高速移動環(huán)境中的MIMO非相干高效通信

鄭 霖， 楊 超， 汪 震， 周廣鵬， 陳建梅， 林夢瑩， 王俊義， 鄧小芳， 李曉記， 仇洪冰

(桂林電子科技大學 廣西無線寬帶與信號處理重點實驗室，廣西 桂林 541004)

MIMO技術由于能夠提供更大空間維度，為提高無線通信容量提供了支撐。目前已經成為IEEE802.11ac/ax、4G和5G無線傳輸?shù)年P鍵技術，但新標準在高可靠、低時延通信方面仍缺乏統(tǒng)一的技術共識[1]。并且包括航空、鄰近空間飛行器、低軌衛(wèi)星(LEO)、高速鐵路(HST)、車聯(lián)網、無人駕駛、高速無人機(UAV)等應用的發(fā)展，對高移動性環(huán)境下的可靠、低時延通信提出了更高的要求[2]。當前高鐵速度已逼近500 km/h,最大多普勒頻移達1 kHz以上，這類具有非平穩(wěn)、快衰落特性的移動通信環(huán)境對當前主流MIMO通信技術提出了前所未有的挑戰(zhàn)，也得到了研究領域的廣泛關注。

高速移動環(huán)境下的高可靠和低時延通信問題是近年來無線通信的研究難點和熱點，也是對5G通信的補充和未來6G通信的必要支撐，包括高鐵、地空、低軌衛(wèi)星等通信要求解決非平穩(wěn)色散衰落信道環(huán)境下可靠性、大容量、多址接入等技術問題。高移動性環(huán)境中通信存在以下主要問題：

1)快衰落信道變化導致難以估計準確的非平穩(wěn)信道狀態(tài)信息(CSI)，并且大Doppler頻移和擴展甚至破壞OFDM子譜之間的正交性，導致檢測性能惡化；

2)雙色散信道對空間分集、空間復用的MIMO信道估計精度和實時性要求進一步提升，也造成Massive-MIMO信號處理復雜度和負荷增加；

3)小區(qū)之間頻繁切換和群切換，導致資源管理困難和切換接續(xù)難度增大；

4)快速移動導致短時間穿越多個地形環(huán)境，在小區(qū)邊緣信噪比(SNR)和信干比(SIR)低，難以獲得準確信道估計，會嚴重影響MIMO檢測性能和切換性能；

5)全向天線下常規(guī)公共通信與高鐵等特定高移動通信間的互干擾，使功率和波束分配以及信道跟蹤和多用戶信道調度的優(yōu)化難度大幅提升。

突破以上技術壁壘需要通信物理層、鏈路、網絡層的創(chuàng)新理論和方法。物理層可靠性源于抗衰落性能，而傳輸?shù)蜁r延則涉及到通信容量、信道調度和并發(fā)連接數(shù)量等。本研究從高移動性信道特征出發(fā)，結合抗快衰落波形和檢測、空分復用、并發(fā)多址技術等方面，概覽物理層MIMO通信提高傳輸性能的研究現(xiàn)狀，并給出團隊相關研究的進展和未來研究的方向。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 現(xiàn)有高速移動環(huán)境MIMO通信的研究現(xiàn)狀

無線通信技術的發(fā)展高度依賴對信道環(huán)境的深入理解。由于HST、UAV、LEO物聯(lián)網等應用對通信可靠、時延性能提升的要求,使高移動性通信信道模型近年來得到廣泛關注，尤其是HST和UAV信道。文獻[3-4]總結了前期HST信道測量和建模，以及存在的問題。王承祥帶領的團隊針對高鐵非平穩(wěn)信道開展了深入的研究工作，在HST-MIMO信道、毫米波3D HST-MIMO信道建模及信道相關性分析等方面取得了詳實的成果[5-7]；另外，在地空信道研究的基礎上[8]，程翔教授在UAV 3D-MIMO信道建模方面也做出了卓著的成效[9]。

