無(wú)線廣播網(wǎng)MIMO信道模型及性能評(píng)估方法

孫亞容，芮　赟，蘇勝君

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093；2.上海高等研究院 多媒體中心，上海 201210)

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無(wú)線廣播網(wǎng)MIMO信道模型及性能評(píng)估方法

孫亞容1，芮赟2，蘇勝君1

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093；2.上海高等研究院 多媒體中心，上海 201210)

ATSC組織通過(guò)實(shí)測(cè)，綜合考慮了內(nèi)徑相關(guān)性、多普勒頻移、萊斯因子以及交叉極化因子等因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響，得到了移動(dòng)場(chǎng)景和固定場(chǎng)景的廣播網(wǎng)MIMO無(wú)線信道模型。而基于這兩種場(chǎng)景的信道模型還沒有統(tǒng)一的評(píng)估方法用于后續(xù)研究和優(yōu)化。文中對(duì)這兩種場(chǎng)景的信道模型進(jìn)行了仿真，提出了這兩種場(chǎng)景的相應(yīng)評(píng)估方法。對(duì)于移動(dòng)場(chǎng)景的Helsinki2信道模型，由于其移動(dòng)的特性，選取一段時(shí)變信道作為一個(gè)仿真周期，評(píng)估其鏈路吞吐量性能。對(duì)于固定場(chǎng)景的MGM信道模型，測(cè)試50條靜態(tài)信道，按95%的覆蓋率來(lái)確定其信噪比區(qū)間，以此評(píng)估系統(tǒng)性能。文中對(duì)信道模型的系統(tǒng)仿真以及提出的評(píng)估方法，將對(duì)后續(xù)的研究和優(yōu)化工作有重要作用。

MIMO信道；移動(dòng)場(chǎng)景；固定場(chǎng)景；吞吐量；覆蓋率

MIMO(Multiple Input Multiple Output)多入多出技術(shù)，利用多根發(fā)射和接收天線的空間分集和復(fù)用特性，在不增加系統(tǒng)帶寬或總發(fā)送功率的情況下，大幅提高系統(tǒng)傳輸可靠性、容量以及頻譜利用率。研究MIMO技術(shù)的關(guān)鍵是建立合理的信道模型，根據(jù)信道特性采取相應(yīng)的抗衰落和抗干擾措施。因此研究和建立與實(shí)際無(wú)線信道相符的MIMO信道模型顯得尤為重要[1]。

目前，移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)于MIMO技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用[2]。3GPP LTE(3rd Generation Partnership Project Long Term Evolution)在SCM(Spatial Channel Model)信道模型的基礎(chǔ)上擴(kuò)展為適用于5 GHz載頻的SCME的MIMO信道模型[3]。但MIMO技術(shù)在廣播網(wǎng)中的應(yīng)用尚未成熟，主要由于廣播網(wǎng)的工作頻率低。隨著極化天線技術(shù)的出現(xiàn)，使得MIMO技術(shù)在廣播網(wǎng)中得以應(yīng)用。因此，信道模型也成了廣播網(wǎng)MIMO技術(shù)研究關(guān)鍵。

目前，DVB-T2(Digital Video Broadcasting Terrestrial,2nd Generation)標(biāo)準(zhǔn)[4]采用基于空頻編碼的分集MISO(Multipul Input Single Output)方案。基于DVB-T2標(biāo)準(zhǔn)的DVB-NGH(Next-Generation Digital Broadcasting)引入MIMO技術(shù)等技術(shù)[5]。ATSC組織已經(jīng)在為其提出MIMO信道模型[6-7]。

為實(shí)現(xiàn)全程全網(wǎng)的全面覆蓋，廣播網(wǎng)信道需要兼顧固定接收和移動(dòng)接收兩種業(yè)務(wù)場(chǎng)景。ATSC3.0已分別就這兩種場(chǎng)景通過(guò)實(shí)測(cè)得到信道模型時(shí)延和相應(yīng)的功率增益，綜合考慮天線間相關(guān)性和交叉極化因子等因素對(duì)系統(tǒng)的影響，建立了無(wú)線8徑MIMO廣播網(wǎng)信道模型，其中移動(dòng)場(chǎng)景分為室內(nèi)和室外兩種場(chǎng)景。但無(wú)線廣播網(wǎng)MIMO技術(shù)目前仍沒有統(tǒng)一的評(píng)估方法。

