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多用戶多天線FDD下行系統中空時碼研究

出處:論文網
時間:2019-07-24

多用戶多天線FDD下行系統中空時碼研究

  0 引言

  在無線通信領域,多項研究表明多用戶多天線系統能明顯提高頻譜效率,實現高容量的最佳接收。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以及多天線的多輸入多輸出(Multiple input Multiple output, MIMO)系統。多用戶多天線系統因其信道復雜性,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。實際上在收發雙方均知道信道狀態信息的情況下,能使用臟紙編碼技術達到其容量域[3]。文獻[4]給出了在兩個用戶的場景下,臟紙編碼技術能達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雜度,故實用性不高。另一方面,要使發送端和接收端完全知道信道狀態信息是難以實現的。所以,普遍的做法是通過有限反饋技術[5-9]使發送端獲得不完善的信道狀態信息實現預編碼技術。其中,預編碼碼本的設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下行系統中,由于基站端包含了所有用戶信息,因此必然會產生多用戶干擾(Multiple User Interference,MUI)。通過基站發送訓練序列,假設在用戶端接收到訓練序列后,用戶經下行信道能準確估計出該信道狀態信息,再通過上行信道反饋回基站,基站利用接收端信道狀態信息,使用相應的預編碼方式進行傳輸。然而,在反饋過程中,由于誤差的存在,比如信道量化、信道反饋產生的誤差,系統得到的用戶信道狀態信息是不完善的,即使經過預編碼處理,用戶間的干擾也難以完全消除,并且隨著用戶數的增加,用戶間的干擾也會增大,導致系統誤碼率增大以及容量降低。為了克服這一缺陷,本文結合預編碼和空時編碼技術[13-16]提出了新的發送方式,即在相干時間內通過多次發送,使得同一信號通過不同的信道抵達接收端。為了達到系統容量,在發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到系統容量。在基站端,各用戶經預編碼選擇準則選出各自對應的預編碼向量。在基站獲取用戶的預編碼向量后,需在基站端廣播一次,使得所有用戶的預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,而當發送的信號具有正交性時[19],可通過轉化以降低解碼復雜度。

  1 系統模型

  系統模型見圖1。假定系統基站端發送天線數為M,用戶數為K,且均為單天線用戶。假設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 有限反饋預編碼及解碼

  傳統傳輸方案往往把其它用戶的信息當成干擾處理,這樣隨著用戶數的增加干擾也會加大,導致系統性能下降。本文結合預編碼技術與空時碼技術,提出了一種能充分利用其他用戶信息進行傳輸的方式。

  2.1 預編碼碼本設計及預編碼選擇

  3 仿真分析

  為驗證本文方案性能,對預編碼技術和空時碼發送方式進行仿真,在多用戶多天線FDD下行系統中,每個用戶的反饋比特數均為B=4bits,以系統的容量及誤碼率為指標評價方案的優劣。

  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,傳統的發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。而在本文提出的發送方案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。在傳統的發送方式下,為保證比特速率相同,即發送1次時采用4-QAM傳送2bits,在發送方案一中,利用Alamouti正交空時碼發送2次,采用16-QAM傳送了4bits;在發送方案二中,利用循環矩陣發送3次,采用64-QAM傳送了6bits。在這幾種不同的發送方式下,傳送率均為2比特pcu(每使用一次信道所能傳送的比特數)。從仿真圖可以看出,基于傳統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在用戶數一定的情況下進行,用戶數K=3。該仿真分為三組,第一組是在反饋比特數相同的情況下改變基站端的天線數。仿真結果表明,隨著基站端天線數的增加,誤碼率反而越大。第二組是在基站端天線數相同的情況下改變反饋比特數。仿真結果表明,隨著反饋比特數的增大誤碼率越小。第三組是在基站端天線數和反饋比特數比值一定的情況下進行仿真,結果表明在比值一定時,基站端天線數越大誤碼率越小。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。   4 結語

  針對單天線多用戶多天線FDD下行系統,為充分利用用戶間的干擾信道信息,結合預編碼與空時編碼技術,本文提出了一種新的傳輸方案及相應的解碼方式,實現了將用戶間干擾轉化成信道增益功能,保持了線性解碼復雜度。數值仿真結果表明,本文給出的發送方案使系統在誤碼率和容量上的性能均有所提升,系統的傳送符號率有所下降。不足之處是當每個用戶天線數多于一根時未給出相應的解決方案。因此,如何在用戶天線數為多根時研究其傳送方案及解碼方式,是下一步研究內容。

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關鍵字:天線 用戶 研究 系統 FDD
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