眾所周知，相干通信是當前移動通信的關鍵主導技術。雖然在高移動性環(huán)境的信道快速變化使精確信道估計較難實現(xiàn)，但近年來MIMO相干通信研究在提升移動環(huán)境下可靠性方面仍做出了大量努力[10]，這方面的研究主要集中在Doppler分集和Doppler補償技術。王薇等[11]采用空分波達方向估計并在信號到達的所有方向進行Doppler頻偏估計和補償；Zhou等[12]分析了非理想CSI會嚴重影響Doppler分集增益，并推導了CSI誤差在Doppler分集增益和SNR損失間的尺度，從而提出了更魯棒的發(fā)射端簡單重復碼取得Doppler分集的方案。Chen等[13]考慮到波達估計的復雜性和誤差，采用位置信息確定波束方向。Guo等[14]借助Massive-MIMO的多用戶波束能力，在角度域進行Doppler補償。Zakia等[15]評估Doppler估計誤差對較強視距傳輸和較快時變信道的影響更為嚴重。另外，這些方案都假定Doppler頻偏恒定，但無法解決Doppler彌散(擴展)問題；即使能獲得較好的CSI和波達估計，要實現(xiàn)Doppler分集也會犧牲調制效率；且估計和補償算法的高復雜度依然限制了Massive-MIMO的實際應用。

1.2 非相干MIMO研究現(xiàn)狀

非相干MIMO指不利用信道信息或僅利用少量信道信息，以及采用非相干檢測方式實現(xiàn)多天線或多用戶通信的MIMO通信技術。其明顯的優(yōu)勢在于系統(tǒng)性能對CSI的依賴性降低，所以無需復雜的信道估計與補償處理，且在多用戶和多小區(qū)環(huán)境下避免了導頻污染等問題。但現(xiàn)有非相干MIMO由于缺乏信道信息，在檢測性能、容量效率以及抗快時變衰落等方面也存在難以滿足高移動性信道的檢測要求的問題[16]。

當前非相干MIMO技術主要分為：1)酉空時調制MIMO技術；2)差分檢測MIMO；3)能量檢測MIMO。

Hochwald和Marzetta針對準靜態(tài)瑞利衰落信道提出了酉空時調制(USTM)[17],通過設計具有良好正交性碼集的酉空時編碼提升系統(tǒng)的空間分集增益。鄭立中等[18]通過在Grassmann 流形幾何上分析非相干 MIMO 系統(tǒng)，證明了酉空時矩陣X是由一個酉子空間ΩX與一個獨立的對角矩陣的乘積構成，且空間ΩX不會因H的影響而改變。該文還給出了更全面的容量限，指出在非相干通信中信噪比每增加3 dB，信道容量增益為M*(1-M*/T)，其中M*=min{M，N，[T/2]}。USTM的研究主要集中在酉空時碼的設計和簡化解調算法方面[19-21]。國內彭立等不少學者也參與了Grassmann酉空時碼的研究[22-23]。近兩年來，USTM在實用化方面得到改善，Attiah等[24]根據(jù)信道慢變和快變特性、有無CSI、高低信噪比不同等參量建立了多層調制星座框架，以適應不同的信道環(huán)境。Roger等[25]設計了USTM的多用戶方案，并通過類串行干擾抵消(SIC)方法解調下行信道互干擾。基于USTM方法較適合于天線數(shù)較少、碼率較低、相干時間較短的高信噪比應用環(huán)境。但是酉空時調制一般假設信道為塊狀準靜態(tài)衰落，即衰落系數(shù)在一段時間內保持不變，若考慮信道記憶性，此模型就不準確了。

