（通信与信息系统专业论文）多用户mimoofdm系统下行链路干扰利用技术研究.pdf

摘要 i i i i iiii i i i ii ii i i ii ji i y 19 5 8 4 5 3 m i m o 技术由于能够显著提高信道容量而成为无线通信关键技术的一大研究 热点，而o f m d 技术能够将宽带衰落信道划分成若干个平衰落子信道也己成为下 一代移动通信的关键技术之一。多用户m i m o 下行链路中，多用户干扰是限制其 性能的主要因素，因此需要进行干扰抑制。但另一方面，由于对于发送端而言下 行链路引入的干扰是确知的，这样可以根据干扰的类型，将其分类，消除不利干 扰，保留有利干扰，从而提升接收端的性能。本文分析了基于c i ( c h a n n e li n v e r s e ) 预编码的干扰利用算法在m i m o - o f d m 系统下存在的问题，并研究了相应的解决 方法。具体内容如下： 1 将平坦衰落信道下m i m o 多用户下行链路中基于c i 预编码的确知干扰的 分离方法和干扰利用技术推广到频率选择性信道下，搭建了相应的 m i m o o f d m 系统模型； 2 对于多用户m i m o o f d m 下行链路中干扰利用存在的性能恶化现象，从 误码率角度进行详细的分析，阐明了性能恶化的原因； 3 提出一种基于预检测技术的干扰利用算法，避免了干扰利用算法在 m i m o o f d m 系统中存在的性能恶化问题，最后通过仿真证明了该方法 的有效性； 4 采用功率分配方法解决使用干扰利用或旋转利用所带来的性能恶化问题， 给出逆向功率分配和迭代功率分配两种功率分配方法，仿真说明了通过功 率分配能够从根本上有效地解决干扰利用中所遇到的性能恶化问题。 关键字：m i m oo f d mt d d 预编码多用户干扰利用 a b s t r a c t t h e r eh a sb e e nc o n s i d e r a b l ei n t e r e s ti nm i m os y s t e mr e c e n t l y , d u et oi t sp o t e n t i a l f o rs i g n i f i c a n tg a i ni nc h a n n e lc a p a c i t y , s od o e so f d mi ns e p a r a t i n gw i d eb a n df a d i n g c h a n n e l si n t os e v e r a ln a r r o wb a n df l a tf a d i n gc h a n n e l s i nm u l t i - u s e rm i m od o w n l i n k , m u l t i - u s e ri n t e r f e r e n c e ( m u dw i l ld e g r a d es y s t e mp e r f o r m a n c eg r e a t l y , t h u ss h o u l db e s u p p r e s s e d o nt h eo t h e rh a n d ，m u ic a l la l s ob ee x p l o i t e di nb a s es t a t i o n ( b s ) t o e n h a n c es y s t e mp e r f o r m a n c e ，s i n c et h ek n o w l e d g eo fm u ii sk n o w nt ob s t h i st h e s i s a n a l y z e sh o wi n t e r f e r e n c ee x p l o i t a t i o nb a s e do nc i ( c h a n n e li n v e r s e ) c o u l dd e g r a d e s y s t e mp e r f o r m a n c ei nm i m o - o f d ms y s t e m s ，a n dp r o p o s e st w os o l u t i o n s t h em a i n c o n t r i b u t i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h