多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)是指在發(fā)射端和接收端" title="接收端">接收端同時(shí)使用多個(gè)天線的系統(tǒng)，通過(guò)充分利用無(wú)線信道的豐富多徑散射環(huán)境來(lái)極大地提高帶寬受限信道容量^[1],。MIMO系統(tǒng)既可使用發(fā)射分集(TD)方案來(lái)獲得高的通信可靠性,，也可使用空間復(fù)用(SM)方案來(lái)得到高數(shù)據(jù)速率^[2]。現(xiàn)有SM系統(tǒng)的鏈路自適應(yīng)(LA)在滿足服務(wù)質(zhì)量(QoS)要求的前提下(例如目標(biāo)誤塊率),，將系統(tǒng)的調(diào)制編碼方案(MCS)與等效獨(dú)立子信道的信道條件相匹配,，進(jìn)而提供更優(yōu)的系統(tǒng)吞吐量。SM方案同TD方案相比,，前者對(duì)信道條件的變化更為敏感,，因此當(dāng)MIMO信道惡化時(shí)，SM方案會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)吞吐量的嚴(yán)重?fù)p失,。另外,，目前已有關(guān)于在時(shí)域上進(jìn)行TD方案(如空時(shí)分組碼STBC)與SM方案聯(lián)合切換的研究^[3]，但這種基于時(shí)域的LA不能有效利用SM與TD的性能折中,。
　　本文研究一種新的LA策略,。該策略在空域上聯(lián)合SM與TD兩種方案，進(jìn)而更好地利用二者性能折中,。所謂空域LA,，是將發(fā)射天線" title="發(fā)射天線">發(fā)射天線分成若干組，而每組中使用的空時(shí)編碼相互獨(dú)立,，因此可以將每個(gè)天線組看成傳統(tǒng)SM方案中的一個(gè)發(fā)射天線,。本文在接收端使用了迫零(ZF)分組檢測(cè)^[4]，根據(jù)每個(gè)天線組的信道條件選擇最優(yōu)MCS,，從而最大" title="最大">最大化MIMO系統(tǒng)吞吐量,。為研究簡(jiǎn)便，這里的STBC僅選用Alamouti編碼,，發(fā)射天線個(gè)數(shù)設(shè)為4,，不使用信道編碼。另外本文還研究了空間相關(guān)信道對(duì)最優(yōu)天線分組方案選擇的影響,。
1 系統(tǒng)模型
　　圖1是窄帶n_T×n_R MIMO系統(tǒng)模型,。假設(shè)信道是準(zhǔn)靜態(tài)平坦瑞利衰落，即信道在一個(gè)數(shù)據(jù)塊內(nèi)保持不變,，在塊間獨(dú)立變化,，信道矩陣的元素是獨(dú)立同分布的均值0、方差1的復(fù)高斯變量,。噪聲服從均值0,、方差的σ²復(fù)高斯分布。系統(tǒng)有理想的信道估計(jì),、符號(hào)同步接收機(jī)和理想定時(shí),。又假設(shè)在接收端得到的控制信息能被無(wú)延時(shí)無(wú)誤差地反饋回發(fā)射端。根據(jù)來(lái)自接收端反饋的控制信息，發(fā)射端選擇最優(yōu)的天線分組方案,，同時(shí)為每個(gè)天線組選擇MCS和發(fā)射功率,。

1.1 檢測(cè)后SNR
　　檢測(cè)后SNR是每個(gè)天線組的發(fā)射信息在接收端分組檢測(cè)后得到的SNR值，其值是由分組檢測(cè)算法決定的,。下面詳細(xì)描述了4個(gè)發(fā)射天線情況下的計(jì)算方法。其他發(fā)射天線個(gè)數(shù)的情況可使用類(lèi)似方法得到,。
1.1.1 天線分組個(gè)數(shù)為2
　　將發(fā)射天線分為2組,，每組都使用Alamouti編碼。令h_1,n,h_2,n,h_3,n,h_4,n為第n個(gè)發(fā)射符號(hào)周期內(nèi)4個(gè)發(fā)射天線與n_R個(gè)接收天線間4個(gè)n_R×1信道向量,，并且設(shè)信道在第n和n+1個(gè)符號(hào)周期內(nèi)保持不變,。如果第一組包括發(fā)射天線1和發(fā)射天線2，而第二組包括發(fā)射天線3和發(fā)射天線4,，則接收信號(hào)可以表示為：

