接收天線選擇對MIMO-OFDM系統(tǒng)信道容量的影響

顧朝志，張 磊，李 莉

(1.中國石油大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，山東青島 266580;2.南京郵電大學(xué)，南京 210003)

MIMO-OFDM技術(shù)可以在不增加額外帶寬和發(fā)射功率的情況下提高無線通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率，并能有效地抵抗多徑衰落、抑制符號間干擾，成為4G的核心技術(shù)。在MIMO-OFDM系統(tǒng)中，由于收發(fā)兩端均采用多天線，因此要使用與天線數(shù)目同樣多的射頻鏈路，大大增加了系統(tǒng)的硬件成本和信號處理難度。天線選擇技術(shù)通過較少的射頻鏈路來支持較多的天線，以很小的性能損失換取成本的大幅降低，加速了MIMO-OFDM技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

天線選擇主要運(yùn)用于單純的MIMO系統(tǒng)［1-8］，近年來這一技術(shù)也逐漸應(yīng)用到 MIMOOFDM系統(tǒng)中［9-11］。MIMO-OFDM系統(tǒng)的天線選擇有基于子載波和子系統(tǒng)兩種方式。采用基于子載波的選擇方法時，在每一子載波的天線子集選擇過程中，實(shí)際上面對的就是一個單載波的MIMO系統(tǒng)，所以現(xiàn)有的MIMO系統(tǒng)的天線選擇方法可引入到MIMO-OFDM系統(tǒng)的天線選擇中。由于發(fā)射天線選擇時需將CSI反饋給發(fā)射機(jī)，這在信道隨機(jī)變化很快時是不可行的，所以接收天線選擇更具吸引力。理論而言，接收天線選擇會降低信道矩陣的秩，勢必引起信道容量的降低，若在天線選擇后聯(lián)合相應(yīng)的信號合并處理算法，則可彌補(bǔ)這一性能損失。本文基于MIMO-OFDM系統(tǒng)的接收天線選擇和信號處理算法展開分析。

1 MIMO-OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及信道模型

圖1為MIMO-OFDM系統(tǒng)接收端天線選擇框圖。由天線接收到的信號經(jīng)特定的天線選擇算法選擇出需要解調(diào)的天線，之后經(jīng)FFT、并串轉(zhuǎn)換、解調(diào)等過程恢復(fù)信源的信息。

圖1 MIMO-OFDM系統(tǒng)接收端天線選擇框圖

令Ci代表每一個子信道的容量，Ci=log2det為歸一化的信道矩陣，則整個MIMO-OFDM系統(tǒng)的信道容量為

在計(jì)算信道矩陣時，假設(shè)在每一個天線對之間，信號路徑都遵循射線追蹤方法中的兩射線模型(如圖2所示)。

圖2 兩射線模型

未歸一化的信道矩陣為

其中:元素hij表示第j根發(fā)射天線到第i根接收天線的信道衰落系數(shù)。選擇n根天線進(jìn)行接收，實(shí)際上就是從H中選擇行數(shù)為n的子矩陣，并使用某種選擇準(zhǔn)則來計(jì)算特定天線選擇結(jié)果下的MIMO系統(tǒng)的性能，將能使MIMO系統(tǒng)相應(yīng)的性能達(dá)到最佳的選擇結(jié)果作為最終選擇輸出。

2 天線選擇及合并信號處理算法仿真分析

假設(shè)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)均采用均勻線陣，子載波數(shù)取256，在計(jì)算每一子載波上天線選擇的信道容量時，采用Monte-Carlo法。圖3是在復(fù)高斯隨機(jī)信道中，3×3天線結(jié)構(gòu)、采用最優(yōu)算法選擇2根天線接收的信道容量結(jié)果。

圖3 接收天線選擇信道容量圖

從圖3可以看到:接收端進(jìn)行天線選擇后，所有接收子集的信道容量均低于未進(jìn)行天線選擇時的信道容量。這是由于接收天線選擇使信道矩陣的秩減小，從而降低了信道容量。

