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        自適應(yīng)調(diào)制與編碼技術(shù)下的預(yù)編碼算法研究

        2016-08-17 03:00:58任志勇周鑫徐東
        中國新通信 2016年14期

        任志勇 周鑫 徐東

        【摘要】 為了克服多輸入多輸出系統(tǒng)空間各子信道相互干擾,論文對鏈路自適應(yīng)調(diào)制與編碼技術(shù)下的預(yù)編碼算法進行了研究。論文采用基于信道矩陣奇異值分解的方法得到最優(yōu)的預(yù)編碼矩陣,接收端基于最小均方誤差接收機均衡算法,并以此自適應(yīng)選擇不同的調(diào)制方式和編碼。通過仿真驗證,在預(yù)編碼算法基礎(chǔ)上,采用自適應(yīng)的調(diào)制和編碼方式能根據(jù)信噪比大小變化,靈活改變數(shù)據(jù)傳輸速率,在滿足信號質(zhì)量要求的情況下達到了非常高的傳輸效率。

        【關(guān)鍵詞】 預(yù)編碼 多輸入多輸出 正交幅度調(diào)制 誤比特率

        一、引言

        在移動通信系統(tǒng)中,可以通過高階信號調(diào)制技術(shù)和多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)來提高系統(tǒng)的頻譜效率,但是,在一個噪聲信道環(huán)境下,傳輸數(shù)據(jù)速率的提高會帶來誤碼率的提升。為了提高頻譜效率,長期演進(LTE)移動通信系統(tǒng)中采用了鏈路自適應(yīng)技術(shù),根據(jù)信道條件的變化,系統(tǒng)動態(tài)地采用不同的調(diào)制和編碼、MIMO傳輸模式[1]、預(yù)編碼和發(fā)射功率等技術(shù),以期在保證信號質(zhì)量的情況下取得最大的傳輸效率。

        LTE移動通信系統(tǒng)采用了正交頻分多址(OFDMA)、多輸入多輸出(MIMO)[2]等關(guān)鍵技術(shù),以此來克服多徑信道的頻率選擇性衰落和提高系統(tǒng)的傳輸速度。本文對LTE移動通信系統(tǒng)中預(yù)編碼算法進行了研究,并根據(jù)信道條件的變化,對鏈路自適應(yīng)調(diào)制與編碼技術(shù)下的預(yù)編碼算法進行了性能仿真,分析了不同調(diào)制與編碼下系統(tǒng)的傳輸速率與誤碼率的曲線變化。

        二、基于信道矩陣奇異值分解的預(yù)編碼算法

        多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)將連續(xù)的信號比特流拆分成多個信號子流,再將各信號子流通過不同的天線發(fā)射出去,傳輸各信號子流的多個發(fā)射天線與接收天線構(gòu)成了空間信道矩陣。在空間信道矩陣構(gòu)成的各子信道不相互獨立的情況下,各子信道將相互干擾,從而影響信號接收質(zhì)量。在LTE系統(tǒng)中,預(yù)編碼技術(shù)被看作是解決空間各子信道相互干擾最有效的方法[3]。最優(yōu)的預(yù)編碼矩陣是基于信道矩陣奇異值分解的矩陣。

        首先假設(shè)在一個子幀持續(xù)時間內(nèi),信道矩陣H不變,假設(shè)系統(tǒng)有NT根發(fā)射天線,MR根接收天線,發(fā)射符號分為L層,每個層有T個符號,第i層由符號[xi,1,xi,2,...,xi,T]組成。對信道矩陣H進行奇異值分解:

        式中,n為高斯白噪聲。在實際的應(yīng)用中,由于反饋資源的限制,系統(tǒng)首先須在預(yù)先給定好的碼本里選擇一個碼本作為預(yù)編碼矩陣,也就是利用某種準則得到碼本索引。

        三、預(yù)編碼矩陣下的MIMO接收機算法

        LTE系統(tǒng)中的預(yù)編碼矩陣指示(PMI)反饋都是基于協(xié)議配置碼本,主要有兩種準則:一種是基于系統(tǒng)容量最大化,另一種是基于最小誤碼率(BER)[4]。本論文采用基于最小誤碼率的MMSE準則,減小發(fā)射信號和接收信號之間的誤差信號功率值,并以此自適應(yīng)選擇不同的調(diào)制方式和編碼,以便保證系統(tǒng)取得最大的傳輸容量。假設(shè)均衡后的信號為X?,最初的發(fā)射信號為X,假定最優(yōu)均衡器變換系數(shù)為G,MIMO信道矩陣為H,那么誤差信號可以表示為:

