MIMO—OFDM系统的天线选择技术

第２４卷第３期　２０１１年６月　濮阳职业技术学院学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｕｙａｎｇ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ＶＯ】．２４　Ｎｏ．３　Ｊｕｎ．２０１１　

ＭＩＭＯ—ＯＦＤＭ系统的天线选择技术　

郭建英　

（濮阳职业技术学院，河南濮阳４７０００）　

摘要：ＯＦＤＭ与ＭＩＭＯ技术相结合的ＭＩＭＯ—ＯＦＤＭ技术由于可以有效克服频率选择性衰落和在不增加带宽的情况下大大提　高系统容量，从而成为广受关注的下一代无线通信的核心技术之一。在ＭＩＭＯ—ＯＦＤＭ系统中，天线选择技术在保证较好系统　性能的前提下，减小了系统复杂度和成本，天线选择技术、天线选择和空时信号处理的结合成为构建ＭＩＭＯ—ＯＦＤＭ系统的关　键技术。　关键词：ＭＩＭＯ—ＯＦＤＭ；天线选择；多用户分集；信道容量；中断率　中图分类号：ＴＮ８２０　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—９１６１（２０１１）０３—０１４６—０３　

０绪言　无线因特网和移动通信的需求增长，越来越要　求更加先进的无线传输技术，而高速无线通信系统　

设计的一个最大挑战就是克服无线信道的频率选择　

性衰落。正交频分复用（ＯＦＤＭ，Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　Ｆｒｅｑｕａｎｃｙ　

Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）技术可以有效地消除无线信道　

的频率选择性衰落，并且简单高效，已经成为新一代　

无线通信中的核心技术之一。如何提高系统的频谱　

效率和链路质量是高速无线通信面临的另外一个挑　

战，而多人多出（ＭＩＭＯ，Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ｉｎｐｕｔ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ｏｕｔ）　

系统是其有效的解决途径。ＯＦＤＭ和ＭＩＭＯ技术已　

成为先进无线通信技术的两大基石，而ＯＦＤＭ与　

ＭＩＭＯ技术相结合的ＭＩＭＯ—ＯＦＤＭ技术，打开了实　

现无线数据高速传输的光明途径…。　

在ＭＩＭＯ—ＯＦＤＭ系统中，由于发射端和接收　

端均采用了多天线的方式，所以大大增加了系统的　

硬件成本和信号的处理难度。而天线选择技术是在　

全部天线中选择部分天线进行信号处理，尽管系统　

容量有微小的损失，但可以节省硬件成本和降低信　号处理复杂度。文中对天线选择系统的多用户分集　

技术法进行了分析，对ＴＡＳ／ＭＲＣ进行了仿真并分　

析了结果。　

１　ＭＩＭＯ—ＯＦＤＭ系统基本原理　

图一表示一个典型的ＭＩＭＯ—ＯＦＤＭ系统原理　

框图，其中Ｎ。、Ｎ　分别为发送端和接收端天线个　数　图一ＭＩＭＯ—ＯＦＤＭ系统基本原理框图　

用Ｈ　表示发送端第ｉ个天线与接收端第Ｊ个天　

线之间的频率响应，　）　￣Ｎｚ。１表示接收端第１个天　

线接收到的信号序列。去除ＣＰ后，进行Ｎ点ＦＦ１＇解　调，有：　Ⅳ．　’＝　‘　’　）：艺　＋　Ｄ（１）　

Ｐ＝１　式中，ｋ：０，１，…Ｎ一１。解调后的ＯＦＤＭ信号矩　

阵Ｒ　在第ｋ个子载波上的信号为：　Ｒｔ　Ｎ　ＥｘＮ　＝Ｓｋ　Ｎｔ　Ｎ　ｒ‘Ｈｋ　ＮｔｘＮ　＋Ｗｋ　Ｎ　Ｎｔ　ｔ２、　式中，Ｓ　为子载波ｋ上传送的信号矩阵，Ｈ　为　

其频率响应矩阵，ｗ　为该子载波上的加性高斯噪　

声。　

２　ＭＩＭＯ—ＯＦＤＭ系统中的天线选择技术　

在ＭＩＭＯ—ＯＦＤＭ系统中，由于接收端和发射　

端都采用了多个天线，可以在不增加带宽的情况下　

大大提高系统容量。但是无论ＭＩＭＯ作为分集　

（Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ）还是复用（Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ），主要的缺点就是　

