吳星辰，李國(guó)棟 ，李友高，常沛煒，許朝智

(1.季華實(shí)驗(yàn)室，廣東 佛山 528000；2.中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130000)

目前，關(guān)于提高Wi-Fi WAVE技術(shù)在智能交通系統(tǒng)領(lǐng)域通信質(zhì)量的研究已經(jīng)取得了一定成果.針對(duì)高度動(dòng)態(tài)的無線車載網(wǎng)絡(luò)和不可預(yù)測(cè)的業(yè)務(wù)負(fù)載對(duì)信道間隔動(dòng)態(tài)調(diào)整的需求問題，Gopinath等[1]提出一種最佳動(dòng)態(tài)信道間隔MAC(DCI-MAC)協(xié)議，該協(xié)議能夠根據(jù)車輛數(shù)、消息優(yōu)先級(jí)和訪問類別(AC)隊(duì)列中的數(shù)據(jù)包來調(diào)整SCH和CCH間隔的持續(xù)時(shí)間.由于IEEE 802.11p的信道估計(jì)是基于前導(dǎo)的，無法保證在城市場(chǎng)景中進(jìn)行適當(dāng)?shù)木?，尤其是?duì)于較長(zhǎng)長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)包.為此，Wang等[2]提出了一種改進(jìn)的構(gòu)造數(shù)據(jù)導(dǎo)頻方法，該方法通過考慮時(shí)域中相鄰數(shù)據(jù)符號(hào)與頻域中相鄰子載波之間的相關(guān)特性來構(gòu)造數(shù)據(jù)導(dǎo)頻，以滿足在時(shí)域中提供足夠的訓(xùn)練符號(hào)和在頻域中提供足夠的導(dǎo)頻載波.Mohammed等[3]提出了一種基于障礙物的車載無線網(wǎng)絡(luò)傳播模型，該模型考慮了傳輸路徑中存在阻礙車輛引起的影響.通過調(diào)節(jié)算法中車輛的速度和密度，可以使模型適應(yīng)不同的環(huán)境條件.因此,邱斌等[4]提出了一種基于一階自回歸模型(AR1)的車載混合譯碼放大轉(zhuǎn)發(fā)(HDAF)協(xié)作通信方法,該方法通過AR1的多普勒頻偏相關(guān)系數(shù)來刻畫時(shí)變信道特性,根據(jù)信道增益自適應(yīng)選取HDAF協(xié)作通信方式,提升了ITS的可控性安全.

由上可知，現(xiàn)階段關(guān)于改善WAVE系統(tǒng)吞吐量、誤比特率性能方面的研究對(duì)發(fā)射射頻信號(hào)時(shí)的性能優(yōu)化及在列車領(lǐng)域的應(yīng)用研究尚顯不足.由此，本文提出利用MU-MIMO波束賦形技術(shù)實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用增益和分集增益的特性，將其用于改善列車Wi-Fi WAVE系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)吞吐量與誤比特率性能的方法.該方法通過BD預(yù)編碼算法實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的波束賦形矩陣構(gòu)建，并利用SVD算法與MMSE檢測(cè)技術(shù)對(duì)矩陣進(jìn)行了分解.

1 MU-MIMO技術(shù)在WAVE中的應(yīng)用

本文主要研究的是由列車和多個(gè)接收設(shè)備構(gòu)成的Wi-Fi WAVE系統(tǒng)環(huán)境下的組內(nèi)通信問題[5]，MU-MIMO應(yīng)用于WAVE中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1.

設(shè)Wi-Fi WAVE系統(tǒng)組內(nèi)通信的發(fā)射天線總量為N，用戶數(shù)量為K，其中接收設(shè)備i有Mi(i=1,2,…,K)根天線，則總的用戶接收天線數(shù)為：

(1)

該組內(nèi)通信同一時(shí)刻可工作的用戶數(shù)為Z，并令Z=K，有如下關(guān)系：

(2)

假定列車向接收設(shè)備i發(fā)送的列車速度為vi，在數(shù)據(jù)向量vi經(jīng)天線發(fā)送前通過預(yù)編碼矩陣Wi處理，則列車發(fā)送的經(jīng)過預(yù)編碼的速度數(shù)據(jù)為：

(3)

則接收設(shè)備i接收到的列車發(fā)送的速度數(shù)據(jù)為：

(4)

式中：Hi為列車i的矩陣維數(shù)是Mi×N的信道增益矩陣；ni為接收設(shè)備i接收到的高斯白噪聲.由式(4)可知，采用適合的加權(quán)矩陣Wj便可抑制或消除接收設(shè)備之間的信號(hào)干擾，由此式(4)變?yōu)椋?/p>

(5)

圖1 MU-MIMO應(yīng)用于WAVE中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 MU-MIMO波束賦形在WAVE中的應(yīng)用

2.1 基于BD算法的WAVE系統(tǒng)波束賦形矩陣

用戶能夠接收到的列車的速度數(shù)據(jù)為：

v′=Hv+n

(6)

對(duì)式(6)中v應(yīng)用加權(quán)矩陣W，則相應(yīng)的單用戶波束賦形表達(dá)式為：

v′=HWv+n

(7)

SVD的實(shí)現(xiàn)方法是在發(fā)射端對(duì)接收端的信道矩陣進(jìn)行SVD分解以獲得預(yù)編碼酉矩陣Λ，即

H=U∑ΛH

(8)

式中：U和Λ均為酉矩陣；∑是由H的奇異值組成的對(duì)角矩陣;ΛH為Λ的復(fù)數(shù)共軛轉(zhuǎn)置矩陣.

