八波束STBC-BF发射方案中天线选择技术的应用

王曼，战金龙

（西安邮电大学通信与信息工程学院，陕西 西安 710121）

八波束STBC-BF发射方案中天线选择技术的应用

王曼，战金龙

（西安邮电大学通信与信息工程学院，陕西 西安 710121）

提出了大规模MIMO系统空时编码结合特征波束成形（STBC-BF）方案中的天线选择技术。发射符号空时分组编码后经天线阵列加权，形成特征波束，利用天线选择技术对发射天线和接收天线进行选择，接收端采用传统译码方法进行译码。该方案既可以获得空间分集增益和阵列增益，又能减少射频链路的数目，从而降低计算复杂度。仿真结果表明了该方案的有效性。

大规模MIMO；波束成形；空时编码；天线选择

1 引言

随着人们对更高数据速率的需求，MIMO（multiple input multiple output，多输入多输出）已经成为很多现代无线通信标准的关键技术。2010年，贝尔实验室的科学家 Marzetta提出了大规模MIMO系统[1,2]，与传统的MIMO系统相比，大规模MIMO是在基站端配置大规模的天线阵列来得到更大的无线数据流以及更好的连接可靠性，通过大量天线数获得更多的独立空间数据流，可以降低小区间和小区内用户间的干扰，使得频谱效率得到数倍提高[3-5]。

空时编码设计的目标就是以最简单的译码算法，获得高的分集增益、编码增益和可能的最大吞吐量[6]，空时编码虽然可以有效抵抗信道的深衰落，但却无法有效抑制各种干扰。波束成形技术在增强期望信号、抑制用户间同信道干扰方面具有强大的优势，但对信道的深衰落无能为力。因此，将空时编码和波束成形技术有效地结合，能够克服上述二者各自的缺点，而且可以同时获得分集增益和阵列增益。

大规模MIMO的主要优点是在不增加额外发射功率和频谱资源的情况下，可以获得更好的性能，然而，它的主要缺点是当使用大量的天线时，不但需要额外的高成本射频模块，如低噪放大器、下变频和模数转换器[7]，还会使通信系统的计算复杂度大大增加。天线选择技术[8-10]是在多根天线中选择一些信道质量较好的天线来进行数据传输或者数据接收，将其他信道质量较差的天线舍弃，在基本保证系统整体性能的情况下，显著降低了复杂度和硬件成本，同时仍然保持系统的多样性优势。参考文献[11]在分析了大规模MIMO情况下，将发射端天线选择分别与 ZF-BF、MRT-BF和MMSE-BF 3种方案相结合，在保证良好性能的同时，通过减少射频单元克服了系统的主要缺点。本文在大规模MIMO系统下，将发射端天线选择（transmit antenna selection，TAS）技术和接收端天线选择（receive antenna selection，RAS）技术应用在八波束STBC-BF的方案中。

2 系统模型

根据天线选择的方法，可分为发射端天线选择和接收端天线选择，即 TAS与 STBC-BF结合和RAS与STBC-BF结合，如图1和图2所示。

图1 TAS与STBC-BF结合模型

图2 RAS与STBC-BF结合模型

在系统模型中，假设发射端天线阵是有NT个阵元的均匀线阵，接收端天线数为Nr，阵元间距，其中λ为波长。发射端只使用N个射频

F模块支持NT根发射天线，需要将NF个射频模块有选择地映射到NT根天线中的NF根天线。而接收端从Nr根天线中选择Lr根天线，数据流经过Lr个射频链路处理后进行解码。

2.1 八波束STBC-BF

Alamouti提出的空时编码方案是将符号流两两分组，两个时隙内完成两个符号的发送，即Alamouti空时编码方案[6]，参考文献[12-14]都描述了两波束的STBC-BF方案。本文是将发射符号分为8个支流，根据实正交编码矩阵[15]，可得复正交编码矩阵为：

假设信道是平坦衰落信道[17]，包含L条空间可分离的路径，信道矩阵[18]可以表示为：

其中，hil是第l条路径中从发射天线阵到第i根接收天线的复信道矩阵增益。信道矩阵H又可以定义为：

其中，d为阵元间距，λ为波长，M是一个天线阵的阵元数。假设移动端为单天线用户，则第i个移动端可接收到的信号为：

2.2 天线选择算法

在TAS与STBC-BF结合模型中，从NT根发射天线中选择NF根天线与射频单元连接，选择后的有效信道为Hs，Hs是信道矩阵H的子集。将差错性能作为设计准则，即选择发射天线以使差错概率最小，令表示在给定信道的条件下，发射空时码字为CA而解码为CB的成对差错概率。对于信道Hs，空时编码的成对差错概率上限为[7,11]：

