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(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標準和MIMO矢量信號分析測試需求，進行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，實現(xiàn)MIMO信號檢測，進而分析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(shù)進行了仿真，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世紀末促進人類社會飛速發(fā)展的重要技術(shù)，給人們的生活工作和政治、經(jīng)濟帶來了巨大的影響。為支持在成對和非成對頻譜中進行發(fā)射，LTE空中接口支持頻分雙工(FDD)和時分雙工(TDD)模式，它支持使用多路輸入多路輸出(MIMO)天線進行發(fā)射，以實現(xiàn)更大的吞吐量，并擴大容量或距離。當前通信技術(shù)進入成熟期，從時域、頻域、碼域所能獲得的技術(shù)紅利已進入技術(shù)瓶頸期，空域則成為進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)出的信號定時對齊誤差必須小于90 ns，這就需要各測量通道之間的時延具有足夠的冗余。所以，支持傳輸分集分析的MIMO矢量信號分析儀是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，為了對該復(fù)雜系統(tǒng)的行為進行較為精確的描述，需要通過仿真來模擬該系統(tǒng)內(nèi)部工作機制，觀察其運行情況，并對設(shè)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際上是對相同的調(diào)制數(shù)據(jù)進行的，故發(fā)射分集的層為一。每個發(fā)射天線上的采樣來自于原始調(diào)制符號流，層映射可認為是在后臺完成且預(yù)編碼是一系列共軛和取負的結(jié)果。

　　1.1 發(fā)射分集中兩天線端口MIMO處理

　　使用兩個發(fā)射天線時，LTE 發(fā)射分集基于SFBC。SFBC是與STBC(Space Time Block Coding，空時分組編碼)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被認為一種多天線調(diào)制和映射技術(shù)，它實現(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)在第一個采樣時間里被映射到兩個天線端口，其中這兩個相鄰向量是正交關(guān)系。在以后的采樣時間里，符號進行交換并取共軛()再映射到兩個天線端口上。

　　SFBC，如圖2所示，兩個相鄰的調(diào)制符號(s₁，s₂)直接映射到第一個天線端口的兩個相鄰采樣中。在第二個天線端口上，相同的操作來映射交換共軛符號()。兩個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，先對所有第二個調(diào)制符號取共軛并取負，再進行Alamouti 編碼和STBC映射，就可得到調(diào)制輸入對的SFBC輸出。這個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

　　使用四個發(fā)射天線時，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顯示了四個天線在發(fā)射分集下的處理步驟。這種技術(shù)下，對四個相鄰調(diào)制過的符號進行發(fā)射分集的相關(guān)編碼。先對第一組調(diào)制符號(s₁，s₂)進行SFBC操作，對其輸出的符號分別分配到第一個和第三個天線的前兩個采樣中。然后對第二組調(diào)制過的符號(s₃，s₄)進行SFBC操作，其輸出的符號分別分配到第二個和第四個天線的第三和第四個采樣中。

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，需要在接收端進行發(fā)射分集合并。發(fā)射分集合并可以認為是發(fā)射分集編碼的反過程。

　　假設(shè)時序(n)^[3]時發(fā)射信號[x₁ (n)，x₂ (n)]^T，兩個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。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。