第２８卷 第２期 重庆理工大学学报（自然科学） ２０１４年２月 Ｖｏｌ－２８ Ｎｏ．２ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｔｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ） Ｆｅｂ．２０１４ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４－８４２５（ｚ）．２０１４．０２．０１６ 接收天线选择对 ＭＩＭＯ．ＯＦＤＭ系统 信道容量的影响 顾朝志 ，张磊 ，李 莉 （１．中国石油大学计算机与通信工程学院，山东青岛２６６５８０； ２．南京邮电大学，南京２１０００３） 摘 要：将ＭＩＭＯ的天线选择方法引入ＭＩＭＯ．ＯＦＤＭ系统。仿真分析了递增、递减、最大范 数法等在接收天线选择中的性能，并给出接收天线选择联合信号处理算法如ＭＲＣ、ＥＧＣ等对系 统性能的影响。仿真结果表明：接收天线选择会降低信道容量，而联合信号合并算法对信道容 量有提高作用。 关键词：ＭＩＭＯ—ＯＦＤＭ；天线选择；信道容量；ＭＲＣ；ＥＧＣ 中图分类号：ＴＮ９２９．５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—８４２５（２０１４）０２—００７２一ｏ４ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ Ａｎｔｅｎｎａ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｎ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ Ｓｙｓｔｅｍｓ ＧＵ Ｚｈａｏ—ｚｈｉ ，ＺＨＡＮＧ Ｌｅｉ ，ＬＩ Ｌｉ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ，Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６５８０，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｏｓｔｓ ａｎｄ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１０００３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ＭＩＭＯ ａｎｔｅｎｎａ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ，ｄｅｃｒｅｍｅｎｔ，ｍａｘｉｍｕｍ ｎｏｒｍ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｌ— ｇｏｒｉｔｈｍｓ ｓｕｃｈ ａｓ ＭＲＣ．ＥＧＣ Ｏｉｌ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ａｎｔｅｎｎａ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｗｉｌｌ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｃｈａｎｎｅｌ ｃａｐａｃｉｔｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｌｇｏ－ ｒｉｔｈｍ ｗｉｌｌ ｅｎｈａｎｃｅ ｔｈｅ ｃａｐａｃｉｔｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＭＩＭＯ—ＯＦＤＭ；ａｎｔｅｎｎａ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ；ｃｈａｎｎｅｌ ｃａｐａｃｉｔｙ；ＭＲＣ；ＥＧＣ ＭＩＭＯ—ＯＦＤＭ技术可以在不增加额外带宽和 干扰，成为４Ｇ的核心技术。在ＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ系统 发射功率的情况下提高无线通信系统的容量和频 中，由于收发两端均采用多天线，因此要使用与天 谱利用率，并能有效地抵抗多径衰落、抑制符号间 线数目同样多的射频链路，大大增加了系统的硬 收稿日期：２０１３—１０—２４ 基金项目：高校基本科研业务费专项资金资助（１３ＣＸ０２０２８Ａ） 作者简介：顾朝志（１９７６一），女，博士研究生，讲师，主要从事信息与信号处理研究。 引用格式：顾朝志，张磊，李莉．接收天线选择对ＭＩＭＯ．ＯＦＤＭ系统信道容量的影响［Ｊ］．重庆理工大学学报：自然科学 版，２０１４（２）：７２—７５． Ｃｉｔａｔｉｏｎ ｆｏｒｍａｔ：ＧＵ Ｚｈａｏ—ｚｈｉ，ＺＨＡＮＧ Ｌｅｉ，ＬＩ Ｌｉ．Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ Ａｎｔｅｎｎａ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｎ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｃａｐａｃｉｔｖ ｏｆ ＭＩＭＯ— ＯＦＤＭ Ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２０１４（２）：７２—７５． 顾朝志，等：接收天线选择对ＭＩＭＯ—ＯＦＤＭ系统信道容量的影响 件成本和信号处理难度。天线选择技术通过较少 的射频链路来支持较多的天线，以很小的性能损 ７３ 在计算信道矩阵时，假设在每一个天线对之 间，信号路径都遵循射线追踪方法中的两射线模 型（如图２所示）。 