一種多用戶多天線的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸方案

張公泉，鄒明荃，張培源，李曉輝＊，張紅偉

隨著人們對(duì)移動(dòng)通信業(yè)務(wù)種類及通信質(zhì)量要求的不斷提升，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已經(jīng)開始從簡(jiǎn)單的單輸入單輸出（single input single output，簡(jiǎn)稱SISO）逐步向多輸入多輸出（multiple input multiple output，簡(jiǎn)稱MI MO）轉(zhuǎn)變.MI MO技術(shù)能夠利用多個(gè)并行的空間子信道實(shí)現(xiàn)空分復(fù)用、提升數(shù)據(jù)傳輸能力，并能借助于分集技術(shù)提高數(shù)據(jù)通信的可靠性，引起了國(guó)內(nèi)外科研工作者的普遍重視［1－2］.多用戶MI MO技術(shù)能夠在多個(gè)用戶間挖掘更大的空分復(fù)用潛力，有利于進(jìn)一步增加整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率和系統(tǒng)容量，但同時(shí)也帶來(lái)了一系列亟待解決的難題，如用戶間采取何種有效的干擾對(duì)齊和干擾抑制方式？如何降低整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度等［3－6］？為解決上述難題，Shi等［7］基于聯(lián)合編碼技術(shù)研究了在發(fā)射端用戶不知道任何信道狀態(tài)信息（channel state inf or mation，簡(jiǎn)稱CSI）前提下，獲得了空間分集及能夠在接收端部分抑制用戶間干擾的編碼傳輸方案，但在其檢測(cè)過(guò)程中卻難以做到完全消除用戶間干擾，因而在一定程度上限制了整體誤碼性能的提升.Li等［8］基于波束成型技術(shù)，能在接收端完全消除用戶間干擾并獲得全空間分集性能，但其研究工作僅考慮了每個(gè)用戶裝配兩根天線的簡(jiǎn)單情況，沒(méi)有推廣到更為復(fù)雜的多用戶MI MO環(huán)境中.為此，作者擬基于聯(lián)合編碼方法及分集設(shè)計(jì)原則［9］，研究在多天線多用戶MI MO系統(tǒng)中獲得全分集增益性能的有效傳輸方案.

1 系統(tǒng)模型

圖1為兩用戶、四天線通信系統(tǒng)模型.圖1中，該無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)具有兩對(duì)用戶，每個(gè)用戶均裝配四根天線.發(fā)射端兩個(gè)用戶和接收端兩個(gè)用戶之間的信道矩陣分別用H、F和G、C表示，每對(duì)天線間的無(wú)線信道可采用均值為0、方差為1的獨(dú)立同分布復(fù)高斯變量建模.假設(shè)所有信道均為準(zhǔn)靜態(tài)衰落信道，每個(gè)發(fā)射用戶僅知道其與兩個(gè)接收用戶之間的信道狀態(tài)信息.

為了在接收端完成對(duì)用戶間干擾的完全分離，要分別對(duì)兩個(gè)發(fā)射用戶的待傳輸調(diào)制符號(hào)進(jìn)行編碼（編碼使用Alamouti結(jié)構(gòu)），并滿足16／3的全速率傳輸要求［10］.編碼時(shí)要采用下式

其中：各波束成型矩陣應(yīng)滿足功率約束要求，即tr（VijVij＊）＝1.

2 編碼傳輸方案

在接收端實(shí)現(xiàn)干擾完全分離的同時(shí)，為了能夠獲得多用戶MI MO系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)用戶的全空間分集增益性能，需要對(duì)式（1）中各編碼矩陣內(nèi)合適位置處的調(diào)制符號(hào)進(jìn)行合理的聯(lián)合編碼，具體編碼如下

其中：Skij＝.整個(gè)多用戶MI MO無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸模型如下

其中：Y1，Y2分別為兩個(gè)接收端對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)矩陣；w1，w2分別為加在兩個(gè)接收端上均值為0、方差為1的復(fù)加性高斯白噪聲.由于接收端1，2處的結(jié)構(gòu)一致，因此可只以接收端1為例，研究接收端的干擾消除及檢測(cè)方法.將式（2）、（4）代入式（5）中并整理可得

其 中：～Sk＝；～H＝V11H；～G＝V21G.通過(guò)（6）式可以看出，接收端1處的干擾項(xiàng)S12和S22就以的形式被分離了出來(lái).

