李方偉,孫曉健,張海波
(1.重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院,重慶 400065; 2.重慶郵電大學(xué) 移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400065)
在5G通信網(wǎng)絡(luò)背景下,基站天線數(shù)目、移動(dòng)終端的快速增長(zhǎng)導(dǎo)致了原本有限的頻譜資源變得更加緊缺,大規(guī)模MIMO技術(shù)作為5G關(guān)鍵技術(shù)之一受到廣泛關(guān)注[1]。由于基站天線數(shù)量的不斷增加,一些無(wú)關(guān)的噪聲和快衰落逐漸消失,對(duì)用戶造成影響的只有慢衰落和用戶間干擾[2]。預(yù)編碼技術(shù)作為抑制MIMO系統(tǒng)中用戶間干擾的有效手段已成為無(wú)線通訊領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[3-4]。
文獻(xiàn)[5]提出一種改進(jìn)的大規(guī)模MIMO預(yù)編碼算法,將迫零 (zero forcing,ZF) 預(yù)編碼對(duì)信道矩陣的直接求偽逆轉(zhuǎn)化為優(yōu)化分塊(optimize block diagonalization,OBD)算法使信道逆矩陣分塊,確保有效信息處于干擾信道的零空間內(nèi),從而提升系統(tǒng)性能,但基站天線數(shù)目過(guò)多時(shí),其誤碼性能會(huì)受到影響。時(shí)間反演技術(shù)因其能在均勻或非均勻媒質(zhì)中實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的空間和時(shí)間同步聚焦[6],在MIMO系統(tǒng)抗干擾方向上受到廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[7]驗(yàn)證了時(shí)間反演技術(shù)空間復(fù)用單輸入多輸出的超寬帶通信系統(tǒng),可以緩解符號(hào)間干擾(inter-symbol interference,ISI),減緩多路復(fù)用多個(gè)數(shù)據(jù)流而引起的多重干擾。文獻(xiàn)[8]提出一種面向室內(nèi)毫米波大規(guī)模MIMO場(chǎng)景的時(shí)間反演干擾消除技術(shù),其在頻域中提出一種IUI抑制的優(yōu)化算法,使大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的用戶間干擾趨近于零。
基于時(shí)間反演的預(yù)編碼技術(shù),能夠較好地抑制IUI并提高系統(tǒng)可達(dá)速率。一方面,利用TR技術(shù)獨(dú)特的時(shí)空聚焦性[9-10],不僅可以獲得非常高的天線陣列增益,提高信干噪比,而且可進(jìn)一步抑制用戶間干擾,實(shí)現(xiàn)有效的保密通信[11];另一方面,利用時(shí)間反演探測(cè)信號(hào)獲得的信道矩陣,采用迫零預(yù)編碼技術(shù),通過(guò)奇異值分解對(duì)多用戶MIMO信道進(jìn)行預(yù)編碼[12]。由于基站天線可以準(zhǔn)確獲取各用戶的信道狀態(tài)信息(channel state information,CSI),所以基站天線采用反饋干擾抵消的方法,可實(shí)現(xiàn)用戶間干擾抑制,并顯著提高信干噪比,降低誤碼率,提升系統(tǒng)性能。
根據(jù)數(shù)字基帶下行鏈路無(wú)線傳輸系統(tǒng),設(shè)置傳輸系統(tǒng)為大規(guī)模MIMO時(shí)分雙工(time division duplex,TDD)信道,其多徑信道相對(duì)獨(dú)立且服從多徑瑞利衰落,系統(tǒng)模型如圖1?;径司哂蠱根發(fā)射天線和N個(gè)單天線用戶終端。
圖1 系統(tǒng)模型Fig.1 System Model