失换取成本的大幅降低，加速了ＭＩＭＯ—ＯＦＤＭ技 术的发展和应用。 天线选择主要运用于单纯的ＭＩＭＯ系 统¨ ，近年来这一技术也逐渐应用到ＭＩＭＯ． 几 ＯＦＤＭ系统中 。ＭＩＭＯ—ＯＦＤＭ系统的天线选 择有基于子载波和子系统两种方式。采用基于子 载波的选择方法时，在每一子载波的天线子集选 择过程中，实际上面对的就是一个单载波的ＭＩＭＯ 系统，所以现有的ＭＩＭＯ系统的天线选择方法可 引入到ＭＩＭＯ．ＯＦＤＭ系统的天线选择中。由于发 射天线选择时需将ＣＳＩ反馈给发射机，这在信道 随机变化很快时是不可行的，所以接收天线选择 更具吸引力。理论而言，接收天线选择会降低信 道矩阵的秩，势必引起信道容量的降低，若在天线 选择后联合相应的信号合并处理算法，则可弥补 这一性能损失。本文基于ＭＩＭＯ—ＯＦＤＭ系统的接 收天线选择和信号处理算法展开分析。 １ ＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ系统结构及信道模型 图１为ＭＩＭＯ—ＯＦＤＭ系统接收端天线选择框 图。由天线接收到的信号经特定的天线选择算法 选择出需要解调的天线，之后经Ｆ丌、并串转换、 解调等过程恢复信源的信息。 ７ 一 一 天 空 ７ 选线一 日 时 择 ● ● 检 ● ● 开 溺日 ７ 关 ’＿ 图ｌ ＭＩＭＯ．ＯＦＤＭ系统接收端天线选择框图 令Ｃｉ代表每一个子信道的容量，Ｃ ＝ｌｏｇ２ ｄｅｔ （ ＋ＰｎＩ ＨＨ ），日为归一化的信道矩阵，则整个 ＭＩＭＯ—ＯＦＤＭ系统的信道容量为Ｃ＝∑Ｃ 。 图２两射线模型 未归一化的信道矩阵为 ｈ】】ｈ１２ …ｈｌ ｈ２１ ｈ２２ …ｈ２肼 ，＝ 其中：元素 赢示第 根发射天线到第ｉ根接收天 线的信道衰落系数。选择凡根天线进行接收，实 际上就是从日中选择行数为ｎ的子矩阵，并使用 某种选择准则来计算特定天线选择结果下的ＭＩ． ＭＯ系统的性能，将能使ＭＩＭＯ系统相应的性能达 到最佳的选择结果作为最终选择输出。 ２天线选择及合并信号处理算法仿真分析 假设发射机和接收机均采用均匀线阵，子载 波数取２５６，在计算每一子载波上天线选择的信道 容量时，采用Ｍｏｎｔｅ—Ｃａｄｏ法。图３是在复高斯随 机信道中，３×３天线结构、采用最优算法选择２根 天线接收的信道容量结果。 ｆ Ｎ Ｚ ： 。们 二 ∞ 梅 剖 坦 图３接收天线选择信道容量图 ７４ 重庆理工大学学报 从图３可以看到：接收端进行天线选择后，所 有接收子集的信道容量均低于未进行天线选择时 的信道容量。这是由于接收天线选择使信道矩阵 的秩减小，从而降低了信道容量。 最优算法的最大缺点是计算量过大，很难应 用于实时性要求较高的系统。一些次优算法如递 减算法、递增算法、最大范数算法等可大大降低复 杂度。所以在最优算法的基础上，引入递增、递 减、最大范数法等从８×８天线阵列中选择２根接 收天线，各算法比较结果如图４所示。从图４可 以看出：递减算法选择出的２根天线信道容量最 高，最大范数法和递增算法曲线重合，性能相同， 此时递减算法为最优选择算法。虽然经上述天线 选择算法进行接收天线选择后的信道容量都有所 降低，但天线选择能节省射频链路，降低系统的复 杂度，这正是天线选择的目的所在。 Ｈ ｍ ８ ６ ４ ２ Ｎ ● ● ∞ 嘲 坦 图４ ８×８接收天线选择算法比较 上述仿真结果已经验证了接收天线选择会导 致信道容量损失，若在接收端进行天线选择后再 联合一些数字信号处理算法，则能弥补这一性能 损失。图５是８×８天线结构接收天线选择和最 大比值法（ＭＲＣ）结合的结果，可以看出：递减算法 选择２根天线联合ＭＲＣ算法所得的信道容量比 未进行天线选择的信道容量还高。图６是８ ｘ ８ 天线结构接收天线选择和等增益合并法（ＥＧＣ）结 合的结果，可以看出：递增算法与ＥＧＣ算法选择２ 根天线所得的信道容量比未进行天线选择的信道 容量高。从而说明在接收端进行天线选择导致信 道容量降低的情况下，可联合相应的信号处理算 法来提高信道容量。 ｆ－． ｂ，ｌ Ｚ ● ● ∞ 拍 坦 图５接收端天线选择加ＭＲＣ算法 Ｎ 墨 ： ’∞ 二 ∞ 协 图６接收端天线选择加ＥＧＣ算法 ３结束语 本文基于双射线模型，以最大化容量为指标， 将ＭＩＭＯ的天线选择方法引入ＭＩＭＯ—ＯＦＤＭ系 统。仿真分析了递增算法、递减算法、最大范数算 法等天线选择方法对信道容量的影响，并给出天 线选择联合信号处理算法如ＭＲＣ、ＥＧＣ等对系统 性能的影响。 参考文献： ［１］Ｇｈａｒａｖｉ Ａｌｋｈ阻ｓａｒｉＭ，Ｃ－ｅｒｓｈｍａｎＡＢ。ＦａｓｔＡｎｔｅｎｎａ Ｓｕｂ． ｓｅｔ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ＭＩＭＯ Ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，２００４，５２（２）：３３９—３４７． ［２］Ｃｈｅｎ Ｚ，Ｙｕａｎ Ｊ，Ｖｕｃｅｔｉｃ Ｂ．Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｒｎａｓｍｉｔ ａｎｔｅｎｎａ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ／ｍａｘｉｍａｌ—ｒａｔｉｏ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｆａｄｉｎｇ ｃｈａｎｎｅｌｓ［Ｃ］／／Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｏｉｌ Ｃｏｎｕｎｔｍｉｃａ－ ｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ａｕｓｔｒｌａｉａ：［ｓ．ｎ．