单用户MIMO 技术在不同无线场景下的误码性能比较

李娜娜，景小荣，2，张祖凡，2，陈前斌，2

（1.重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆400065;2.重庆邮电大学移动通信技术重庆市重点实验室，重庆 400065）

0 引言

随着数据通信与多媒体业务需求的发展，对无线通信系统的速率要求也越来越高。为此，3GPP提出了长期演进计划（long term evolution，LTE）。后来，根据技术演进的进一步需要，提出了LTE后续演进技术标准，即LTE-Advanced。在LTE-Advanced中，3GPP引入了上/下行增强 MIMO（multi-input multi-output）技术。

MIMO技术在不增加带宽的情况下，可以成倍地提高系统容量和传输链路的可靠性［1］，为此，近十年来，对MIMO技术的研究取得了十分丰富的理论成果［2-4］;但是，大多数的研究都没有考虑到实际移动通信环境的复杂性和多样性。

以实际通信环境为背景，3GPP在 Release 9［5］中对LTE-Advanced的无线应用场景进行了优化，明确提出了采用ITU提出的IMT-Advanced信道模型作为未来移动通信技术研究和评估的参考信道模型。IMT-Advanced信道模型定义了室内热点（indoor-hotspot）、市区微小区（urban-micro）、市区宏小区（urban-macro）、郊区宏小区（rural-macro）4个测试场景，同时定义了视距（LOS）和非视距（NLOS）这2种传输模式。表1为各测试场景的参数配置。

表1 各测试场景的参数配置Tab.1 Configuration parameters of the test scene

但是，通过对大量国内外文献的查阅发现，针对MIMO技术在以上通信环境的适应性研究未见报道。因此，本论文以LTE-Advanced为背景，针对单用户MIMO技术中的空间复用和空间分集，结合不同的无线通信场景，对其误码率性能进行了深入的数值仿真分析，评估了2种MIMO技术的适应性。

1 单用户MIMO系统中的关键技术简介

单用户MIMO无线通信系统中的主要技术包括空间分集和空间复用。空间分集的原理是利用空间信道的弱相关性，结合时间/频率上的选择性，为信号的传递提供更多的副本，从而提高信号传输的可靠性。LTE中的传输分集技术的候选技术很多，比如空时编码、循环延时分集以及天线切换分集技术等。空间复用技术则是一种利用空间信道的弱相关性的技术，其主要工作原理是在多个相互独立的空间信道上传递不同的数据流，从而提高数据传输的峰值速率。

1.1 空间分集技术

空间分集是通过在空间引入信号冗余以达到分集的目的，图1给出了2发2收空间分集方案。发送端在2个不同时刻，通过在2根天线上发送互相正交的信息集合，从而获得分集增益。

1.2 空间复用技术

空间复用指在同一时频资源，各发送天线发送不同的信息，以达到频谱资源不变的情况下成倍地提高频谱效率的目的。图2给出了2发2收的空间复用方案。

1.3 主特征值空间复用

主特征值空间复用模式，是指当发送端确知信道状态信息时，就可利用奇异值分解创建一正交空间滤波器，发送端利用该空间滤波器，可将信道分成若干子信道［6］。

假设MIMO系统的信道矩阵为Hu×s，其中，s表示发送端天线数;u表示接收端天线数。在发送端已知信道状态信息条件下，将信道矩阵H进行奇异值分解，得到

（1）式中:Uu×s和 Vu×s为酉矩阵为包含 H 所有奇异值的对角阵考虑到U和V为酉矩阵，所以利用V对所传输的信号X进行预编码，在接收端，对接收信号左乘矩阵U*，有

（2）式中:n为加性高斯白噪声。

2 LTE-Advanced系统仿真模型及信道模型

2.1 LTE-Advanced系统仿真模型

图3给出了LTE-Advanced系统仿真的系统框图，信道编码采用Turbo码，调制方式采用QPSK，16QAM和64QAM。层映射指将码字映射到层上，层数一般要求小于等于信道矩阵秩。预编码处理可分为非码本式预编码和基于码本的预编码。本论文仿真中采用基于信道奇异值分解的非码本式预编码［7］。MIMO处理过程这里主要指空间分集和空间复用。资源粒子映射指将经过信道编码、调制、层映射、预编码和MIMO处理之后的数据符号映射到OFDM的时频符号上。