收稿日期：２０１０—１ｌ—Ｏ２　作者简介：郭建英（１９７４一），女，河南濮阳人，濮阳职业技术学院物理与机电工程系讲师，硕士。主要研究方向：通信理论与应用。　

～

１４６—　复杂度高，成本高。具有Ｎ　个发射天线和Ｎ，个接收　

天线的ＭＩＭＯ—ＯＦＤＭ系统，需要在发送端和接收　

端分别配置Ｎ１套和Ｎｒ套射频（ＲＦ）链路，包括低噪　

声放大器和数模转换器等。为了解决硬件成本高和　

信号处理复杂的问题，研究人员提出了天线选择技　

术。　天线选择技术是利用信道反馈信息（ｃＳＩ），从中　

选择最好的Ｌ个天线，然后只处理Ｌ个天线信号，这　

样所需射频链路的数目就降低到了Ｌ条。在天线选　

择中，虽然只选择了部分天线，但由于采用了有效的　

选择算法，系统性能仍然很好。天线选择算法主要有　

最优选择算法　和次优选择算法。　

２．１最优天线选择法　以空间复用天线为例，在该算法下，天线选择后　

可得到最优的信道容量。信道容量为：　

）：∑ＮＩ　ｌｏｇ（１＋　）　（３）　

ｋ＝ｌ　’，　ＳＮＲ为接收端信噪比，　为Ｍ的非零特征根，　Ｍ＿－ｆ・詹“，疗为天线选择后的信道频率响应矩阵。　

很显然，在这种算法中，接收端和发射端有Ｎ　×　

Ｎ　个不同的可能子信道，为了得到最大的信道容　量，必须计算出每一个子信道的频率响应矗对应的　信道容量　（ｊ弓Ｉ），然后从中选取最优组合。由理论分　

析可知，最优算法复杂度与选取天线个数成指数关　

系，所以该算法计算复杂，不适合在实时要求比较高　的情况下应用。　

２．２基于范数的天线选择算法　

为降低计算复杂度，提高天线选择的实时性，可　

以对其进行次优选择。次优选择具有代表性为基于　

范数的天线选择算法　。基于范数的天线选择算　

法的根据是ＳＮＲ平均准则　假设发射端天线发射功　

率相等，在接收端扫描所有接收天线的接收功率，从　

中选取功率较大的Ｎ　个天线的信号进行处理。由于　

每次选择都是从Ｎ　行中随机选择Ｎ　行，所以该方　

法简单易行，但是性能远远差于最优选择算法。　

２．３渐减天线选择算法（ｓＥＭ）　

为了减小计算复杂度并且保证性能尽可能接近　

最优选择，文献［５】提出了渐减天线选择算法。从　

个发射天线和Ｎ　个接收天线中进行Ｎ　和Ｎ－选择，　

就相当于在信道频率响应矩阵Ｈ中挑选Ｎ。列和Ｎ　

行的过程。现假定只对接收天线进行选择，那么就相　

当于挑选Ｎ　行的过程。在ＳＥＭ算法中，首先计算出　

在一定信道条件下，每消除一行带来的系统容量的　

损失，在使得损失最小化的准则下，逐次减小行数，　直至剩下Ｎ　行。仿真结果表明，ＳＥＭ算法性能最接　

近于最优算法，但仍需很大计算量。　

３天线选择与多用户分集　

目前，天线选择的研究热点是在一定复杂度下，　

天线选择和其他空时处理技术的相结合。尤其是　

ＭＩＭＯ—ＯＦＤＭ系统中，天线选择和多用户分集相结　

合的ＴＡＳ／ＭＲＣ系统，是解决天线选择复杂度和提　

高选择性能的有效解决途径。　

多用户分集是多用户系统中一种内在的分集形　

式。系统始终都将资源分配给处于信道衰落的峰值　

上的用户，即经历信道增益最大的用户。在这种技术　

下，系统资源总是能得到较好的利用，有效提高了系　

统的整体性能。　

对于一个Ｎ　Ｘ　Ｎ　的ＭＩＭＯ—ＯＦＤＭ　ＴＡＳ／ＭＲＣ　

系统，在接收端利用最大比合并（ＭＲＣ）来获得接收　

天线分集增益，在发送端采用天线选择来提供发送　

天线增益。通过反馈的信道信息（ＣＳＩ），选择所有Ｎ　

个发射天线中的一个最好天线发送数据。发送端选　

择天线的准则是在接收端的Ｎ，个天线的ＭＲＣ合并　

处获得最大的ＳＮＲ。这种方案的好处是只需要部分　

信道反馈信息，占用较少的反馈信道资源。另外，由　

于只需要一个发射天线，所以大大降低了发送信机　

的复杂度和成本。　

在ＭＩＭＯ—ＯＦＤＭ　ＴＡＳ／ＭＲＣ系统中，系统可以　

获得有效的后处理ＳＮＲＹ　ｓ。在平均信噪比足够大　

时，系统的中断率为　】：　

，脚　赤　ｒ）（４）　

其中，Ｄ　～　）为　一ｚⅣ，的无穷小。为了分析　

ＩＭＩＭＯ—ＯＦＤＭ　ＴＡＳ／ＭＲＣ系统的中断率性能，文中　

对不同天线配置系统进行了Ｍａｔｌａｂ仿真。仿真结果　

如图二所示。　

１。　

１。｛　

茎　

缶１。４　

１　０　ｅ　Ｅ　＿　＼　：　、８　＝　’　＼　ＮＩ＝２．　ｌｒ＝１　、　０～　ＯＤ　ｌ＼　ｊ　’　．－｛　：＝　ｆ　－－！　：　、　。　曳…一一　＝３　Ｎｒ＝　｛　鼋　ＭＵＤ　：　上＼　：　＼　

