
第
30
卷第
5
期
2010
年
5
月
计算机应用
Vo
l. 30 No.5
May
2010
Joumal of Computer Applications
文章编号:
1001 - 9081
(2010
)05
-1179
- 04
BF-MIMO
系统下行链路容量分析及仿真
郭建新曹小敏
2
张
是军
3
霍文俊
l
(1.空军工程大学电讯工程学院,西安
710077;
2.
空军北京模拟训练中心,北京
100195
;
3
空军工程大学科研部,西安
710051
)
(guojx_516@
126.
com)
摘要:针对波未赋形(
BF)
和多输入多输出
(MIMO)
这两种多天线技术的结合问题,提出一种通用的波未赋
形一多输入多输出
(BF-MIMO)
下行链路系统方案,以期有效发挥二者优势,进一步提升信道容量和系统性能。分析
了该系统的信号交换形式和处理过程,给出了平坦衰落环境下该系统的组合信道矩阵形式,得到了赋形加权后的系
统信道容量闭合表达式。理论分析和仿真结采表明,在相同衰落条件下,
BF-MIMO
系统能够比常规
MIMO
系统获得
更高的信道容量。
关键词:波未赋形;多入多出;空间复用;空间分集;平坦衰落;信道状态信息
中图分类号
:T
凹
93.07
文献标志码
:A
Capacity analysis
and
simulation for
downlink transmissions
of
BF-MIMO system
GUO
Jian-xin
1
,
CAO
Xiao-min
2
,
ZHANG
Hui
3
,
HUO
Wen-jun
1
(1.
Telecommunic
α
tion
Engineering lnstitute,
Ai
旷
r
Force
En
愕
τ
喀
gu
肌阳
n
旧
z
甜
ee
时
rin
略
z
咆
g
Unù
四阴
v
四
lers
2.Ai
旷
r
Force
S
衍
,
m
η
mul
,
归阳
bω
t!
回
'o
n
1
η
¥
'rai
α
由
inir
愣
2
哆
g
Center, Beijing
100195
, China;
3. Department
0/
Scient
作品
search
,
Air
Force
Engineering University, Xi'an Shaanxi
71
∞
51
,
China)
Abstract:
Intended for the combination of BeamForrning
(BF)
and Multiple Input Multiple Output
(MIMO)
, a
generalized wireless transmission scheme named BF-MIMO was presented with a view to bring both advantages into full play
and enhance the channel capacity and system
perfo
口
nance.
According
to
a series of transforrnations of the signals in the
transmitter and receiver antenna pairs, a combined flat fading channel matrix was analyzed and forrnulated. Besides, based on
the steering vector of transmitter sub-arrays, the closed-forrn expression of the channel capacity was also given. Finally, the
capacity enhancement of the proposed scheme over traditional
MIMO
systems was demonstrated and verified
by
simulation
results.
Key
words:
BeamFoming
(BF);
Multiple Input Multiple Output ( MIMO); Space Multiplexing
(SM);
Space Diversity
( SD); flat fading; Channel State Inforrnation (CSI)
0
引言
随着元线通信的迅猛发展,不断增长的无线服务需求与
有限的频谱资源之间的矛盾日益突出。如何在复杂的无线电
磁环境中进一步提高频谱利用率或增强链路可靠性已经成为
当前和未来元线通信的重要研究内容。多输入多输出
( Multiple Input and Multiple Ouput ,
MIMO)
技术通过在收发双
方配置多个天线
[1
-2]
可以在弥散环境中开发出多个并行空
间信道,或合成方向性波束,能够极大提高无线通信系统的容
量和频谱利用率,因此成为了第三代(
3 rd
Ge
neration , 3
G)
,后
三代
(Beyond
3rd generation ,
B3G)
以及第四代(
4th
Ge
neration ,
4G)
无线网络中的关键技术之一
[1]
。
广义上说,波束赋形(
BeamFomi
吨,
BF)[3-4]
、空间复用
(Space
Multiplexi
吨,
SM)
和空间分集
(Space
Diversity , SD)
[2]
是
MIMO
技术的热点研究领域,它们在提高频谱利用率和通
信容量方面都表现出了优良的性能。但是由于上述
MIMO
技
收稿日期
:2009
-11
-06;
修回日期
:2010
-01
-09
0
术对无线系统的改善目的不尽相同,因此它们的应用环境和
天线配置'情况也各具差异。
BF
要求天线阵的阵元间距较小
(::;;;λ/2
,其中
λ
指来波波长)
,利用阵元间的强相关性和来波
信号导向矢量来构建空时处理算法,形成与来波方位有特定
函数关系的尖锐方向特性,达到提高接收端有效信干噪比
(Signal-to-Noise-Interference-Ratio,
SNIR)
的目的
[3-4];SM
和
SD
则要求天线间距尽量大(
;;;.
10λ)
,以保证各个空间收发
天线对之间相互独立。
SM
利用
MIMO
所开发的多个并行空
间通道来传输多路数据流,从而获取较大的空间信道容
量
[2]
;SD
则利用收发天线对之间的相互独立性实现空间分
集,能够有效抵抗衰落,提高系统传输的可靠性
[5]
。如何将
上述多天线技术有效结合,使得新组合的
BF-MIMO
系统能同
时获取波束赋形增益和空间分集(或复用)增益,已经引起人
们越来越多的关注。在
BF
和
SD
结合方面,文献
[6J
提出一
种
Alamouti
空时分组编码
(Space
Time
Bl
ock Coding ,
STBC[7]
)和
BF
相结合的多天线方案,该方案对
STBC
编码后
基金项目:国家自然科学基金资助项目
(60601016)
;陕西省自然科学基金资助项目
(SJ08Fll
)。
作者简介:郭建新(1
974
- )
,男,河南周口人,副教授,博士,主要研究方向:多天线多载波通信、通信系统仿真;
曹小敏(1
975
- )
,女,陕西
咸阳人,工程师,硕士,主要研究方向:机载通信系统建模与仿真;
张辉(1
977
…)
,男,河南开封人,讲师,博士,主要研究方向:阵列信号处理、军
用无线电导航;
霍文俊(1
977
- )
,男,山西平遥人,讲师,博士,主要研究方向:宽带无线通信。