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.
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)
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.
(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)
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.
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
(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).