ek e y t e c h n i q u e si nf l a tf a d i n gc h a n n e ls u c ha ss e p a r a t i n gi n t e r f e r e n c ea n d i n t e r f e r e n c ee x p l o i t a t i o nb a s e do nc ip r e e o d i n gi nm u l t i u s e rm i m od o w n l i n k a r eg e n e r a l i z e dt of r e q u e n c ys e l e c t i v ec h a n n e l m e a n w h i l e ，s i m u l a t i o nm o d e l o fs i n g l e - l i n km i m o o f d ms y s t e mi ss e tu p 2 p h e n o m e n o no fp e r f o r m a n c ed e t e r i o r a t i o nw i t hi n t e r f e r e n c ee x p l o i t a t i o ni n m u l t i u s e rm i m o o f d md o w n l i n kh a sb e e nd i s c u s s e db a s e do nt h es t a t i s t i c a l p r o p e r t yo fs y m b o le r r o rr a t e ，a n dt h em a i nr e a s o n sa r ei l l u m i n a t e db y s i m u l a t i o n s 3 d e t a i l e dk n o w l e d g eo fp r e d e t e c t i o np r e c o d i n gf o rc ip r e c o d i n gh a sb e e n d i s c u s s e d h e r e ，w h i c hh e l p u sa v o i dt h ep h e n o m e n o no fp e r f o r m a n c e d e t e r i o r a t i o n a n d s i g n i f i c a n tp e r f o r m a n c ee n h a n c e m e n t i sv e r i f i e d b y s i m u l a t i o n 4 a n o t h e rn e ws o l u t i o ni sp r o p o s e d , w h i c hi su s e dt oa d j u s tt h ep o w e ra l l o c a t e d i nd i f f e r e n ts u b - c h a n n e l a n dt w op o w e ra l l o c a t i o ns t r a t e g i e sa r ep r o p o s e d s u c ha si n v e r s ep o w e ra l l o c a t i o na n di t e r a t i o np o w e ra l l o c a t i o n f i n a l l yt h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tw ec a ns o l v et h ep r o b l e mb yp o w e ra l l o c a t i o n p e r f e c t l y k e y w o r d s ：m i m o o f d mt d d p r e e o d i n g m u l t i u s e r i n t e r f e r e n c ee x p l o i t a t i o n 第一章绪论 第一章绪论 弗一早珀。比 1 1i m t - a d v a n c e d 发展现状 蜂窝概念的提出推动了第一代移动通信系统的实现，数字信号处理技术和器 件的成熟促进了以g s m 为代表的第二代移动通信的蓬勃发展【1 1 ，宽带c d m a 的使 用基本满足了第三代移动通信系统的业务需求【2 1 。