。　Ｌ　ｑ　ｆ　。　ｗ　Ｍ　Ｄ　一　

０　１　２　３　４　５　６　７　８　９　１　０　平均ＳＮＲ（ｄＢ）　图二不同天线配置下中断概率与平均信噪比性能比较　

一

ｌ４７—　从图中可以看出，多用户点到多点比点到点取　

得更低的中断概率，主要原因是前者利用了天线选　

择和多用户分集；对于多用户分集，当发射天线数目　

大时，可以获得更多的分集增益。　

４结束语　

ＭＩＭＯ—ＯＦＤＭ技术由于可以有效克服频率选　

择性衰落和提高系统容量而成为下一代无线通信的　

核心技术之一，对其的研究方兴未艾。在ＭＩＭＯ—　

ＯＦＤＭ系统中，为解决系统复杂度而提出的天线选　

择技术引起了人们的广泛关注。文章对ＭＩＭＯ～　

ＯＦＤＭ系统中的天线选择技术进行了详尽分析，并　

对天线选择与多用户分集相结合的ＴＡＳ／ＭＲＣ系统　

的中断率进行了仿真分析。　

参考文献：　

【１］周恩．下一代宽带无线通信ＯＦＤＭ与ＭＩＭＯ技术【Ｍ】　北京：人民邮电出版社，２００８．　

［２】Ｍ．Ｊ．Ｇａｎｓ　Ｇ．ｊ．Ｆｏｓｃｈｉｎｉ．Ｏｎ　ｌｉｍｉｔｓ　ｏｆ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　

ｉｎ　ｆａｄｉｎｇ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｗｈｅｎ　ｕｓｉｎｇ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ａｎｔｅｎｎａｓ．Ｂｅｌｌ　

Ｌａｂｓ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ【Ｊ】．１　９９６．　

【３】Ｘ．Ｚｈａｎｇ　Ｗ．Ｗａｎｇ　Ｙ．Ｚｈａｎｇ　Ｚ．ｚｈｏｕ　Ｙ．ｄｏｎｇ．Ａ　ｎｏｖｅｌ　

ａｎｔｅｎｎａ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｓｃｈｅｍｅ　ｉｎ　ＭＩＭＯ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，　

Ｃｉｒｃｕｉｔｓ　ａｎｄ　Ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ】．ＩＣＣＣＡＳ．２００４．　

【４］Ｊ．Ｗｉｎｔｅｒｓ　Ｍ．Ｗｉｎ．Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｈｙｂｒｉｄ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ／ｍａｘｉｍａｌ　

ｒａｄｉｏ　ｃｏｍｂｉｎｇ　ｉｎ　ｒａｙｌｅｉｇｈ　ｆａｄｉｎｇ．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　Ｃｏｍｍｕｎ［Ｊ】．　

１９９４，４７：１７７３—１７７６．　

［５】Ａｒｏｇｙａｓｗａｍｊ　Ｐａｕｌｒａｊ　Ａｌｅｘｅｉ　Ｇｏｒｏｋｈｏｖ，Ｄｈａｎａｎｊａｙ　Ｇｏｒｅ．　

Ｒｅｃｅｉｖｅ　ａｎｔｅｎｎａ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ＭＩＭＯ　ｆｌａｔ—ｆａｄｉｎｇ　ｃｈａｎｎｅｌｓ：　

ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　ｏｎ　Ｉｎｆｏｒｍ￣ｉｏｎ　Ｔｈｅｏｒｙ［Ｊ］．　

２００３，４９：２６８７—２６９６．　

【６】Ｃ　Ｊ　Ｃｈｅｎ，Ｌ　Ｃ　Ｗａｎｇ．Ａ　ｕｎｉｆｉｅｄ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｆｏｒ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　

ｓｙｓｔｅｍｓ　ｗｉｔｈ　ｊｏｉｎｔ　ｍｕｌｔｉｕｓｅｒ　ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ　ａｎｄ　ａｎｔｅｎｎａ　ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ　

ｉｎ　Ｎａｋａｇａｍｉ　ｆａｄｉｎｇ　ｃｈａｎｎｅｌｓ．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．Ｃｏｍｍｕｎ［Ｊ】．　

２００６，５４（３），４６９—４７８．　

（上接第１４３页）得访问。同时外网必须通过防火墙　

和交换机访问ＯＡ服务器，后者对数据库服务器请　

求页面数据后，以ＨＴＭＬ形式返还客户端。这里只有　

交换机才有访问ＯＡ服务器的权利，ＯＡ服务器访问　

数据库服务器采用ＪＤＢＣ接口。交换机采用端口映　

射的方式，将８０端口映射到ＯＡ服务器。　

５数据库表的设计　

为了提高数据存取效率，降低数据冗余度，对系　

统所需的数据先建一个数据库系统，考虑网络办公　

自动化管理系统的实际需要和总体设计，数据库包　

含７个数据表，分别是角色信息表（Ｒｏｌｅ）、用户信息