本文在無(wú)線廣播網(wǎng)系統(tǒng)平臺(tái)上根據(jù)文獻(xiàn)[8～10]搭建了信道模型，并進(jìn)行了全鏈路仿真，提出了針對(duì)不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景的評(píng)估方法。

1　無(wú)線廣播網(wǎng)MIMO鏈路

1.1下一代廣播無(wú)線網(wǎng)MIMO鏈路

下一代廣播無(wú)線網(wǎng)中相應(yīng)的發(fā)射端、接收端模塊如圖1所示。

圖1　下一代廣播無(wú)線網(wǎng)MIMO鏈路框圖

下一代廣播無(wú)線網(wǎng)中，采用了外編碼與內(nèi)編碼級(jí)聯(lián)的方式，有效提升系統(tǒng)的編譯碼能力；采用星座旋轉(zhuǎn)技術(shù)，使得發(fā)送信號(hào)的兩個(gè)支路在不同的子載波上進(jìn)行傳輸，且接收信號(hào)中每條支路都包含另一條支路的相關(guān)信息，即使丟失一路信息，也可通過(guò)另一條支路恢復(fù)；Alamouti空頻編碼將數(shù)據(jù)流處理成兩路相互正交的信號(hào)，使系統(tǒng)在進(jìn)行MISO切換時(shí)，只要簡(jiǎn)單地增加一路獨(dú)立的數(shù)據(jù)流；OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)調(diào)制不僅增大了頻譜利用率，而且在一定程度上降低深衰落對(duì)性能的影響；在接收端對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行同步、去CP和FFT變換以及信道估計(jì)和均衡等處理得到原始發(fā)送數(shù)據(jù)。

1.2無(wú)線廣播信道MIMO技術(shù)設(shè)計(jì)思路

國(guó)際上，針對(duì)廣播信道MIXO技術(shù)研究的基本思路首先確定信道模型，再根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)確定MIXO方案的應(yīng)用場(chǎng)景，在此基礎(chǔ)上再考慮MIXO技術(shù)方案評(píng)估。目前仍未對(duì)信道進(jìn)行統(tǒng)一的評(píng)估方法，而接下來(lái)的優(yōu)化和確定多天線方案的設(shè)計(jì)均是對(duì)不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景信道模型的系統(tǒng)性能評(píng)估上進(jìn)行的，沒有合理評(píng)估方法，難以進(jìn)行后續(xù)方案的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。本文將根據(jù)場(chǎng)景特點(diǎn)，提出合理的評(píng)估方法，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)估。

2　無(wú)線廣播網(wǎng)MIMO信道模型及評(píng)估

ATSC3.0提出無(wú)線廣播網(wǎng)信道模型分為兩種場(chǎng)景，即移動(dòng)場(chǎng)景和固定場(chǎng)景。對(duì)于移動(dòng)場(chǎng)景，又分為室內(nèi)和室外場(chǎng)景兩種。

2.1基于移動(dòng)場(chǎng)景的Helsinki2信道模型

基于移動(dòng)場(chǎng)景的Helsinki2信道模型是在芬蘭赫爾辛基測(cè)得的，發(fā)射端置于該市146 m高的YLE電視廣播塔上，采用標(biāo)準(zhǔn)的UTF交叉極化天線，接收天線置于距地面1.5 m的移動(dòng)推車上，也采用交叉極化天線，與發(fā)送端構(gòu)成了2×2 MIMO系統(tǒng)。

基于移動(dòng)場(chǎng)景的Helsinki2信道模型[8-9]數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(1)

其中，t為時(shí)間；τp為第p徑相對(duì)第一徑的時(shí)延；Np=8為徑數(shù)；gmn(t,τp)為第n根天線發(fā)送第m根天線接收的第p徑的信號(hào)；hmn則為第n根天線發(fā)送第m根天線接收的信道響應(yīng)。2×2 時(shí)域信道矩陣H為

(2)

2.1.1室外場(chǎng)景

對(duì)于第一徑，gmn(t,τp)只有直射徑

gmn(t,τ1)=[σmn(τ1)exp(jθmn)],(m=n)

(3)

g12(t,τ1)=[σ12(τ1)exp(j(θ12+4πt))]

(4)

g21(t,τ1)=[σ21(τ1)exp(j(θ21-4πt))]

(5)

其中，δ11(τ1)和δ22(τ1)是同相極化幅度；δ12(τ1)和δ21(τ1)是交叉極化幅度；θmn是LOS(Line of Sight)分量的初始相位，服從[0,2π)的隨機(jī)均勻分布，交叉項(xiàng)(m≠n)有±2 Hz的多普勒頻移。交叉極化因子XPD為