差分檢測方法應用于MIMO可以明顯降低對信道信息的依賴性。差分空時編碼調制(DSTM)是無需精確信道信息估計的非相干MIMO方案[26-27]。雖然差分編碼有多種正交化差分形式[28]，但Tarokh的方案[26]在發(fā)射分集性能和復雜度、實用性上仍然是較好的選擇。近年來又提出多符號聯(lián)合差分檢測[30-31]、多用戶差分檢測[30]、空間自相關聯(lián)合檢測[32]、基于統(tǒng)計CSI的MIMO-QAM差分星座檢測[33]。Hochwald等[34]將差分檢測與酉空時調制結合(DUSTM),DUSTM具有更靈活的星座設計以及更低的解碼復雜度。Bian等[35]將差分檢測與空間調制(SM)相結合(DSM),因其沿用SM一個時隙只激活一根發(fā)射天線的多發(fā)射天線體制，使DSM在空間復用增益和降低空間信道互擾方面具有獨特的優(yōu)勢。但是由于DSM同一時間無法進行空間多路并行傳輸，相比于相干MIMO系統(tǒng)其復用效率也大打折扣。另外，DSTM仍假設準靜態(tài)衰落信道且相鄰塊符號間信道狀態(tài)具有一致性，但這在高速移動通信環(huán)境不一定成立。Wu等[2]分析了即使輔助盲或半盲信道估計和跟蹤的非相干檢測，仍然會因為大Doppler頻移而無法跟蹤信道變化,這與文獻[28]所得結論相近。

由于高移動性對信道主要造成Doppler頻移或Doppler擴展的影響，從降低對Doppler的敏感度出發(fā)，基于能量檢測的非相干MIMO系統(tǒng)優(yōu)勢在于：對多普勒引起的相位旋轉不敏感；在Massive-MIMO大天線陣下具有“噪聲硬化”效應；非理想信道狀態(tài)信息下解調魯棒性高；解調復雜度低；對同步要求也不高。在Massive-MIMO環(huán)境下，文獻[36-38]假設多天線規(guī)模趨近無窮，在獨立同分布衰落信道條件下，研究了上行單發(fā)多收(SIMO)能量檢測性能隨接收天線增加的統(tǒng)計模型，并針對SIMO的多用戶基于能量的似然檢測設計了調制星座。Jing等[38]指出基于能量檢測的非相干MIMO信道的統(tǒng)計特性與天線數(shù)有關，當天線數(shù)足夠大時，中心極限定理說明其似然能量檢測的概率分布近似高斯，而平方率噪聲趨近于常數(shù)(“硬化”)。Bana等[39]設計了一種幅度相位星座波形4-APK，采用先能量檢測后相干檢測方式進行分步解調，在誤差CSI條件下獲得了更具魯棒性的檢測性能。Gao等[40]針對Massive-MIMO天線數(shù)有限時性能分析和星座設計都會出現(xiàn)偏差，采用幅度調制，接收機能量檢測，通過非相干似然檢測器確定最佳的檢測區(qū)域，從而設計最優(yōu)的發(fā)射機星座，獲得分集和減小互干擾。顯然，在保證通信可靠性方面，能量檢測具有先天優(yōu)勢，但在調制效率上則存在不足。

1.3 移動環(huán)境下抗雙色散衰落技術

高移動性環(huán)境下提高通信效率必須解決雙色散衰落問題，基于時頻移不敏感信號設計與時頻域檢測處理是SISO下的主要方法之一[41-42]，其中多數(shù)時頻變換采用了平方率處理環(huán)節(jié)，聯(lián)合時頻空3個維度進行波形星座設計和檢測處理有利于在更高自由度提升檢測性能和容量。Peiker等[43]針對快時變信道采用的OFDM-MFSK可以看作是酉空間調制的一種特例，并將接收信號投影到相應子空間進行解調，從而可以獲得更低復雜度的能量檢測，并提高了頻譜復用效率。Tsimbalo等[44]基于MFSK設計了一種空時頻編碼，采用前后符號的軟信息進行2×2 MIMO多進制能量似然檢測，獲得空間分集增益。該方法無需信道信息，僅需接收符號能量和噪聲方差信息，便可提供空時頻分集增益。針對傳統(tǒng)MIMO-OFDM信號體制在雙色散信道環(huán)境下，尤其是高移動性信道下的適用性，Hadani團隊[45-46]提出了正交時頻空調制(OTFS)，將信號時頻域轉換為delay-Doppler域，從而可以在delay-Doppler域上實現(xiàn)低復雜度的Doppler和多徑分集檢測。針對OTFS高效檢測方法和性能分析，近年來開展了大量研究工作[47-48]，但該調制解調在時頻域調制效率和干擾抑制性能上仍有不足；與MIMO空間調制的結合上，要求各天線發(fā)射波形位于不同的時頻格點，因此空間波形受到正交性的約束，并未充分獲得時、頻、空的容量增益。

