基于虛擬空時信道技術的MIMO系統①

張 健, 周淵平, 楊貴德

?

基于虛擬空時信道技術的MIMO系統①

張 健, 周淵平, 楊貴德

(四川大學電子信息學院, 成都 610065)

MIMO通信系統能夠在不增加系統帶寬以及功率的情況下, 提高系統的數據傳輸速率與頻帶利用率. 常規MIMO通信系統的每根發射天線承載單路用戶數據流, 通過增加天線數目提高系統信道容量與載入用戶數量, 即不同用戶數據分配至不同的發射天線上, 對于發射端的天線, 一方面, 增加天線數會增加系統復雜度, 另一方面, 每根發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系統的發展趨勢. 針對問題, 提出了在發射端級聯虛擬空時信道模塊的優化MIMO系統, 該模塊通過系統的反饋信息自適應地調整參數, 優化無線信道, 保證傳輸同樣數據流的情況下, 提高系統通信質量以及在同樣的通信質量下與系統帶寬下提高系統傳輸速率. 實驗測試以及仿真表明, 在2×2規模的MIMO系統中, 改進的MIMO系統能夠在相同帶寬內至少提高50%的傳輸速率.

MIMO 系統; 多用戶; 虛擬空時信道; 數據傳輸速率

在目前的現代通信中, 多輸入多輸出通信技術(MIMO: Multiple-input, multiple-output)能有效地提高數據傳輸速率, 信道容量以及頻帶利用率[1], 是現代移動通信的關鍵技術. 隨著通信技術的發展, 大數據傳輸和處理是通信系統的主要特征, 數據傳輸率越來越成為一個衡量通信系統性能的主要指標. 在常規MIMO通信系統中, 在相同時頻資源上, 一個M×M規模的系統至多能提高M倍的數據傳輸速率, 進一步提高數據傳輸速率的方法為增加系統的天線數目, 但這會增加系統的復雜度和成本. 因此, 加強天線資源復用是目前MIMO系統的主要發展目標. 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頻帶利用率, 但是在子載波正交性的約束下, 系統總頻寬的降低是有限的. 采用非頻分正交的用戶數據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每個用戶的檢測. NOMA能夠極大提高MIMO系統的頻帶利用率, 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].

本文針對現有MIMO技術開展深入研究, 提出一種基于虛擬空時信道優化的MIMO傳輸系統. 在發射端級聯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合信道, 那么整個通信系統的傳輸特性受控于虛擬空時信道, 基于這個處理, 使MIMO系統的發射端每根天線能夠發射同頻段的不同用戶數據. 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系統的檢測狀態與實際信道狀態信息反饋至發射機, 發射端對反饋信息作出處理后, 自適應地調整虛擬空時信道模塊的參數, 最終整個通信系統保持良好的通信質量. 相比常規MIMO系統, 優化的MIMO系統在相同帶寬下能夠提高數據傳輸速率和頻帶利用率.

1 MIMO系統模型

1.1 模型分析

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

優化后的MIMO系統模型如圖1所示.

圖1 級聯虛擬空時信道模塊的MIMO系統

圖1中, 相對與常規MIMO通信系統每根發射天線發射單路用戶,優化后的的系統每根天線每路用戶數據都是同頻寬數據, 通過權值調整能使每根天線上的多路疊加發射數據在良好的通信質量下發射, 因此, 基于此種方案, 優化后的系統能夠提高的系統傳輸速率和頻帶利用率, 其中, 后文將驗證在2′2MIMO系統中, 系統至少傳輸3路以上的用戶數據, 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公司最新開發的一款可以應用于MIMO通信系統的基帶板, 能夠支持AD9361, AD9684等MIMO系統射頻模塊板. 搭建ZC706+AD9361實驗平臺, 可以進行2′2, 4′4等小規模的MIMO通信系統的測試. 將基于虛擬空時信道的MIMO系統應用于ZC706實驗平臺, 整個MIMO系統包括了以下模塊:

(1) QPSK調制模塊;

(2) 虛擬空時模塊;

(3) 發射square-root插值成形濾波器;

(4) AD9361射頻發射模塊;

(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解調模塊;

(11) 反饋模塊.

發射端、接收端的功能模塊如圖2、圖3所示.

圖2 MIMO系統發射端

圖3 MIMO系統接收端

圖2、圖3中的AD9361模塊是兼具發射與接收功能的射頻發射模塊. 系統將發射鏈路與接收端的反饋鏈路數據的信號分別調制至2.4GHz與2.45GHz頻段發射, 實現了頻分全雙工的傳輸模式, 發射端的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系統的可行性.

2 虛擬空時信道模塊處理機制

MIMO無線傳輸數學學模型由式(1)所示, 空氣中的信道對于整個通信系統的質量影響較大, 所以提出在發射天線之前級聯虛擬信道模塊, 目的是改善無線信道環境[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據通過各個虛擬子信道, 然后發送至相應的發射天線上. 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整. 對傳輸環境惡劣的子信道, 虛擬空時模塊將提高天線的發射功率, 補償相位, 提高接收端的信號的信噪比, 降低系統的誤碼率.