令F=rank(H)，將式(8)中的Λ矩陣的前F列作為加權(quán)矩陣，并使用UH矩陣對(duì)上式進(jìn)行預(yù)均衡，則接收設(shè)備接收到的信號(hào)為：

(9)

通過實(shí)現(xiàn)式(10)以避免系統(tǒng)容量下降

(10)

即Wj應(yīng)滿足

Hi·Wj=0,i≠j,i=1,…,K

(11)

(12)

(13)

(14)

式中:?為接收設(shè)備i的功率分配矩陣.

2.2 SVD算法與MMSE檢測(cè)技術(shù)

(1) SVD算法

假設(shè)接收設(shè)備i的等效信道Hi′=HiWi,對(duì)Hi′進(jìn)行奇異值分解有

(15)

(16)

(2)MMSE檢測(cè)技術(shù)

基于MMSE的MU-MIMO波束賦形濾波矩陣為

(17)

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文將列車同時(shí)服務(wù)的配有2根天線的接收設(shè)備數(shù)量設(shè)定為3臺(tái)，設(shè)定列車可用作發(fā)射天線的數(shù)量分別為6和8根.本文選用的調(diào)制方式為64QAM.

3.2 結(jié)果分析

圖2為SVD算法下發(fā)射天線數(shù)為6和8且每幀數(shù)據(jù)量為1時(shí)系統(tǒng)誤碼率-信噪比函數(shù).從圖中可知，當(dāng)BER為10%時(shí)，圖2(b)曲線的Eb/No為8而圖2(a)曲線為10，并且2(a)曲線比2(b)曲線下降得更快.這表明，本文方法能夠有效提高系統(tǒng)信噪比，降低系統(tǒng)的誤碼率.此外，更多的發(fā)射天線數(shù)量有利于提高系統(tǒng)性能，快速降低系統(tǒng)誤碼率，使無線通信系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài).

(a) 6根天線 (b)8根天線

圖3為MMSE算法下發(fā)射天線數(shù)為6和8且每幀數(shù)據(jù)量為1時(shí)系統(tǒng)誤碼率-信噪比函數(shù).從圖中可知，在BER的10%之前，兩圖曲線的誤碼率變化趨勢(shì)基本一致.圖3(b)曲線的誤碼率在Eb/No為16以后，除小于3(a)曲線以外，還有1 dB的性能提升.這表明，發(fā)射天線數(shù)量在大于接收天線數(shù)量時(shí)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后的性能具有一定作用.

(a) 6根天線 (b)8根天線

比較圖2(b)、圖3(b)的曲線時(shí)發(fā)現(xiàn)，在BER為10-3時(shí)約有3dB的提升.這一現(xiàn)象表明本文方法應(yīng)用于WAVE系統(tǒng)，并且每幀數(shù)據(jù)量為1時(shí)，采用BD-SVD組合的誤碼率性能要優(yōu)于BD-MMSE組合.

圖4為SVD算法下發(fā)射天線數(shù)為6和8且每幀數(shù)據(jù)量為2時(shí)系統(tǒng)誤碼率-信噪比函數(shù).從圖4(b)可知,曲線在Eb/No為14時(shí)就進(jìn)入了穩(wěn)定狀態(tài)，并且下降速度要快于圖4(a).在Eb/No為6時(shí)，4(b)曲線與4(a)曲線相比約有1 dB的性能提升.這表明，BD-SVD組合在發(fā)射端天線數(shù)量占優(yōu)時(shí)，能夠有效提高系統(tǒng)信噪比、降低誤碼率.

(a) 6根天線 (b)8根天線

圖5為MMSE算法下發(fā)射天線數(shù)為6和8且每幀數(shù)據(jù)量為2時(shí)系統(tǒng)誤碼率-信噪比函數(shù).觀察圖5可知，兩圖曲線僅在20～22區(qū)間略有差異.這表明，在Wi-Fi WAVE系統(tǒng)中，采用BD-MMSE組合的方式，并且每幀數(shù)據(jù)量為2時(shí)，系統(tǒng)誤碼率性能受發(fā)射天線數(shù)量影響較小.

(a) 6根天線 (b)8根天線

4 結(jié)論

(1)本文提出一種將MU-MIMO波束賦形技術(shù)應(yīng)用于列車Wi-Fi WAVE系統(tǒng)的方法，改善了系統(tǒng)無線射頻信號(hào)的誤比特率性能.構(gòu)建了由列車和接收裝置構(gòu)成的BD算法波束賦形矩陣，并將SVD和MMSE作為矩陣解碼技術(shù)，得到了相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果.

(2)通過分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)使用64QAM解調(diào)方式，且發(fā)射端天線數(shù)目大于接收端天線數(shù)目時(shí)，BD-SVD組合與BD-MMSE組合相比具有更好的系統(tǒng)信噪比和誤碼率性能優(yōu)勢(shì).