基站發(fā)射天線向用戶端發(fā)送獨(dú)立的數(shù)據(jù)流,定義Xj(t)為發(fā)送給用戶j的信號(hào),j∈[1,2,…,N],t∈Z是連續(xù)時(shí)間系數(shù),定義n(t)為均值為0,方差為σ2的加性高斯白噪聲。
根據(jù)文獻(xiàn)[13]中的時(shí)間反演(time reversal,TR)傳輸推導(dǎo)公式進(jìn)行時(shí)間反演預(yù)編碼技術(shù)的初步矩陣設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)探測(cè)階段與再發(fā)射階段后,接收端接收到帶有負(fù)載信息的時(shí)間反演信號(hào),其表示形式為
(1)
(1)式中,a為下行鏈路發(fā)射功率,假設(shè)這些發(fā)送信號(hào)具有單位平均功率,即E[|xm(t)2|]=1。H(t)為下行鏈路信道矩陣;HT(-t)為探測(cè)信號(hào)在接收端天線時(shí)間反演后的信道矩陣(其為探測(cè)信號(hào)在時(shí)域進(jìn)行逆序操作,在頻域上等同于相位共軛);p(-t)為探測(cè)信號(hào)的逆序操作。在理想信道條件下負(fù)載信號(hào)通過(guò)時(shí)間反演技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)完美的信息傳輸[14]。
在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中,基站天線需要同時(shí)與多個(gè)用戶端通信。具體地說(shuō),根據(jù)文獻(xiàn)[15]中對(duì)負(fù)載信號(hào)的上采樣表示形式,要發(fā)送給第j個(gè)用戶端信息(其表示為Xj),定義Hmj為基站端M根發(fā)射天線與用戶j的多徑信道矩陣,先由抽樣因子D進(jìn)行上采樣以降低符號(hào)間干擾,然后通過(guò)信道矩陣進(jìn)行預(yù)編碼[15]。實(shí)際上,為了抑制多徑信道引起的ISI,引入抽樣因子D也降低了符號(hào)傳輸速率,信號(hào)形式經(jīng)上采樣后,其表示形式為
(2)
(2)式中,“*”表示卷積,且
(3)
對(duì)于單天線用戶端,假設(shè)信號(hào)由基站天線到用戶終端經(jīng)L條多徑信道傳輸,因此,接收到的系統(tǒng)信號(hào)未經(jīng)預(yù)編碼矩陣的時(shí)間反演傳輸表示為
(4)
在(4)式中包含4個(gè)部分:用戶j期望信號(hào)部分;用戶j接收到來(lái)自其他用戶的用戶間干擾;符號(hào)間干擾以及信道中均值為0;方差為σ2的加性高斯白噪聲。
為應(yīng)對(duì)非理想條件下的用戶間干擾,提出基于時(shí)間反演的預(yù)編碼技術(shù),在已知CSI的情況下,通過(guò)信道矩陣奇異值分解,設(shè)計(jì)預(yù)編碼矩陣,通過(guò)卷積預(yù)編碼矩陣使多徑信道產(chǎn)生互不干擾的并行信道,來(lái)抑制用戶間干擾和共道干擾。
由于實(shí)際情況下,多徑信道存在時(shí)延和多普勒頻移等,時(shí)間反演并不能完全適用于實(shí)際的大規(guī)模MIMO場(chǎng)景,另外信道狀態(tài)信息存在瑞利衰落,大尺度衰落和陰影衰落等衰落因子,與理想狀態(tài)下相比用戶間干擾增大,因此,在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中,用戶間干擾成為制約性能的主要因素。
若定義用戶j的信道矩陣為Hj,則干擾矩陣為
(5)
通過(guò)塊對(duì)角化方法設(shè)計(jì)預(yù)編碼矩陣Mj,使預(yù)編碼矩陣處于用戶j的干擾信道的零空間中,因此,單天線用戶信道的高容量潛力可以通過(guò)并行傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)子信道來(lái)實(shí)現(xiàn)。
(6)
(7)
(8)
(9)
由此可見(jiàn),用戶j與基站天線間存在著并行的子信道,消除了用戶間干擾。
