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        多用戶多天線FDD下行系統(tǒng)中空時碼研究

        2019-06-06 04:21:26戴譚明王海泉李國彬鄭思思
        軟件導(dǎo)刊 2019年3期

        戴譚明 王海泉 李國彬 鄭思思

        摘 要:針對基站端配置M根發(fā)送天線,而用戶端只有一根接收天線的多用戶多天線頻分雙工(frequency division duplex,F(xiàn)DD)下行系統(tǒng),結(jié)合預(yù)編碼與空時碼技術(shù),提出一種新的傳輸方案及相應(yīng)解碼方法,將用戶間干擾轉(zhuǎn)化為信道增益且保持線性解碼復(fù)雜度。即當(dāng)用戶數(shù)[K=2]時,采用Alamouti正交空時碼傳送方案,而在[K2]的情況下,采用循環(huán)矩陣形式的傳送方案,并與預(yù)編碼技術(shù)相結(jié)合采用新的傳輸方案。相較于傳統(tǒng)傳送方案,該方案能有效將用戶間的干擾信道信息轉(zhuǎn)化為對主用戶有益的信息,與此同時保持線性解碼的復(fù)雜度。數(shù)值仿真結(jié)果表明,該傳送方案比傳統(tǒng)傳送方案在誤碼率和容量上均有所提升。

        關(guān)鍵詞:多用戶多天線;FDD下行系統(tǒng);預(yù)編碼技術(shù);正交空時碼;循環(huán)矩陣;解碼復(fù)雜度

        DOI:10. 11907/rjdk. 182058

        中圖分類號:TP393文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1672-7800(2019)003-0173-05

        0 引言

        在無線通信領(lǐng)域,多項研究表明多用戶多天線系統(tǒng)能明顯提高頻譜效率,實現(xiàn)高容量的最佳接收。從信息論的觀點看,單用戶信道容量的研究已趨于成熟,其中包括單天線系統(tǒng)以及多天線的多輸入多輸出(Multiple input Multiple output, MIMO)系統(tǒng)。多用戶多天線系統(tǒng)因其信道復(fù)雜性,容量分析具有重要研究價值。在文獻[1-2]中,針對多用戶信道容量方向的研究有較為全面的綜述。實際上在收發(fā)雙方均知道信道狀態(tài)信息的情況下,能使用臟紙編碼技術(shù)達(dá)到其容量域[3]。文獻[4]給出了在兩個用戶的場景下,臟紙編碼技術(shù)能達(dá)到的容量域就是下行多用戶MIMO信道的容量域證明。然而,臟紙編碼算法具有較高的復(fù)雜度,故實用性不高。另一方面,要使發(fā)送端和接收端完全知道信道狀態(tài)信息是難以實現(xiàn)的。所以,普遍的做法是通過有限反饋技術(shù)[5-9]使發(fā)送端獲得不完善的信道狀態(tài)信息實現(xiàn)預(yù)編碼技術(shù)。其中,預(yù)編碼碼本的設(shè)計基于最小化最大碼本矢量距離,這在文獻[10-11]中有所涉及。

        在多用戶[12]多天線FDD下行系統(tǒng)中,由于基站端包含了所有用戶信息,因此必然會產(chǎn)生多用戶干擾(Multiple User Interference,MUI)。通過基站發(fā)送訓(xùn)練序列,假設(shè)在用戶端接收到訓(xùn)練序列后,用戶經(jīng)下行信道能準(zhǔn)確估計出該信道狀態(tài)信息,再通過上行信道反饋回基站,基站利用接收端信道狀態(tài)信息,使用相應(yīng)的預(yù)編碼方式進行傳輸。然而,在反饋過程中,由于誤差的存在,比如信道量化、信道反饋產(chǎn)生的誤差,系統(tǒng)得到的用戶信道狀態(tài)信息是不完善的,即使經(jīng)過預(yù)編碼處理,用戶間的干擾也難以完全消除,并且隨著用戶數(shù)的增加,用戶間的干擾也會增大,導(dǎo)致系統(tǒng)誤碼率增大以及容量降低。為了克服這一缺陷,本文結(jié)合預(yù)編碼和空時編碼技術(shù)[13-16]提出了新的發(fā)送方式,即在相干時間內(nèi)通過多次發(fā)送,使得同一信號通過不同的信道抵達(dá)接收端。為了達(dá)到系統(tǒng)容量,在發(fā)送方式上提供完全增益的空時碼,即Alamouti正交空時碼[17-18],能有效處理用戶間干擾且能達(dá)到系統(tǒng)容量。在基站端,各用戶經(jīng)預(yù)編碼選擇準(zhǔn)則選出各自對應(yīng)的預(yù)編碼向量。在基站獲取用戶的預(yù)編碼向量后,需在基站端廣播一次,使得所有用戶的預(yù)編碼向量對各用戶均是透明的。在接收方利用最大似然(Maximum Likelihood,ML)解碼方式,而當(dāng)發(fā)送的信號具有正交性時[19],可通過轉(zhuǎn)化以降低解碼復(fù)雜度。

