基于虛擬空時信道技術的MIMO系統(tǒng)①

張 健, 周淵平, 楊貴德

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基于虛擬空時信道技術的MIMO系統(tǒng)①

張 健, 周淵平, 楊貴德

(四川大學電子信息學院, 成都 610065)

MIMO通信系統(tǒng)能夠在不增加系統(tǒng)帶寬以及功率的情況下, 提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率與頻帶利用率. 常規(guī)MIMO通信系統(tǒng)的每根發(fā)射天線承載單路用戶數(shù)據(jù)流, 通過增加天線數(shù)目提高系統(tǒng)信道容量與載入用戶數(shù)量, 即不同用戶數(shù)據(jù)分配至不同的發(fā)射天線上, 對于發(fā)射端的天線, 一方面, 增加天線數(shù)會增加系統(tǒng)復雜度, 另一方面, 每根發(fā)射天線僅分配單一用戶是浪費資源的. 因此, 在天線上復用多路用戶是MIMO系統(tǒng)的發(fā)展趨勢. 針對問題, 提出了在發(fā)射端級聯(lián)虛擬空時信道模塊的優(yōu)化MIMO系統(tǒng), 該模塊通過系統(tǒng)的反饋信息自適應地調(diào)整參數(shù), 優(yōu)化無線信道, 保證傳輸同樣數(shù)據(jù)流的情況下, 提高系統(tǒng)通信質(zhì)量以及在同樣的通信質(zhì)量下與系統(tǒng)帶寬下提高系統(tǒng)傳輸速率. 實驗測試以及仿真表明, 在2×2規(guī)模的MIMO系統(tǒng)中, 改進的MIMO系統(tǒng)能夠在相同帶寬內(nèi)至少提高50%的傳輸速率.

MIMO 系統(tǒng); 多用戶; 虛擬空時信道; 數(shù)據(jù)傳輸速率

在目前的現(xiàn)代通信中, 多輸入多輸出通信技術(MIMO: Multiple-input, multiple-output)能有效地提高數(shù)據(jù)傳輸速率, 信道容量以及頻帶利用率[1], 是現(xiàn)代移動通信的關鍵技術. 隨著通信技術的發(fā)展, 大數(shù)據(jù)傳輸和處理是通信系統(tǒng)的主要特征, 數(shù)據(jù)傳輸率越來越成為一個衡量通信系統(tǒng)性能的主要指標. 在常規(guī)MIMO通信系統(tǒng)中, 在相同時頻資源上, 一個M×M規(guī)模的系統(tǒng)至多能提高M倍的數(shù)據(jù)傳輸速率, 進一步提高數(shù)據(jù)傳輸速率的方法為增加系統(tǒng)的天線數(shù)目, 但這會增加系統(tǒng)的復雜度和成本. 因此, 加強天線資源復用是目前MIMO系統(tǒng)的主要發(fā)展目標. 第4代移動通信關鍵技術包括了正交頻分復用(OFDM)技術[2], 利用OFDM技術能夠有效地提高系統(tǒng)頻帶利用率, 但是在子載波正交性的約束下, 系統(tǒng)總頻寬的降低是有限的. 采用非頻分正交的用戶數(shù)據(jù)復用能夠有效的提高頻帶利用率, 目前比較熱門的技術為非正交多址接入技術(NOMA)[3], 該技術在發(fā)射端主動引入干擾信息, 在接收端通過串行干擾消除技術實現(xiàn)每個用戶的檢測. NOMA能夠極大提高MIMO系統(tǒng)的頻帶利用率, 但是NOMA技術的關鍵是在接收機端設計一個復雜度低且可靠的串行干擾檢測算法[4].

本文針對現(xiàn)有MIMO技術開展深入研究, 提出一種基于虛擬空時信道優(yōu)化的MIMO傳輸系統(tǒng). 在發(fā)射端級聯(lián)一個虛擬空時信道模塊, 使虛擬空時信道與實際傳輸信道組合成綜合的聯(lián)合信道, 那么整個通信系統(tǒng)的傳輸特性受控于虛擬空時信道, 基于這個處理, 使MIMO系統(tǒng)的發(fā)射端每根天線能夠發(fā)射同頻段的不同用戶數(shù)據(jù). 在接收端利用最大似然檢測[5](MLD: Maximum likelihood detection)算法檢測接收信號, 同時將當前MIMO系統(tǒng)的檢測狀態(tài)與實際信道狀態(tài)信息反饋至發(fā)射機, 發(fā)射端對反饋信息作出處理后, 自適應地調(diào)整虛擬空時信道模塊的參數(shù), 最終整個通信系統(tǒng)保持良好的通信質(zhì)量. 相比常規(guī)MIMO系統(tǒng), 優(yōu)化的MIMO系統(tǒng)在相同帶寬下能夠提高數(shù)據(jù)傳輸速率和頻帶利用率.

