基于特征值分布的自适应MIMO接收方法

徐 尧，蒋攀攀，王大鸣



基于特征值分布的自适应MIMO接收方法

徐 尧，蒋攀攀，王大鸣

(解放军信息工程大学信息系统工程学院，郑州 450002)

多输入多输出(MIMO)系统性能优劣依赖于信道的相关特性，空分复用技术适用于低相关信道，而波束形成技术适用于高相关信道。依据上述信道相关特性，提出一种基于信道特征值分布的自适应MIMO接收方法。该方法以均匀圆形天线阵列结构为基础，能够根据信道相关情况动态选择接收方式：当角度扩展较大时，选用传统MIMO接收方式(称为天线MIMO方式)；当角度扩展较小、多径独立时，选用基于智能天线的多波束接收方式(称为波束MIMO方式)。分析角度扩展、多径对信道特征值分布的影响，并给出自适应MIMO接收切换的条件。仿真结果表明，该方法能够适应复杂的无线环境，误码率较低，性能更加稳定可靠。

多输入多输出；波束形成；特征值分布；相关性；角度扩展；误码率

1 概述

在上述基础上，本文研究了多径、角度扩展(Angular Spread, AS)对上述2种接收方式的影响，在不同的角度扩展条件下，天线MIMO与波束MIMO性能表现不同。据此，分析了多径、角度扩展与信道特征值分布的关系，提出一种基于信道特征值分布的自适应MIMO接收方法。在不同的角度扩展环境下，自适应地选择天线MIMO方式或波束MIMO方式接收空分复用信号。

2 系统及信道模型

鉴于均匀圆阵(Uniform Circular Array, UCA)的各种优势[6]，如全方向覆盖能力、方向图受来波方向影响较少等特点，将均匀圆阵应用于接收端具有的优势。因此，本文提出的自适应MIMO接收模型如图1所示。

图1 自适应MIMO接收模型

则波束信道输出信号表示为：

3 自适应MIMO接收方法

3.1 多径、角度扩展的影响分析

MIMO系统性能依赖于信道相关性的强弱。在实际通信环境中，尤其是由于多径、角度扩展的影响，接收端信道相关性不断变化。基于均匀圆阵的MIMO多径簇信道模型几何示意图如图2所示。

图2 MIMO簇信道模型几何示意图

由第2节信道模型可知，MIMO信道相关性由相关矩阵表示，接收(发送)端的相关矩阵表示为：

假设接收端信号角能量分布服从均匀分布。函数表达式为：

在大角度扩展条件下[9]，角度扩展相比于天线间距对相关性的影响要大，且通过增加天线间距降低信道相关性并不能获得理想效果。且随着角度扩展和多径数量的增加，信道相关性逐渐减弱，有利于天线MIMO技术的应用。这也是为什么本文所提方法在天线阵列间距配置较小的情况下，选择在大角度扩展条件时使用天线MIMO方式接收的原因。

在小角度扩展条件下，通过增加接收天线阵列间距，也很难降低空间信道相关性。当每径角度扩展较小且多径到达角夹角较大时，多径之间的相关性是很小的，特别是在散射不充分环境下，天线间相关性增强，传统MIMO系统性能受限于系统相关性影响，波束MIMO技术正好可以弥补MIMO系统在该种环境下的不足。因此，考虑在小角度扩展条件下利用阵元之间的强相关性和多径之间的弱相关性，通过智能天线多波束形成的方式，建立波束MIMO信道。这就是本文接收方法在角度扩展小，多径独立时选用波束MIMO方式接收的原因。

3.2 自适应切换条件

因此，可以将分析多径角度扩展大小和多径相关性的问题转化为对信道矩阵特征值分布的研究。信道相关矩阵表示为：

信道条件数的大小直接反映了信道相关性的强弱[12]，考虑采用波束MIMO接收方式时，应当具有多条独立的径，以达到构造不相关子信道的目的。因此，可以在相关信道中检测是否具有多个较大的特征值。下面以双流空分复用信号接收为例，波束MIMO接收切换条件为：