        四、自適應(yīng)調(diào)制與編碼技術(shù)下的預(yù)編碼算法仿真實驗

        為了對算法性能作對比,在預(yù)編碼算法基礎(chǔ)上,自適應(yīng)調(diào)制方式分別在QPSK、16QAM、64QAM三種方式進行選擇,接收端用MMSE準則的均衡器,將發(fā)射信號功率值與均衡后的誤差信號功率值的比值作為自適應(yīng)調(diào)節(jié)參數(shù),選擇相應(yīng)的調(diào)制方式與編碼率,當(dāng)誤差信號功率值較大時,此時誤碼率較大,選擇低階調(diào)制方式,以保證信號傳輸質(zhì)量,當(dāng)誤差信號功率值較小時,選擇高階調(diào)制方式,以提高信號的傳輸速率,以期在滿足信號質(zhì)量要求的情況下達到最高的傳輸效率。

        仿真實驗在多輸入多輸出MIMO的情況下展開,信號經(jīng)過衰落噪聲信道,信噪比SNR取值在0dB到21dB之間,信噪比與誤比特率和數(shù)據(jù)傳輸速率仿真結(jié)果分如圖1、2所示。

        從圖1可以看出,隨著SNR的值增大,誤比特變小,采用固定調(diào)制的階數(shù)越高,誤碼率越大。在信噪比的值為0dB到12dB之間時,固定64QAM、16QAM高階調(diào)制的誤碼率都較高,但是,在自適應(yīng)調(diào)制和編碼方式下,誤碼率卻隨著信噪比變大很快變低,因為鏈路根據(jù)誤差信號功率情況自適應(yīng)地選擇了恰當(dāng)?shù)恼{(diào)制方式和編碼率。從圖2可以看出,在其他參數(shù)不變的情況下,采用固定調(diào)制方式和編碼率時,數(shù)據(jù)的傳輸速率是一個定值,調(diào)制階數(shù)越高,數(shù)據(jù)傳輸速率越大。但在自適應(yīng)調(diào)制和編碼方式下,鏈路根據(jù)信噪比情況,靈活改變了數(shù)據(jù)傳輸速率,信噪比的值越小,誤比特率就變高,此時數(shù)據(jù)傳輸速率減小,信噪比的值越高,誤比特率就變小,此時數(shù)據(jù)傳輸速率增大,在滿足信號質(zhì)量要求的情況下達到了非常高的傳輸效率。

        五、結(jié)論

        論文對鏈路自適應(yīng)調(diào)制與編碼技術(shù)下的預(yù)編碼算法進行了研究,在LTE系統(tǒng)中,預(yù)編碼技術(shù)被看作是解決空間各子信道相互干擾最有效的方法。論文采用基于信道矩陣奇異值分解的方法得到最優(yōu)的預(yù)編碼矩陣,信號經(jīng)過噪聲信道后,在接收端,采用基于最小誤碼率的MIMO接收機算法,減小發(fā)射信號和接收信號之間的誤差信號功率值,以此自適應(yīng)選擇不同的調(diào)制方式和編碼,以便保證系統(tǒng)取得最大的傳輸容量。通過仿真驗證,在預(yù)編碼算法基礎(chǔ)上,采用自適應(yīng)的調(diào)制和編碼方式能根據(jù)信噪比大小變化,靈活改變數(shù)據(jù)傳輸速率,在滿足信號質(zhì)量要求的情況下達到了非常高的傳輸效率。

        參 考 文 獻

        [1] V Stankovic, M Haardt, Generalized Design of Multi-User MIMO Precoding Matrices [J].Wireless Communications, IEEE Transactions, 2008, 7(3):953-961.

        [2] W. Peng and F. Adachi, “Single-carrier frequency domain adaptive antenna array for uplink multi-user MIMO transmission in a cellular system,” [J]. Physical Communication, Sep. 2013, vol. 8, pp. 22–30.

        [3] Jiang,M., Prasad,N.,Yue,G.,and Rangarajan,S.Efficient link adaptation for precoded multi-rank transmission and turbo SIC receivers. IEEE ICC,2011.

        [4] 劉祖軍,王杰令,孫德春,易克初. 多小區(qū)多用戶TDD MIMO下行鏈路干擾抑制預(yù)編碼算法[J].北京:通信學(xué)報, 2013年04期.2013.04, 34(4):187-193.

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