(6)

對(duì)于其余2～8徑，假設(shè)只有非直射徑，gmn(t,τp)表示為

gmn(t,τp)=φpmn

(7)

其中，φpmn(t)是第p徑的時(shí)域信道響應(yīng)，綜合考慮信號(hào)的時(shí)域擴(kuò)展、內(nèi)徑之間的相關(guān)性以及固定頻偏等因素

φpmn(t)=[φp11(t)φp12(t)φp21(t)φp22(t)]T

(8)

(9)

內(nèi)徑的相關(guān)矩陣為

(10)

2.1.2室內(nèi)場(chǎng)景

對(duì)于第一徑，gmn(t,τp)分為兩部分:一部分為直射徑；另一部分為非直射徑

gmn(t,τP)=

(11)

g12(t,τ1)=

(12)

g21(t,τ1)=

(13)

其中，δ11(τ1)，δ22(τ2)是同相極化幅度；δ12(τ1)，δ21(τ1)是交叉極化幅度；θmn是直射徑的初始相位，服從[0,2π)的隨機(jī)均勻分布，交叉項(xiàng)(m≠n)的有±2 Hz 的多普勒頻移。對(duì)于第一徑，萊斯因子K為1。

對(duì)于第2～8徑

(14)

對(duì)于第2～8徑和第一徑的NLOS分量?jī)?nèi)徑相關(guān)矩陣為

(15)

2.2基于固定場(chǎng)景的MGM信道模型

基于固定場(chǎng)景的MGM(Modified Guildford Channel Model)信道場(chǎng)景測(cè)試的發(fā)射天線置于英格蘭薩里郡的Guildford發(fā)射站，采用2×250 W EPR 730 MHz，45 m的交叉極化天線，接收端天線距地面10 m，采用一對(duì)增益為11.5 dBi的Yagi天線[10]。

基于固定場(chǎng)景的信道模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(16)

(17)

其中，L是直射徑LOS分量，t為時(shí)間。τj為第j徑相對(duì)第一徑的延遲時(shí)間，θij為服從[0,2π)的均勻隨機(jī)分布的相位。σ11′,(τp)為第p徑的同相極化功率，當(dāng)p=1時(shí)為第1徑NLOS(Non-Line-of-Sigh))分量同相極化功率。

Rj表示第j徑的信道矩陣，其表達(dá)式為

(18)

其中，Xj為第j徑交叉極化功率與同相極化功率之比；xj為第j徑的隨機(jī)向量，該向量服從方差為1的復(fù)獨(dú)立高斯同分布，體現(xiàn)信號(hào)的多普勒特性。

2.3信道模型的評(píng)估方法

通信系統(tǒng)評(píng)估的主要指標(biāo)是覆蓋特性、通信容量、通信質(zhì)量等。本文根據(jù)廣播網(wǎng)MIMO信道模型，基于良好的通信質(zhì)量，即在誤碼率低于1e-4時(shí)，從覆蓋特性指標(biāo)的覆蓋范圍或通信容量指標(biāo)的吞吐量角度考察系統(tǒng)性能。

2.3.1基于移動(dòng)場(chǎng)景的Helsinki2信道評(píng)估

關(guān)于移動(dòng)場(chǎng)景下的Helsinki2信道模型，基于其移動(dòng)特性，系統(tǒng)參數(shù)會(huì)隨移動(dòng)而變化，所以從系統(tǒng)容量的角度出發(fā)，選取該場(chǎng)景下的一段時(shí)變信道作為一個(gè)仿真周期，評(píng)估其鏈路吞吐量性能。

2.3.2基于固定場(chǎng)景的MGM信道評(píng)估方法

關(guān)于固定場(chǎng)景下的MGM靜態(tài)信道模型，不同于移動(dòng)場(chǎng)景下的信道評(píng)估方法。由于移動(dòng)場(chǎng)景下移動(dòng)會(huì)引起參數(shù)的變化，所以采用評(píng)估吞吐量的評(píng)估方法，而固定場(chǎng)景下，某一條信道的性能不能代表固定場(chǎng)景下的整體性能，因此其評(píng)估方法不能從系統(tǒng)吞吐量的角度出發(fā)，應(yīng)測(cè)試該場(chǎng)景下諸多信道，在保證性能的情況下，即覆蓋特性為95%的情況下進(jìn)行評(píng)估。根據(jù)信道模型隨機(jī)產(chǎn)生250個(gè)靜態(tài)信道，選取滿足95%覆蓋的信道進(jìn)行性能評(píng)估，確定平均SNR(Signal Noise Ratio)工作區(qū)域，以考察其系統(tǒng)性能。

