基于TDD大規(guī)模MIMO技術(shù)及其仿真分析

錢葉旺，孫小燕，李旋宇

基于TDD大規(guī)模MIMO技術(shù)及其仿真分析

錢葉旺1，2，孫小燕2，李旋宇2

（1.東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210096；2.池州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，安徽池州247000）

隨著無(wú)線蜂窩系統(tǒng)用戶數(shù)不斷劇增，業(yè)務(wù)種類和數(shù)量不斷增多，小區(qū)間干擾越來(lái)越嚴(yán)重，傳統(tǒng)的對(duì)抗小區(qū)間干擾復(fù)雜度和成本十分昂貴，大規(guī)模MIMO技術(shù)的提出是一種全新的思路和策略；本文針對(duì)時(shí)分雙工（TDD）的大規(guī)模MIMO無(wú)線蜂窩系統(tǒng)，進(jìn)行上行和下行數(shù)據(jù)率推導(dǎo)和仿真分析，得出大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的高分集度可以對(duì)抗小區(qū)間干擾，但受限于導(dǎo)頻污染；同時(shí)指出了目前大規(guī)模MIMO系統(tǒng)研究需要解決的一些問題。

大規(guī)模MIMO；導(dǎo)頻污染；和數(shù)據(jù)率

DOI：10.13420/j.cnki.jczu.2015.06.012

1　引言

MIMO系統(tǒng)利用多天線對(duì)抗無(wú)線通信信道衰落，能夠在不增加帶寬的情況下成倍地提供系統(tǒng)的容量和頻譜利用率［1-3］，MIMO技術(shù)已經(jīng)成為下一代無(wú)線通信關(guān)鍵技術(shù)之一，多用戶MIMO系統(tǒng)為人們提供了實(shí)際MIMO應(yīng)用場(chǎng)景。隨著無(wú)線蜂窩系統(tǒng)用戶數(shù)不斷劇增，業(yè)務(wù)種類和數(shù)量不斷增多，小區(qū)間干擾和層間干擾越來(lái)越嚴(yán)重，為了消除小區(qū)間干擾，往往需要小區(qū)間多基站進(jìn)行協(xié)作，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和代價(jià)十分昂貴。在傳統(tǒng)的多用戶MIMO閉環(huán)多蜂窩系統(tǒng)中，系統(tǒng)的信道狀態(tài)信息（CSI）的獲取往往非常重要，它直接影響實(shí)際數(shù)據(jù)發(fā)送和接收質(zhì)量好壞。在頻分雙工（FDD）的系統(tǒng)中，基站（BS）端先通過向前向鏈路中向用戶（US）端發(fā)送訓(xùn)練序列（Pilots），再通過反向鏈路BS端從US端獲取信道估計(jì)信息，從而BS根據(jù)獲取的CSI向前向鏈路發(fā)送數(shù)據(jù)信息；而在時(shí)分雙工（TDD）的多用戶MIMO系統(tǒng)中，BS利用信道互異性，通過反向鏈路信道估計(jì)信息，直接通過閉環(huán)的預(yù)編碼或波束成型處理，向前向鏈路發(fā)送數(shù)據(jù)信息，US端就能獲得正確的接收信號(hào)。

考慮MIMO多天線能夠獲得很好的空間分集增益和復(fù)用增益，Thomas L.Marzetta在文獻(xiàn)［4］提出，在BS端設(shè)立大量天線——幾十到幾百根天線，建立所謂大規(guī)模MIMO（Massive MIMO或Very Large MIMO）系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以獲得非常高的分集增益，系統(tǒng)會(huì)變得更強(qiáng)壯和魯棒。文獻(xiàn)［5］指出，由于大量的天線陣列，用戶到基站的信道矩陣的奇異值分布趨向一個(gè)確定函數(shù)，同時(shí)，由于天線數(shù)量劇增，發(fā)射端功率可以大大減小，能夠獲得較高的信噪比（SNR），這樣可以用很簡(jiǎn)單的方法對(duì)抗小區(qū)間的干擾，這為目前無(wú)線蜂窩通信系統(tǒng)中對(duì)抗小區(qū)間開掘出了一條全新的途徑，而不是利用多基站和用戶間的協(xié)作來(lái)對(duì)抗小區(qū)間干擾。

本文主要針對(duì)TDD的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，進(jìn)行反向鏈路的信道估計(jì)容量分析和前向鏈路的預(yù)編碼設(shè)計(jì)和容量分析，同時(shí)指出大規(guī)模MIMO系統(tǒng)進(jìn)一步研究需要解決的問題。

