基于萊斯衰落信道的MIMO系統(tǒng)分集復(fù)用接收方法及其性能研究

鄧國輝 牛丹丹

摘? 要：本文研究了基于萊斯衰落信道的多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)的發(fā)射分集接收方法及其性能。提出了多天線中繼網(wǎng)絡(luò)傳輸速率與中斷概率之間折衷關(guān)系的新見解。通過應(yīng)用解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，研究高低SNR條件下，將分集復(fù)用折衷（DMT）的概念作為說明MIMO系統(tǒng)性能的工具。數(shù)值結(jié)果表明，研究方案所使用的多路分集復(fù)用增益較直接鏈路傳輸有顯著性能優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：協(xié)作分集;分集增益;復(fù)用增益;MIMO;SNR

中圖分類號：TN919? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）01-0046-05

Research on Diversity Multiplexing Receiving Method and Performance of

MIMO System Based on Rice Fading Channel

DENG Guohui，NIU Dandan

（Zhengzhou University of Science and Technology，Zhengzhou? 450064，China）

Abstract：In this paper，we study the transmit diversity receiving method and its performance under the condition of multiple input multiple output （MIMO）system in Rice fading channel. A new idea of tradeoff between transmission rate and outage probability of multi antenna relay network is proposed. By applying the decode and forward protocol，Under the condition of high and low SNR，the concept of diversity multiplexing compromise （DMT）is used as a tool to illustrate the performance of MIMO system. The numerical results show that the proposed scheme can provide significant performance advantages over direct link transmission in multiplexing gain.

Keywords：cooperative diversity;diversity gain;multiplexing gain;MIMO;SNR

0? 引? 言

降低無線傳輸性能衰落效應(yīng)的一種常見方法是使用多天線系統(tǒng)來實現(xiàn)空間分集[1]。然而，在許多情況下，由于尺寸、功耗和硬件限制，通信設(shè)備的性質(zhì)不支持多個天線[2]。為此，協(xié)作通信提供了通過由單天線節(jié)點形成的虛擬天線陣列實現(xiàn)空間分集的替代方式[3]。

在過去的幾年中，文獻(xiàn)中提出了許多通過節(jié)點合作實現(xiàn)分集的不同技術(shù)[4，5]。其中大多數(shù)旨在開發(fā)以復(fù)用增益為代價在半雙工節(jié)點中提供協(xié)作分集的技術(shù)。事實上，傳輸過程造成了嚴(yán)重的復(fù)用增益損失，因為從源到目的節(jié)點的傳輸需要兩個正交信道（源到中繼和中繼到目的地），這些信道通常通過典型的時分方法創(chuàng)建[4]。為此，此領(lǐng)域?qū)＜姨岢隽嗽S多不同的方法來提高結(jié)果協(xié)作技術(shù)的復(fù)用增益。文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]提出了協(xié)作方案，其中源到中繼的信道和中繼到目的地信道是非正交的。由此產(chǎn)生的技術(shù)較初始時表現(xiàn)出更好的分集-多路復(fù)用折衷（DMT）。因此，本文沿著分集復(fù)用折衷的方向來研究MIMO系統(tǒng)性能。

1? 系統(tǒng)模型

1.1? 系統(tǒng)建模

在協(xié)同通信中，解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議只有在中繼接近信源時才有效[8-10]。根本原因是源和中繼之間的路徑比源到目的節(jié)點的直接鏈路短，而功率增益正是由此產(chǎn)生。在功率增益的幫助下，源和中繼之間能夠建立可靠的通信。

在整節(jié)中，假設(shè)一個緩慢且平坦的衰落環(huán)境，其中信道在多個傳輸時隙中保持靜默。從一個塊到另一個塊，各個通道的信道系數(shù)序列是獨立同分布。假設(shè)發(fā)射機(jī)不知道它們對應(yīng)的前向信道上的瞬時信道狀態(tài)信息（CSI），而CSI在接收信道的接收機(jī)上可用。還假設(shè)所有的發(fā)射天線以相同的功率輻射，且接收天線處的高斯白噪聲過程是獨立同分布，且均值為0，方差為1。對于任意一對節(jié)點a和b，點對點的輸入、輸出關(guān)系可以表示為式（1）：