但是，随着全球范围内手机用户 数的迅猛增长和新型无线多媒体业务的不断涌现，如何在有限的频谱资源上满足 不断增长的宽带无线多媒体业务需求，已经成为未来移动通信技术发展的巨大挑 战【3 】o 目前，世界各国在推动第三代移动通信系统产业化的同时，已把研究重点转 入b 3 g ( b e y o n d3g ) 4 g 移动通信技术的研究【4 】，在概念和技术上寻求创新和突 破，从而使无线通信的频谱效率、容量和速率有十倍甚至百倍的提高。b 3 g 技术作 为新一代移动通信系统，对于它的研究从2 0 世纪末3 g 技术完成标准化之时就开 始了【5 】。2 0 0 6 年，国际电信联盟( i t u ) 正式将b 3 g 技术命名为i m t - a d v a n c e d ( i n t e m a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s - a d v a n c e d ) ，并于2 0 0 8 年初，向各国和 各标准化组织发出了i m t - a d v a n c e d 技术提案的征集函，其具体工作计划如图1 1 所示【6 1 。 图1 1i m t - a d v a n c e d 系统方案征集及其标准化时间安排 截至2 0 0 9 年l0 月，i t u 已经收到了六项候选的i m t - a d v a n c e d 技术提案，它们 主要围绕l t e - a d v a n c e d 技术和i e e e8 0 2 1 6 m 技术。在i m t - a d v a n c e d 提案中包括频 分双工( f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x ，f d d ) 和时分双工( t i m ed i v i s i o nd u p l e x ， t d d ) 两种i 。 t d d 相对于f d d 的优点之一就是具有信道互易性( 或互惠性) 。f d d 系统中上 下行链路使用频带的间隔要大于相干带宽，故上行和下行的信道状态信息差别比 较大，发射端需要接收端的反馈才能获得发射信道信息；而t d d 系统中上下行链 路使用相同的频段不同的时隙，上行和下行的信道状态具有对称性即互易性【引。随 多用户m i m o - o f d m 系统下行链路干扰利用技术研究 着下一代移动通信系统对带宽要求的提高及频率分配的零散化趋势，基于t d d 模 式的移动通信系统，由于具有频谱配置和支持非对称业务方面的相对灵活性，相 应的技术方案在i m t - a d v a n c e d 竞争中将具有一定的优势。因而，基于t d d 模式的 技术研究，在世界许多重要的科研机构、标准组织及设备厂商中，日益受到重视。 同i m t - 2 0 0 0 等已有数字移动通信系统相比，i m t - a d v a n c e d 系统将具有更高的 数据速率( 目标峰值速率为：低速移动、热点覆盖场景1 g b s 以上，高速移动、 广域覆盖场景下1 0 0 m b i t s ) 、更好的业务质量( q o s ) 和更高的频谱利用率1 8 】p 】。 i m t - a d v a n c e d 系统应能支持非对称性业务和更多的业务类型，同时应体现移动与 无线接入网和i p 网络不断融合的发展趋势。在i t u rm 1 6 4 5 中对新一代移动通信 系统提出了可以支持高达1 0 0 m h z 带宽，在低速移动、热点覆盖场景下用户的峰值 传输数据率达i g b i f f s ，高速移动、广域覆盖场景下峰值传输数据率为l o o m b i t s 的 需求【1 0 1 。 为了满足i t u 对i m t - a d v a n c e d 性能的苛刻要求，目前在各国际标准化组织中普 遍采用o f d m + m i m o 作为i m t - a d v a n c e d 的核心技术，o f d m + m i m o 的技术组合已 经成为i m t - a d v a n c e d 的技术趋势和潮流i l 。 1 2 研究目的及意义 在t d d m i m o 系统中，一般假设上下行信道具有互易性，这样发射端就可以 利用上行信道状态信息制定用于下行信道的发射策略，在不增加反馈开销的条件 下达到最优的系统性能。 