2　系統(tǒng)模型

圖1　大規(guī)模MIMO蜂窩系統(tǒng)模型

考慮一個(gè)多小區(qū)蜂窩TDD無(wú)線通信系統(tǒng)（如圖1所示），設(shè)總共有L個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)為正六邊形，都有一個(gè)BS，BS安裝M根天線，每個(gè)小區(qū)有K個(gè)單天線用戶，且M?1，M＞K。各小區(qū)內(nèi)導(dǎo)頻為正交，小區(qū)間導(dǎo)頻為復(fù)用。設(shè)信道為互易的，滿足上下鏈路信道矩陣為相互轉(zhuǎn)置。如圖1所示，設(shè)小區(qū)j的K個(gè)用戶到小區(qū)l基站間信道矩陣為Gjl，可表示為下式

上式中Hjl為M×K矩陣，表示小區(qū)的k個(gè)用戶到小區(qū)基站間的小尺度衰落系數(shù)，其中元素為均值為0方差為1獨(dú)立同分布；為一個(gè)K×K對(duì)角矩陣，對(duì)角元為βjl=［βjl1，βjl2，…，βjlK］，且滿足為小區(qū)l中的第k個(gè)終端間的距離，γ為延遲指數(shù)，Zjlk為陰影衰落對(duì)數(shù)正態(tài)隨機(jī)變量。則小區(qū)l的基站接收信號(hào)為

其中aˉl為從小區(qū)l來(lái)的K×1數(shù)據(jù)流，wˉj接收端的噪聲矢量，服從i.i.d.CN（0，1），ρr為接收基站端的平均功率。

3　系統(tǒng)上行鏈路和數(shù)據(jù)率分析和導(dǎo)頻污染

在TDD的多用戶MIMO系統(tǒng)中，基站向用戶發(fā)送數(shù)據(jù)流之前，先進(jìn)行下行鏈路的信道估計(jì)，一般由用戶端發(fā)送訓(xùn)練序列估計(jì)上下鏈路信道矢量，在利用信道互異性獲得下行信道估計(jì)。小區(qū)j基站到本小區(qū)的信道估計(jì)為

其中Gjl為小區(qū)l的K個(gè)終端到小區(qū)j的基站信道矩陣，Vj為M×K接收噪聲矩陣，ρp為接收導(dǎo)頻信噪比，上式中所有l(wèi)≠j的項(xiàng)都是來(lái)自其他小區(qū)相同頻率導(dǎo)頻污染（Pilot Contamination）［3-6］。

估計(jì)出了G?jj，就可以得到上行鏈路信噪比和容量，此時(shí)，基站通過最大比合并得到

上式［·］H表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置。當(dāng)M→∞時(shí)，由大維隨機(jī)矩陣?yán)碚摚?］可得到

則小區(qū)j的等效信干比（SIR）近似等于

系統(tǒng)上行鏈路可達(dá)和數(shù)據(jù)率為

4　系統(tǒng)下行鏈路預(yù)編碼矩陣設(shè)計(jì)和和數(shù)據(jù)率分析

小區(qū)l的K個(gè)終端接收到來(lái)自L個(gè)基站的發(fā)射信號(hào)為

上式中［·］*表示復(fù)共軛，［·］T表示一般矩陣轉(zhuǎn)置，wˉl為接收端的噪聲矢量，G?*jj為預(yù)編碼矩陣，ρf上行信噪比。當(dāng)M→∞時(shí)，由大維隨機(jī)矩陣?yán)碚摚?］分析可得

可得系統(tǒng)下行和數(shù)據(jù)率為

上式中R0同式3.5。

5　系統(tǒng)MATLAB仿真分析

仿真參數(shù)說(shuō)明：OFDM參數(shù)：字符間隔Ts為500/7≈71.4微秒，子載波間隔為Δf=15KHz，有用字符間隔Tu=1/Δf≈66.7us，保護(hù)間隔Tg=Ts-Tu≈4.76us，相干時(shí)間為500us，相當(dāng)于7個(gè)OFDM字符，頻率平滑間隔Nsmooth=14子載波；每個(gè)小區(qū)用戶數(shù)為K=τ·Nsmooth=3×14=42個(gè)；系統(tǒng)總帶寬為B=20MHz；延遲指數(shù)γ=3.8；小區(qū)復(fù)用頻率分別為α=1，3，7，13；陰影衰落σshadow=8.0dB；總蜂窩半徑rc=1600km，每個(gè)小區(qū)半徑rh=100m。仿真一蜂窩小區(qū)分布和小區(qū)頻率復(fù)用（如圖2）仿真二下行鏈路系統(tǒng)SIR的累積概率分布情況（如圖3、圖4）