仍無(wú)法滿足QoS要求時(shí),，則將這些天線關(guān)閉。
　　本文研究目標(biāo)是尋找最優(yōu)發(fā)射天線模式,，使其能在滿足目標(biāo)誤塊率的要求下最大化系統(tǒng)吞吐量,。天線模式選擇是基于無(wú)線信道的統(tǒng)計(jì)信息，這能使LA減小反饋負(fù)載和復(fù)雜度,。該方法的思想是搜尋能夠定義模式切換區(qū)域的SNR門(mén)限,，然后將接收端估計(jì)出的SNR與門(mén)限相比，并選擇最優(yōu)發(fā)射模式,。具體步驟如下：
　　首先通過(guò)仿真得到每個(gè)星座圖滿足目標(biāo)誤塊率時(shí)的SNR門(mén)限(如果QoS要求為目標(biāo)誤比特率,，則可以通過(guò)文獻(xiàn)^[7]中SNR與誤比特率的關(guān)系式計(jì)算出SNR門(mén)限)；
　　然后,，將每個(gè)天線組的檢測(cè)后SNR與這些SNR門(mén)限相比,，為每組天線選擇滿足QoS要求的最大星座圖；
　　最后,，把選擇出的控制信息反饋回發(fā)射端,，進(jìn)行發(fā)射系統(tǒng)參數(shù)配置。
　　實(shí)際中,，基站可以根據(jù)周期性的上行鏈路質(zhì)量報(bào)告來(lái)為下行鏈路選擇最優(yōu)發(fā)射天線模式,。為降低應(yīng)用復(fù)雜度，可以在接收端事先建立一個(gè)含有不同信道條件下最優(yōu)發(fā)射模式的查詢表,。本文僅考慮4個(gè)發(fā)射天線的情況,，因此共有4種分組方案、12種模式,。每種模式都使用RAP的功率分配方法與自適應(yīng)調(diào)制來(lái)獲得最大吞吐量,。
2.2 仿真結(jié)果
　　仿真中，假設(shè)4×4自適應(yīng)MIMO系統(tǒng)所用星座圖為Gray映射的BPSK 、QPSK,、16QAM和64QAM,。TD使用的是Alamouti編碼和1/2速率的STBC，不使用信道編碼,，其塊長(zhǎng)為400個(gè)比特,。QoS要求目標(biāo)誤塊率為0.1。仿真圖中每個(gè)信道條件使用了50 000次的統(tǒng)計(jì)平均,。

