王曼，戰(zhàn)金龍

（西安郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710121）

八波束STBC-BF發(fā)射方案中天線選擇技術(shù)的應(yīng)用

王曼，戰(zhàn)金龍

（西安郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710121）

提出了大規(guī)模MIMO系統(tǒng)空時(shí)編碼結(jié)合特征波束成形（STBC-BF）方案中的天線選擇技術(shù)。發(fā)射符號(hào)空時(shí)分組編碼后經(jīng)天線陣列加權(quán)，形成特征波束，利用天線選擇技術(shù)對發(fā)射天線和接收天線進(jìn)行選擇，接收端采用傳統(tǒng)譯碼方法進(jìn)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(shù)目，從而降低計(jì)算復(fù)雜度。仿真結(jié)果表明了該方案的有效性。

大規(guī)模MIMO；波束成形；空時(shí)編碼；天線選擇

1 引言

隨著人們對更高數(shù)據(jù)速率的需求，MIMO（multiple input multiple output，多輸入多輸出）已經(jīng)成為很多現(xiàn)代無線通信標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵技術(shù)。2010年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家 Marzetta提出了大規(guī)模MIMO系統(tǒng)[1,2]，與傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)相比，大規(guī)模MIMO是在基站端配置大規(guī)模的天線陣列來得到更大的無線數(shù)據(jù)流以及更好的連接可靠性，通過大量天線數(shù)獲得更多的獨(dú)立空間數(shù)據(jù)流，可以降低小區(qū)間和小區(qū)內(nèi)用戶間的干擾，使得頻譜效率得到數(shù)倍提高[3-5]。

空時(shí)編碼設(shè)計(jì)的目標(biāo)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(shí)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(shù)在增強(qiáng)期望信號(hào)、抑制用戶間同信道干擾方面具有強(qiáng)大的優(yōu)勢，但對信道的深衰落無能為力。因此，將空時(shí)編碼和波束成形技術(shù)有效地結(jié)合，能夠克服上述二者各自的缺點(diǎn)，而且可以同時(shí)獲得分集增益和陣列增益。

大規(guī)模MIMO的主要優(yōu)點(diǎn)是在不增加額外發(fā)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(diǎn)是當(dāng)使用大量的天線時(shí)，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(shù)轉(zhuǎn)換器[7]，還會(huì)使通信系統(tǒng)的計(jì)算復(fù)雜度大大增加。天線選擇技術(shù)[8-10]是在多根天線中選擇一些信道質(zhì)量較好的天線來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸或者數(shù)據(jù)接收，將其他信道質(zhì)量較差的天線舍棄，在基本保證系統(tǒng)整體性能的情況下，顯著降低了復(fù)雜度和硬件成本，同時(shí)仍然保持系統(tǒng)的多樣性優(yōu)勢。參考文獻(xiàn)[11]在分析了大規(guī)模MIMO情況下，將發(fā)射端天線選擇分別與 ZF-BF、MRT-BF和MMSE-BF 3種方案相結(jié)合，在保證良好性能的同時(shí)，通過減少射頻單元克服了系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)。本文在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)下，將發(fā)射端天線選擇（transmit antenna selection，TAS）技術(shù)和接收端天線選擇（receive antenna selection，RAS）技術(shù)應(yīng)用在八波束STBC-BF的方案中。

2 系統(tǒng)模型

根據(jù)天線選擇的方法，可分為發(fā)射端天線選擇和接收端天線選擇，即 TAS與 STBC-BF結(jié)合和RAS與STBC-BF結(jié)合，如圖1和圖2所示。

圖1 TAS與STBC-BF結(jié)合模型

圖2 RAS與STBC-BF結(jié)合模型

在系統(tǒng)模型中，假設(shè)發(fā)射端天線陣是有NT個(gè)陣元的均勻線陣，接收端天線數(shù)為Nr，陣元間距，其中λ為波長。發(fā)射端只使用N個(gè)射頻

F模塊支持NT根發(fā)射天線，需要將NF個(gè)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(shù)據(jù)流經(jīng)過Lr個(gè)射頻鏈路處理后進(jìn)行解碼。

2.1 八波束STBC-BF

Alamouti提出的空時(shí)編碼方案是將符號(hào)流兩兩分組，兩個(gè)時(shí)隙內(nèi)完成兩個(gè)符號(hào)的發(fā)送，即Alamouti空時(shí)編碼方案[6]，參考文獻(xiàn)[12-14]都描述了兩波束的STBC-BF方案。本文是將發(fā)射符號(hào)分為8個(gè)支流，根據(jù)實(shí)正交編碼矩陣[15]，可得復(fù)正交編碼矩陣為：