基于時(shí)間反演的預(yù)編碼技術(shù),預(yù)編碼矩陣選取為
(10)
(10)式中,Λ矩陣為以特征值為對(duì)角元素的對(duì)角矩陣。
基站天線端負(fù)載信號(hào)Xj經(jīng)過(guò)時(shí)間反演腔與預(yù)編碼矩陣后,以離散的信號(hào)模型進(jìn)行抽樣,接收端用戶j的系統(tǒng)信號(hào)傳輸公式為
(11)
最終,用戶間干擾在經(jīng)過(guò)時(shí)間反演與迫零預(yù)編碼矩陣后可趨近為零,經(jīng)時(shí)間反演與抽樣后符號(hào)間干擾也得到一定程度的抑制,但由于預(yù)編碼矩陣的存在,信道中的加性高斯白噪聲得到了一定程度的增強(qiáng),因此,在高信噪比的情況下,時(shí)間反演預(yù)編碼技術(shù)可表現(xiàn)出更好的信干噪比性能。
對(duì)于時(shí)間反演預(yù)編碼技術(shù)性能,文章通過(guò)系統(tǒng)信干噪比,下行鏈路可達(dá)速率與誤碼率3個(gè)方面來(lái)分析比較,并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。
計(jì)算平均用戶誤碼率來(lái)評(píng)估研究系統(tǒng)的性能。根據(jù)文獻(xiàn)[17]中對(duì)最大似然比預(yù)編碼方法誤碼率的公式推導(dǎo)方法,大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的每個(gè)用戶經(jīng)由多徑信道傳輸?shù)呢?fù)載信號(hào)取決于所使用的預(yù)編碼方案。此外,由于對(duì)角化迫零預(yù)編碼功能,信息負(fù)載信號(hào)在用戶端統(tǒng)計(jì)上取決于多徑信道及上采樣的實(shí)現(xiàn),由此影響接收端用戶功率、符號(hào)間干擾功率及用戶間干擾功率。因此,定義ρ為發(fā)送信噪比,即總發(fā)送功率Pe與加性高斯白噪聲功率σ2之比為
(12)
ρ=Pe/σ2
(13)
對(duì)于計(jì)算QPSK調(diào)制的平均誤碼率,通過(guò)發(fā)送信噪比函數(shù)來(lái)評(píng)估所提出的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的理論性能。對(duì)于不同接收端單天線用戶,其信噪比決定于其預(yù)編碼矩陣,以QPSK作為調(diào)制方式,對(duì)于接收端用戶其信噪比定義為
SNR=xρ
(14)
(14)式中,x是接收端負(fù)載信號(hào)通過(guò)預(yù)編碼矩陣后的期望信號(hào)Psig(k)的概率密度函數(shù)。因此,用戶端誤碼率表示為
(15)
對(duì)于時(shí)間反演預(yù)編碼技術(shù),定義分塊迫零預(yù)編碼的傳輸信噪比,在忽略符號(hào)間干擾,本文提出的預(yù)編碼技術(shù)抑制用戶間干擾后,ρZF表達(dá)式為
(16)
(17)
因此,大規(guī)模MIMO系統(tǒng)誤碼率表示為
(18)
基于以上分析,對(duì)于該系統(tǒng)下行鏈路接收端用戶j接收信號(hào)與傳輸信干噪比推導(dǎo)過(guò)程分別如下。
在接收端可接收到期望信號(hào)的的功率,在不考慮信道衰減的前提下應(yīng)為a,對(duì)于用戶j符號(hào)間干擾信號(hào)功率,其值與抽樣因子D,多徑信道條數(shù)L有關(guān),因此,ISI功率極大依賴與傳輸環(huán)境。同理,隨傳輸天線M增加,接收端j的用戶間干擾也會(huì)隨之增加。因此,可以推導(dǎo)出接收端接收到的期望信號(hào)的功率為
(19)
符號(hào)間干擾功率為
(20)
用戶間干擾功率為
(21)
接收端的信干噪比為
(22)
假定傳輸帶寬為W,那么基于(22)式,假設(shè)每個(gè)用戶的符號(hào)間干擾和用戶間干擾都服從高斯分布。因此,可以獲得大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中所有接收端用戶的可達(dá)速率公示表示為
(23)