3 計算機仿真驗證

本文提出的MIMO系統相對于常規MIMO系統能夠自適應的使發射數據適應當前實際信道傳輸. 因此, 在相同的天線規模和用戶數的情況下, 基于虛擬空時信道的MIMO系統的通信質量比常規MIMO系統好, 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系統的傳輸速率比常規MIMO系統要高. 為驗證改進的MIMO系統正確性, 首先在計算機中仿真兩種系統的性能.

實驗一: 在相同的天線數目和發送數據信號路數情況下, 比較本文提出的改進MIMO系統與傳統MIMO系統的誤碼率性能. 仿真條件設置: 2×2MIMO系統, 仿真數據點數L=30000, 信道H為慢衰落信道,基帶數據采用QPSK調制. 仿真結果如圖5所示.

圖5 同用戶數據系統誤碼率性能對比

圖5中兩個系統的每根發射天線的發射一路數據信號. 其中改進的MIMO系統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, 當系統的數據傳輸速率相同時, 在接收信噪比0~20dB的范圍內, 改進MIMO系統的誤碼率低于常規MIMO系統, 因此, 虛擬空時信道模塊能夠有效的改善信道環境, 降低系統的誤碼率.

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

圖6 不同用戶數系統誤碼率性能對比

圖6中在信噪比為0至7dB時, 常規MIMO系統的誤碼率與改進MIMO系統的誤碼率基本一致, 在高于7dB時, 改進MIMO系統的誤碼率明顯低于常規MIMO系統, 改進MIMO系統在傳輸3路用戶數據時仍然可以保證誤碼率與常規MIMO系統一致, 甚至更低, 這說明改進的MIMO系統能夠在保證不惡化MIMO通信系統的前提下, 增加用戶數量. 因此, 由圖6, 相對于常規MIMO系統2根天線發射2路用戶數據, 改進后的優化MIMO系統能夠通過加權調節, 能夠傳輸3路用戶數據, 并且保持相對低的誤碼率, 從而可知, 優化的MIMO系統在同樣的天線規模下能夠至少提高50%的數據傳輸率.

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

4 系統硬件平臺搭建和測試

在本實驗中, 選用2個能夠實現2×2規模的MIMO通信系統的ZC706+AD9361實驗平臺, 分別作為發射端和接收端. 圖2和圖3中功能模塊通過編程在該硬件平臺上實現, 圖7為2′2MIMO通信系統的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, 并能夠將檢測的誤碼率信息通過發射天線反饋至發射機. 同樣, 發射機能夠通過發射天線發射信號, 通過接收天線接收反饋信息, 這樣構成了一個完整的發射、反饋鏈路.

實驗測試環境為圖8的微波暗室, 避免多徑干擾, 保證了數據測量的穩定性和可靠性.

圖8 實驗測試環境

在如圖8中的微波暗室環境測試了常規MIMO系統與改進MIMO系統的誤碼率, 實驗中每個數據是測試20次的平均值. 表1記錄了常規MIMO系統與改進后的MIMO系統傳輸2路用戶數據的誤碼率, 表2記錄了常規系統傳輸2路用戶數據, 改進MIMO系統傳輸3路用戶數據的誤碼率.

表1 相同用戶數據傳輸誤碼率性能

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

表2 不同用戶數數據傳輸誤碼率性能

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

5 結語

MIMO技術是現代移動通信系統的關鍵技術, 該技術能夠保持不增加系統帶寬和功率的情況下, 提高系統的數據傳輸率以及頻帶利用率[11]. 考慮到工程系統的復雜度以及成本問題, 本文對常規MIMO系統進行優化, 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據流通過虛擬空時信道組合發射, 能夠根據當前實際信道狀態對虛擬空時信道自適應地調整, 保證系統的良好的通信質量. 目前仿真和測試的結果表明, 改進后的MIMO系統能夠實現在不損失誤碼率性能的前提下, 實現增加50%的數據傳輸率和頻帶利用率. 這對今后的移動通信是十分有利的, 能夠節約非常寶貴的頻帶資源和降低設備成本. 目前系統檢測算法為MLD算法, 在高階調制與大規模MIMO系統中的復雜度較高, 系統接收端的延遲較高, 下個階段目標為優化檢測算法, 采用復雜度更低的球形檢測算法, 希望在高階調制、大規模MIMO系統中實現增加頻帶利用率一倍以上的目標, 即MIMO系統的每根發射天線上傳輸2路以上的用戶數據.

1肖揚.MIMO多天線通信系統.北京:人民郵電出版社,2009.

2 羅仁澤.OFDM無線移動通信系統關鍵技術研究[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中大規模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.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]