图3 LTE-Advanced系统仿真框图Fig.3 LTE-Advanced system simulation diagram

2.2 MIMO信道模型

本文所采用的信道模型为IMT-Advance所提出的基于几何分布统计模型［8］，是非物理信道模型中的一种，也叫做双向信道模型，如图4所示。

图4 MIMO信道模型Fig.4 MIMO channelmodel

这种信道模型虽没有明确地指出散射体的位置，但指出了发射线的方向。基于几何建模的无线信道能够使得传播参数和天线分离。

在此信道模型中很多射线组成了一个簇，簇表示一条传播路径在空间中的扩散，扩散可以是在时延上或角度域上。通用MIMO信道模型适用于所有的情况，如室内、城市和农村。

MIMO信道的时间变量冲激响应矩阵

（3）式中:t为时间;τ为时延;N为路径数;a为路径指数。它由天线阵列各自发射响应矩阵和接收响应矩阵Frx和Ftx组成，群N的双极化传播信道响应矩阵Ha为

集群a从发射天线端s到接收端u的信道表达为

（5）式中:Frx，u，V和 Frx，u，H，Ftx，s，V和 Ftx，s，H分别表示天线元s和u的垂直和水平极化方向的空间域特性; αa，m，VV，αa，m，VH，αa，m，HV和 αa，m，HH分别表示射线（a，m）的垂直—垂直，垂直—水平，水平—垂直和水平—水平极化复增益;λ0表示载波波长;表示发射角单位矢量;表示入射角单位矢量;和表示元素 s和 u 各自的位置矢量; υa，m是射线 （a，m）的多谱勒频率分量［5］。

3 LTE-Advanced系统仿真参数及仿真结果分析

3.1 仿真参数

IMT-Advanced所提供的仿真环境包括室内热点、城市微蜂窝、城市宏蜂窝和郊区宏蜂窝，所提供的传输模式包括视距（line-of-sight，LOS）和非视距（non-line-of-sight，NLOS）。表2显示了这些环境之下的固定参数。

本仿真中Turbo编码速率为1/3，OFDM符号形成中，IFFT变换长度为1 024。

表2 无线场景下的固定参数Tab.2 Fixed parameters of wireless scenarios

3.2 仿真结果分析

试验一 不同无线场景下，2种MIMO技术的误码率比较（调制方式相同）。该试验中，均采用QPSK调制，s=u=4。

图5给出了MIMO技术在不同无线场景下的性能对比。图5a和图5b分别给出未进行预编码的空间复用和有预编码的主特征值空间复用在不同环境下的误码率性能曲线图，图5c给出空间分集技术在不同环境下的误码率曲线。从图5a－b中可看出:不同的无线场景中，不同空间复用方案的误码率性能相差很大。比如，在城市微蜂窝与室内热点的环境中，由于散射体比较丰富，从而使得MIMO信道中各个子信道间呈现强独立性，因此，空间复用方案性能更佳，即在此环境中，更适宜采用空间复用MIMO传输模式。在郊区宏蜂窝和城区宏蜂窝的环境中，由于散射环境比较弱，空间信道的相关性较大，因此，空间复用效果要差很多，在郊区宏蜂窝和城区宏蜂窝的环境中，不适宜采用空间复用MIMO传输模式。从图5a和图5b还可以看出:①在同样传输环境中，LOS传输的性能远远差于NLOS传输，这也进一步说明了，MIMO技术可以充分利用信道中的多径成分来增加系统的传输可靠性;②在室内LOS传输环境下，当误码率为10－1时，未进行预编码的空间复用技术所需要的信噪比比采用预编码的空间复用技术相差12 dB，这说明，当充分利用信道状态信息时，可以有效地提高空间复用技术的误码率性能。