由(23)式可知,隨著基站天線數(shù)目與用戶端數(shù)目的增加,負(fù)載信號(hào)通過(guò)時(shí)間反演預(yù)編碼技術(shù)可以獲得更高的可達(dá)速率,其性能在高信噪比情況下,效果更為明顯。
通過(guò)蒙特卡洛仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提出的時(shí)間反演預(yù)編碼技術(shù)在大規(guī)模MIMO環(huán)境中具有減小系統(tǒng)誤碼率和提高系統(tǒng)可達(dá)速率上的優(yōu)勢(shì)。
采用多個(gè)單天線用戶大規(guī)模MIMO的下行鏈路的多址接入系統(tǒng)。將所提的時(shí)間反演預(yù)編碼技術(shù)與文獻(xiàn)[8]中提出的時(shí)間反演干擾消除技術(shù)、文獻(xiàn)[5]中的預(yù)編碼技術(shù)進(jìn)行比較,并進(jìn)行性能分析。
仿真參數(shù)設(shè)定,信道帶寬為W=500 MHz,負(fù)載信號(hào)的上采樣因子設(shè)定為D=15,仿真設(shè)定每秒幀數(shù)為102幀,每幀比特?cái)?shù)為103,假定對(duì)于多徑信道相互獨(dú)立,則理論分析可得多徑信道條數(shù)越多,信噪比也相對(duì)更高。多徑信道對(duì)信干噪比的影響如圖2,仿真設(shè)定多徑信道條數(shù)分別為L(zhǎng)=100,200,400,仿真分析可得系統(tǒng)信干噪比隨多徑信道條數(shù)增加而增大,且本文提出的時(shí)間反演預(yù)編碼技術(shù)的性能優(yōu)于傳統(tǒng)的時(shí)間反演技術(shù)。
對(duì)于系統(tǒng)信干噪比與誤碼率的比較分析,仿真設(shè)定多徑信道為1 000條獨(dú)立空間信道。系統(tǒng)模型中多徑信道服從CN(0,0.5)的瑞利衰落,信道增益、衰落因子主要考慮理想多徑環(huán)境下的增益與衰落。本文驗(yàn)證時(shí)間反演預(yù)編碼技術(shù)具有更好的系統(tǒng)性能。對(duì)于用戶平均誤碼率和可達(dá)速率,在仿真試驗(yàn)中主要研究2種因素的影響:基站天線數(shù)目M與接收端單天線用戶數(shù)目N。仿真過(guò)程中給出理論數(shù)值與仿真數(shù)值。
圖2 多徑信道對(duì)信干噪比的影響Fig.2 Influence of multipath channel on SINR
相同基站天線數(shù)目下,BER比較如圖3,仿真設(shè)定基站天線數(shù)目相同情況下比較不同用戶端數(shù)目情況下,時(shí)間反演預(yù)編碼技術(shù)與傳統(tǒng)時(shí)間反演技術(shù)在大規(guī)模MIMO場(chǎng)景下的系統(tǒng)性能?;咎炀€數(shù)目M=64,用戶數(shù)目N分別設(shè)定為5,10的情況下,比較時(shí)間反演預(yù)編碼技術(shù)與文獻(xiàn)[5]中改進(jìn)分塊預(yù)編碼技術(shù)平均每個(gè)用戶的誤碼率性能變化趨勢(shì)。在相同的上采樣因子D下,當(dāng)基站數(shù)目不變時(shí),隨著接收端單天線用戶數(shù)目的增多,用戶端信息分量功率減少,用戶間干擾增加。 因此,隨著用戶數(shù)目越多,用戶間干擾增加,同時(shí)符號(hào)間干擾也相應(yīng)的增大,其每個(gè)用戶的誤碼率也越高。在大規(guī)模MIMO場(chǎng)景下,時(shí)間反演預(yù)編碼技術(shù)在相同條件下信噪比為-10 dB,N=10時(shí),其仿真結(jié)果與理論分析值一致均為0.084,且小于OBD預(yù)編碼技術(shù)的0.113與TR技術(shù)的0.093,隨SNR不斷增大,OBD預(yù)編碼在5 dB時(shí)逐漸趨于平穩(wěn),最終其BER最小可達(dá)0.87×10-4。相同條件下時(shí)間反演預(yù)編碼技術(shù)的誤碼率可達(dá)到10-8,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于TR技術(shù)與OBD預(yù)編碼技術(shù)。同樣條件下,N=5時(shí),時(shí)間反演預(yù)編碼技術(shù)表現(xiàn)出的抗誤碼率性能優(yōu)于TR技術(shù)與OBD預(yù)編碼技術(shù),其用戶平均誤碼率優(yōu)于傳統(tǒng)時(shí)間反演技術(shù)性能0.5個(gè)數(shù)量級(jí),優(yōu)于改進(jìn)的分塊算法2個(gè)數(shù)量級(jí)。仿真圖中3種抗干擾技術(shù)的理論分析與仿真結(jié)果一致。