假設(shè)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(fā)射天線陣到第i根接收天線的復(fù)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(gè)天線陣的陣元數(shù)。假設(shè)移動(dòng)端為單天線用戶，則第i個(gè)移動(dòng)端可接收到的信號(hào)為：

2.2 天線選擇算法

在TAS與STBC-BF結(jié)合模型中，從NT根發(fā)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(cuò)性能作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，即選擇發(fā)射天線以使差錯(cuò)概率最小，令表示在給定信道的條件下，發(fā)射空時(shí)碼字為CA而解碼為CB的成對差錯(cuò)概率。對于信道Hs，空時(shí)編碼的成對差錯(cuò)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(cuò)概率，應(yīng)使最大化，假設(shè)h=HT，即從矩陣h的N列中選出具有最大

T范數(shù)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(shù)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(dǎo)向矢量

當(dāng)在接收端進(jìn)行天線選擇時(shí)，從矩陣h的Nr行中選出具有最大范數(shù)的Lr行作為選擇的子集。具體算法與發(fā)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(shí)采用和STBC一樣的譯碼方法。

3 仿真結(jié)果與分析

系統(tǒng)仿真條件設(shè)置如下：系統(tǒng)的信道環(huán)境為平坦衰落信道，大尺度衰落時(shí)的路徑損耗指數(shù)為3.7，小區(qū)半徑為1，（歸一化）調(diào)制方式為QPSK。

八波束 STBC-BF和發(fā)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(shù)L=8，陣元數(shù)為198，接收端為單天線，采用天線選擇時(shí)，依據(jù)范數(shù)法從198根天線中選擇64根天線，未加天線選擇時(shí)任用64根天線。從圖 3可以看出，由于采用范數(shù)法進(jìn)行天線選擇時(shí)，所選天線都是最高列范數(shù)對應(yīng)的天線，即信噪比最大的天線，因而發(fā)射端天線選擇八波束STBC-BF有更好的性能，即不需要在發(fā)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(fā)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(shù)L=8，陣元數(shù)為64，接收端天線數(shù)為4。當(dāng)接收端天線選擇時(shí)，仍舊根據(jù)范數(shù)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(shù)時(shí)任選1根接收天線。從圖4可以看出，當(dāng)誤碼率為10-3時(shí)，接收端天線選擇技術(shù)與未采用天線選擇技術(shù)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(fā)射端和接收端聯(lián)合采用天線選擇、發(fā)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(shù)L=8，陣元數(shù)為198，依據(jù)范數(shù)法，當(dāng)聯(lián)合天線選擇時(shí)，發(fā)射端所選天線數(shù)為64，接收端所選天線數(shù)為 1；當(dāng)發(fā)射端單獨(dú)選擇時(shí)，所選天線數(shù)為64，接收端隨機(jī)配備1根天線；當(dāng)接收端單獨(dú)選擇時(shí)，發(fā)射端隨機(jī)配備64根天線，接收端由范數(shù)法選擇1根天線；當(dāng)未采用天線選擇時(shí)，發(fā)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(shí)的系統(tǒng)性能最差，聯(lián)合天線選擇與發(fā)射端和接收端單獨(dú)采用天線選擇相比，性能有所提高，即在發(fā)射端和接收端同時(shí)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(jié)合模型中，依據(jù)范數(shù)法，從198根發(fā)射天線中選擇不同發(fā)射天線數(shù)的比較如圖6所示。其中空間路徑數(shù)L=8，接收端天線數(shù)為1。從圖6可以看出，由于一些發(fā)射天線可能會(huì)引起病態(tài)矩陣，雖然隨著被選天線數(shù)的增加，系統(tǒng)性能會(huì)不斷提高，但是被選天線數(shù)越多，性能增加的速度就會(huì)變得越慢。

圖6 從198根發(fā)射天線中選擇不同發(fā)射天線數(shù)的比較

4 結(jié)束語

本文主要討論了大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中天線選擇技術(shù)與八波束STBC-BF結(jié)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(tǒng)復(fù)雜度，節(jié)省了資源和費(fèi)用。仿真結(jié)果表明，在發(fā)射端和接收端同時(shí)使用天線選擇技術(shù)時(shí)，能提供更多的增益，同時(shí)驗(yàn)證了隨著發(fā)射天線數(shù)的增加，系統(tǒng)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(xué)通信與信息工程學(xué)院碩士生，主要研究方向?yàn)閷拵o線通信。

戰(zhàn)金龍（1979-），男，西安郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院副教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榇笠?guī)模MIMO中的預(yù)編碼技術(shù)、波束成形技術(shù)及信號(hào)檢測技術(shù)等。

2017-06-06；

：2017-08-01

國家科技重大專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（No.2014ZX03003005-003）；國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“863”計(jì)劃）基金資助項(xiàng)目（No.2014AA01A705）；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.61501371）；陜西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.2011JM8027）