如今t d d m i m o o f d m 的组合已经成为t d s c d m a 向i m t - a d v a n c e d 演进中 的关键技术。而针对m i m o 系统信道发送策略的研究主要从两方面进行：一方面是 在发送端不知道信道状态信息( c s l ) 的情况下，并行的数据流从各个天线上独立 发送，尽管这种发送策略很简单，但是它的性能很大程度上依赖于信道的状态， 当信道状态不好时，系统的性能也会受到严重影响。另一方面是在发端知道信道 状态信息的情况下，发端利用信道的状态信息，使独立的数据流在不同的发送模 式下进行发送，由于采用了适当的波束赋形，这种发送策略在性能上大大优于第 一种方法。由于t d d 系统中上行链路和下行链路的信道是互易的1 1 2 j ，下行链路的 发送端作为上行链路的接收端可以很容易地获得信道状态信息，并将其用于下行 链路信号的特征模式传输，因此将t d d 与m i m o 技术结合，使得第二种发送策略成 为t d d m i m o 系统中的首选技术。 干扰无疑是通信系统中影响通信质量最严重的问题之一，对于未知的窄带干扰 我们通常可以通过扩频等技术进行抵抗。对于确知的干扰，传统的编码方式里， 都认为所有的干扰都是无利的，通过各种预编码技术如，分块对角化( b d ) 【1 3 】【1 4 1 1 5 1 ， 第一章绪论 信干噪比最大化( s i n r ) 1 6 1 ，信泄噪比最大化( s l n r ) 1 7 1 1 8 1 ，信道逆等1 1 9 】，将干 扰进行抑制，使得接收端各用户能够得到较好的性能。其中信道逆和分块对角化 预编码方法一般对发端和收端的天线数目有严格的要求，而后基于信干噪比和信 泄噪比最大化的预编码方法一般计算复杂度较大。 其中基于信道求逆( c i ) 的预编码技术，其复杂度最低，所有的预编码都是在 发送端处理，接收端可以不做任何处理，从而简化了手持终端的复杂度，降低了 成本，有利于终端机的发展和普及【1 9 1 。 1 3 本文内容安排 本文跳出传统一味抑制干扰的思想，通过对确知干扰的分析和分离，提取出有 利干扰，并对原始正交的信道逆预编码进行修改，使得各个用户可以相互利用来 自其它用户的有利干扰，在接收端提升系统性能。文章中，通过在对信道求逆( c i ) 预编码方法进行修改的基础上进行仿真分析，并对比新的预编码下仿真结果与之 前单纯信道求逆的仿真结果，以此来说明干扰利用的思想及其优势。 本文章节安排如下： 第一章：简要介绍了本文研究工作的背景，i m t - a d v a n c e d 工作的进展情况以 及后续文章的安排。 第二章：简单介绍了m i m o 系统原理及模型，然后分别详细的说明了确知信 号有利干扰的利用方法及干扰旋转的方法，并给出了相应的仿真结果。 第三章：首先简单介绍了s c m a 信道模型，然后详细阐述了使用干扰利用预 编码时产生的性能恶化现象及其原因分析，最后给出了针对不同分析下的解决方 案。 第四章：给出了基于预检测技术下的干扰利用预编码及干扰旋转预编码算法分 析，并将其仿真结果传统信道求逆预编码方法下的仿真结果进行分析和比较，以 此说明了预检测干扰利用技术能够确保提升系统性能。 第五章：详细阐述了基于功率分配下的干扰利用及干扰旋转预编码的改进算 法，对逆向功率分配和迭代功率分配这两种不同功率分配算法进行仿真，同时与 传统信道求逆预编码方法下的仿真结果进行对比和分析，说明了功率分配的必要 性和重要性。 第六章：总结了本文中各种预编码方法，对其进行对比分析，最后给出总的仿 真对比图，仿真证明了通过改进后的干扰利用及干扰旋转算法，可以极大的提升 系统的性能。 第二章多用户m i m o 下行链路干扰利用技术简介 第二章多用户m i m o 下行链路干扰利用技术简介 本章主要介绍多用户m i m o 下行链路中确知干扰的分离、利用和干扰旋转等 问题。 2 1 多用户m i m o 下行链路 多输入多输出( m i m o ) 系统因不需要增加频谱资源和发送功率却能成倍的提 高无线信道的容量而成为未来无线通信的关键技术之一。m i m o 系统将多径传播变 成有利因素，它有效使用随机衰落及多径时延扩展，加倍提高传输速率，而无须 增加额外的频谱【2 0 】。图2 1 给出了多用户m i m o 系统的模型示意图。 