最優(yōu)算法的最大缺點(diǎn)是計(jì)算量過大，很難應(yīng)用于實(shí)時性要求較高的系統(tǒng)。一些次優(yōu)算法如遞減算法、遞增算法、最大范數(shù)算法等可大大降低復(fù)雜度。所以在最優(yōu)算法的基礎(chǔ)上，引入遞增、遞減、最大范數(shù)法等從8×8天線陣列中選擇2根接收天線，各算法比較結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出:遞減算法選擇出的2根天線信道容量最高，最大范數(shù)法和遞增算法曲線重合，性能相同，此時遞減算法為最優(yōu)選擇算法。雖然經(jīng)上述天線選擇算法進(jìn)行接收天線選擇后的信道容量都有所降低，但天線選擇能節(jié)省射頻鏈路，降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，這正是天線選擇的目的所在。

圖4 8×8接收天線選擇算法比較

上述仿真結(jié)果已經(jīng)驗(yàn)證了接收天線選擇會導(dǎo)致信道容量損失，若在接收端進(jìn)行天線選擇后再聯(lián)合一些數(shù)字信號處理算法，則能彌補(bǔ)這一性能損失。圖5是8×8天線結(jié)構(gòu)接收天線選擇和最大比值法(MRC)結(jié)合的結(jié)果，可以看出:遞減算法選擇2根天線聯(lián)合MRC算法所得的信道容量比未進(jìn)行天線選擇的信道容量還高。圖6是8×8天線結(jié)構(gòu)接收天線選擇和等增益合并法(EGC)結(jié)合的結(jié)果，可以看出:遞增算法與EGC算法選擇2根天線所得的信道容量比未進(jìn)行天線選擇的信道容量高。從而說明在接收端進(jìn)行天線選擇導(dǎo)致信道容量降低的情況下，可聯(lián)合相應(yīng)的信號處理算法來提高信道容量。

圖5 接收端天線選擇加MRC算法

圖6 接收端天線選擇加EGC算法

3 結(jié)束語

本文基于雙射線模型，以最大化容量為指標(biāo)，將MIMO的天線選擇方法引入MIMO-OFDM系統(tǒng)。仿真分析了遞增算法、遞減算法、最大范數(shù)算法等天線選擇方法對信道容量的影響，并給出天線選擇聯(lián)合信號處理算法如MRC、EGC等對系統(tǒng)性能的影響。

［1］Gharavi Alkhansari M，Gershman A B.Fast Antenna Subset Selection in MIMO System［J］.IEEE Transactions on Signal Processing，2004，52(2):339-347.

［2］Chen Z，Yuan J，Vucetic B.Analysis of transmit antenna selection/maximal-ratio combination Rayleigh fading channels［C］//International Conference on Communication Technology.Australia:［s.n.］，2003，2(9):1532-1536.

［3］Heath R W，Sandhu S，Paulraj A.Antenna selection for spatial multiplexing systems with linear receivers［J］.IEEE Communications Letters，2001，5(4):142-144.

［4］解志斌，顏培玉.空時復(fù)用多用戶MIMO系統(tǒng)聯(lián)合天線選擇［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2010，22(6):1466-1471.

［5］Hu Chia Chang，Lin Chang Lin.An efficient combined antenna subset selection scheme for MIMO wireless communication systems in correlated channels［J］.International Journal of Electrical Engineering，2010，17(3):199-205.

［6］Kang，Jee Woong.Transmit antenna subset selection for downlink MIMO systems in multi-cell environments［J］.IEEE Transactions on Wireless Communications，2010，9(7):2113-2118.

［7］Xu Li Zhu，Jin Kang，Qiu Ling.Transmit antenna selection based on approximate capacity analysis in linear dispersion codes systems［J］.Journal of Electronics and Information Technology，2010，32(6):1423-1428.

［8］Jiang Chenzi，Cimini，Leonard J.Antenna Selection for Energy-Efficient MIMO Transmission［J］.IEEE Wireless Communications Letters，2012，1(6):577-580.

［9］Dong Li，Xianhua Dai.Joint Antenna and Subcarrier Selection for MIMO-OFDM systems［C］//2006 International Conference on Communications，Circuits and Systems Proceedings.Guilin:［s.n.］，2006(2):1153-1156.

［10］Hongyuan Zhang，Nabar R U.Transmit Antenna Selection in MIMO-OFDM Systems:Bulk Versus Per-Tone Selection［C］//IEEE International Conference on Communications.Santa Clara:［s.n.］，2008:4371-4375.

［11］Remlein P，Cogalan T，Gucluoglu T.OFDM with transmit and receive antenna selection based on subcarrier groups［J］.8th International Symposium on CSNDSP，2012:1-4.