大规模MIMO系统性能的仿真研究

武警工程大学　郭耀廷　胡瑞超

大规模MIMO系统性能的仿真研究

武警工程大学郭耀廷胡瑞超

大规模MIMO已经被认为是解决更大通信数据量的5G关键技术。本文通过分析和仿真证明大规模MIMO在不同传播环境下系统性能渐近特性，并且发现常规OLB算法应用于大规模MIMO会导致系统性能急剧恶化。

大规模MIMO；系统性能；OLB

1　引言

大规模MIMO是一种多用户MIMO技术，每一个基站都配置了一个由M个发射天线组成的单元，并利用它们与K个单天线终端在相同的时间和频段内通信，基站天线数量越多信号的空间聚焦性越好［1］，但是系统特性会出现一些新的变化，本文对不同信道传播环境和开环波束赋形（OLB，Open-Loop Beamforming）下的大规模MIMO系统性能进行分析和仿真，得出了相关结论。

2　大规模MIMO系统性能分析

2.1在非富散射环境中的系统性能

终端和基站间的信道响应可以用M维矢量代替。因为K个信道矢量通常是互不正交的，需要先进的信号处理技术来抑制干扰从而达到总的多用户信道容量。理想的传播环境意味着K个用户的信道矢量是相互正交的［1］。因为干扰可通过简单的利用信道正交性做线性处理就可以消除，但是实际中是不存在理想的传播信道［2］。

一种近似理想传播的形式可以在具有富散射的非视线环境下达到，该环境下每一个信道矢量都具有零均值且相同分布的随机输入。在这些条件下，信道矢量的内积随着增加基站天线数量的增加而趋于零，意味着信道矢量随着M的增加逐渐趋于正交化［3］。瑞利衰落信道通常被认为是大规模MIMO研究的基础。但是，近似的理想的传播环境在许多其它情形下也可以达到［4］。

2.2仿真

假设基站使用以半波长的天线间隔的均匀线性阵列（ULA）。仿真中假设基站的发射天线数M=100，用户终端数K=12，在获取理想的信道状态信息后，上行链路的SNRu=-5dB。

图1 采用OLB时的系统性能仿真

图1对比了两种情形当采用OLB技术时大规模MIMO的阵列增益：运用ULA（i）非视线non-LoS全向同性散射（独立同分布的瑞利衰落），（ii）视线LoS传播。运用最大比接收技术时的线性阵列增益是， 表示CSI的品质［5］。大规模MIMO在两种情形下的阵列增益都是。对于OLB，为了模拟允许的最大的导频，当时我们使码本尺寸L=M，时L=50。通过均匀离散化搜索空间，使码本适合每种情形。LoS情形下，OLB当时在图1显示线性斜率，但是当码本尺寸最大时，阵列增益饱和。如果天线在ULA稍微放错位置这种情况会更快出现。在全向同性情形下性能表现更差，在饱和发生前只能获得对数形式的阵列增益。

总之，传统的OLB在LoS情形下低维阵列中将有相当好的阵列增益，但是不可度量且不能处理全向同性衰落。特别是当一个特定终端的信道可能不具备全向同性地分布却有明确的空间统计特性。虽然OLB的码本不是为特定终端定制的，但却需要开发阵列可能的所有信道方向，对于具有任意传播特性的大规模阵列，大规模MIMO的信道必须通过导频信号来测量。

3　结论

因为全向同性和LoS传播代表两种非常极端的环境，并且都可以满足大规模MIMO中运行，所以真实的传播环境是介于上述两种极端情形间的，因此也可以满足系统要求。这个观点进一步解释了大规模MIMO信道特性的理想传播。通过分析和仿真可以发现，大规模MIMO的系统性能在实际传播环境下也能到达近似于理想传播环境下的性能，并且常规OLB算法由于所需码本长度过大不适合应用于大规模MIMO系统之中。

［1］T. L.Marzetta，“Noncooperative cellular wireless with unlimited numbers of base station antennas，IEEE Trans.Wireless Commun.，vol.9，no.11， pp. 3590-3600， 2010.

［2］J.Vieira， S. Malkowsky， K.，“A flexible 100-antenna testbed for massive MIMO，”in Proc.IEEE Globecom Workshop- Massive MIMO：From Theory to Practice， 2014.

［3］H.Yin，D.Gesbert， M. Filippou， and Y. Liu，“A coordinated approach to channel estimation in large-scale multiple-antenna systems，”IEEE J.Sel.Areas Commun.，vol.31， no.2， pp. 264-273， 2013.

［4］H.Q.Ngo，E.G.Larsson， and T. L. Marzetta， “Aspects of favorable propagation in massive MIMO，” in Proc. EUSIPCO， 2014.

［5］Emil Bjornson，Erik G.Larsson，and Thomas L.Marzetta， “Massive MIMO：10 Myths and One Grand Question，”IEEE Trans. Inf. Theory，vol. 60， no.11， pp.7112-7139， 2014.