正如模型所示，接收端用户会受到来自其他用户数据的干扰，传统情况对于 多用户干扰处理的方法主要有信道求逆( c i ) ，分块对角化( b d ) ，最大化信干噪比 ( s l n r ) ，最大化信泄噪比( s l n r ) 等，前面三种算法的主要目标是对其他用户的干 扰进行尽可能多的抑制，最后一种算法是从自身角度出发，尽可能少的限制泄露 的干扰【2 。本章主要以c i 方法为依据，采用空分复用技术，探索多用户系统下的 干扰利用情况。 墨 s m ( o ) m 皿芦 图2 1 多用户m i m o 下行链路模型 假设系统有根发送天线，因为使用c i 进行预编码，接收端不做任何处理， 所以这m 跟天线可以属于同一个用户，也可以由k 个用户共享，这里假设每个接 收用户一根天线，共m 个用户。 r ( ) = i i x o + w ( 2 1 ) 6 多用户m i m o o f d m 系统下行链路干扰利用技术研究 其中r u = 【球n ，r 2 ( 0 , 西n ，瑞】r ， h 是m xn 的信道矩阵。 x o = 【靖n ，毫n ，砖n ，r 是n x l 的发送数据向量，w o = 【研n ，以n ，嵋n ，蟛r 是 m l 的a w g n 噪声向量。传统c i 情况下的预编码发送信号为： x ( = f h + ( h h ) b ( 2 - 2 ) 这里b o = 【6 f n ，6 n ，6 j n ，碟】r ，表示第i 个符号期间n x l 的发送符号向量。 t = h ( h h ) - 1 是信道的伪逆预编码矩阵，h 表示信道的共轭转置，厂是信道的 归一化因子，用来保证忙| 1 2 = ， i l x ( | 0 2 = ( x o ) x o = ( f h ( h h ) b 。) f h ( h h 。) - 1 b 7 = f 2 b 。p ( ( h h ) - 1 ) h h ( h h ) b ( 2 3 ) = f 2 b 。p ( ( h h + ) 一1 ) b = l j f = 4 l ( b 。( h h ) - 1 ) ( 2 4 ) 其中l 表示子流的个数。由于基于纯c i 的预编码存在着噪声放大，误码率较大等 问题，为此研究人员提出r c i ( r e g u l a r i s e dc h a n n e li n v e r s i o n ) 算法，此算法中采用 基于m m s e 的预编码矩阵，表示为： t = h ( h h + 口i ) - 1( 2 - 5 ) 这样发送符号的形式可以表示为： x ( = 厶h ( h h + 口i ) - b 7 ( 2 6 ) 由于l x 1 2 = 三，同a 中，可以求出厶。 0 2 = ( x ( o ) x o = ( 五h ( h h + 口i ) - 1 b 勺厶h ( h h + 口i ) - 1 b = 厶2 b 坩( ( h h + 口i ) 一1 ) h h ( h h + 口i ) 一b n = 厶2 - b 矿( q a q + 口i 、q a q ( q a q + 口i ) 一- b - - ( n ：z 2 b ( 坩q ( ( a + 口i ) 一1 ) q q a q ( q a q + 口1 ) - 1 b ( ，) ( 2 - 7 ) = 厶2 t r ( q “a + 口i ) 1 ) q q a q q ( a + 口i ) q b n b r ) = f r 2 t r q b “b 。r q ) ( 2 8 ) 第二章多用户m i m o 下行链路干扰利用技术简介 7 这里t r - 1 表示求矩阵的迹，h h = q a q ，a 是特征值矩阵，q 是特征向 量矩阵。通过这样的预编码有效的抑制了噪声放大的问题，但是会引入一部分残 留干扰，其功率可以通过调节因子口来控制1 2 2 1 。 2 2 确知信号干扰利用思想的介绍及其算法分析 图2 2 中给出- j b p s k 和q p s k 的有利干扰的星座图示意图。图中密集点区表示 信号的原始发送星座点位置，阴影区域就表示有利干扰的区域。当其他用户干扰 信号的星座点落入当前用户星座的阴影区域中时，就认为是对当前符号产生的有 利干扰，能够提升当前信号的瞬时功率，也即能将当前信号拉向阴影区域中，这 样就可以拉大信号星座间的最小距离，达到提升接收端性能的目标【2 3 1 。 b 麟 h ， 一1 皿k 气田 呼y 碉r q p 暇 i m l 囊j -止t 臻黔 。