3　仿真結(jié)果

3.1移動(dòng)場(chǎng)景下的Helsinki信道模型仿真

Helsinki2信道模型的系統(tǒng)仿真參數(shù)配置如下。

表1　基于移動(dòng)場(chǎng)景的Helsinki2信道仿真參數(shù)

仿真結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2　Helsinki2信道，室外場(chǎng)景，7/12 LDPC編碼，不同調(diào)制方式下的性能曲線

圖3　Helsinki2信道，室內(nèi)場(chǎng)景，7/12 LDPC編碼、不同調(diào)制方式下的性能曲線

從圖2可知，7/12 LDPC編碼，Helsinki2信道的BER(Bit Error Rate)從e-2下降到e-5，信噪比變化區(qū)間均在1 dB以內(nèi)。當(dāng)BER約為1e-4時(shí)，QPSK對(duì)應(yīng)的信噪比約為4.64 dB，16QAM對(duì)應(yīng)的信噪比約為11.05 dB，64QAM對(duì)應(yīng)的信噪比約為15.47 dB，256QAM對(duì)應(yīng)的信噪比約為19.59 dB。

從圖3可知，7/12 LDPC編碼，Helsinki2信道室內(nèi)場(chǎng)景下的BER從e-2下降到e-5，信噪比在1 dB內(nèi)變化。當(dāng)BER約為e-4時(shí)，QPSK對(duì)應(yīng)的信噪比約為8.50 dB，16QAM對(duì)應(yīng)的信噪比約為15.17 dB，64 QAM對(duì)應(yīng)的信噪比約為19.85 dB，256 QAM對(duì)應(yīng)的信噪比約為23.86 dB。

3.2固定場(chǎng)景下的MGM信道模型仿真

MGM信道模型的系統(tǒng)仿真參數(shù)如表2所示。

表2　MGM信道模型系統(tǒng)仿真參數(shù)表

MGM信道重點(diǎn)針對(duì)固定場(chǎng)景下的高階調(diào)制模式，選取256 QAM和1024 QAM調(diào)制方式。同時(shí)，考慮到仿真量和代表性，根據(jù)信道的產(chǎn)生方法，隨機(jī)產(chǎn)生50條靜態(tài)信道，并對(duì)這50條信道進(jìn)行仿真。

圖4　MGM信道在256QAM調(diào)制下的性能曲線

圖5　MGM信道在1 024QAM調(diào)制下的性能曲線

從圖4中可以看出，MGM場(chǎng)景在256QAM調(diào)制方式下，50條信道的整體信噪比動(dòng)態(tài)范圍為14～36.2 dB。其中，第2～48信道整體的信噪比動(dòng)態(tài)范圍是14～27.8 dB。當(dāng)BER從e-2下降到e-5時(shí)，每條信道對(duì)應(yīng)的信噪比動(dòng)態(tài)區(qū)間在0.3～0.6 dB。第1號(hào)、49號(hào)及50號(hào)信道的性能較差，體現(xiàn)其覆蓋率為95%，信噪比動(dòng)態(tài)范圍為31.4～36.2 dB，當(dāng)BER從e-2下降到e-5時(shí)，每條信道對(duì)應(yīng)的信噪比動(dòng)態(tài)區(qū)間在0.5個(gè)dB范圍內(nèi)。

從圖5可看出，MGM場(chǎng)景在1024-QAM調(diào)制方式下，50條信道的動(dòng)態(tài)范圍為25.4～48.5 dB。其中，第2～48號(hào)信道整體的信噪比動(dòng)態(tài)范圍是25.4～39.2 dB。第1號(hào)、49號(hào)及50號(hào)信道的性能較差，其信噪比動(dòng)態(tài)范圍是43.5～48.5 dB，每條信道對(duì)應(yīng)的信噪比動(dòng)態(tài)區(qū)間為0.3～0.6 dB。當(dāng)BER從e-2下降到e-5時(shí)，每個(gè)信道對(duì)應(yīng)的信噪比動(dòng)態(tài)區(qū)間為0.3～0.8 dB。