其中，ρ是信噪比，CA-CB为误差矩阵，为了最小化差错概率，应使最大化，假设h=HT，即从矩阵h的N列中选出具有最大

T范数的NF列作为选择的子集。算法具体描述如下。

步骤 1 对h中的每一列取范数norm(hi', fro')， hi是h的第i列。

步骤 4 得出选择 NRF根天线的信道，新的阵列导向矢量

当在接收端进行天线选择时，从矩阵h的Nr行中选出具有最大范数的Lr行作为选择的子集。具体算法与发射端天线选择类似，将选出的天线与射频单元连接，接收端译码时采用和STBC一样的译码方法。

3 仿真结果与分析

系统仿真条件设置如下：系统的信道环境为平坦衰落信道，大尺度衰落时的路径损耗指数为3.7，小区半径为1，（归一化）调制方式为QPSK。

八波束 STBC-BF和发射端天线选择八波束STBC-BF两种情况下的误码率性能比较如图3所示。其中空间路径数L=8，阵元数为198，接收端为单天线，采用天线选择时，依据范数法从198根天线中选择64根天线，未加天线选择时任用64根天线。从图 3可以看出，由于采用范数法进行天线选择时，所选天线都是最高列范数对应的天线，即信噪比最大的天线，因而发射端天线选择八波束STBC-BF有更好的性能，即不需要在发射端使用额外的RF模块，就能获得更多的分集增益。

图3 八波束STBC-BF和发射端天线选择八波束STBC-BF两种情况下的误码率性能比较

八波束 STBC-BF和接收端天线选择八波束STBC-BF两种情况下的误码率性能比较如图4所示。其中，空间路径数L=8，阵元数为64，接收端天线数为4。当接收端天线选择时，仍旧根据范数法从4根天线中选择1根接收天线，而未采用天线选择技术时任选1根接收天线。从图4可以看出，当误码率为10-3时，接收端天线选择技术与未采用天线选择技术相比有大约 2.5 dB的增益，所以在接收端使用天线选择同样可以获得更多的增益。

图4 八波束STBC-BF和接收端天线选择八波束STBC-BF两种情况下的误码率性能比较

发射端和接收端联合采用天线选择、发射端采用天线选择、接收端采用天线选择和未采用天线选择4种情况下的误码率性能比较如图5所示。其中空间路径数L=8，阵元数为198，依据范数法，当联合天线选择时，发射端所选天线数为64，接收端所选天线数为 1；当发射端单独选择时，所选天线数为64，接收端随机配备1根天线；当接收端单独选择时，发射端随机配备64根天线，接收端由范数法选择1根天线；当未采用天线选择时，发射端有64根天线，接收端有1根天线。从图5可以看出，不采用天线选择时的系统性能最差，联合天线选择与发射端和接收端单独采用天线选择相比，性能有所提高，即在发射端和接收端同时采用天线选择既能获得更高的增益，又能更多地减少射频元件。

图5 4种情况下的误码率性能比较

在TAS与STBC-BF结合模型中，依据范数法，从198根发射天线中选择不同发射天线数的比较如图6所示。其中空间路径数L=8，接收端天线数为1。从图6可以看出，由于一些发射天线可能会引起病态矩阵，虽然随着被选天线数的增加，系统性能会不断提高，但是被选天线数越多，性能增加的速度就会变得越慢。

图6 从198根发射天线中选择不同发射天线数的比较

4 结束语

本文主要讨论了大规模MIMO系统中天线选择技术与八波束STBC-BF结合的方案，在获得分集增益和阵列增益的情况下，减少了射频模块的使用和系统复杂度，节省了资源和费用。仿真结果表明，在发射端和接收端同时使用天线选择技术时，能提供更多的增益，同时验证了随着发射天线数的增加，系统性能增加的速度变慢。

[1] MARZETTA T L. Noncooperative cellular wireless with unlimited numbers of base station antennas[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2010, 9(11): 3590-3600.

[2] 倪善金, 赵军辉. 5G无线通信网络物理层关键技术[J]. 电信科学, 2015, 31(12): 48-53. NI S J, ZHAO J H. Key technologies in physical layer of 5G wireless communications networ[J]. Telecommunications Science, 2015, 31(12): 48-53.

[3] HOYDIS J, BRINK S T, DEBBAH M. Massive MIMO in the UL/DL of cellular networks: how many antennas do we need?[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2013, 31(2): 160-171.

[4] RUSEK F, PERSSON D, LAU B K, et al. Scaling up MIMO: opportunities and challenges with very large arrays[J]. IEEE Signal Processing Magazine, 2013, 30(1): 40-60.

[5] 高峰, 和凯, 宋智源, 等. 5G大规模紧耦合阵列天线研究[J].电信科学, 2015, 31(5): 36-41. GAO F, HE K, SONG Z Y, et al. Research on large scale antenna arrays for 5G mobile communication technology[J]. Telecommunications Science, 2015, 31(5): 36-41.