］，２００３，２（９）：１５３２ —１５３６． １Ｊ １Ｊ １Ｊ １Ｊ １Ｊ 顾朝志，等：接收天线选择对ＭＩＭＯ—ＯＦＤＭ系统信道容量的影响 ７５ Ｈｅａｔｈ Ｒ Ｗ，Ｓａｎｄｈｕ Ｓ，Ｐａｌｕｒａｊ Ａ．Ａｎｔｅｎｎａ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ［８］ Ｊｉａｎｇ Ｃｈｅｎｚｉ，Ｃｉｉｍｎｉ，Ｌｅｏｎａｒｄ Ｊ．Ａｎｔｅｎｎａ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｓｐａｔｉａｌ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ ｗｉｔｈ ｌｉｎｅａｒ ｒｅｃｅｉｖｅｒｓ［Ｊ］． Ｅｎｅｒｙｇ—Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ＭＩＭＯ Ｔｒｎａｓｍｉｓｓｉｏｎ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ＩＥＥＥ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２００１，５（４）：１４２—１４４． Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２０１２，１（６）：５７７—５８０． 解志斌，颜培玉．空时复用多用户ＭＩＭＯ系统联合天 ［９］ Ｄｏｎｇ Ｌｉ，Ｘｉａｎｈｕａ Ｄａｉ．Ｊｏｉｎｔ Ａｎｔｅｎｎａ ａｎｄ Ｓｕｂｃａｒｒｉｅｒ Ｓｅ－ 线选择［Ｊ］．系统仿真学报，２０１０，２２（６）：１４６６—１４７１． ｌｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ＭＩＭＯ—ＯＦＤＭ ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｃ］／／２００６ Ｉｎｔｅｒｎａ－ Ｈｕ Ｃｈｉａ Ｃｈａｎｇ，Ｌｉｎ Ｃｈａｎｇ Ｌｉｎ．Ａｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｎｄ Ｓｙｓ— ａｎｔｅｎｎａ ｓｕｂｓｅｔ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ ｆｏｒ ＭＩＭ０ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｒｎ． ｔｅｍｓ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ．Ｇｕｉｌｉｎ：［Ｓ．ｎ．］，２００６（２）：１１５３ ｍｕｎｉｅａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ ｉｎ ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ｃｈａｎｎｅｌｓ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａ－ —１１５６． ｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１０，１７（３）：１９９ ［１０］ Ｈｏｎｇｙｕａｎ Ｚｈａｎｇ，Ｎａｂａｒ Ｒ Ｕ．Ｔｒａｎｓｍｉｔ Ａｎｔｅｎｎａ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ —２０５． ｉｎ ＭＩＭＯ—ＯＦＤＭ Ｓｙｓｔｅｍｓ：Ｂｕｌｋ Ｖｅｒｓｕｓ Ｐｅｒ—Ｔｏｎｅ Ｓｅｌｅｃ－ Ｋａｎｇ，Ｊｅｅ Ｗｏｏｎｇ．Ｔｒｎａｓｍｉｔ ａｎｔｅｎｎａ ｓｕｂｓｅｔ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｉｏｎ［Ｃ］／／ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｍｍｕｎｉ— ｄｏｗｎｌｉｎｋ ＭＩＭＯ ｓｙｓｔｅｍｓ ｉｎ ｍｕｌｔｉ－ｃｅｌｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ［Ｊ］． ｃａｔｉｏｎｓ．Ｓａｎｔａ Ｃｌｒａａ＿，［ｓ．ｎ．］，２００８：４３７１—４３７５． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１０，９ ［１１］ Ｒｅｍｌｅｉｎ Ｐ，Ｃｏｇａｌａｎ Ｔ，Ｇｕｃｌｕｏｇｌｕ Ｔ．ＯＦＤＭ ｗｉｔｈ ｔｒａｎｓｍｉｔ （７）：２１１３～２１ｌ８． ｎａｄ ｒｅｃｅｉｖｅ ａｎｔｅｎｎａ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｕｂｃａｒｒｉｅｒ ｇｒｏｕｐｓ Ｘｕ Ｌｉ Ｚｈｕ，Ｊｉｎ Ｋａｎｇ，ＱｉｕⅡｎｇ．Ｔｒｎａｓｉｍｔ ａｎｔｅｎｎａ ｓｅｌｅｃ－ ［Ｊ］．８ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ ＣＳＮＤＳＰ，２０１２：１ ｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｎ ｌｉｎｅａｒ ｄｉｓ－ —４． ｐｅｒｓｉｏｎ ｃｏｄｅｓ ｓｙｓｔｅｓｍ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｉｎ— （责任编辑杨黎丽） ｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１０，３２（６）：１４２３—１４２８．
