MIMO发射分集矢量信号测试分析仿真技术研究

作者 张煜 中国电子科技集团公司第四十一研究所(安徽 蚌埠 233010)

　　*基金项目：中国电科技术创新基金项目(微波毫米波大带宽大规模MIMO测试技术研究)

　　张煜(1980-)，男，高级工程师，研究方向：无线移动通信测试技术。

摘要：依据3GPP标准和MIMO矢量信号分析测试需求，进行MIMO发射分集矢量信号分析测试仿真研究，着重针对发送模式TM2发送(TX)分集多天线建模和测试仿真，实现MIMO信号检测，进而分析MIMO发射分集矢量信号的性能指标，并对包括MIMO发射分集信号频域特性、星座图等核心参数进行了仿真，并给出仿真结果。

0 引言

　　移动通信和互联网技术是20世纪末促进人类社会飞速发展的重要技术，给人们的生活工作和政治、经济带来了巨大的影响。为支持在成对和非成对频谱中进行发射，LTE空中接口支持频分双工(FDD)和时分双工(TDD)模式，它支持使用多路输入多路输出(MIMO)天线进行发射，以实现更大的吞吐量，并扩大容量或距离。当前通信技术进入成熟期，从时域、频域、码域所能获得的技术红利已进入技术瓶颈期，空域则成为进一步改善通信能力的必要手段，多路分集多天线技术是提升通信传输速率的有效手段。当然，随着物理层增加，更大的复杂度、MIMO天线越来越复杂。从测试角度来说，随之而来是给MIMO分析测试带来严峻挑战：多通道相位同步测量通道，多天线发出的信号定时对齐误差必须小于90 ns，这就需要各测量通道之间的时延具有足够的冗余。所以，支持传输分集分析的MIMO矢量信号分析仪是一个非常复杂的系统，为了对该复杂系统的行为进行较为精确的描述，需要通过仿真来模拟该系统内部工作机制，观察其运行情况，并对设计方案以及采用的算法作定性或定量的分析。

1 发射分集中的MIMO处理

　　发射分集在发射端使用多天线技术达到提高分集增益和链路质量的目的，LTE中定义了两种发射分集方案：2×2 SFBC^[1](Space Frequency Block Coding，空频分组编码)技术和4×4技术。两种技术都提供全速率编码并通过分集提高性能。MIMO操作包括层映射和预编码。在发射分集中，预编码和层映射在一个编码内操作完成。发射分集编码器将调制符号分成两个一组，通过分集编码将调制符号对通过不同的发射天线输出。因不同天线的采样实际上是对相同的调制数据进行的，故发射分集的层为一。每个发射天线上的采样来自于原始调制符号流，层映射可认为是在后台完成且预编码是一系列共轭和取负的结果。

　　1.1 发射分集中两天线端口MIMO处理

　　使用两个发射天线时，LTE 发射分集基于SFBC。SFBC是与STBC(Space Time Block Coding，空时分组编码)非常接近的技术。对STBC和SFBC技术做简短的描述，阐述SFBC和STBC之间如何转换。

　　STBC被认为一种多天线调制和映射技术，它实现简单的编码译码和完全分集。STBC最简单的组成是两天线Alamouti 编码传输。Alamouti ^[2]编码的STBC，如图1所示，一组相邻调制符号(s₁，s₂)在第一个采样时间里被映射到两个天线端口，其中这两个相邻向量是正交关系。在以后的采样时间里，符号进行交换并取共轭()再映射到两个天线端口上。

　　SFBC，如图2所示，两个相邻的调制符号(s₁，s₂)直接映射到第一个天线端口的两个相邻采样中。在第二个天线端口上，相同的操作来映射交换共轭符号()。两个天线端口的相邻向量也是正交关系。

　　可通过简单的变换使Alamouti 编码的STBC转变成SFBC的输出符号。如图3所示，先对所有第二个调制符号取共轭并取负，再进行Alamouti 编码和STBC映射，就可得到调制输入对的SFBC输出。这个操作有利于程序代码复用，提高STBC和Alamouti 编码的效率。

　　1.2 发射分集中四天线端口MIMO处理

　　使用四个发射天线时，LTE采用SFBC与FSTD(Frequency Switched Transmit Diversity，频率切换发射分集)技术相互结合的方法。图4显示了四个天线在发射分集下的处理步骤。这种技术下，对四个相邻调制过的符号进行发射分集的相关编码。先对第一组调制符号(s₁，s₂)进行SFBC操作，对其输出的符号分别分配到第一个和第三个天线的前两个采样中。然后对第二组调制过的符号(s₃，s₄)进行SFBC操作，其输出的符号分别分配到第二个和第四个天线的第三和第四个采样中。

2 发射分集信号测试接收端处理

　　为了获取发射的调制符号的最优估计，需要在接收端进行发射分集合并。发射分集合并可以认为是发射分集编码的反过程。

　　假设时序(n)^[3]时发射信号[x₁ (n)，x₂ (n)]^T，两个接收天线得到的接收信号[y₁ (n)，y₂ (n)]^T，2×2 MIMO信道矩阵：

　　该结果可用于任意接收天线端口的任意相邻采样对^[4]。

　　使用Alamouti 码STBC的发射分集编码映射调制符号(s₁，s₂ )到2×2发射信号：

　　假设两个相邻采样的信道增益近似相等(即h_1,1 (n)≈h_1,1 (n+1)=h_1,1和h_1,2 (n)≈h_1,2 (n+1)=h_1,2)，且确定时序的值(如y₁ (n)=y₁和y₁ (n+1)=y₂),可以化简上式为：

　　该方程可以在给定接收天线求解发射符号的估计。为了得到发射符号的总估计，需要使用MCR算法。如下面所述，MCR算法^[5]合并所有接收端估计值。