1 MIMO系統(tǒng)模型

1.1 模型分析

本文提出的基于虛擬空時信道的優(yōu)化無線傳輸系統(tǒng)模型如圖1所示. 發(fā)射端與接收端的天線數(shù)目分布和, 接收信號表示為[6]:

優(yōu)化后的MIMO系統(tǒng)模型如圖1所示.

圖1 級聯(lián)虛擬空時信道模塊的MIMO系統(tǒng)

圖1中, 相對與常規(guī)MIMO通信系統(tǒng)每根發(fā)射天線發(fā)射單路用戶,優(yōu)化后的的系統(tǒng)每根天線每路用戶數(shù)據(jù)都是同頻寬數(shù)據(jù), 通過權值調(diào)整能使每根天線上的多路疊加發(fā)射數(shù)據(jù)在良好的通信質(zhì)量下發(fā)射, 因此, 基于此種方案, 優(yōu)化后的系統(tǒng)能夠提高的系統(tǒng)傳輸速率和頻帶利用率, 其中, 后文將驗證在2′2MIMO系統(tǒng)中, 系統(tǒng)至少傳輸3路以上的用戶數(shù)據(jù), 提高了50%頻帶利用率.

1.2 基于ZC706+AD9361實驗平臺的模型

ZC706是XILINX公司最新開發(fā)的一款可以應用于MIMO通信系統(tǒng)的基帶板, 能夠支持AD9361, AD9684等MIMO系統(tǒng)射頻模塊板. 搭建ZC706+AD9361實驗平臺, 可以進行2′2, 4′4等小規(guī)模的MIMO通信系統(tǒng)的測試. 將基于虛擬空時信道的MIMO系統(tǒng)應用于ZC706實驗平臺, 整個MIMO系統(tǒng)包括了以下模塊:

(1) QPSK調(diào)制模塊;

(2) 虛擬空時模塊;

(3) 發(fā)射square-root插值成形濾波器;

(4) AD9361射頻發(fā)射模塊;

(5) AD9361 射頻接收模塊;

(6) 時間同步模塊;

(7) 頻偏校正模塊;

(8) 接收square-root抽取匹配濾波器;

(9) 最大似然檢測模塊;

(10) QPSK解調(diào)模塊;

(11) 反饋模塊.

發(fā)射端、接收端的功能模塊如圖2、圖3所示.

圖2 MIMO系統(tǒng)發(fā)射端

圖3 MIMO系統(tǒng)接收端

圖2、圖3中的AD9361模塊是兼具發(fā)射與接收功能的射頻發(fā)射模塊. 系統(tǒng)將發(fā)射鏈路與接收端的反饋鏈路數(shù)據(jù)的信號分別調(diào)制至2.4GHz與2.45GHz頻段發(fā)射, 實現(xiàn)了頻分全雙工的傳輸模式, 發(fā)射端的square-root插值濾波器的作用為平滑方波,限定傳輸信號的帶寬,降低信號在無線信道的衰落程度, 接收端的square-root匹配濾波器作用是將發(fā)射端的接收的平滑模擬波整形為原基帶方波.

在ZC706平臺上搭建圖2, 圖3的通信模型, 驗證基于虛擬空時信道的MIMO系統(tǒng)的可行性.

2 虛擬空時信道模塊處理機制

MIMO無線傳輸數(shù)學學模型由式(1)所示, 空氣中的信道對于整個通信系統(tǒng)的質(zhì)量影響較大, 所以提出在發(fā)射天線之前級聯(lián)虛擬信道模塊, 目的是改善無線信道環(huán)境[7]. 令實際傳輸信道為慢衰落信道[8], 那么其結構如式(3)所示:

虛擬空時信道的處理原則: 進入模塊的各個單路用戶數(shù)據(jù)通過各個虛擬子信道, 然后發(fā)送至相應的發(fā)射天線上. 處理過程如圖4所示.