[6] 邵朝. MIMO系统与空时编码—分集的理论与实践[M]. 北京:电子工业出版社, 2013. SHAO C. Theory and practice of MIMO system and space-time coding-diversity[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2013.

[7] 赵勇洙. MIMO-OFDM无线通信技术及MATLAB实现[M].北京: 电子工业出版社, 2013. ZHAO Y Z. MIMO-OFDM wireless communications with MATLAB[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2013.

[8] MOLISCH A F, WIN M Z. MIMO systems with antenna selection[J]. IEEE Microwave Magazine, 2004, 5(1): 46-56.

[9] SANAYEI S, NOSRATINIA A. Antenna selection in MIMO systems[J]. IEEE Communications Magazine, 2004, 42(10): 68-73.

[10] GOROKHOV A, GORE D A, PAULRAJ A J. Receive antenna selection for MIMO spatial multiplexing: theory and algorithms[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 2003, 51(11): 2796-2807.

[11] MOUSSA K H, EL-KHAMY S E, EL-SHERIF A A. On the performance of massive multiuser MIMO with different transmit beamforming techniques and antenna selection[C]//2015 1stURSI Atlantic Radio Science Conference (URSI AT-RASC), May 16-24, 2015, Las Palmas, Spain. New Jersey: IEEE Press, 2015: 1-10.

[12] ZHU F, LIM M S. Combined beamformingwith space-time block coding using doubleantenna array group[J]. IEEE International Symposium on Spread Spectrum Techniques and Applications, 2004, 40(13): 811-813.

[13] 王勇, 廖桂生, 叶子, 等. 天线子阵划分的OSTBC特征波束成形技术[J]. 西安电子科技大学学报, 2008, 35(6): 1003-1008. WANG Y, LIAO G S, YE Z, et al. Study of OSTBC and eigen-beamforming with antanna array groups[J]. Journal of Xidian University, 2008, 35(6): 1003-1008.

[14] 康涛, 战金龙. 大规模MIMO系统中的STBC-BF发射方案[J].电信科学, 2015, 31(11): 51-55. KANG T, ZHAN J L. A STBC-BF transmit scheme in massive MIMO system[J]. Telecommunications Science, 2015, 31(11): 51-55.

[15] TAROKH V, JAFARKHANI H, CALDERBANK A R. Space-time block codes from orthogonal designs[J]. IEEE Transactionsion Information Theory, 1999, 45(5): 1456-1467.

[16] LEI Z, CHIN F, LIANG Y C. Space-time block coding for switched beam systems[C]//Wireless Communications and Networking, March 16-20, 2003, New Orleans, USA, New Jersey: IEEE Press, 2003: 699-704.

[17] BHATNAGAR M R, VISHWANATH R, BHATNAGAR V. Performance analysis of space-time block codes in flat fading MIMO channels with offsets[J]. EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, 2006, 2007(1): 1-7.

[18] LAN P, LIU J, GU B, et al. A new antenna selection algorithm combined with beam space time block coding transmit scheme[C]//International Conference on Signal Processing, November 16-20, 2006, Beijing, China. New Jersey: IEEE Press, 2006: 349-352.

Application of antenna selection technology in eight-beam STBC-BF transmit scheme

WANG Man, ZHAN Jinlong
School of Telecommunication and Information Engineering, Xi’an University of Posts & Telecommunications, Xi’an 710121, China

An antenna selection scheme of space-time block coding combined with eight-beamforming (STBC-BF) in massive MIMO system was proposed. Transmit symbols were coded by space-time block coder, then the coded symbols were weighted by antenna array form eight-beam. The antenna selection technology was used to select the transmitting antenna and the receiving antenna, traditional decoding method was performed at the receiver. The proposed scheme can not only obtain the space diversity gain and array gain, but also can reduce the computational complexity by reducing the number of the RF links. Simulation results confirm the validity of the proposed scheme.

massive MIMO, beamforming, space-time block coding, antenna selection

s: The National Science and Technology Major Project of China (No.2014ZX03003005-003), The National High Technology Research and Development Program of China (863 Program) (No.2014AA01A705), The National Natural Science Foundation of China (No.61501371), Shaanxi Provincial Natural Science Foundation of China (No.2011JM8027)

TN929.5

：A

10.11959/j.issn.1000-0801.2017242

王曼（1991-），女，西安邮电大学通信与信息工程学院硕士生，主要研究方向为宽带无线通信。

战金龙（1979-），男，西安邮电大学通信与信息工程学院副教授、硕士生导师，主要研究方向为大规模MIMO中的预编码技术、波束成形技术及信号检测技术等。

2017-06-06；

：2017-08-01

国家科技重大专项基金资助项目（No.2014ZX03003005-003）；国家高技术研究发展计划（“863”计划）基金资助项目（No.2014AA01A705）；国家自然科学基金资助项目（No.61501371）；陕西省自然科学基金资助项目（No.2011JM8027）