MIMO系统多包接收性能分析*

崔 苗， 姚 震

(1.广东工业大学，广东 广州 510006；2.中国电子科技集团第七研究所，广东 广州510310)

MIMO技术不仅可以带来空间复用增益和分集增益，还可实现多包接收(MPR)功能[1]。Sylvie Ghez等人在参考文献[2-3]中提出了MPR概念，其思想是网络中的节点具有同时接收多个数据包并能对它们进行有效分离，而不像传统的冲突模型，即当多个数据包同时到达接收节点时，就认为产生了冲突而丢弃全部数据包，发送节点必须在随后的时间里重新传输所有数据包。因此，MPR可以有效地提高整个网络的吞吐量和减小数据包的等待时延。而在一个MIMO链路中，只要接收端天线数目不少于总发送天线数目，接收端就可以成功分离和解码所有的输入流[4-5]。由此可见，MIMO是一种高效的实现MPR功能的技术，在移动无线网络应用MIMO技术,有效地消除了无线信道多径和时变衰落的影响，在不增加带宽条件下可以成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，是下一代无线通信系统的关键技术之一[6-7]。

1 MIMO MPR传输系统

表1是MIMO MPR传输系统技术参数。当采用多天线进行发送时，节点可以采用分集和复用两种传输方式，发送和接收天线数分别用nt和nr表示。由于MIMO MPR系统传输过程采用不同的空时编码方式，因此必须考虑不同编码方式的接收端检测算法。常用的译码算法有极大似然译码算法、最小均方误差译码算法等[8]。

表1 MIMO MPR传输系统主要技术参数

1.1 发送端传输方式

当系统采用分集传输方式时，发射端采用空时分组编码STBC(Space-Time Block Coding)。STBC编码是在正交设计理论的基础上把Alamouti编码从两副天线推广到多副发送天线系统中形成的一种编码方案，而由于其正交性，使得译码算法简单且易于实现[8]。

STBC的编码原理如图1所示，若采用M进制调制，每m=log2M个比特映射到一个星座点，即一个符号xi，来自信源的二进制信息每Km个比特为一组进行调制后共可得到K个符号(x1,x2,…,xK)。再把K个符号送入空时分组编码器根据编码矩阵进行编码，编码后将生成nt个长度为P的并行信号序列(P代表传输一组编码符号的时间周期数)，最后将编码后的信号序列分别从nt副天线上同时发送到信道。

当系统采用复用传输方式时，发送端采用分层空时编码中的垂直分层空时编码V-BLAST(Vertical Layered Space-Time)。采用4天线进行发送时，发射机的发射模型如图2所示，其基本思想是把高速的数据业务分解为若干低速数据业务，通过普通的信道编码器编码后，对其进行V-BLAST空时编码，调制后再送多副天线发送。

1.2 接收端信号分离算法

图3所示为节点的接收模型，在估计出信道矩阵H后，采用合适的信号分离和译码算法来恢复出期望信号。这里分别给出发送节点采用STBC和V-BLAST方式传输时接收端的信号分离和译码算法。

1.2.1 STBC方式的接收端信号分离算法

研究表明，一旦正交STBC的编码矩阵给定，其接收端对应的输出信号组合形式也就确定，而且这种组合形式一定是最大比合并。在本方案中，信号分离采用给出的极大似然算法ML(Maximum Likehood)。

若G为P×nt的正交分组码矩阵，系统中第j副接收天线的接收向量xj=(,…可以表示为:

极大似然算法如下：

在接收端，根据从接收天线上得到的信号接收矩阵(x1,x2,…,xnr)计算关于所有发送码度量。

1.2.2 V-BLAST接收端信号分离算法

在讨论算法之前,先给出算法需要的几个假设条件：(1)假设多天线系统的信道是平坦快衰落信道；

(2)假设各副发送天线到接收天线之间的信道相互独立，并且信道呈瑞利分布，均值为0，每维方差为0.5；

(3)假设噪声是均值为0的复高斯随机噪声；

(4)接收端已知信道信息。

在上述假设情况下，本方案主要采用基于排序的迫零串行干扰消除方法ZF-VBLAST(Zero Forcing-VBLAST)来进行信号分离和译码。若接收信号为：

具体的信号分离过程如下：

(1)排序：首先根据信道矩阵H求出加权矩阵：

然后根据W的行范数大小来确定解调符号的顺序。

(2)迫零：根据排序确定要进行分离的信号，然后采用迫零算法来消除其他信号的干扰：x=Wr。若W的第i行有最大的范数，则x(i)为分离的第i个信号。

表2 MIMO MPR系统仿真场景参数设置

(3)补偿：在发送信号调制星座中选择与解调信号估值之间欧氏距离最小的星座点判决为发送的符号。

(4)消除：在接收信号中消除掉已分离信号的影响，使得剩余信号分离的复杂度降低。然后继续按照上面的步骤来分离剩余的符号，直到分离出所有的符号。

2 MIMO MPR仿真及性能分析

2.1 仿真场景设置

在此4×4 MIMO MPR系统仿真中，假设收发天线间的距离相同，因此接收端接收到的信号在大尺度上差别不大。MIMO MPR系统允许多个节点间同时传输数据，如图4是仿真场景示意图，该图所示两个发送节点（分别是节点 1和节点 3）一个接收节点（接收节点 3）的场景，箭头表示数据流方向，而表2是MIMO MPR系统不同仿真场景接收端信号分离算法。

2.2 不同场景仿真结果分析

图5中是场景一的仿真结果图，本场景中节点1采用组复用发送方式，分集增益为4，复用增益为2。由图可知，节点1的两个STBC流的误码率基本一致，总的误码率介于二者之间。只是SNR较大时，曲线有些波动，这是由于此时误码率很低，一个偶然的随机错误，就可以使曲线发生较大变化。

图6是场景二的仿真结果图，本场景中节点1和节点3随机选择两根天线按照V-BLAST编码将分组发送出去。由图可知，两个节点的误码率基本一致，总的误码率介于二者之间。

图7是场景三仿真图，在发送端节点1和节点3随机选择两副天线分别采用Almouti的STBC编码将分组发送出去。这时接收端的信号分离过程分为两步，两个节点的误码率基本一致，总的误码率介于二者之间。

图8是场景四仿真结果图，发送端4个节点分别随机选择一根天线，不采用任何空时编码技术发送自己的数据。在接收端，系统的译码过程与点对点的V-BLAST系统相同。由图可以看出，随着SNR增加，4个数据流的误码率曲线开始分叉抖动，总的误码率曲线介于它们之间。

在基于MIMO信道的无线网络中，由于可以有效地控制通信的空域、距离及干扰的大小，从而为网络的自组织提供了新的自由度，由原来的节点之间连通性的单一形式自组织扩大为节点间天线、数据流等多种形式并存，这种自组织能力的提升是无线网络性能得以进一步改善的基础。对多种场景下MIMO系统的多包接收性能进行仿真。对比这些仿真结果可知，多个节点同时发送数据，接收端可以正确解调，即多包接收可行。

[1]Chen Biao,GANS M J.MIMO communications in Ad Hoc networks[J].IEEE trans.on signal processing,2006,54(7):2773-2783.

[2]GHEZ S,VERDU S,SCHWARTZ S C.Stability properties of slotted Aloha with multipacket reception capability[J].IEEE Trans.Automat.Contr.,1988,33(7):640-649.

[3]GHEZ S,VERDU S,SCHWARTZ S C.Optimal decentralised control in the random access multipacket channel[J].IEEE trans.on automatic cont.,1989,34(11):

[4]ZHANG P X,ZHANG Y J,LIEW S C.Multipacket reception in wireless local area networks[C].in Proc.IEEE ICC’06,2006:3670-36,75.

[5]崔苗,曹英烈,冯穗力.一种实现MIMO多包接收的 Ad Hoc网络MAC协议[J].计算机工程与应用,2011,47(6):15-19.

[6]SUNDARESAN K,SIVALUMAR R,INGRAM M A,et al.Medium access control in Ad Hoc networks with MIMO links:optimization considerations and algorithms[J].IEEE Transactions On Mobile Computing,2004,3(4):350-365.

[7]CASARI P,LEVORATO M,ZORZI M.MAC/PHY crosslayer multi-packet reception based medium access control and resource allocation for space-time coded MIMO/OFDM[J].IEEE Trans.Wireless Commun.,2008,7(9):3372-3384.

[8]罗涛，乐光新.多天线无线通信原理与应用[M].北京：北京邮电大学出版社，2005.