        1 系統(tǒng)模型

        系統(tǒng)模型見圖1。假定系統(tǒng)基站端發(fā)送天線數(shù)為M,用戶數(shù)為K,且均為單天線用戶。假設(shè)基站端到用戶端之間是平坦瑞利慢衰落信道,相干時間不小于T,用戶[i]接收信號可表示為:

        式(3)右邊第一項是用戶[i]需要的信息,第二項是用戶間的干擾,第三項是噪聲。

        2 有限反饋預(yù)編碼及解碼

        傳統(tǒng)傳輸方案往往把其它用戶的信息當(dāng)成干擾處理,這樣隨著用戶數(shù)的增加干擾也會加大,導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。本文結(jié)合預(yù)編碼技術(shù)與空時碼技術(shù),提出了一種能充分利用其他用戶信息進行傳輸?shù)姆绞健?/p>

        2.1 預(yù)編碼碼本設(shè)計及預(yù)編碼選擇

        3 仿真分析

        為驗證本文方案性能,對預(yù)編碼技術(shù)和空時碼發(fā)送方式進行仿真,在多用戶多天線FDD下行系統(tǒng)中,每個用戶的反饋比特數(shù)均為B=4bits,以系統(tǒng)的容量及誤碼率為指標(biāo)評價方案的優(yōu)劣。

        仿真一 圖2顯示了用戶均為單天線的情況下K=2、3,M=4的容量,從圖中可以看出,傳統(tǒng)的發(fā)送方式下隨著信噪比不斷增大,信號和干擾的能量同時增大,故容量先增大然后趨于平穩(wěn)。而在本文提出的發(fā)送方案1和方案2的情況下,隨著信噪比增大,容量也增大。

        仿真二 圖3顯示在用戶均為單天線的情況下K=2、3,M=4的誤碼率仿真曲線。在傳統(tǒng)的發(fā)送方式下,為保證比特速率相同,即發(fā)送1次時采用4-QAM傳送2bits,在發(fā)送方案一中,利用Alamouti正交空時碼發(fā)送2次,采用16-QAM傳送了4bits;在發(fā)送方案二中,利用循環(huán)矩陣發(fā)送3次,采用64-QAM傳送了6bits。在這幾種不同的發(fā)送方式下,傳送率均為2比特pcu(每使用一次信道所能傳送的比特數(shù))。從仿真圖可以看出,基于傳統(tǒng)的傳輸方案因用戶間干擾的存在,隨著信噪比的增大其誤碼率難以下降,但在本文發(fā)送方案一和方案二的情況下,隨著信噪比的增大,碼率減小。

        仿真三 圖4在用戶數(shù)一定的情況下進行,用戶數(shù)K=3。該仿真分為三組,第一組是在反饋比特數(shù)相同的情況下改變基站端的天線數(shù)。仿真結(jié)果表明,隨著基站端天線數(shù)的增加,誤碼率反而越大。第二組是在基站端天線數(shù)相同的情況下改變反饋比特數(shù)。仿真結(jié)果表明,隨著反饋比特數(shù)的增大誤碼率越小。第三組是在基站端天線數(shù)和反饋比特數(shù)比值一定的情況下進行仿真,結(jié)果表明在比值一定時,基站端天線數(shù)越大誤碼率越小。并且這個比值越大,誤碼率就越小,這個比值越小,誤碼率反而越大。

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