圖2　蜂窩小區(qū)分布圖和頻率復(fù)用因子α=3復(fù)用分布情況

可以看出，隨著頻率復(fù)用因子α=1，3，7，13的增大，在相同概率情況下，系統(tǒng)上行SIR越來(lái)越高，系統(tǒng)和數(shù)據(jù)率和容量也會(huì)越來(lái)越高，用戶間干擾會(huì)越來(lái)越小。

圖3　下行鏈路SIR的概率累積分布

圖4　下行鏈路每個(gè)用戶容量的累積概率分布

6　大規(guī)模MIMO系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要解決的問題

目前，大規(guī)模MIMO技術(shù)的研究還處于初始階段，該系統(tǒng)主要有很強(qiáng)的系統(tǒng)復(fù)用增益，而只要在基站安裝大量天線就方便實(shí)行，有著非常明顯的特色，可能成第五代移動(dòng)通信的主流技術(shù)之一，但就目前而言這其中還有許多問題需要解決。

第一、不管是TDD還是FDD的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，由各個(gè)小區(qū)一定會(huì)有載波頻率復(fù)用，就不可避免存在導(dǎo)頻污染情況，怎樣解決導(dǎo)頻污染問題，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了各種各樣的導(dǎo)頻調(diào)度方案，但還需要進(jìn)一步研究解決。

第二、由于BS端安裝了至少幾十到幾百根天線，那么這些天線怎樣進(jìn)行排列布置，目前，有學(xué)者提出所謂聯(lián)合空分復(fù)用（JSDM：Joint Spatial Division and Muotiplexing）［7］，將如此多的發(fā)射天線分二維排列，形成三維波束，即所謂3DMIMO，是一個(gè)比較實(shí)用的方案，但其中設(shè)計(jì)還有繼續(xù)挖掘。

第三、由于大規(guī)模MIMO系統(tǒng)BS端有大量天線，會(huì)導(dǎo)致信道維數(shù)很龐大，這為信道信息反饋帶來(lái)很大麻煩，怎樣實(shí)現(xiàn)減小信道信息反饋量問題是目前急需解決的問題，目前業(yè)內(nèi)學(xué)者提出了一些解決方案，但都處于初始階段，也需要進(jìn)一步研究。

以上是筆者的一些粗略見解，大規(guī)模MIMO技術(shù)的研究還是一個(gè)全新開放的課題，如預(yù)編碼矩陣設(shè)計(jì)、波束成型矩陣設(shè)計(jì)、天線選擇、功率和資源分配等等技術(shù)都不能簡(jiǎn)單搬到大規(guī)模系統(tǒng)中，也相信通過無(wú)線通信工作者們積極探索，大規(guī)模MIMO技術(shù)將很快成為下一代移動(dòng)通信的主流技術(shù)之一。

［1］G.J.Foschini.Layered space-time architecture for wireless communication in a fading environment when using multi-element antennas［J］.Bell Labs Technical Journal，1996（2）：41-59.

［2］G.Caire，S.Shamai.On the achievable throughput of a multiantenna Gaussian broadcast channel［J］.IEEE Trans.Inf.Theory，2003，49（7）：1691-1706.

［3］T.L.Marzetta.BLAST training：estimating channel characteristics for high capacity space-time wireless［J］.Annual Allerton Conf. Communications，Control，and Computing 1999，37：958-966.

［4］T.L.Marzetta.Noncooperative cellular wireless with unlimited numbers of BS antennas［J］.IEEE Trans.Wireless Commun.，2010，9（11）：3590-3600.

［5］A.M.Tulino，S.Verdú.Random Matrix Theory and Wireless Communications［M］.Foundations and Trends in Communications and Information Theory，Now Publishers Inc.，2004.

［6］J.Hoydis，S.ten Brink，M.Debbah.Massive MIMO in UL/DL of cellular networks：How many antennas do we need［J］.IEEE journal on selected areas in communications，2013（31）：160-171.

［7］F.Rusek，D.Persson，B.K.Lau，E.G.Larsson，T.L.etc. Scaling up MIMO：Opportunities and challenges with very large arrays［J］. IEEE Sig.Proc.Mag.，2013（30）：40-60.

［責(zé)任編輯：桂傳友］

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1674-1102（2015）06-0036-03

2015-09-06

安徽省高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（KJ2015A198）。

錢葉旺（1971-），男，安徽樅陽(yáng)人，池州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院副教授，碩士，研究方向?yàn)镸IMO空時(shí)信號(hào)處理技術(shù)。