圖4 虛擬空時信道模塊

虛擬空時信道即對從接收端反饋而來的信息做自適應調(diào)整. 對傳輸環(huán)境惡劣的子信道, 虛擬空時模塊將提高天線的發(fā)射功率, 補償相位, 提高接收端的信號的信噪比, 降低系統(tǒng)的誤碼率.

3 計算機仿真驗證

本文提出的MIMO系統(tǒng)相對于常規(guī)MIMO系統(tǒng)能夠自適應的使發(fā)射數(shù)據(jù)適應當前實際信道傳輸. 因此, 在相同的天線規(guī)模和用戶數(shù)的情況下, 基于虛擬空時信道的MIMO系統(tǒng)的通信質(zhì)量比常規(guī)MIMO系統(tǒng)好, 即接收端的信號的檢測的誤碼率低; 在相同誤碼率情況下, 基于虛擬空時信道的MIMO系統(tǒng)的傳輸速率比常規(guī)MIMO系統(tǒng)要高. 為驗證改進的MIMO系統(tǒng)正確性, 首先在計算機中仿真兩種系統(tǒng)的性能.

實驗一: 在相同的天線數(shù)目和發(fā)送數(shù)據(jù)信號路數(shù)情況下, 比較本文提出的改進MIMO系統(tǒng)與傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)的誤碼率性能. 仿真條件設置: 2×2MIMO系統(tǒng), 仿真數(shù)據(jù)點數(shù)L=30000, 信道H為慢衰落信道,基帶數(shù)據(jù)采用QPSK調(diào)制. 仿真結果如圖5所示.

圖5 同用戶數(shù)據(jù)系統(tǒng)誤碼率性能對比

圖5中兩個系統(tǒng)的每根發(fā)射天線的發(fā)射一路數(shù)據(jù)信號. 其中改進的MIMO系統(tǒng)的誤碼率的性能圖是在基于最佳虛擬信道時的結果. 從圖中可以看出, 當系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率相同時, 在接收信噪比0~20dB的范圍內(nèi), 改進MIMO系統(tǒng)的誤碼率低于常規(guī)MIMO系統(tǒng), 因此, 虛擬空時信道模塊能夠有效的改善信道環(huán)境, 降低系統(tǒng)的誤碼率.

實驗二: 在實驗一的基礎上, 只在其中一根發(fā)射天線上增加一路用戶數(shù)據(jù)信號, 即2根發(fā)射天線發(fā)射3路用戶數(shù)據(jù). 驗證改進MIMO系統(tǒng)能否在傳輸多路數(shù)據(jù)情況下, 保持良好的通信質(zhì)量, 仿真結果如圖6所示. 其中改進MIMO系統(tǒng)的誤碼率性能圖仍然是基于最優(yōu)虛擬信道時的結果.

圖6 不同用戶數(shù)系統(tǒng)誤碼率性能對比

圖6中在信噪比為0至7dB時, 常規(guī)MIMO系統(tǒng)的誤碼率與改進MIMO系統(tǒng)的誤碼率基本一致, 在高于7dB時, 改進MIMO系統(tǒng)的誤碼率明顯低于常規(guī)MIMO系統(tǒng), 改進MIMO系統(tǒng)在傳輸3路用戶數(shù)據(jù)時仍然可以保證誤碼率與常規(guī)MIMO系統(tǒng)一致, 甚至更低, 這說明改進的MIMO系統(tǒng)能夠在保證不惡化MIMO通信系統(tǒng)的前提下, 增加用戶數(shù)量. 因此, 由圖6, 相對于常規(guī)MIMO系統(tǒng)2根天線發(fā)射2路用戶數(shù)據(jù), 改進后的優(yōu)化MIMO系統(tǒng)能夠通過加權調(diào)節(jié), 能夠傳輸3路用戶數(shù)據(jù), 并且保持相對低的誤碼率, 從而可知, 優(yōu)化的MIMO系統(tǒng)在同樣的天線規(guī)模下能夠至少提高50%的數(shù)據(jù)傳輸率.