3.3評(píng)估仿真

3.3.1移動(dòng)場(chǎng)景下Helsinki2信道模型評(píng)估

圖6　室外場(chǎng)景，不同調(diào)制方式下的吞吐量

圖7　室內(nèi)場(chǎng)景，不同調(diào)制方式下的吞吐量

由圖6可得到，Helsinki2信道在移動(dòng)場(chǎng)景，7/12 LDPC編碼下，系統(tǒng)吞吐量達(dá)到最大時(shí)，在QPSK調(diào)制下，信噪比至少為4.6 dB；16 QAM調(diào)制下，信噪比至少為11.05 dB；64 QAM調(diào)制下，信噪比至少為15.47 dB；256 QAM調(diào)制下，信噪比至少為19.59 dB。

根據(jù)圖7可得，Helsinki2信道在移動(dòng)場(chǎng)景，7/12 LDPC編碼下，系統(tǒng)吞吐量達(dá)到最大時(shí)，在QPSK調(diào)制下，信噪比至少為8.50 dB；16 QAM調(diào)制下，信噪比至少為15.17 dB；64 QAM調(diào)制下，信噪比至少為19.85 dB；256 QAM調(diào)制下，信噪比至少為23.86 dB。所以在滿足性能的條件下，用吞吐量來(lái)評(píng)估系統(tǒng)性能是合理的。

3.3.2基于固定場(chǎng)景的信道評(píng)估

圖8　MGM信道在不同調(diào)制下的CDF曲線

根據(jù)圖8的結(jié)果，以1e-4為誤碼工作門限，95%覆蓋性能為界，可得在256 QAM調(diào)制方式下，7/12碼率的MGM信道模型的工作門限約為25 dB。在1 024QAM調(diào)制，7/12碼率下，95%覆蓋性能為界的MGM信道的工作門限約為38 dB。

綜上可知，根據(jù)吞吐量來(lái)評(píng)估移動(dòng)場(chǎng)景，并根據(jù)覆蓋率來(lái)評(píng)估固定場(chǎng)景的方法合理，可以此為日后優(yōu)化系統(tǒng)性能的參考。

4　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)ATSC3.0提出的移動(dòng)和固定場(chǎng)景下廣播網(wǎng)MIMO信道模型仿真，根據(jù)兩種場(chǎng)景的特點(diǎn)，以一定BER作為衡量門限分別從覆蓋特性和系統(tǒng)容量角度提出了兩種場(chǎng)景下系統(tǒng)性能的評(píng)估方法。針對(duì)移動(dòng)場(chǎng)景，評(píng)估系統(tǒng)吞吐量性能。針對(duì)固定場(chǎng)景，在滿足系統(tǒng)誤碼性能的前提下，選取95%覆蓋的信道進(jìn)行性能評(píng)估。合理的評(píng)估方法，為后續(xù)優(yōu)化廣播網(wǎng)系統(tǒng)MIMO 技術(shù)提供了參考。

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[2]蔣承伶.蜂窩網(wǎng)絡(luò)MIMO關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京:南京理工大學(xué),2012.

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Wireless Broadcasting MIMO Channel Models and Evaluation Methods of the Performance

SUN Yarong1, RUI Yun2, SU Shengjun1

(1. School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China; 2. Multimedia Center, Shanghai Advanced Research Institute, Shanghai 201210, China)

ATSC obtained two broadcasting network MIMO channel models based on mobile and fixed scenarios, with in consideration such factors as the intra-relation, Doppler frequency shift, and Lay factors. But the two channel models have not unified evaluation methods for further study and optimization about MIMO broadcasting network technology. This paper respectively simulates the two channel models presented by ATSC3.0 and provides corresponding evaluation methods, which are then adopted to evaluate the two scenarios of the channel model. For the Helsink2 channel Model based on mobile scenario, a length of time varying channel is selected as a period to evaluate its throughput. For the MGM channel model based on fixed scenario, 50 channels are tested and its range of SNR confirmed to evaluate performance. The evaluation methods and simulation of the two MIMO channel models will play an important role in the further study and optimization.

MIMO channel; mobile scenario; fixed scenario; evaluation

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.08.010

2015-11-27

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)重點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(2011AA01A105；2012AA011704)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61302093)；中科院重點(diǎn)部署基金資助項(xiàng)目(KGZD-EW-103)；上海市科委基金資助項(xiàng)目(11DZ1500500；13DZ1511200)；東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金資助項(xiàng)目(2013D07)

孫亞容(1992-)，女，碩士研究生。研究方向：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等。芮赟(1983-)，男，副研究員。研究方向：三網(wǎng)融合等。蘇勝君(1970-)，女，講師。研究方向：信息處理。

TN929.5

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