在高移動性通信信道深入理解的基礎上，利用非相干MIMO對Doppler的不敏感性，充分發(fā)揮時、頻、空域對通信可靠性、大容量、多址并發(fā)接入的效用，才能有效提升移動環(huán)境下時延、可靠性的性能。

2 高移動性無線信道模型

當前高移動性通信主要涵蓋了高鐵、無人機、航空、低軌衛(wèi)星等場景。本文以典型的高鐵信道模型為例，對非相干MIMO應用于高速移動環(huán)境的通信進行理論分析和闡述，并對所開展的空分復用MIMO技術研究進行總結和概覽。

隨著300 km/h以上高速鐵路的大量運營，基于原有鐵路標準的WINNER Ⅱ和IMT-A信道模型已經不能滿足5G和未來通信的要求，基于5G、毫米波的高移動性MIMO信道模型研究近年來得以深入開展。HST通信主要分為常規(guī)車地直接通信和移動中繼(MRS)通信，根據(jù)高鐵運行環(huán)境和基站部署方式，一般存在較強的可視路徑(LoS)和散射路徑，一般HST信道萊斯K因子典型取值范圍多大于2，因此適宜用MIMO萊斯信道(Rician信道)表述[5]：

(1)

除此之外，包括地空信道、無人機信道等，經過分析，幾乎都具備類似的Rician信道多普勒頻域色散特征，這也為能量檢測空分復用理論在高速移動環(huán)境中的高可靠通信應用帶來了契機。基于能量檢測的空分復用MIMO技術充分利用了常規(guī)高速移動模型的Rician多普勒特征，很好地解決了快衰落給MIMO信道造成的影響。

3 基于能量檢測的空分復用MIMO框架

快速移動環(huán)境帶來非平穩(wěn)的快衰落信道特征，因此基于FSK調制和非相干能量檢測是常用調制解調方案?；谠摬ㄐ畏桨福狙芯繉⑵鋺糜贛IMO空分復用環(huán)境，推導了新的非相干空分模型。首先給出了一種多進制FSK在MIMO下的空分非線性模型，進一步采用隨相檢測的FSK推導了一種線性近似模型。

3.1 多進制正交鍵控調制MIMO模型

以MFSK多進制FSK為例，采用平方率能量檢測可以實現(xiàn)MIMO在LoS環(huán)境下的復用。

設M進制信元c=0,1，…，M-1，以MFSK為例，調制信號為s(t)=ejwct，采用MIMO垂直分層空時碼(V-BLAST)，則N根發(fā)射天線發(fā)送獨立的MFSK信號：s1(t)，s2(t)，…，sN(t)是第n根發(fā)射天線的信元。設N根發(fā)射天線和K根接收天線K×N的MIMO通信系統(tǒng)信道矩陣為

(2)

第k根接收天線捕獲的信號為

γk(t)=hk1ejθk1s1(t)+hk2ejθk2s2(t)+…+

hkNejθkNsN(t)+vk(t)。

(3)

H(k,l(n,j))=hknhkjβcos(θkn-θkj),

(4)

n,j∈{1，2,…，N}，l=1，2，…，(N+1)N/2。

(5)

輸出信號在高信噪比下可近似為高斯噪聲，通過線性算法估計等效信道矩陣K×N，并采用最大似然算法進行空分復用檢測。但由于等效信道矩陣從K×N維提升到K×(N+1)N/2維，估計維度和解碼維度會有較大的提升，這對最大似然估計算法的效率有較高的要求。