計算機仿真表明, 空時虛擬信道可以在不惡化通信系統(tǒng)通信質(zhì)量的前提下, 提高至少50%的數(shù)據(jù)傳輸率和頻帶利用率. 為進一步驗證該系統(tǒng)的可靠性與實用性, 本文在仿真的基礎上, 將該系統(tǒng)移植至ZC706+AD9361硬件平臺上進行測試.

4 系統(tǒng)硬件平臺搭建和測試

在本實驗中, 選用2個能夠?qū)崿F(xiàn)2×2規(guī)模的MIMO通信系統(tǒng)的ZC706+AD9361實驗平臺, 分別作為發(fā)射端和接收端. 圖2和圖3中功能模塊通過編程在該硬件平臺上實現(xiàn), 圖7為2′2MIMO通信系統(tǒng)的ZC706+AD9361實驗平臺.

圖7 ZC706+AD9361實驗平臺

圖7中綠色部分為ZC706基帶板, 藍色部分為AD9361射頻板. AD9361兼具2根發(fā)射天線與2根接收天線, 因此ZC706接收機能夠通過AD9361的接收天線檢測接收信號, 并能夠?qū)z測的誤碼率信息通過發(fā)射天線反饋至發(fā)射機. 同樣, 發(fā)射機能夠通過發(fā)射天線發(fā)射信號, 通過接收天線接收反饋信息, 這樣構成了一個完整的發(fā)射、反饋鏈路.

實驗測試環(huán)境為圖8的微波暗室, 避免多徑干擾, 保證了數(shù)據(jù)測量的穩(wěn)定性和可靠性.

圖8 實驗測試環(huán)境

在如圖8中的微波暗室環(huán)境測試了常規(guī)MIMO系統(tǒng)與改進MIMO系統(tǒng)的誤碼率, 實驗中每個數(shù)據(jù)是測試20次的平均值. 表1記錄了常規(guī)MIMO系統(tǒng)與改進后的MIMO系統(tǒng)傳輸2路用戶數(shù)據(jù)的誤碼率, 表2記錄了常規(guī)系統(tǒng)傳輸2路用戶數(shù)據(jù), 改進MIMO系統(tǒng)傳輸3路用戶數(shù)據(jù)的誤碼率.

表1 相同用戶數(shù)據(jù)傳輸誤碼率性能

表1中數(shù)據(jù)的發(fā)射端信噪比SNR=12.42dB, 第一列的的括號中的值為虛擬信道, 其中第一個值數(shù)據(jù)為第一路數(shù)據(jù)的虛擬信道參數(shù), 第二個值為第二路數(shù)據(jù)的虛擬信道參數(shù). 第二列為改進MIMO系統(tǒng)的誤碼率數(shù)據(jù), 可以看出, 系統(tǒng)的誤碼率從0.15逐漸降至為0.04左右; 第三列的常規(guī)系統(tǒng)的誤碼率等于0.0884左右. 因此, 虛擬空時模塊能自適應的調(diào)整信道參數(shù), 使整個通信系統(tǒng)保持良好的通信質(zhì)量, 在相同的數(shù)據(jù)速率情況下, 降低接收信號的誤碼率.

表2 不同用戶數(shù)數(shù)據(jù)傳輸誤碼率性能

表2數(shù)據(jù)的發(fā)射端信噪比SNR=11.97dB, 第一列的三個數(shù)據(jù)分別表示第1,2,3個用戶的虛擬信道參數(shù), 由第二列數(shù)據(jù)可知, 改進的MIMO系統(tǒng)誤碼率逐漸減小, 最終穩(wěn)定在0.07附近, 常規(guī)MIMO系統(tǒng)的誤碼率穩(wěn)定在0.0831左右, 在多增加一路數(shù)據(jù)用戶的情況下, 改進MIMO系統(tǒng)仍然保持良好的通信質(zhì)量, 其誤碼率比常規(guī)MIMO系統(tǒng)的誤碼率還低, 實驗結果與圖6仿真結果吻合, 即在2根發(fā)射天線規(guī)模的MIMO系統(tǒng)中, 優(yōu)化的MIMO系統(tǒng)相對于常規(guī)MIMO系統(tǒng)能夠多傳輸一路用戶數(shù)據(jù), 并且保證相對較低的誤碼率, 因此該系統(tǒng)有能力更多路用戶數(shù)據(jù), 在此實驗基礎上, 提高至少50%的數(shù)據(jù)傳輸速率和頻帶利用率.