為了將分離出的干擾項(xiàng)消除，對(duì)Y1的第1行和第5行進(jìn)行共軛變換，并將變換后的矩陣向量化，得到下式

其中：Sij＝［si1jsi2j… si8j］T.又由于Hij與Gij結(jié)構(gòu)相同，在此僅寫出Hij的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如下

其中：hij為H 中第i行、第j列的元素.

（7）式中的M表達(dá)式如下

觀察M1到M4的結(jié)構(gòu)不難發(fā)現(xiàn)，若用～yi表示～Y1的第i個(gè)元素，則可以通過(guò)～y2＋～y9，～y5＋～y12，～y8－～y3，～y11－～y6，～y14＋～y21，～y17＋～y24，～y20－～y15，～y23－～y18將干擾項(xiàng)全部消除，消除干擾項(xiàng)以后的（7）式變?yōu)?/p>

至此，對(duì)于接收端1來(lái)說(shuō)，收到的干擾信號(hào)S12和S22已經(jīng)完全消除了.

將式（3）代入式（8），可得最終用于檢測(cè)的發(fā)送端調(diào)制符號(hào)矩陣如下

作者提出的方法在相關(guān)信道下仍然適用，如果部分信道矩陣為奇異矩陣，可以通過(guò)求其偽逆矩陣的方法實(shí)現(xiàn)干擾對(duì)齊.另外，雖然只研究了兩用戶四天線的情況，但可以基于作者提出的思路，進(jìn)一步將其拓展到多用戶多天線的情況.

3 仿真結(jié)果

為驗(yàn)證作者針對(duì)兩用戶四天線通信網(wǎng)絡(luò)提出的全分集編碼傳輸方案的有效性，可采用Matlab軟件對(duì)多種編碼傳輸方案的誤比特率（bit error rate，簡(jiǎn)稱BER）性能進(jìn)行測(cè)試.所有用戶間的無(wú)線信道均采用瑞利衰落信道，且假設(shè)信道呈現(xiàn)平坦衰落特性，采用BPSK方式對(duì)原始比特率進(jìn)行基帶調(diào)制，噪聲為加性復(fù)高斯噪聲.采用發(fā)射信號(hào)能量和噪聲能量之間歸一化的Eb／N0作為衡量系統(tǒng)信噪比的標(biāo)準(zhǔn)，其中Eb是發(fā)射端發(fā)送1 bit數(shù)據(jù)需要的平均能量.

圖2為兩用戶四天線通信網(wǎng)絡(luò)中幾種編碼傳輸方案誤碼性能的對(duì)比.

由圖2可知，對(duì)比與兩用戶兩天線通信網(wǎng)絡(luò)，作者提出的兩用戶四天線通信網(wǎng)絡(luò)獲得了更低的誤碼率和更快的誤碼率下降速度.這是由于四天線通信網(wǎng)絡(luò)其本身蘊(yùn)藏了更大的信道容量，并且作者采用了有效的編碼方案，在傳輸中使用聯(lián)合編碼技術(shù)，獲得了全空間分集增益，進(jìn)一步降低了誤碼率，提高了通信傳輸?shù)目煽啃??

4 結(jié)束語(yǔ)

作者基于聯(lián)合編碼方法及分集設(shè)計(jì)原則，使用Alamouti結(jié)構(gòu)和波束成型技術(shù)，在兩用戶兩天線通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，提出了兩用戶四天線的系統(tǒng)中消除用戶間干擾并能實(shí)現(xiàn)全速率傳輸、獲得全分集增益性能的有效方案.仿真結(jié)果證實(shí)了所提傳輸方案的有效性.該傳輸方案很好地挖掘了系統(tǒng)的速率和誤碼性能優(yōu)勢(shì)，同時(shí)該方案可以拓展到多用戶多天線的情況，具有潛在的應(yīng)用價(jià)值.

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