基于多址干擾和蜂窩間互擾分布的多載波系統(tǒng)聯(lián)合接收方法

王金鵬,曹 帆,賀曉陽,鄒念育

(大連工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院，遼寧 大連 116034)

0 引 言

多載波系統(tǒng)由于其信道呈現(xiàn)稀疏特性[1]，故其在頻率選擇性的多通道情況下可以擁有較強(qiáng)的對(duì)抗性，同時(shí)具有較高的頻帶利用率，一直以來都是研究的熱點(diǎn)，并被認(rèn)為是新一代寬帶無線接入的可選方案之一[2]。伴隨著頻域中對(duì)正交擴(kuò)頻碼的應(yīng)用，用戶數(shù)據(jù)通過多載波系統(tǒng)的發(fā)射裝置進(jìn)行擴(kuò)頻?？梢酝ㄟ^頻域均衡技術(shù)在惡劣的衰落環(huán)境中獲得較好的誤比特率(BER)[3,4]。當(dāng)然，與直接數(shù)字序列系統(tǒng)相同的是，在多載波系統(tǒng)中可以應(yīng)用頻分復(fù)用[5]，也可以通過限制帶寬來達(dá)到目的。對(duì)于移動(dòng)用戶來說，由于陰影和距離衰落導(dǎo)致的接收信號(hào)功率降低可以通過空間分集接收方法來進(jìn)行補(bǔ)償[6]。這些方法均可以提高下行基鏈路的傳輸性能。最小均方誤差估計(jì)(MMSE)方法的主要思想是使誤差的均方值最??；空間分集可以對(duì)多個(gè)有一定距離的接收天線的信號(hào)進(jìn)行合并接收，并利用各個(gè)天線的不相關(guān)特性以達(dá)到接收信號(hào)最優(yōu)的效果。

本文提出了一種基于最小均方誤差和空間分集的多載波系統(tǒng)中下行鏈路的聯(lián)合接收方法，該方法既具備了空間分集的信號(hào)合并最優(yōu)特性，又具有MMSE方法所帶來的均方誤差最小的優(yōu)勢。計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明，通過聯(lián)合使用最小均方誤差的頻域均衡(MMSE-FDE)和接收分集方法可以極大地提高下行鏈路的容量[7,8]。這些通過計(jì)算機(jī)仿真得到的結(jié)論如何在理論上得到驗(yàn)證仍存在著很大的問題[9,10]，因此建立一整套的完備的理論體系來評(píng)估由空間分集方法建立的下行鏈路性能就顯得尤為重要。

1 系統(tǒng)模型及理論推導(dǎo)

多載波系統(tǒng)中包括正交擴(kuò)頻碼、交織碼和高斯白噪聲等信號(hào)，其中正交擴(kuò)頻碼用來確認(rèn)用戶，而交織碼可以用來分離微蜂窩的空間[11]。頻率選擇性衰落信道很難在用戶中獲得完美的正交性[12]，如圖1所示，子載波的增益不再是恒定的，這就會(huì)帶來多址干擾(Multiple access interference，MAI)。

考慮第i個(gè)基站BSi與第j個(gè)用戶u(j)的距離為ri_u(j)，同時(shí)假定陰影衰落因子為α，遮擋衰落的標(biāo)準(zhǔn)方差為β，信道為高斯白噪聲的理想信道AGWN，空間分集的天線個(gè)數(shù)為m，則信道增益可以表示為：

(1)

(2)

式中：

(3)

而此時(shí)的多址干擾MAI為：

(4)

假設(shè)多載波系統(tǒng)的子載波數(shù)量為Nc，擴(kuò)頻因子為SF,圖2給出了使用最小均方誤差的頻域均衡(MMSE-FDE)和接收分集方法聯(lián)合接收的系統(tǒng)框圖，包括發(fā)射和接收兩部分。

考慮基站BSi中微蜂窩j的用戶u，其并行數(shù)據(jù)序列Nc/SF可以從已調(diào)信號(hào)序列{du(j)(n);n=0～Nc/SF-1}中通過串并轉(zhuǎn)換(S/P)得到。S/P轉(zhuǎn)換的輸出是通過計(jì)算擴(kuò)頻因子SF乘以正交擴(kuò)頻碼{Cu(j)(k);k=0～SF-1}得到的。通常，基站i的交織碼{CPN(i)(k);k=0～Nc-1}是被用作結(jié)合每個(gè)子載波的用戶擴(kuò)頻信號(hào)做乘法使用的。不同交織碼的作用是將那些接收到的合成信號(hào)轉(zhuǎn)化成類白噪聲性質(zhì)，并可以提取出來不同微蜂窩的空間信息。定義第k路子載波的復(fù)合接收信號(hào)為：

cu(i)(kmodSF)cPN(i)(k)