4 仿真分析

图3 不同角度扩展下的切换条件

图4 不同入射夹角下的切换条件

图5和图6分别仿真了小角度扩展条件下(=5°)和大角度扩展条件下(=30°)，独立同分布高斯(IID)信道下 2发2收系统和本文描述的基于均匀圆阵的天线MIMO、波束MIMO接收方式误码率性能。从图5可以看出，在小角度扩展条件下，波束MIMO接收方式误码率性能要优于天线MIMO方式，而且两波束MIMO信道相比于四波束MIMO信道接收方案误码率性能相差不大，表明在小角度扩展条件下，波束MIMO接收方式更优，且采用主径接收，忽略弱径影响的波束MIMO接收方式是合理的。波束信道能够提高接收信噪比，且具有降低信道间相关性的作用，这是波束信道MIMO系统能够提高接收系统误码率性能的主要原因。从图6可以看出，在大角度扩展条件下，天线MIMO方案优于波束MIMO方案，且随着角度扩展的增大，四波束MIMO信道优于两波束MIMO信道，天线MIMO方式优于波束MIMO方式。这主要是因为随着角度扩展的增大，信道相关性减弱，可用子信道数增加，带来了一定的分集增益。

图5 小角度扩展下误码率性能

图6 大角度扩展下误码率性能

综合图5和图6还可以看出，波束MIMO方案更适合小角度扩展、低信噪比环境下使用，而天线MIMO方案更适合于大角度扩展、高信噪比环境下应用。

综上所述，在信道相关性强、多径独立时选用波束MIMO接收方式；在信道相关性弱时，选用天线MIMO接收方式。显然，自适应选择较好的接收方式所获得的性能要比固定使用一种接收方式性能更优。

5 结束语

本文基于均匀圆阵接收模型，研究了多径、角度扩展对相关信道特征值分布的影响，分析了波束MIMO和天线MIMO 2种接收方式不同表现的原因，给出一种自适应MIMO接收方法，并明确了具体的切换条件。特别是波束MIMO接收方式的引入，解决了高相关信道下天线MIMO性能受限的缺点，保证了实际应用中复杂多变无线环境下空分复用信号的可靠接收。仿真结果表明，该方法能够针对多径信道特点，较好地结合智能天线和MIMO 2种多天线技术，在不同的信道环境下自适应地选用合适的接收技术，发挥了多天线技术的优势。

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编辑 索书志

Adaptive MIMO Receiving Method Based on Eigenvalue Distribution

XU Yao, JIANG Pan-pan, WANG Da-ming

(Institute of Information System Engineering, PLA Information Engineering University, Zhengzhou 450002, China)

Multiple Input Multiple Output(MIMO) system performance depends on the correlation of the channel, Spatial Multiplexing (SM) is applicable to low correlation channel, and Beamforming(BF) is applicable to high correlation channel. This paper proposes an adaptive MIMO receiving method based on eigenvalue distribution according to the channel correlation. The proposed method can dynamically select the receiving mode based on a uniform circular antenna array. Under the conditions of large Angular Spread(AS) environment, it selects the conventional MIMO receiving mode(called antenna MIMO), and under the conditions of small AS, multipath independent environment, it selects the multi-beam receiving mode(called Beam-MIMO). The impact of AS and multipath on eigenvalue distribution is analyzed, and an adaptive MIMO receive switching criterion is given. Simulation results show that the proposed method can adapt to the complex wireless environment and provide better error rate performance.

Multiple Input Multiple Output(MIMO); Beamforming(BF); eigenvalue distribution; correlation; Angular Spread(AS); bit error rate

1000-3428(2014)03-0108-05

A

TP391

国家科技重大专项基金资助项目“新一代宽带无线移动通信网”(2011ZX03003-003-02)。

徐 尧(1985－)，男，硕士研究生，主研方向：移动通信；蒋攀攀，硕士研究生；王大鸣，教授、博士生导师。

2013-03-08

2013-04-09 E-mail：qjpxy@126.com

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.03.022