多用戶多天線FDD下行系統(tǒng)中空時碼研究

戴譚明 王海泉 李國彬 鄭思思

摘 要：針對基站端配置M根發(fā)送天線，而用戶端只有一根接收天線的多用戶多天線頻分雙工（frequency division duplex，F(xiàn)DD）下行系統(tǒng)，結(jié)合預(yù)編碼與空時碼技術(shù)，提出一種新的傳輸方案及相應(yīng)解碼方法，將用戶間干擾轉(zhuǎn)化為信道增益且保持線性解碼復(fù)雜度。即當(dāng)用戶數(shù)[K=2]時，采用Alamouti正交空時碼傳送方案，而在[K2]的情況下，采用循環(huán)矩陣形式的傳送方案，并與預(yù)編碼技術(shù)相結(jié)合采用新的傳輸方案。相較于傳統(tǒng)傳送方案，該方案能有效將用戶間的干擾信道信息轉(zhuǎn)化為對主用戶有益的信息，與此同時保持線性解碼的復(fù)雜度。數(shù)值仿真結(jié)果表明，該傳送方案比傳統(tǒng)傳送方案在誤碼率和容量上均有所提升。

關(guān)鍵詞：多用戶多天線;FDD下行系統(tǒng);預(yù)編碼技術(shù);正交空時碼;循環(huán)矩陣;解碼復(fù)雜度

DOI：10. 11907/rjdk. 182058

中圖分類號：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-7800（2019）003-0173-05

0 引言

在無線通信領(lǐng)域，多項(xiàng)研究表明多用戶多天線系統(tǒng)能明顯提高頻譜效率，實(shí)現(xiàn)高容量的最佳接收。從信息論的觀點(diǎn)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(tǒng)以及多天線的多輸入多輸出（Multiple input Multiple output， MIMO）系統(tǒng)。多用戶多天線系統(tǒng)因其信道復(fù)雜性，容量分析具有重要研究價值。在文獻(xiàn)[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(shí)際上在收發(fā)雙方均知道信道狀態(tài)信息的情況下，能使用臟紙編碼技術(shù)達(dá)到其容量域[3]。文獻(xiàn)[4]給出了在兩個用戶的場景下，臟紙編碼技術(shù)能達(dá)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(fù)雜度，故實(shí)用性不高。另一方面，要使發(fā)送端和接收端完全知道信道狀態(tài)信息是難以實(shí)現(xiàn)的。所以，普遍的做法是通過有限反饋技術(shù)[5-9]使發(fā)送端獲得不完善的信道狀態(tài)信息實(shí)現(xiàn)預(yù)編碼技術(shù)。其中，預(yù)編碼碼本的設(shè)計基于最小化最大碼本矢量距離，這在文獻(xiàn)[10-11]中有所涉及。

在多用戶[12]多天線FDD下行系統(tǒng)中，由于基站端包含了所有用戶信息，因此必然會產(chǎn)生多用戶干擾（Multiple User Interference，MUI）。通過基站發(fā)送訓(xùn)練序列，假設(shè)在用戶端接收到訓(xùn)練序列后，用戶經(jīng)下行信道能準(zhǔn)確估計出該信道狀態(tài)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(tài)信息，使用相應(yīng)的預(yù)編碼方式進(jìn)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(chǎn)生的誤差，系統(tǒng)得到的用戶信道狀態(tài)信息是不完善的，即使經(jīng)過預(yù)編碼處理，用戶間的干擾也難以完全消除，并且隨著用戶數(shù)的增加，用戶間的干擾也會增大，導(dǎo)致系統(tǒng)誤碼率增大以及容量降低。為了克服這一缺陷，本文結(jié)合預(yù)編碼和空時編碼技術(shù)[13-16]提出了新的發(fā)送方式，即在相干時間內(nèi)通過多次發(fā)送，使得同一信號通過不同的信道抵達(dá)接收端。為了達(dá)到系統(tǒng)容量，在發(fā)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(dá)到系統(tǒng)容量。在基站端，各用戶經(jīng)預(yù)編碼選擇準(zhǔn)則選出各自對應(yīng)的預(yù)編碼向量。在基站獲取用戶的預(yù)編碼向量后，需在基站端廣播一次，使得所有用戶的預(yù)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(dāng)發(fā)送的信號具有正交性時[19]，可通過轉(zhuǎn)化以降低解碼復(fù)雜度。

1 系統(tǒng)模型

系統(tǒng)模型見圖1。假定系統(tǒng)基站端發(fā)送天線數(shù)為M，用戶數(shù)為K，且均為單天線用戶。假設(shè)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(xiàng)是用戶[i]需要的信息，第二項(xiàng)是用戶間的干擾，第三項(xiàng)是噪聲。

2 有限反饋預(yù)編碼及解碼

傳統(tǒng)傳輸方案往往把其它用戶的信息當(dāng)成干擾處理，這樣隨著用戶數(shù)的增加干擾也會加大，導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。本文結(jié)合預(yù)編碼技術(shù)與空時碼技術(shù)，提出了一種能充分利用其他用戶信息進(jìn)行傳輸?shù)姆绞健?/p>

2.1 預(yù)編碼碼本設(shè)計及預(yù)編碼選擇

3 仿真分析

為驗(yàn)證本文方案性能，對預(yù)編碼技術(shù)和空時碼發(fā)送方式進(jìn)行仿真，在多用戶多天線FDD下行系統(tǒng)中，每個用戶的反饋比特數(shù)均為B=4bits，以系統(tǒng)的容量及誤碼率為指標(biāo)評價方案的優(yōu)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(tǒng)的發(fā)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(wěn)。而在本文提出的發(fā)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(tǒng)的發(fā)送方式下，為保證比特速率相同，即發(fā)送1次時采用4-QAM傳送2bits，在發(fā)送方案一中，利用Alamouti正交空時碼發(fā)送2次，采用16-QAM傳送了4bits;在發(fā)送方案二中，利用循環(huán)矩陣發(fā)送3次，采用64-QAM傳送了6bits。在這幾種不同的發(fā)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(shù)）。從仿真圖可以看出，基于傳統(tǒng)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(fā)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(shù)一定的情況下進(jìn)行，用戶數(shù)K=3。該仿真分為三組，第一組是在反饋比特數(shù)相同的情況下改變基站端的天線數(shù)。仿真結(jié)果表明，隨著基站端天線數(shù)的增加，誤碼率反而越大。第二組是在基站端天線數(shù)相同的情況下改變反饋比特數(shù)。仿真結(jié)果表明，隨著反饋比特數(shù)的增大誤碼率越小。第三組是在基站端天線數(shù)和反饋比特數(shù)比值一定的情況下進(jìn)行仿真，結(jié)果表明在比值一定時，基站端天線數(shù)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。