Massive MIMO系統(tǒng)中的信道估計(jì)仿真分析

西南林業(yè)大學(xué) 王曉艷

昆明鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 徐高魁

引言：隨著通信技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，使得移動(dòng)終端所需處理的通信數(shù)據(jù)越來越多。此外，隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)對(duì)通信速度的要求越來越高及智能終端的普及，對(duì)與之匹配的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提出了新的要求和挑戰(zhàn)。為了適應(yīng)當(dāng)前通信時(shí)代的要求，未來的通信系統(tǒng)需具有更快的通信速度、更佳的通信質(zhì)量以及更廣的通信范圍。

MIMO通信系統(tǒng)簡稱為多天線系統(tǒng)，該系統(tǒng)集合了傳輸分集、空間復(fù)用等技術(shù)為進(jìn)一步提高通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量及通信效率奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。然而，在全新通信時(shí)代的要求下，當(dāng)前的MIMO系統(tǒng)已經(jīng)不能夠滿足當(dāng)前大容量、高速率、低成本的要求。Massive MIMO通信系統(tǒng)基于其獨(dú)特的傳輸方式，并在其基站段加入了數(shù)量可觀的天線，從根本上解決了傳輸信號(hào)功率低的問題，進(jìn)而提高了通信系統(tǒng)的信干比，從根本上提升了系統(tǒng)信號(hào)傳輸?shù)目煽啃约邦l譜使用效率。

鑒于Massive MIMO通信系統(tǒng)具有光明的發(fā)展前景，需將其充分應(yīng)用于當(dāng)前的通信系統(tǒng)中。故本文對(duì)Massive MIMO通信系統(tǒng)中的信道估計(jì)進(jìn)行了仿真分析，為該通信系統(tǒng)的推廣奠定了基礎(chǔ)。

1.Massive MIMO系統(tǒng)傳統(tǒng)導(dǎo)頻設(shè)計(jì)分析

本文所研究的Massive MIMO系統(tǒng)模型是由一定數(shù)量的六邊形小區(qū)構(gòu)成的移動(dòng)蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)。設(shè)系統(tǒng)中每個(gè)小區(qū)中各有一定數(shù)量的基站天線，且該小區(qū)內(nèi)的基站天線數(shù)大于小區(qū)內(nèi)的用戶數(shù)。此外，小區(qū)內(nèi)用戶與用戶之間的導(dǎo)頻序列相互正交，基于OFDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的調(diào)制；用戶與小區(qū)內(nèi)基站天線的通信是基于TDD模式實(shí)現(xiàn)的，信道估計(jì)是在通信中的上行導(dǎo)頻傳輸過程中實(shí)現(xiàn)的。

基于TDD模式下的數(shù)據(jù)通信的，包含了上行導(dǎo)頻傳輸、上行數(shù)據(jù)傳輸以及下行數(shù)據(jù)傳輸三個(gè)階段。其中導(dǎo)頻傳輸如圖1所示。

圖1 導(dǎo)頻傳輸過程

LS估計(jì)和MMSE估計(jì)為通信系統(tǒng)中常用的兩種信道估計(jì)方法。其中，LS信道估計(jì)為最小二乘信道估計(jì)算法，基于該算法下的估計(jì)值如式（1）所示：

分析式（1）可知，基于LS算法所得信道估計(jì)值受到了噪聲及其他導(dǎo)頻信道的干擾的影響。因此，干擾信號(hào)影響著基于LS算法下的信道估計(jì)值。

MMSE信道估計(jì)算法是最小均方誤差信道估計(jì)算法，該算法能夠有效降低干擾信道對(duì)信道估計(jì)值的準(zhǔn)確度?；贛MSE算法下的信道估計(jì)值如式（2）所示：

分析式（2）可知，MMSE算法能夠有效降低噪聲及其他干擾因素對(duì)信道估計(jì)值的影響。

2.仿真分析

本節(jié)著重對(duì)三種不同導(dǎo)頻設(shè)計(jì)方案下通信系統(tǒng)的性能進(jìn)行仿真分析。系統(tǒng)的仿真分析如圖2所示。

圖2 仿真流程圖

2.1 仿真參數(shù)設(shè)置

本次仿真的步驟如圖2所示。此外，為了保證仿真結(jié)果的有效性，本文做出如下設(shè)置：通信系統(tǒng)的SNR為5dB，假設(shè)小區(qū)的用戶數(shù)量為3戶，小區(qū)內(nèi)的基站的天線數(shù)量為50，導(dǎo)頻設(shè)計(jì)的相干時(shí)間為10，導(dǎo)頻序列間隙時(shí)間為1000萬。本次仿真主要針對(duì)傳統(tǒng)信道估計(jì)、半正交導(dǎo)頻信道估計(jì)以及修正后的半正交導(dǎo)頻信道估計(jì)三種情況。

2.2 仿真結(jié)果分析

2.2.1 不同方案下系統(tǒng)頻譜效率與SNR關(guān)系的仿真分析

基于傳統(tǒng)導(dǎo)頻設(shè)計(jì)、半正交導(dǎo)頻設(shè)計(jì)以及修正后導(dǎo)頻設(shè)計(jì)三種方案下，系統(tǒng)的頻譜效率與SNR之間的關(guān)系如圖3所示。

