夠克服上述二者各自的缺點，而且可以同時獲得分集增益和陣列增益。

大規模MIMO的主要優點是在不增加額外發射功率和頻譜資源的情況下，可以獲得更好的性能，然而，它的主要缺點是當使用大量的天線時，不但需要額外的高成本射頻模塊，如低噪放大器、下變頻和模數轉換器[7]，還會使通信系統的計算復雜度大大增加。天線選擇技術[8-10]是在多根天線中選擇一些信道質量較好的天線來進行數據傳輸或者數據接收，將其他信道質量較差的天線舍棄，在基本保證系統整體性能的情況下，顯著降低了復雜度和硬件成本，同時仍然保持系統的多樣性優勢。參考文獻[11]在分析了大規模MIMO情況下，將發射端天線選擇分別與 ZF-BF、MRT-BF和MMSE-BF 3種方案相結合，在保證良好性能的同時，通過減少射頻單元克服了系統的主要缺點。本文在大規模MIMO系統下，將發射端天線選擇（transmit antenna selection，TAS）技術和接收端天線選擇（receive antenna selection，RAS）技術應用在八波束STBC-BF的方案中。

2 系統模型

根據天線選擇的方法，可分為發射端天線選擇和接收端天線選擇，即 TAS與 STBC-BF結合和RAS與STBC-BF結合，如圖1和圖2所示。

圖1 TAS與STBC-BF結合模型

圖2 RAS與STBC-BF結合模型

在系統模型中，假設發射端天線陣是有NT個陣元的均勻線陣，接收端天線數為Nr，陣元間距，其中λ為波長。發射端只使用N個射頻

F模塊支持NT根發射天線，需要將NF個射頻模塊有選擇地映射到NT根天線中的NF根天線。而接收端從Nr根天線中選擇Lr根天線，數據流經過Lr個射頻鏈路處理后進行解碼。

2.1 八波束STBC-BF

Alamouti提出的空時編碼方案是將符號流兩兩分組，兩個時隙內完成兩個符號的發送，即Alamouti空時編碼方案[6]，參考文獻[12-14]都描述了兩波束的STBC-BF方案。本文是將發射符號分為8個支流，根據實正交編碼矩陣[15]，可得復正交編碼矩陣為：

假設信道是平坦衰落信道[17]，包含L條空間可分離的路徑，信道矩陣[18]可以表示為：

其中，hil是第l條路徑中從發射天線陣到第i根接收天線的復信道矩陣增益。信道矩陣H又可以定義為：

其中，d為陣元間距，λ為波長，M是一個天線陣的陣元數。假設移動端為單天線用戶，則第i個移動端可接收到的信號為：

2.2 天線選擇算法

在TAS與STBC-BF結合模型中，從NT根發射天線中選擇NF根天線與射頻單元連接，選擇后的有效信道為Hs，Hs是信道矩陣H的子集。將差錯性能作為設計準則，即選擇發射天線以使差錯概率最小，令表示在給定信道的條件下，發射空時碼字為CA而解碼為CB的成對差錯概率。對于信道Hs，空時編碼的成對差錯概率上限為[7,11]：

其中，ρ是信噪比，CA-CB為誤差矩陣，為了最小化差錯概率，應使最大化，假設h=HT，即從矩陣h的N列中選出具有最大

T范數的NF列作為選擇的子集。算法具體描述如下。

步驟 1 對h中的每一列取范數norm(hi', fro')， hi是h的第i列。

步驟 4 得出選擇 NRF根天線的信道，新的陣列導向矢量

當在接收端進行天線選擇時，從矩陣h的Nr行中選出具有最大范數的Lr行作為選擇的子集。具體算法與發射端天線選擇類似，將選出的天線與射頻單元連接，接收端譯碼時采用和STBC一樣的譯碼方法。

3 仿真結果與分析

系統仿真條件設置如下：系統的信道環境為平坦衰落信道，大尺度衰落時的路徑損耗指數為3.7，小區半徑為1，（歸一化）調制方式為QPSK。

八波束 STBC-BF和發射端天線選擇八波束STBC-BF兩種情況下的誤碼率性能比較如圖3所示。其中空間路徑數L=8，陣元數為198，接收端為單天線，采用天線選擇時，依據范數法從198根天線中選擇64根天線，未加天線選擇時任用64根天線。從圖 3可以看出，由于采用范數法進行天線選擇時，所選天線都是最高列范數對應的天線，即信噪比最大的天線，因而發射端天線選擇八波束STBC-BF有更好的性能，即不需要在發射端使用額外的RF模塊，就能獲得更多的分集增益。

