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(tuán)公司第四十一研究所(安徽 蚌埠 233010)

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

　　張煜(1980-)，男，高級工程師，研究方向：無線移動通信測試技術(shù)。

摘要：依據(jù)3GPP標(biāo)準(zhǔn)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，著重針對發(fā)送模式TM2發(fā)送(TX)分集多天線建模和測試仿真，實(shí)現(xiàn)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(biāo)，并對包括MIMO發(fā)射分集信號頻域特性、星座圖等核心參數(shù)進(jìn)行了仿真，并給出仿真結(jié)果。

0 引言

　　移動通信和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是20世紀(jì)末促進(jìn)人類社會飛速發(fā)展的重要技術(shù)，給人們的生活工作和政治、經(jīng)濟(jì)帶來了巨大的影響。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)天線進(jìn)行發(fā)射，以實(shí)現(xiàn)更大的吞吐量，并擴(kuò)大容量或距離。當(dāng)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，多路分集多天線技術(shù)是提升通信傳輸速率的有效手段。當(dāng)然，隨著物理層增加，更大的復(fù)雜度、MIMO天線越來越復(fù)雜。從測試角度來說，隨之而來是給MIMO分析測試帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：多通道相位同步測量通道，多天線發(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(fù)雜的系統(tǒng)，為了對該復(fù)雜系統(tǒng)的行為進(jìn)行較為精確的描述，需要通過仿真來模擬該系統(tǒng)內(nèi)部工作機(jī)制，觀察其運(yùn)行情況，并對設(shè)計(jì)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)射端使用多天線技術(shù)達(dá)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分集提高性能。MIMO操作包括層映射和預(yù)編碼。在發(fā)射分集中，預(yù)編碼和層映射在一個(gè)編碼內(nèi)操作完成。發(fā)射分集編碼器將調(diào)制符號分成兩個(gè)一組，通過分集編碼將調(diào)制符號對通過不同的發(fā)射天線輸出。因不同天線的采樣實(shí)際上是對相同的調(diào)制數(shù)據(jù)進(jìn)行的，故發(fā)射分集的層為一。每個(gè)發(fā)射天線上的采樣來自于原始調(diào)制符號流，層映射可認(rèn)為是在后臺完成且預(yù)編碼是一系列共軛和取負(fù)的結(jié)果。

　　1.1 發(fā)射分集中兩天線端口MIMO處理

　　使用兩個(gè)發(fā)射天線時(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)做簡短的描述，闡述SFBC和STBC之間如何轉(zhuǎn)換。

　　STBC被認(rèn)為一種多天線調(diào)制和映射技術(shù)，它實(shí)現(xiàn)簡單的編碼譯碼和完全分集。STBC最簡單的組成是兩天線Alamouti 編碼傳輸。Alamouti ^[2]編碼的STBC，如圖1所示，一組相鄰調(diào)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)天線端口上。

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

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

　　1.2 發(fā)射分集中四天線端口MIMO處理

　　使用四個(gè)發(fā)射天線時(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(jié)合的方法。圖4顯示了四個(gè)天線在發(fā)射分集下的處理步驟。這種技術(shù)下，對四個(gè)相鄰調(diào)制過的符號進(jìn)行發(fā)射分集的相關(guān)編碼。先對第一組調(diào)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)天線的前兩個(gè)采樣中。然后對第二組調(diào)制過的符號(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(diào)制符號的最優(yōu)估計(jì)，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(rèn)為是發(fā)射分集編碼的反過程。

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

　　該結(jié)果可用于任意接收天線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(diào)制符號(s₁，s₂ )到2×2發(fā)射信號：

　　假設(shè)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),可以化簡上式為：

　　該方程可以在給定接收天線求解發(fā)射符號的估計(jì)。為了得到發(fā)射符號的總估計(jì)，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(jì)值。