数学执与质用
算法分析
铁道信号中基于空间特征的MIMO技术研究
李巍
(郑州铁路局郑州工程指挥部河南郑州450052)
摘要：本文讨论了条路信号中基于空间特征的MIMO算法，分新了对发送天线和接收天线独立不相关性，并对存在空间相关性的一般情况下如何设置发送加权网络和接收网络进行推导。
关键调：信号空间特征多发多收
中图分类号：TN929.5
文献标识码：A
文章编号:1007-9416(2013)06-0147-01
多天线技术在概念上是用多根发送天线或接收天线的技术，包括Single Input Multiple Out(单发多收),Multiple Input Single Out(多发单收)和MultipleInputMultipleOut(多发多收)三种形式，它们在铁道铁路信号处理中得到了广泛应用。作为多天线系统支择撑技术的空时码，适用于天线间距偏远和相关性偏小的情形，是目前的研究热点，包括基于空间分集和基于空分复用两种空时码。空时码技术在铁路空间信号处理和铁路时间信号处理基于其空间域和时闻域联合处理接收信号的特征优势能够抵抗符号间的干
扰、减少多地址干扰、增加分集增益和提高天线阵增益。 1多发多收技术(MIMO)的原理
多发多收传输方案是基于铁路特征室间信号的，要求发送端的信道信息是确定的。多发多收技术的基本原理图如图1-1所示。铁路特征信号在发送端和接收端处理之后，即在这两端之间存在部分独立并行子信道，而这些信道需要通过特征值分解或者奇异值分解处理二产生，因此叫做基于特征空间的多发多收技术。一个加权网络在发送端把来自每个子信道的发送信号映射到多个发送天线，而另个加权网络在接收端在把多个接收天线上的接收信号映射为传输信号。鉴于独立并行的特征子信道，多个信号在特征子信道上传输时能够实现互不干扰的并行传输。于是多发多收信道能够分解为 Ⅱ个特征子信道时，系统的信道容量也相应地为单天线系统信道容量的n倍。因此，基于特征空间的多发多收算法可以依据发送端加权
网络和接收端如权网络的计算方式不同面存在多个算法。 2算法分析及推导
x=(x,X…x)是信号失量，产生于特征子信道等待传输调制符号。为发送加权网络，将S个特征信道上的发送信号映射到M，个发送天线，也就是y=W,x，形成发送信号失量y=( 信号系统模型为r=HWrn。=(i,.,%）是多天线接收信号失量。W是接收网络，将M，个接收天线上的信号经过加权处理得到 S个空间子信道上传输的信号，即=WAHWx+Wn。
对H进行SVD分解为H=UZV"U，V分别是左右西矩阵，即UWU=UUn=Iu.，VEV=WVI=Iu,，≥是M,*M，维对角阵，其主对角线的元素非负，并按,≥,≥..≥≥0排列，其中 <=rankH，且&≤min(M,,M,)。有效的特征子信道S满足S≤k。左西矩阵U分块为U=(.s-）=(UU-)，右西矩阵V分块为V=(Vs,Vu,-s),则有k≤min(M,,M,)。
由此可将发送加权网络设置为W，=V，接收加权网络设置为 y=(y..y
爱选加权网络 w
2 s
+
Sub-spatial channel Sub-spatial channel #2 Sub-spatial channel as
(,,., )
按
1 2 s
= (3,....,8, )
图1-1基于特征空间的MIMO算法原理图
2
26
()相家数
W=V、。U。，V.分别为西矩阵U，V的前S列所构成的矩阵,满是列正交，即U"U，=I，，V"V，=I，，因此，经过接收网络加权后检测输出信号为=WpHWx+WPn=Zss+。其中E(")=Is发送信号总功率为P，即tr(E(W,xxwWD=SP,=P，tr()表示求积，因此，第S个特征子信道上接收信号的SNR为SNR-禁
，其中-
为信道互相关矩阵。 3仿真实验
在空时码和MIMO技术中，通常假设发送天线和接收天线分别是独立不相关的，然而实际系统由于对天线设置的限制，天线之间往往存在一定的相关性，通过算法描述，先到互相关矩阵的特征值是影响信道容量和频谱效率的重要因素，而空间相关性影响特征值的经验分布，通过仿真实验的结果图，如图1-2所示。
仿真中假设发送天线数和接收天线数均为4，且分别呈均匀直线排列，设发送相邻天线和按收相邻天线之间的相关数相同，即产三。当空间相关性较强时，只存在较少的可利用的特征子信道，进而影响信道的频谱效率，先到容量随着空间相关性的增强而
降低。 4结语
铁道信号中基于空闻特征的MIMO技术不需要居于发射分集对接收天线和信道环境均不作要求，只在发送端需要信道信息，译码复杂度适中。随着阵列矩阵处理、矩阵运算等信号处理技术的成熟和DSP芯片处理能力的提高，MIMO技术必将在未来的铁道移动
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