从图5c可看出:对于空间分集技术，在任何传输环境下随信噪比的增加其误码率均呈现下降趋势，且在任何环境下，其误码率都可以达到10－2以下，甚至更低。同样地，在相同的无线场景之下，空间分集技术的LOS传输和NLOS传输对系统的性能影响是不同的，在NLOS传输下，系统的误码率将会更低，这也就说明MIMO技术主要利用空间信道的弱相关性来提高整个通信系统的质量，也就是说如果在一个通信系统中赖斯因子K越大，MIMO系统的性能将越差。

试验二 不同调制方式下的MIMO技术性能比较（相同无线场景）。仿真采用室内热点的NLOS传输环境，s=u=4。

图6给出了MIMO技术在不同调制方式下的性能对比。从图6a－c中可以看出，不论对任何一种MIMO技术来说，采用QPSK调制时系统的误码率性能是最好的，但随着调制阶数的增加系统的误码率性能在逐渐降低，尤其对于空间复用来说，采用高阶调制方式，即使是在室内环境，其误码率性能急剧恶化;但是对于空间分集技术来说，即使采用了64QAM调制，其误码率还是可以达到10－3，这就说明空间复用不适用高阶调制方式，但是空间分集不存在这个问题。

4 结论

本文以IMT-Advanced信道模型为基础，针对单用户MIMO中的空间复用和空间分集技术，在不同的无线场景和不同的调制方式下，对其误码率性能进行了仿真分析，并结合无线场景的特点，评估了2种MIMO技术的环境适应性。室内和城市微蜂窝属于强散射通信环境，导致信道矩阵的相关性比较弱。因此，无论是空间复用还是空间分集技术均具有很好的误码率性能。对于城市宏蜂窝和郊区，由于在这种环境下散射体较少，散射环境比较弱，从而信道矩阵的相关性很大，对于空间复用技术已不再适用，但是空间分集由于其发送的是正交的信号，具有抗信道相关衰落的性能，因此，对信道环境的要求比较低，无论是在任何环境中都可以得到很好的误码率性能。同时空间复用并不适用于高阶的调制方式。以上这些结论对于实际LTE-Advanced系统的设计具有一定的指导意义。

［1］WIKIPEDI A.Multiple-input－ multiple-output communications［EB/OL］.（2011-06-30）［2011-07-12］.http://en.wikipedia.org/wiki.

［2］ FOSCHINIG J，WOLNIANSKY P W.GOLDENAND G D，et al.VBLAST:An Architecture for Realizing very High Data Rates over the Rich Scattering Wireless Channel［C］//URSI International Symposium on Signals，Systems，and Electronics.Pisa，Italy:IEEE Computer Society，2002:295-300.

［3］ PAULRAJA J，GORE D A，NABAR R U，etal.An Overview of MIMO communications-a key to gigabit wireless［J］，Proceedings of the IEEE，2004，92（2）:198-218.

［4］ GESBERT D，SHAFIM，SMITH P J，et al.From theory to practice:an overview ofMIMO space-time coded wireless systems［J］.IEEE Journal on selected Areas in Communications，2003，21（3）:281-302.

［5］ 3GPP.TR36.814 V1.0.01（2009-03），Technical Specification Group Radio Access Network;Further Advancements for E-UTRA Physical Layer Aspects（Release 9）［EB/OL］.（2008-02-14）［2011-09-15］.http://www.3gpp.org/Release-9.

［6］ TRAN M，HALLSD，NIX A，et al.MobileWiMAX Downlink Performance Analysiswith Adaptive MIMO Switching［J］.Mobile WiMAX Symposium，2009，12（2）:147-151.

［7］沈嘉，索士强，全海洋，等.3GPP长期演进（LTE）技术原理与系统设计［M］.北京:人民邮电出版社，2008.SHEN Jia，SUO Shi-qing，QUAN Hai-yang.3GPP longterm evolution（LTE）technology principle and system design［M］.Beijing:People's posts and telecommunications publishing house，2008.

［8］ ERTEL R B，CARDIERIP，SOWERBY KW，etal.Overview of spatial channelmodels for antenna array communication systems［J］.Personal Communications，2002，5（1）:10-22.