(5)

基于上述方程，其中Pi為傳輸功率，基站i中活動(dòng)的信道(用戶)數(shù)為U+δui，δui為在空間分集運(yùn)算中額外預(yù)留的信道數(shù)?？紤]到|du(i)(n)| =|cu(i)(k)|=|cPN(i)(k)|=1，那么，正交擴(kuò)頻交織碼可以表示為：正交擴(kuò)頻交織碼可以表示為：

(6)

圖2下行鏈路多載波蜂窩系統(tǒng)發(fā)射機(jī)/接收機(jī)
Fig.2DownlinkMC-CDMAtransmitter/receiverwithsitediversityoperation

然而，由于多址干擾(Multiple access interference，MAI)的存在，多徑衰落信道中是沒有理想正交性的。多址干擾 MAI 定義如下：

(7)

另外，蜂窩間互擾ICI(Inter-cellular interference)是由于交織碼不正交而在蜂窩之間產(chǎn)生的，其可定義為：

(8)

信道的增益由本地的平均誤碼率(BER)表征，其值是通過統(tǒng)計(jì)平均及數(shù)值仿真得到的，可以表示為：

(9)

(10)

2 仿真實(shí)驗(yàn)

表1為仿真環(huán)境和各個(gè)相關(guān)仿真參數(shù)的設(shè)定值。

表1 仿真條件設(shè)定Table 1 Simulation condition

從圖3可以看出，遮擋衰減系數(shù)β的增大對(duì)于下行鏈路容量幾乎沒有影響。但是β的增加可以引起干擾功率增大，從而使得干擾發(fā)生的概率也變大，因此下行鏈路的容量降低了。

圖3 陰影衰落 β 對(duì)下行鏈路容量的影響Fig.3 Effect of shadowing loss standarddeviation β on downlink capacity

通過空間分集算法后，接收信號(hào)的功率有了明顯增強(qiáng)，說明β的微小變化可以通過混合分集算法補(bǔ)償回來，理論分析結(jié)果與仿真結(jié)果是一致的。由信干噪比和誤碼率看出干擾成分為復(fù)高斯隨機(jī)變量。圖4給出了MAI的概率密度函數(shù)(Probability density functions，PDF)的仿真結(jié)果。假定每個(gè)蜂窩的用戶數(shù)U=27 ，γ= 0 dB 代表信道中的是歸一化的功率延遲，Pth=4.5 dB，零均值的高斯分布符合MAI的PDF要求，同時(shí)滿足了理論計(jì)算的近似值。

圖5給出了采用本文方法時(shí)多載波系統(tǒng)的性能，可以看出，隨著參與空間分集的基站數(shù)量的增加，多載波下行鏈路的容量也在增加，說明本文的聯(lián)合接收方法是有效的。分集使用的基站數(shù)目剛好時(shí)系統(tǒng)性能達(dá)到最佳(比如圖5中的基站數(shù)為4)，此時(shí)再增加基站數(shù)量反而會(huì)降低系統(tǒng)性能。

圖5 聯(lián)合接收方法的下行鏈路系統(tǒng)容量Fig.5 Downlink capacity based on joint receiving method

3 結(jié)束語

本文首先在理論上準(zhǔn)確描述在高斯干擾下接收信號(hào)的基礎(chǔ)表達(dá)，其次推演并計(jì)算出信道的理論誤碼率，最后采用蒙特卡洛數(shù)值仿真方法對(duì)平均誤碼率的條件進(jìn)行模擬并獲得當(dāng)前的平均誤碼率，以此來判斷在給定的條件下信道增益是否能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。文中給出了局部平均誤碼率的累積分布的中斷概率，定義了下行鏈路的容量，并對(duì)理論和計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析和比較，實(shí)驗(yàn)證明本文理論模型準(zhǔn)確，數(shù)學(xué)描述完備，為研究多載波系統(tǒng)下行鏈路的性能提供了一種有效的理論方法。

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