3.2 基于隨相檢測的MIMO-FSK空分復用

雖然將平方率檢測輸出所存在的非線性交叉項進行了線性化等效，但帶來的解調復雜度增加是明顯的，矩陣維度從K×N擴展到K×(N+1)N/2，使得計算復雜度大幅提升。

基于平方率最佳隨相檢測形式建立空分模型。由于很多時頻波形都具備隨相檢測能力，以二進制FSK為例,設信息c={0,1}，設復調制信號表達式為s(t)=cejw1t+(1-c)ejw2t，采用MIMO垂直分層空時碼(V-BLAST)，則N根發(fā)射天線發(fā)送獨立的FSK信號：s1(t),s2(t),…，sN(t)。因w1≈w2，可設w1與w2信道矩陣近似為H。如圖1所示，接收信號采用最佳隨相檢測[50-51]。

圖1 MIMO-FSK空分復用能量隨相檢測模型

(6)

式中：rk(t)=hk1e-jθk1s1(t)+hk2e-jθk2s2(t)+…+hkNe-jθkNsN(t)+vk(t)為接收信號。因為

(7)

(8)

(9)

(10)

其中：Re(·)為取實部；(·)*為取共軛；Σ為對角矩陣，且有Σkk=hk1e-jθk1+hk2e-jθk2+…+hkNe-jθkN，則有Y=HX+V。

由此可見，在調制信號為0、1能量信號條件下，等效信道矩陣可認為是線性的，且為實矩陣形式。經分析可發(fā)現(xiàn)，只要是二進制非相參正交調制經過隨相檢測后都具有以上線性空分復用模型特征。但從概念上分析，實信道矩陣雖然也能帶來復用增益和分集增益，但在波束增益上要比相干MIMO的性能有所下降，也會造成同比信噪比下容量降低。

3.3 高移動性環(huán)境下MIMO能量檢測模型的Doppler魯棒性分析

高移動性環(huán)境對信道的影響包括相位和幅度衰落兩部分，前者由多普勒頻移和傳播路徑時延變化造成，后者由傳播路徑及散射體變化造成。一般在通信中即使是快速移動的收發(fā)信機造成的傳播路徑變化相對數(shù)據(jù)幀長仍屬慢變，因此所解決的主要問題是Doppler頻移或者Doppler擴展造成的相位變化。

假設多普勒頻移fd?R<Δf(R為碼率，Δf為MFSK頻率間隔)，則多普勒頻移主要體現(xiàn)在信道H因子的相位變化上。

(11)

式中φd(t)=wdt?？梢?，Doppler頻移帶來相位的一致改變，并不會造成H矩陣的劇烈變化。即使各空分路徑存在不同方向角，但在遠場環(huán)境下方向角相差不大，導致多普勒頻移的微小不同對H造成的影響并不明顯，這在空地通信、車地通信的Rician和Rayleigh散射環(huán)境中是成立的。

理論上，只有在近場高速運動環(huán)境等極端散射信道才可能造成MIMO信道H矩陣中各元素(或空分信道)Doppler存在明顯不一致，而這種特殊移動環(huán)境下性能也不會因為新模型而使檢測更差。通過已有文獻和前期仿真驗證也說明了能量檢測模型在非理想CSI下的檢測魯棒性要優(yōu)于相干檢測。

4 時、頻、空調制

傳統(tǒng)相干MIMO-OFDM充分發(fā)揮了時、頻、空的維度優(yōu)勢，在分集和復用性能上獲得了較好的性能。但是在高速移動環(huán)境中，因為存在時、頻雙色散衰落，導致OFDM性能受到很大的影響，從而衍生出5G的候選波形：FBMC(濾波器組多載波)、UFMC(通用濾波多載波)、GFDM(廣義頻分多址)等技術，但也存在算法復雜度高的問題。近年來OTFS受到業(yè)界的青睞[48]，主要是因為將時頻信號映射到延遲-多普勒域后，降低了抗時頻色散的復雜度。但OTFS要求波形在延遲-普勒域保證多徑延遲和多普勒擴展的保護間隔，并且在多天線下也需要保證天線間波形的延遲、多普勒域正交性，這樣就使OTFS的調制效率受到約束，不能充分發(fā)揮時、頻、空維度在調制效率上的優(yōu)勢。