1.2? 網(wǎng)絡(luò)模型

2? 網(wǎng)絡(luò)中固定中繼

2.1? 重新審議的標(biāo)準(zhǔn)議定書

在本節(jié)中，當(dāng)中繼使用馬爾可夫編碼原理時，我們重新研究標(biāo)準(zhǔn)的全雙工協(xié)議。將源傳輸?shù)男畔⒎殖蓭?，每個幀包含L個信息，并在L+1個時隙中傳輸，源到中繼每個傳輸時隙TS，R與中繼到目的節(jié)點每個傳輸TR，D時隙的時間相同。假定有單位長度，在每個幀傳輸期間信道是靜默，并且中繼總共具有M個用于發(fā)送/接收的天線。L個時隙中繼選擇一組天線來接收源的信息，并且使用可用的M中的Mt個天線將在先前時隙中接收到的信息傳輸?shù)侥康牡?。為確保中繼的信號得到優(yōu)化，還假設(shè)中繼使用所有的天線來接收信息，即：Mr=M，由于Mt天線的子集被假定固定在L+1個時隙內(nèi)，因此稱這個中繼方案為固定中繼。

因此，對于任意的r，低SNR對利用中繼獲得復(fù)用增益沒有幫助。因為SNR降低，分析結(jié)果使得φ的約束變得不那么嚴(yán)格。

3? 數(shù)值結(jié)果

圖2和圖3為萊斯衰落條件下，不同的（K，M，N，Mt）所對應(yīng)的概率Pc，圖3中，（K，M，N，Mt）=（2，2，4，2）和ω=1時，中繼是有效的，同時Pc很大。當(dāng)η和φ-η≤10dB同階，即：φ-η≤10dB，圖3中的虛線曲線是高SNR時Pc的近似值，即Pv，從中可以看出，即使對于中等SNR值，近似也非常接近（例如：φ=20dB）。圖4中，（K，M，N，Mt）=（2，2，4，1）和ω=2時，中繼也是有效的，同時，對于數(shù)值較大的SNR（η≤30dB，φ=20dB），Pc值也較大。當(dāng)φ=20dB，SNR低于20dB時，Pc接近1，這說明在這種情況下幾乎總能獲得MIMO的DMT。

如圖4為Pout對于（2，2，4，2）的系統(tǒng)，當(dāng)r=2，φ是20dB或30dB時，可以發(fā)現(xiàn)，曲線的斜率隨著路徑增益變小而顯著降低，并且可以根據(jù)不同的SNR獲得較低的中斷概率。顯然，當(dāng)r=2沒有直接傳輸?shù)姆旨瘯r，曲線的斜率沒有變化，恒等于1。中繼可以形成4×4MIMO系統(tǒng)，從而可以為高SNR帶來額外的數(shù)值大約為（4-2）2=4的分集增益，如果信號在中繼上被正確解碼，則可以看出，在Pout≈1的SNR范圍內(nèi)，Pout與P4×4相同（見圖3）?？梢园l(fā)現(xiàn)，式（8）中所示的上界曲線突然從SNR點開始彎曲，其中Pc開始從1下降（η=4dB，φ=20dB;η=20dB，φ=10dB），它們的值最終接近P2×2的值。這些結(jié)論證實了式（8）的結(jié)論。然而，確切的Pout對Pc值的敏感性要小得多。從圖中可以看出，Pout精確值的曲線隨著Pc從1下降到最后變成一條水平線而彎曲得更慢。這證實了如下結(jié)論，即一旦Pc接近零，系統(tǒng)DMT將與直接傳輸?shù)腄MT相同。

4? 結(jié)? 論

本文對多天線中繼網(wǎng)絡(luò)中速率與中斷概率之間的折衷進(jìn)行了深入思考并提出了相關(guān)見解，并將DMT的概念作為說明這種折衷和衡量系統(tǒng)性能的工具。研究表明，這些方案在多路復(fù)用增益方面較直接鏈路具有更顯著的性能優(yōu)勢。不同于此領(lǐng)域以前的大多數(shù)工作，它只專注于協(xié)作分集，本研究為開拓?zé)o線中繼網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作復(fù)用提供了新方向。

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