5 結語

MIMO技術是現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)的關鍵技術, 該技術能夠保持不增加系統(tǒng)帶寬和功率的情況下, 提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸率以及頻帶利用率[11]. 考慮到工程系統(tǒng)的復雜度以及成本問題, 本文對常規(guī)MIMO系統(tǒng)進行優(yōu)化, 提出了虛擬空時信道技術, 該技術的原理是通過將多用戶數(shù)據(jù)流通過虛擬空時信道組合發(fā)射, 能夠根據(jù)當前實際信道狀態(tài)對虛擬空時信道自適應地調(diào)整, 保證系統(tǒng)的良好的通信質(zhì)量. 目前仿真和測試的結果表明, 改進后的MIMO系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在不損失誤碼率性能的前提下, 實現(xiàn)增加50%的數(shù)據(jù)傳輸率和頻帶利用率. 這對今后的移動通信是十分有利的, 能夠節(jié)約非常寶貴的頻帶資源和降低設備成本. 目前系統(tǒng)檢測算法為MLD算法, 在高階調(diào)制與大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的復雜度較高, 系統(tǒng)接收端的延遲較高, 下個階段目標為優(yōu)化檢測算法, 采用復雜度更低的球形檢測算法, 希望在高階調(diào)制、大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中實現(xiàn)增加頻帶利用率一倍以上的目標, 即MIMO系統(tǒng)的每根發(fā)射天線上傳輸2路以上的用戶數(shù)據(jù).

1肖揚.MIMO多天線通信系統(tǒng).北京:人民郵電出版社,2009.

2 羅仁澤.OFDM無線移動通信系統(tǒng)關鍵技術研究[博士學位論文].成都:電子科技大學,2004.

3 畢奇,梁林,楊姍,陳鵬.面向5G的非正交多址接入技術.電信科學,2015,31(5):1–8.

4徐晉.非正交多址接入中的若干關鍵技術研究[博士學位論文].北京:北京郵電大學,2015.

5 王世良.MIMO通信系統(tǒng)接收端檢測技術研究[博士學位論文].北京:北京郵電大學,2014.

6 李菊芳.下一代移動通信系統(tǒng)中大規(guī)模MIMO技術研究[碩士學位論文].泉州:華僑大學,2014.

7傅海陽,陳技江,曹士坷,賈向東.MIMO系統(tǒng)和無線信道容量研究.電子學報,2011,39(10):2221–2229.

8黃丘林.MIMO無線通信技術研究[博士學位論文].西安:西安電子科技大學,2007.

9 馬優(yōu).MIMO無線信道建模與仿真研究[碩士學位論文].成都:電子科技大學,2010.

10倪振文,王俊年,徐學軍.衰落相關對分布式MIMO信道容量的影響.湖南科技大學學報,2006,21(2):29–33.

11梁童.MIMO移動通信系統(tǒng)中的預編碼技術研究[碩士學位論文]北京:北京郵電大學,2009.

MIMO System Based on the Virtual Space-Time Channel Technology

ZHANG Jian, ZHOU Yuan-Ping, YANG Gui-De

(School of Electronic & Information Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

The MIMO communication system can improve the data transmission rate and spectrum efficiency without increasing the bandwidth and power of system. Each transmitting antenna is allocated a single user in the conventional MIMO communication system, which can improve the channel capacity and the number of user through adding the antenna. It equals to allocating different user to different transmitting antenna. For the transmitting antenna, on the one hand, it would increase the system complexity, on the other hand, the fact that only a single user is allocated on each transmitting antenna is a waste of resource. Therefore, multiplexing multiple users on the antenna is the development trend of MIMO system. For this, we put forward an optimal MIMO system of connecting a virtual space-time channel module to transmitter. It can adaptively adjust the parameters of the module through the feedback information, and optimize the wireless channel, and improve the communication quality of system for the same data transmission rate and increase the data transmission rate for the same communication quality of system. The experiment and simulation shows that the improved MIMO system can improve data transmission rate of 50% at least for a 2′2 MIMO system.

MIMO system; multiple users; virtual space-time channel; data transmission rate

高等學校博士學科點專項科研基金(20130191110006)

2016-06-30;

2016-08-08

[10.15888/j.cnki.csa.005658]