分析圖3可知，基于半正交導(dǎo)頻設(shè)計(jì)方案下系統(tǒng)的頻譜效率優(yōu)于修正后半正交導(dǎo)頻設(shè)計(jì)方案和傳統(tǒng)導(dǎo)頻設(shè)計(jì)方案下的頻譜效率。且隨著SNR的增加，系統(tǒng)的頻譜效率均出現(xiàn)平穩(wěn)狀態(tài)。

2.2.2 基站天線數(shù)目、用戶數(shù)目與系統(tǒng)頻譜效率關(guān)系的仿真分析

基于傳統(tǒng)導(dǎo)頻設(shè)計(jì)、半正交導(dǎo)頻設(shè)計(jì)以及修正后導(dǎo)頻設(shè)計(jì)三種方案下，系統(tǒng)的頻譜效率與基站天線數(shù)目、用戶數(shù)目之間（設(shè)置此時(shí)SNR=20）的關(guān)系如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)頻譜效率與SNR關(guān)系

圖4 基站天線數(shù)與系統(tǒng)頻譜效率的關(guān)系

圖5 用戶數(shù)與系統(tǒng)頻譜效率的關(guān)系（SNR=20）

分析圖4可知：隨著基站天線數(shù)量的增加，系統(tǒng)的頻譜效率逐漸增加，且同一天線數(shù)目下半正交導(dǎo)頻設(shè)計(jì)方案下系統(tǒng)的頻譜效率均高于其他兩種導(dǎo)頻設(shè)計(jì)方案。

分析圖5可知，基于傳統(tǒng)導(dǎo)頻設(shè)計(jì)下系統(tǒng)的頻譜效率隨著用戶數(shù)先增大后減小，且用戶數(shù)為4時(shí)是分水嶺；此外，基于另外兩種導(dǎo)頻設(shè)計(jì)方案下系統(tǒng)的頻譜效率隨著用戶數(shù)的增大而增大，且同一用戶數(shù)下半正交導(dǎo)頻方案下系統(tǒng)的頻譜效率明顯高于修正后的半正交導(dǎo)頻方案。

2.2.3 系統(tǒng)均方誤差性能仿真分析

為了驗(yàn)證不同導(dǎo)頻設(shè)計(jì)方案下系統(tǒng)的均方誤差，我們將對(duì)不同相干長度、不同用戶數(shù)以及不同SNR下系統(tǒng)的信道均方差。

1）不同導(dǎo)頻設(shè)計(jì)方案下系統(tǒng)信道估計(jì)的均方差與相干時(shí)間之間的關(guān)系如圖6所示。

分析圖6可知，傳統(tǒng)導(dǎo)頻設(shè)計(jì)和半正交導(dǎo)頻設(shè)計(jì)下系統(tǒng)的信道估計(jì)均方差不隨相干時(shí)間變化，而修正后的半正交導(dǎo)頻信道設(shè)計(jì)下系統(tǒng)的信道估計(jì)均方差隨著相干時(shí)間的增加而減少。

2）不同導(dǎo)頻設(shè)計(jì)方案下系統(tǒng)信道估計(jì)的均方差與用戶數(shù)目之間的關(guān)系如圖7所示。

圖6 相干時(shí)間與系統(tǒng)信道估計(jì)均方差的關(guān)系

圖7 用戶數(shù)目與系統(tǒng)信道估計(jì)均方差的關(guān)系

分析圖7可知，傳統(tǒng)導(dǎo)頻設(shè)計(jì)下的信道估計(jì)均方差不隨用戶數(shù)目的變化而變化；其余兩種方案下系統(tǒng)的信道估計(jì)均方差隨著用戶數(shù)目的增加而增加，且同一用戶數(shù)下，修正后的半正交導(dǎo)頻設(shè)計(jì)方案下系統(tǒng)的信道估計(jì)均方差小于半正交導(dǎo)頻設(shè)計(jì)方案。

3）不同導(dǎo)頻設(shè)計(jì)方案下系統(tǒng)信道估計(jì)的均方差與SNR之間的關(guān)系如圖8所示：

圖8 SNR與系統(tǒng)信道估計(jì)均方差的關(guān)系

分析圖8可知，當(dāng)天線數(shù)目為20時(shí)，隨著信噪比的增加，系統(tǒng)信道估計(jì)的均方差不斷減小。且傳統(tǒng)導(dǎo)頻設(shè)計(jì)方案下的均方差最大，半正交導(dǎo)頻設(shè)計(jì)方案下的均方差最小。

3.總結(jié)

本文在分析傳統(tǒng)導(dǎo)頻設(shè)計(jì)和半正交導(dǎo)頻設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，對(duì)半正交導(dǎo)頻設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了改進(jìn)，并分析評(píng)估了修正后半正交導(dǎo)頻設(shè)計(jì)方案的性能。為了驗(yàn)證該導(dǎo)頻設(shè)計(jì)方案的有效性，本文對(duì)傳統(tǒng)導(dǎo)頻設(shè)計(jì)、半正交導(dǎo)頻設(shè)計(jì)以及修正后的導(dǎo)頻設(shè)計(jì)方案下系統(tǒng)的性能進(jìn)行仿真分析。通過仿真分析可知，基于半正交導(dǎo)頻方案下系統(tǒng)的頻率效率高于傳統(tǒng)導(dǎo)頻設(shè)計(jì)方案；基于修正后半正交導(dǎo)頻設(shè)計(jì)方案下系統(tǒng)信道估計(jì)的誤差小于半正交導(dǎo)頻設(shè)計(jì)方案。