Massive MIMO系统中的信道估计仿真分析

西南林业大学 王晓艳

昆明铁道职业技术学院 徐高魁

引言：随着通信技术的发展和进步，使得移动终端所需处理的通信数据越来越多。此外，随着现代网络对通信速度的要求越来越高及智能终端的普及，对与之匹配的移动通信网络系统提出了新的要求和挑战。为了适应当前通信时代的要求，未来的通信系统需具有更快的通信速度、更佳的通信质量以及更广的通信范围。

MIMO通信系统简称为多天线系统，该系统集合了传输分集、空间复用等技术为进一步提高通信系统的通信质量及通信效率奠定了坚实的基础。然而，在全新通信时代的要求下，当前的MIMO系统已经不能够满足当前大容量、高速率、低成本的要求。Massive MIMO通信系统基于其独特的传输方式，并在其基站段加入了数量可观的天线，从根本上解决了传输信号功率低的问题，进而提高了通信系统的信干比，从根本上提升了系统信号传输的可靠性及频谱使用效率。

鉴于Massive MIMO通信系统具有光明的发展前景，需将其充分应用于当前的通信系统中。故本文对Massive MIMO通信系统中的信道估计进行了仿真分析，为该通信系统的推广奠定了基础。

1.Massive MIMO系统传统导频设计分析

本文所研究的Massive MIMO系统模型是由一定数量的六边形小区构成的移动蜂窝通信网络。设系统中每个小区中各有一定数量的基站天线，且该小区内的基站天线数大于小区内的用户数。此外，小区内用户与用户之间的导频序列相互正交，基于OFDM技术实现对信号的调制；用户与小区内基站天线的通信是基于TDD模式实现的，信道估计是在通信中的上行导频传输过程中实现的。

基于TDD模式下的数据通信的，包含了上行导频传输、上行数据传输以及下行数据传输三个阶段。其中导频传输如图1所示。

图1 导频传输过程

LS估计和MMSE估计为通信系统中常用的两种信道估计方法。其中，LS信道估计为最小二乘信道估计算法，基于该算法下的估计值如式（1）所示：

分析式（1）可知，基于LS算法所得信道估计值受到了噪声及其他导频信道的干扰的影响。因此，干扰信号影响着基于LS算法下的信道估计值。

MMSE信道估计算法是最小均方误差信道估计算法，该算法能够有效降低干扰信道对信道估计值的准确度。基于MMSE算法下的信道估计值如式（2）所示：

分析式（2）可知，MMSE算法能够有效降低噪声及其他干扰因素对信道估计值的影响。

2.仿真分析

本节着重对三种不同导频设计方案下通信系统的性能进行仿真分析。系统的仿真分析如图2所示。

图2 仿真流程图

2.1 仿真参数设置

本次仿真的步骤如图2所示。此外，为了保证仿真结果的有效性，本文做出如下设置：通信系统的SNR为5dB，假设小区的用户数量为3户，小区内的基站的天线数量为50，导频设计的相干时间为10，导频序列间隙时间为1000万。本次仿真主要针对传统信道估计、半正交导频信道估计以及修正后的半正交导频信道估计三种情况。

2.2 仿真结果分析

2.2.1 不同方案下系统频谱效率与SNR关系的仿真分析

基于传统导频设计、半正交导频设计以及修正后导频设计三种方案下，系统的频谱效率与SNR之间的关系如图3所示。

分析图3可知，基于半正交导频设计方案下系统的频谱效率优于修正后半正交导频设计方案和传统导频设计方案下的频谱效率。且随着SNR的增加，系统的频谱效率均出现平稳状态。

2.2.2 基站天线数目、用户数目与系统频谱效率关系的仿真分析

基于传统导频设计、半正交导频设计以及修正后导频设计三种方案下，系统的频谱效率与基站天线数目、用户数目之间（设置此时SNR=20）的关系如图4所示。

图3 系统频谱效率与SNR关系

图4 基站天线数与系统频谱效率的关系

图5 用户数与系统频谱效率的关系（SNR=20）

分析图4可知：随着基站天线数量的增加，系统的频谱效率逐渐增加，且同一天线数目下半正交导频设计方案下系统的频谱效率均高于其他两种导频设计方案。

分析图5可知，基于传统导频设计下系统的频谱效率随着用户数先增大后减小，且用户数为4时是分水岭；此外，基于另外两种导频设计方案下系统的频谱效率随着用户数的增大而增大，且同一用户数下半正交导频方案下系统的频谱效率明显高于修正后的半正交导频方案。

2.2.3 系统均方误差性能仿真分析

为了验证不同导频设计方案下系统的均方误差，我们将对不同相干长度、不同用户数以及不同SNR下系统的信道均方差。

1）不同导频设计方案下系统信道估计的均方差与相干时间之间的关系如图6所示。

分析图6可知，传统导频设计和半正交导频设计下系统的信道估计均方差不随相干时间变化，而修正后的半正交导频信道设计下系统的信道估计均方差随着相干时间的增加而减少。

2）不同导频设计方案下系统信道估计的均方差与用户数目之间的关系如图7所示。

图6 相干时间与系统信道估计均方差的关系

图7 用户数目与系统信道估计均方差的关系

分析图7可知，传统导频设计下的信道估计均方差不随用户数目的变化而变化；其余两种方案下系统的信道估计均方差随着用户数目的增加而增加，且同一用户数下，修正后的半正交导频设计方案下系统的信道估计均方差小于半正交导频设计方案。

3）不同导频设计方案下系统信道估计的均方差与SNR之间的关系如图8所示：

图8 SNR与系统信道估计均方差的关系

分析图8可知，当天线数目为20时，随着信噪比的增加，系统信道估计的均方差不断减小。且传统导频设计方案下的均方差最大，半正交导频设计方案下的均方差最小。

3.总结

本文在分析传统导频设计和半正交导频设计方案的基础上，对半正交导频设计方案进行了改进，并分析评估了修正后半正交导频设计方案的性能。为了验证该导频设计方案的有效性，本文对传统导频设计、半正交导频设计以及修正后的导频设计方案下系统的性能进行仿真分析。通过仿真分析可知，基于半正交导频方案下系统的频率效率高于传统导频设计方案；基于修正后半正交导频设计方案下系统信道估计的误差小于半正交导频设计方案。