相同單天線終端數(shù)目下,BER比較如圖4,設(shè)定相同單天線用戶數(shù)目N=10,比較基站天線數(shù)目不同情況下,用戶平均誤碼率。對(duì)于時(shí)間反演技術(shù),基站天線數(shù)目增多,有用信號(hào)功率也隨之增加,但基站負(fù)載信號(hào)的相關(guān)性也隨之增加,對(duì)于用戶間干擾,用戶數(shù)目不變,其干擾會(huì)隨基站天線數(shù)目增多而增大。因此,當(dāng)基站天線數(shù)目M分別設(shè)定為64,128時(shí),用戶平均誤碼率也隨天線數(shù)目的增多而增大,具體分析而言,基站天線數(shù)目N=10,單天線用戶終端數(shù)目為128時(shí),仿真結(jié)果與理論分析值在SNR為-10 dB時(shí)大致相同為0.136,小于OBD預(yù)編碼技術(shù)的0.574與TR技術(shù)的0.326,隨SNR不斷增大,3種抗干擾技術(shù)均在信噪比為0-5 dB時(shí)逐漸趨于平穩(wěn),最終時(shí)間反演預(yù)編碼技術(shù)誤碼率最小可達(dá)0.724×10-5。相同條件下遠(yuǎn)小于TR技術(shù)的0.637×10-3與OBD預(yù)編碼技術(shù)0.890×10-2。另外,對(duì)于M=64時(shí),時(shí)間反演預(yù)編碼技術(shù)表現(xiàn)出的抗誤碼率性能優(yōu)于TR技術(shù)與OBD預(yù)編碼技術(shù),其原因主要是因?yàn)榛咎炀€相關(guān)性隨天線數(shù)目的增加迅速增長(zhǎng)。
圖3 相同基站天線數(shù)目下,BER比較Fig.3 BER comparison with the same number of base station antennas
圖4 相同單天線終端數(shù)目下,BER比較Fig.4 BER comparison with the same number of user terminals
基于時(shí)間反演的迫零分塊預(yù)編碼技術(shù),其在抗符號(hào)間干擾方面表現(xiàn)優(yōu)于時(shí)間反演技術(shù)與傳統(tǒng)的預(yù)編碼技術(shù)。時(shí)間反演技術(shù)依靠獨(dú)特的時(shí)空聚焦性減輕ISI,另外負(fù)載信號(hào)的上采樣也降低了符號(hào)傳輸速率,減輕了ISI。
圖5為仿真實(shí)驗(yàn)比較相同基站天線數(shù)目情況下,不同接收端單天線用戶對(duì)于可達(dá)速率的影響。對(duì)于無(wú)線多徑傳輸環(huán)境,研究表明,基站傳輸天線越多系統(tǒng)可達(dá)速率越高,接收端單天線用戶數(shù)越多,系統(tǒng)可達(dá)速率越高。時(shí)間反演預(yù)編碼技術(shù)相對(duì)于文獻(xiàn)[8]傳統(tǒng)時(shí)間反演技術(shù)與文獻(xiàn)[5]中的優(yōu)化分塊預(yù)編碼技術(shù),可以提供更高的復(fù)用增益。由圖5可以看出,ZFTR技術(shù)在信噪比為-30 dB,N=15時(shí)其可達(dá)速率在理論分析與仿真結(jié)果中保持一致為47.3 bit/s/Hz,大于ZF技術(shù)的43.2 bit/s/Hz與OBD技術(shù)的42.1 bit/s/Hz。