圖3 八波束STBC-BF和發射端天線選擇八波束STBC-BF兩種情況下的誤碼率性能比較

八波束 STBC-BF和接收端天線選擇八波束STBC-BF兩種情況下的誤碼率性能比較如圖4所示。其中，空間路徑數L=8，陣元數為64，接收端天線數為4。當接收端天線選擇時，仍舊根據范數法從4根天線中選擇1根接收天線，而未采用天線選擇技術時任選1根接收天線。從圖4可以看出，當誤碼率為10-3時，接收端天線選擇技術與未采用天線選擇技術相比有大約 2.5 dB的增益，所以在接收端使用天線選擇同樣可以獲得更多的增益。

圖4 八波束STBC-BF和接收端天線選擇八波束STBC-BF兩種情況下的誤碼率性能比較

發射端和接收端聯合采用天線選擇、發射端采用天線選擇、接收端采用天線選擇和未采用天線選擇4種情況下的誤碼率性能比較如圖5所示。其中空間路徑數L=8，陣元數為198，依據范數法，當聯合天線選擇時，發射端所選天線數為64，接收端所選天線數為 1；當發射端單獨選擇時，所選天線數為64，接收端隨機配備1根天線；當接收端單獨選擇時，發射端隨機配備64根天線，接收端由范數法選擇1根天線；當未采用天線選擇時，發射端有64根天線，接收端有1根天線。從圖5可以看出，不采用天線選擇時的系統性能最差，聯合天線選擇與發射端和接收端單獨采用天線選擇相比，性能有所提高，即在發射端和接收端同時采用天線選擇既能獲得更高的增益，又能更多地減少射頻元件。

圖5 4種情況下的誤碼率性能比較

在TAS與STBC-BF結合模型中，依據范數法，從198根發射天線中選擇不同發射天線數的比較如圖6所示。其中空間路徑數L=8，接收端天線數為1。從圖6可以看出，由于一些發射天線可能會引起病態矩陣，雖然隨著被選天線數的增加，系統性能會不斷提高，但是被選天線數越多，性能增加的速度就會變得越慢。

圖6 從198根發射天線中選擇不同發射天線數的比較

4 結束語

本文主要討論了大規模MIMO系統中天線選擇技術與八波束STBC-BF結合的方案，在獲得分集增益和陣列增益的情況下，減少了射頻模塊的使用和系統復雜度，節省了資源和費用。仿真結果表明，在發射端和接收端同時使用天線選擇技術時，能提供更多的增益，同時驗證了隨著發射天線數的增加，系統性能增加的速度變慢。

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Application of antenna selection technology in eight-beam STBC-BF transmit scheme

WANG Man, ZHAN Jinlong
School of Telecommunication and Information Engineering, Xi’an University of Posts & Telecommunications, Xi’an 710121, China

An antenna selection scheme of space-time block coding combined with eight-beamforming (STBC-BF) in massive MIMO system was proposed. Transmit symbols were coded by space-time block coder, then the coded symbols were weighted by antenna array form eight-beam. The antenna selection technology was used to select the transmitting antenna and the receiving antenna, traditional decoding method was performed at the receiver. The proposed scheme can not only obtain the space diversity gain and array gain, but also can reduce the computational complexity by reducing the number of the RF links. Simulation results confirm the validity of the proposed scheme.

massive MIMO, beamforming, space-time block coding, antenna selection

s: The National Science and Technology Major Project of China (No.2014ZX03003005-003), The National High Technology Research and Development Program of China (863 Program) (No.2014AA01A705), The National Natural Science Foundation of China (No.61501371), Shaanxi Provincial Natural Science Foundation of China (No.2011JM8027)

TN929.5

：A

10.11959/j.issn.1000-0801.2017242

王曼（1991-），女，西安郵電大學通信與信息工程學院碩士生，主要研究方向為寬帶無線通信。

戰金龍（1979-），男，西安郵電大學通信與信息工程學院副教授、碩士生導師，主要研究方向為大規模MIMO中的預編碼技術、波束成形技術及信號檢測技術等。

2017-06-06；

：2017-08-01

國家科技重大專項基金資助項目（No.2014ZX03003005-003）；國家高技術研究發展計劃（“863”計劃）基金資助項目（No.2014AA01A705）；國家自然科學基金資助項目（No.61501371）；陜西省自然科學基金資助項目（No.2011JM8027）