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　　圖2給出使用空域LA的 MIMO系統(tǒng)吞吐量性能,。由仿真結(jié)果可以看出空域LA能綜合4種分組方案的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)當(dāng)前的信道條件選擇最優(yōu)的天線發(fā)射模式,，從而獲得較單個(gè)分組方案更優(yōu)的吞吐量,。
　　圖3給出每種分組方案的使用概率情況。在低SNR時(shí),，將所有發(fā)射天線分成一組,，即使用STBC的發(fā)射分集增益來(lái)滿足QoS要求。在高SNR時(shí),，每個(gè)發(fā)射天線單獨(dú)分為一組,，等同于SM方案，這是由于SM能提供最大的復(fù)用增益,?？稍诤玫男诺罈l件下進(jìn)一步改進(jìn)系統(tǒng)吞吐量，可以看出空域LA策略能更好地利用TD與SM的折中來(lái)提高吞吐量,。
　　圖4比較了空域LA與時(shí)域LA的性能,。后者僅僅是在1/2速率的STBC編碼系統(tǒng)與SM間的切換，而前者利用了天線分組的方法,，其中含有4種分組方案,。從仿真結(jié)果看出，天線分組的使用使得空域LA優(yōu)于時(shí)域LA,，在中段的SNR范圍內(nèi)前者能獲得系統(tǒng)吞吐量的改進(jìn),。
3 空間相關(guān)性對(duì)空域LA的影響
3.1 相關(guān)信道模型
　　這里研究空間相關(guān)信道對(duì)空域LA性能的影響，使用Jakes模型來(lái)描述相關(guān)信道,。一般地,，空間信道的衰落相關(guān)性依賴(lài)于天線間距和入射無(wú)線電波的角度譜。如果天線的放置為線性等間距陣列,，而且經(jīng)典Jakes相關(guān)模式的角度譜為均勻分布,，則第i個(gè)與第j個(gè)發(fā)射天線間的相關(guān)系數(shù)為：
　　
　　其中J₀(·)為第一類(lèi)零階Bessel函數(shù)，λ為無(wú)線電波波長(zhǎng),，d為天線間的距離,。
　　由于接收天線不會(huì)影響到發(fā)射端天線模式的選擇,，故可假設(shè)接收端沒(méi)有空間相關(guān)性。無(wú)相關(guān)信道下天線分組個(gè)數(shù)一定時(shí),，不同天線模式的修正信道矩陣Ｈ只進(jìn)行列交換,，從統(tǒng)計(jì)意義上講，這些模式都是等效的,。但是發(fā)射相關(guān)性卻會(huì)對(duì)天線模式產(chǎn)生不同的影響,，這里假設(shè)天線分組個(gè)數(shù)為2，則共有3種天線模式,，即模式1為{(天線1,，天線2)(天線3，天線4)},，模式2為{(天線1，天線3)(天線2,，天線4)},，模式3為{(天線1，天線4)(天線2,，天線3)},。
3.2 基于奇異值的模式選擇準(zhǔn)則


　　由圖5可知，信道具有強(qiáng)相關(guān)性時(shí),，模式3最優(yōu),，而低相關(guān)信道下3種模式具有幾乎相同的最小奇異值?？臻g相關(guān)性的強(qiáng)弱是天線間距的函數(shù),。當(dāng)間距大于0.5倍無(wú)線電波波長(zhǎng)時(shí)，信道的相關(guān)性很弱,，3種模式的性能差異很小,。使用基于最小奇異值的選擇準(zhǔn)則能很容易得到最優(yōu)天線模式。

　　圖6～9給出了不同相關(guān)信道下3種天線模式的系統(tǒng)吞吐量性能和使用概率,?？梢钥闯觯趶?qiáng)相關(guān)信道下模式3具有最大吞吐量,，并且使用概率最大,，這說(shuō)明模式3在強(qiáng)相關(guān)信道下是最優(yōu)的。在弱相關(guān)信道下3種模式有幾乎相同的吞吐量和使用概率,，即沒(méi)有明顯優(yōu)于其他二種的天線模式,。這個(gè)仿真結(jié)果與3.2節(jié)中使用基于最小奇異值的選擇準(zhǔn)則的分析結(jié)論是一致的。

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　　本文提出基于空域的LA策略,，即在滿足QoS要求下將MIMO系統(tǒng)的發(fā)射天線進(jìn)行自適應(yīng)分組,，組內(nèi)使用STBC來(lái)獲得TD,，組間做SM。該策略能根據(jù)信道條件自適應(yīng)搜尋最優(yōu)的天線分組方案,，有效解決SM在低SNR時(shí)吞吐量損失的問(wèn)題,。仿真結(jié)果表明，同基于時(shí)域的LA策略相比,，基于空域的LA策略能更充分地利用TD與SM的性能折中,，在中段SNR范圍內(nèi)改進(jìn)系統(tǒng)吞吐量，且應(yīng)用復(fù)雜度較低,。
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