隨SNR的不斷增加,3種抗干擾技術(shù)的可達(dá)速率均會(huì)保持穩(wěn)定,且采用時(shí)間反演預(yù)編碼技術(shù)的可達(dá)速率達(dá)到78.7 bit/s/Hz,約為普通TR技術(shù)抗干擾技術(shù)67.3 bit/s/Hz和OBD預(yù)編碼技術(shù)61.1 bit/s/Hz的1.5倍。對(duì)于N=10的情況下時(shí)間反演預(yù)編碼技術(shù)同樣表現(xiàn)出良好的抗干擾性能,在可達(dá)速率趨于平穩(wěn)后其可達(dá)到53.8 bit/s/Hz遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)TR技術(shù)與OBD預(yù)編碼技術(shù)。
圖5 相同基站天線數(shù)目下,可達(dá)速率比較Fig.5 System reachable rate comparison with the same number of base station antennas
對(duì)于基站天線數(shù)目對(duì)可達(dá)速率影響的研究,本文設(shè)置單天線用戶端數(shù)目N為10的情況下,基站天線數(shù)目為32和64時(shí)可達(dá)速率的比較,如圖6。由圖6可以看出,ZFTR技術(shù)在信噪比為-30 dB,M=64時(shí)其可達(dá)速率為31.5 bit/s/Hz,大于ZF技術(shù)的26.3 bit/s/Hz與OBD技術(shù)的27.7 bit/s/Hz。隨SNR的不斷增加,3種抗干擾技術(shù)的可達(dá)速率均會(huì)保持穩(wěn)定,且采用時(shí)間反演預(yù)編碼技術(shù)的可達(dá)速率達(dá)到49.8 bit/s/Hz,遠(yuǎn)高于普通TR抗干擾技術(shù)40.4 bit/s/Hz和OBD預(yù)編碼技術(shù)35.1 bit/s/Hz。另外對(duì)于M=32的情況下相對(duì)于用戶數(shù)量,基站天線數(shù)目在數(shù)值上可以使用戶端獲得更高的復(fù)用增益。最終其可達(dá)速率可以達(dá)到36.4 bit/s/Hz,相對(duì)與TR技術(shù)的29.6 bit/s/Hz與OBD預(yù)編碼技術(shù)的26.1 bit/s/Hz,表現(xiàn)出了較好的抗干擾與提高信干噪比的性能。相對(duì)于時(shí)間反演技術(shù),在以上2種不同情形下,時(shí)間反演預(yù)編碼技術(shù)對(duì)于大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的提升更為明顯,其具備更強(qiáng)的用戶負(fù)載增益和信道復(fù)用增益。
圖6 相同用戶終端數(shù)目下,可達(dá)速率比較Fig.6 System reachable rate comparison with the same number of user terminals
針對(duì)圖5,圖6中,由于預(yù)編碼技術(shù)采用預(yù)編碼矩陣進(jìn)行干擾抑制的同時(shí),對(duì)噪聲進(jìn)行了一定程度的放大,信噪比較低時(shí)其可達(dá)速率較TR技術(shù)低,當(dāng)SNR到達(dá)0.01~0.1時(shí),兩者的可達(dá)速率曲線交叉。 同時(shí),基于時(shí)間反演的預(yù)編碼技術(shù)由于低信噪比時(shí)對(duì)噪聲的放大作用,其可達(dá)速率也相對(duì)較低。
針對(duì)大規(guī)模MIMO系統(tǒng),提出時(shí)間反演預(yù)編碼抗干擾技術(shù)以解決用戶間干擾。在傳統(tǒng)時(shí)間反演基礎(chǔ)上改善多徑信道傳輸環(huán)境,利用分塊迫零預(yù)編碼技術(shù)抑制用戶間干擾,提高系統(tǒng)信干噪比,降低誤碼率。并通過(guò)仿真驗(yàn)證證明時(shí)間反演預(yù)編碼技術(shù)在減小平均誤碼率,提高系統(tǒng)可達(dá)速率與信干噪比上表現(xiàn)更佳。時(shí)間反演技術(shù)不僅在抗干擾方面受到廣泛關(guān)注,其在保密通信方面的良好表現(xiàn)也將作為下一步研究的重點(diǎn)。