MIMO發(fā)射分集矢量信號測試分析仿真技術(shù)研究

作者 張煜 中國電子科技集團公司第四十一研究所(安徽 蚌埠 233010)

　　*基金項目：中國電科技術(shù)創(chuàng )新基金項目(微波毫米波大帶寬大規模MIMO測試技術(shù)研究)

　　張煜(1980-)，男，高級工程師，研究方向：無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信測試技術(shù)。

摘要：依據3GPP標準和MIMO矢量信號分析測試需求，進(jìn)行MIMO發(fā)射分集矢量信號分析測試仿真研究，著(zhù)重針對發(fā)送模式TM2發(fā)送(TX)分集多天線(xiàn)建模和測試仿真，實(shí)現MIMO信號檢測，進(jìn)而分析MIMO發(fā)射分集矢量信號的性能指標，并對包括MIMO發(fā)射分集信號頻域特性、星座圖等核心參數進(jìn)行了仿真，并給出仿真結果。

0 引言

　　移動(dòng)通信和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是20世紀末促進(jìn)人類(lèi)社會(huì )飛速發(fā)展的重要技術(shù)，給人們的生活工作和政治、經(jīng)濟帶來(lái)了巨大的影響。為支持在成對和非成對頻譜中進(jìn)行發(fā)射，LTE空中接口支持頻分雙工(FDD)和時(shí)分雙工(TDD)模式，它支持使用多路輸入多路輸出(MIMO)天線(xiàn)進(jìn)行發(fā)射，以實(shí)現更大的吞吐量，并擴大容量或距離。當前通信技術(shù)進(jìn)入成熟期，從時(shí)域、頻域、碼域所能獲得的技術(shù)紅利已進(jìn)入技術(shù)瓶頸期，空域則成為進(jìn)一步改善通信能力的必要手段，多路分集多天線(xiàn)技術(shù)是提升通信傳輸速率的有效手段。當然，隨著(zhù)物理層增加，更大的復雜度、MIMO天線(xiàn)越來(lái)越復雜。從測試角度來(lái)說(shuō)，隨之而來(lái)是給MIMO分析測試帶來(lái)嚴峻挑戰：多通道相位同步測量通道，多天線(xiàn)發(fā)出的信號定時(shí)對齊誤差必須小于90 ns，這就需要各測量通道之間的時(shí)延具有足夠的冗余。所以，支持傳輸分集分析的MIMO矢量信號分析儀是一個(gè)非常復雜的系統，為了對該復雜系統的行為進(jìn)行較為精確的描述，需要通過(guò)仿真來(lái)模擬該系統內部工作機制，觀(guān)察其運行情況，并對設計方案以及采用的算法作定性或定量的分析。

1 發(fā)射分集中的MIMO處理

　　發(fā)射分集在發(fā)射端使用多天線(xiàn)技術(shù)達到提高分集增益和鏈路質(zhì)量的目的，LTE中定義了兩種發(fā)射分集方案：2×2 SFBC^[1](Space Frequency Block Coding，空頻分組編碼)技術(shù)和4×4技術(shù)。兩種技術(shù)都提供全速率編碼并通過(guò)分集提高性能。MIMO操作包括層映射和預編碼。在發(fā)射分集中，預編碼和層映射在一個(gè)編碼內操作完成。發(fā)射分集編碼器將調制符號分成兩個(gè)一組，通過(guò)分集編碼將調制符號對通過(guò)不同的發(fā)射天線(xiàn)輸出。因不同天線(xiàn)的采樣實(shí)際上是對相同的調制數據進(jìn)行的，故發(fā)射分集的層為一。每個(gè)發(fā)射天線(xiàn)上的采樣來(lái)自于原始調制符號流，層映射可認為是在后臺完成且預編碼是一系列共軛和取負的結果。

　　1.1 發(fā)射分集中兩天線(xiàn)端口MIMO處理

　　使用兩個(gè)發(fā)射天線(xiàn)時(shí)，LTE 發(fā)射分集基于SFBC。SFBC是與STBC(Space Time Block Coding，空時(shí)分組編碼)非常接近的技術(shù)。對STBC和SFBC技術(shù)做簡(jiǎn)短的描述，闡述SFBC和STBC之間如何轉換。