將一種高效時頻波形FCrSK擴展至多天線空分復用模式，在高速移動環(huán)境下獲得了較好抗時、頻色散以及空間高效調制的性能。

FCrSK具有很好的抗時頻衰落性能以及較好的調制效率，將其與多天線空分復用相結合，獲得在高移動性環(huán)境下高可靠性和高效(低時延)傳輸。FCrSK信號的時頻結構如圖2所示，信號[42]為：

(12)

圖2 FCrSK調制符號時頻示意圖

其中：調頻率Chirp-rateμ=B/Tc,T為調制符號寬，且Tc≤T。當Tc=T,D=1時，F(xiàn)CrSK退化為傳統(tǒng)Chirp信號。該信號的優(yōu)勢在于在指定帶寬和符號寬度，可實現(xiàn)多進制Chirp正交調制，避免了多進制Chirp帶寬或時寬的不一致。設符號周期采樣點數(shù)M，信號離散式為sFCrSK(n)=ejπcn2/M，0≤n≤M-1。

采用以上MIMO空分復用框架，接收端首先經過FCrSK信號的解調，通過DeChirp過程(FFT+平方率處理)和時頻域峰值檢測。經變換至頻域和經過能量檢測平方率處理后可得：

Re(Xi(l))Re(Xj(l)),0≤l≤M-1,

(13)

令

(14)

(15)

5 MU-MIMO與Massive-MIMO

5.1 多用戶MIMO-FSK

(16)

而對于下行信道，由于終端UE在獨立移動過程中接收到的基站信號Doppler頻移僅與該UE的相對運動速度和方向有關，其他多用戶復用信號雖然仍對本UE造成干擾，但這些干擾的快衰也僅與本UE的運動有關，與其他UE運動無關，因此，理論上該UE等效信道矩陣H并未發(fā)生改變，這給下行鏈路非相干MU-MIMO空分復用提供了可行性。

根據(jù)MIMO預編碼原理，Massive-MIMO基站端在已知用戶實信道條件下，完全可以通過預編碼方法減弱復用信道的互擾，避免了Doppler估計誤差造成的檢測性能惡化，也降低UE端的復雜度。

要實現(xiàn)MU-MIMO正確解調，則需要預編碼矩陣G有如下性質。

設編碼信道矩陣可定義為A=HG，經過平方率能量檢測后，根據(jù)式(11)，等效編碼信道矩陣為

H=Re(ΣAA)=IN。

(17)

G=HH(HHH)-1。

(18)

(19)

即使采用相干信道預編碼，通過接收端能量檢測，仍然能夠起到抗UE高速運動所帶來的多普勒頻移或者多普勒擴展的作用，并且預編碼矩陣無需跟蹤多普勒頻移的實時變化。

5.2 非相干Massive-MIMO

在Massive-MIMO環(huán)境下，一般基站天線陣元數(shù)要多于UE天線的總和。在UE接收機采用多天線情況下，仍然可以采用塊對角化(BD)預編碼算法實現(xiàn)用戶之間的干擾消除，在用戶多天線的并發(fā)復用數(shù)據(jù)流則可通過隨相能量檢測進行干擾抑制，獲得下行鏈路多用戶環(huán)境的復用數(shù)據(jù)容量，與常規(guī)相干MU-MIMO的容量性能完全一致，且不受用戶高速移動造成的非平穩(wěn)信道影響。

如圖3所示，在Massive-MIMO 中，能量檢測可以有效降低檢測的算法復雜度，降低對高速移動UE的實時跟蹤要求，即使在存在多普勒擴展的快衰落環(huán)境下也無需復雜的檢測信號處理。將下行鏈路通過波束域和預編碼相結合，例如 聯(lián)合空分復用(JSDM)實現(xiàn)多用戶高效通信。波束域帶來能效和可靠性提升的同時，在傳播信道上也客觀產生了遠場單方向特性，從而滿足以上用戶等效信道矩陣Hk不變的條件。