　　STBC被認為一種多天線(xiàn)調制和映射技術(shù)，它實(shí)現簡(jiǎn)單的編碼譯碼和完全分集。STBC最簡(jiǎn)單的組成是兩天線(xiàn)Alamouti 編碼傳輸。Alamouti ^[2]編碼的STBC，如圖1所示，一組相鄰調制符號(s₁，s₂)在第一個(gè)采樣時(shí)間里被映射到兩個(gè)天線(xiàn)端口，其中這兩個(gè)相鄰向量是正交關(guān)系。在以后的采樣時(shí)間里，符號進(jìn)行交換并取共軛()再映射到兩個(gè)天線(xiàn)端口上。

　　SFBC，如圖2所示，兩個(gè)相鄰的調制符號(s₁，s₂)直接映射到第一個(gè)天線(xiàn)端口的兩個(gè)相鄰采樣中。在第二個(gè)天線(xiàn)端口上，相同的操作來(lái)映射交換共軛符號()。兩個(gè)天線(xiàn)端口的相鄰向量也是正交關(guān)系。

　　可通過(guò)簡(jiǎn)單的變換使Alamouti 編碼的STBC轉變成SFBC的輸出符號。如圖3所示，先對所有第二個(gè)調制符號取共軛并取負，再進(jìn)行Alamouti 編碼和STBC映射，就可得到調制輸入對的SFBC輸出。這個(gè)操作有利于程序代碼復用，提高STBC和Alamouti 編碼的效率。

　　1.2 發(fā)射分集中四天線(xiàn)端口MIMO處理

　　使用四個(gè)發(fā)射天線(xiàn)時(shí)，LTE采用SFBC與FSTD(Frequency Switched Transmit Diversity，頻率切換發(fā)射分集)技術(shù)相互結合的方法。圖4顯示了四個(gè)天線(xiàn)在發(fā)射分集下的處理步驟。這種技術(shù)下，對四個(gè)相鄰調制過(guò)的符號進(jìn)行發(fā)射分集的相關(guān)編碼。先對第一組調制符號(s₁，s₂)進(jìn)行SFBC操作，對其輸出的符號分別分配到第一個(gè)和第三個(gè)天線(xiàn)的前兩個(gè)采樣中。然后對第二組調制過(guò)的符號(s₃，s₄)進(jìn)行SFBC操作，其輸出的符號分別分配到第二個(gè)和第四個(gè)天線(xiàn)的第三和第四個(gè)采樣中。

2 發(fā)射分集信號測試接收端處理

　　為了獲取發(fā)射的調制符號的最優(yōu)估計，需要在接收端進(jìn)行發(fā)射分集合并。發(fā)射分集合并可以認為是發(fā)射分集編碼的反過(guò)程。

　　假設時(shí)序(n)^[3]時(shí)發(fā)射信號[x₁ (n)，x₂ (n)]^T，兩個(gè)接收天線(xiàn)得到的接收信號[y₁ (n)，y₂ (n)]^T，2×2 MIMO信道矩陣：

　　該結果可用于任意接收天線(xiàn)端口的任意相鄰采樣對^[4]。

　　使用Alamouti 碼STBC的發(fā)射分集編碼映射調制符號(s₁，s₂ )到2×2發(fā)射信號：

　　假設兩個(gè)相鄰采樣的信道增益近似相等(即h_1,1 (n)≈h_1,1 (n+1)=h_1,1和h_1,2 (n)≈h_1,2 (n+1)=h_1,2)，且確定時(shí)序的值(如y₁ (n)=y₁和y₁ (n+1)=y₂),可以化簡(jiǎn)上式為：

　　該方程可以在給定接收天線(xiàn)求解發(fā)射符號的估計。為了得到發(fā)射符號的總估計，需要使用MCR算法。如下面所述，MCR算法^[5]合并所有接收端估計值。