圖3 基于JSDM的下行廣播MIMO信道

6 MIMO能量檢測性能評價與實踐

MIMO能量檢測雖然存在非相干檢測所帶來的誤碼性能損失，但在高速移動環(huán)境的非平穩(wěn)信道中具有明顯的抗頻域色散優(yōu)勢。通過仿真與搭建MIMO平臺，對MIMO空分復用能量檢測進行了理論驗證和性能評價，取得了預期的通信效果，為進一步創(chuàng)新和完善在高速移動環(huán)境下的時、頻、空高效、可靠通信奠定了堅實基礎。

參考高鐵Rician信道仿真模型，在900 MHz載頻和最大500 km/h高鐵移動速度條件下，采用4×4 MIMO和4FSK調制信號，并發(fā)4路復用速率625 Kibit/s,幀長1.6 ms，通過仿真參比照PSK性能，比較了MIMO-MFSK能量檢測模型、MIMO-FSK隨相檢測模型的誤碼性能。

從圖4可看出，由于非相干檢測的原因在近似理想AWGN信道下PSK性能比能量檢測性能要好。但在高速移動環(huán)境中，能量檢測MIMO體制對非平穩(wěn)信道的適應力要好得多，受Doppler頻域色散衰落的影響較小。

圖4 MIMO能量檢測在高速移動環(huán)境的仿真性能比較

為進一步驗證理論的可靠性，通過軟件無線電(SDR)平臺搭建了MIMO-FSK無線收發(fā)系統(tǒng)。上位機通過PCIE電纜連接2個SDR前端(USRP-2953R)以提供射頻功能。OctoClock-gcda-2900提供了一個公共觸發(fā)源和參考時鐘，以確保2個SDR共享相同的觸發(fā)時鐘和參考頻率。在發(fā)射機中，上位機產生V-BLAST FSK基帶信號，在接收機USRP-2953R的RIO前端通過Labview FPGA實現(xiàn)了幀與位同步，并在上位機實現(xiàn)信道估計、V-BLAST能量檢測信號處理與解碼。

圖5為采用Sprint VR5進行的MIMO-FSK無線收發(fā)系統(tǒng)測試。VR5是方框中的射頻信道模擬器。VR5的信道模型設置為LTE-HST高速列車MIMO信道，載波頻率為1.1 GHz，列車速度設為300 km/h，Rician因子為10 dB，信噪比為0～16 dB。MIMO信道衰減矩陣的設置與仿真相同。MIMO四路并發(fā)復用信號的解調星座如圖6所示，誤碼率曲線如圖7所示，實測的誤碼率曲線與仿真曲線接近，最大似然檢測具有良好的性能。

圖5 MIMO-FSK在LTE高鐵信道無線收發(fā)測試環(huán)境

7 結束語

傳統(tǒng)非相干MIMO盡可能減少對信道狀態(tài)信息的依賴，雖然在抗衰落性能上具備一定優(yōu)勢，但在MIMO容量和可靠性上也必然存在明顯的損失。新一代移動通信體制下，高速移動通信的可靠性、低時延對MIMO空分技術的要求更為苛刻。能量檢測利用了非實時的MIMO信道信息，解決了移動環(huán)境MIMO高效通信的問題。通過理論分析與仿真，驗證了在高速移動環(huán)境下采用能量檢測MIMO空分復用的原理，以及該模型在色散衰落環(huán)境的時、頻、空高效可靠傳輸和多用戶MIMO體制中的深入契合。一方面為高速移動環(huán)境的MIMO通信提供了新體制新模型，解決了移動環(huán)境中的雙色散衰落問題，且能夠保證MIMO容量沒有大的損失；另一方面，能量檢測MIMO與現(xiàn)有相干MIMO很大程度上在信號、檢測算法上有較好的一致性和兼容性，易于實現(xiàn)相干與非相干系統(tǒng)的一體化設計與算法升級。

圖6 實測MIMO-FSK在LTE-HST信道下的檢測輸出星座(4×4 MIMO中四路接收天線復用檢測輸出)

圖7 基于迫零和最大似然檢測算法的MIMO-FSK LTE-HST信道仿真與實測比較