舅y 篮磕 - e l幺 l - 高 y 一 巴i 图2 2 有利干扰示意图 2 2 1 选择性干扰利用( s c i ) 算法的原理及分析 在公式( 2 2 ) 中，r = h h ，表示信道的自相关矩阵，也可以被认为是最大比 合并干扰矩阵。传统c l 的预编码，我们可以认为是用信道相关矩阵的逆，在发送 端做解相关的预处理，这样在接收端等效信道的非对角元素( 代表干扰) 的值就 被抵消为零，表示各个用户( 子流) 之间的干扰全部被预编码消除，用户( 子流) 是相互正交的。但是在某些情况下，如果干扰对某些用户是有利的，我们就大可 不必正交化所有用户，而是保留一部分非正交性，也即相关矩阵的非对角元素， 从而可以在接收端使得期望用户能够利用到系统残留的有利干扰【2 3 】【2 4 】。 对于m i m o o f d m 信道而言，在同一频率上的信道可以等效的为一个m i m o 信道，第f 个符号期间，同时发送的两个符号醚对比的符号间干扰i c i 可以表示为 z c z , i ：- b l t n 。 ( 2 9 ) 其中见。表示符号间相关干扰因子，是相关矩阵r = h h 中第材行，第k 列元素， 8 多用户m i m o o f d m 系统下行链路干扰利用技术研究 , o k ，= 吃，览，。 ( 2 1 0 ) 这样符号醪上的累积i c i 可以表示为 i c i ：d = 矽以一 ( 2 - 1 1 ) 基于上面对干扰的分析，通过对原始c i 预编码的修改，得到加入干扰利用矩 阵的预编码形式。由于发送端己知所有待发送的符号及信道信息，所以就可以预 先判断出接收端干扰的形式及性质，然后在发送端通过对预编码矩阵进行适当的 修改，从而剔除破坏性干扰，保留有利性干扰，得到一个有利性的预编码相关矩 阵r 。，即所谓的干扰利用矩阵。这样通过m m s e 准则我们可以得到： ，= e 黔b m - ( h 下b o + w p ) ) 1 1 2 ( 2 1 2 ) 求解可以得到修正后的预编码矩阵为： r = h i r l r 。 ( 2 1 3 ) 所以，发送的信号可以表示为： x = z h ( r i h ) 一r 。b ( 2 - 1 4 ) 同前面c i 的分析一样，可以得到归一化因子z 为： e 4 p i l 2 二兰( 2 - 1 5 ) z = 驴【r ”( h h ) - 1 r 】 从而可以写出接收端信号的表达形式为： 一= z r 。b + w ( 2 - 1 6 ) 由于s c i 中干扰利用矩阵r 的存在，使得接收端的瞬时s i n r 增大，从而比传 统的c l 具有更高的可靠性1 2 3 】【2 4 】。图2 3 给出了基于s c i i 拘发送接收机框图。 图2 3s c i 干扰利用原理框图 第二章多用户m i m o 下行链路干扰利用技术简介 9 2 2 2 干扰旋转利用( c r ) 算法的原理及分析 在前面干扰利用s c i 的基础上，我们考察另一种基于干扰相位旋转的干扰利用 技术c r 。如图2 4 所示，考察对象为第i 个符号周期内，第”个符号搅d 所受到的 干扰，硝风。表示第k 个符号对第”个符号的干扰，可以看出，这并不是我们所期 望的有利干扰，而醚风。虽然是我们期望的有利干扰，但是它对跣。符号的贡献并 不是很大。如果我们能将其相位分别适当旋转纯。，织。，那么旋转后的信号矢量 就和考察对象硝是同频同相的，这样在接收端收到的信号能量将是最大的，也即 能够利用最多的干扰信号【2 5 】。 i m oi 掣氏钆 l 妒也 声 突牡吼。 压 、饥 1r e 压 以纯。为例，我们可以得到： 图2 4 干扰旋转示意图 依，。= 么- l ( b n , o k ，。) 够督 ( 2 - 1 7 ) 其中么( 功表示取x 的角度，! ( x ) 表示取x 的共轭，i 叫表示取x 的模值。并且假 设旧i - l 。从而可以得到所有符号间的相关相位矩阵： o = 馈1 仍1 ： 1 纠相后的干扰利用矩阵可以表示为： 识j f 仍埘 0 9 m m ( 2 一1 8 ) l o 多用户m i m o - o f d m 系统下行链路干扰利用技术研究 凡= r 。 n ，i 仍。1 岛，i 仍。1 p m 静m 1 肛，2 仍。2 岛，2 仍。2 p m 舟m 2 岛m 仍 p l m 9 t m 。0 p m m q m m ( 2 一1 9 ) 这里。表示矩阵元素的点乘。容易证明l 仇，一= l ，说明旋转矩阵的幅度没有发生变 化。这样对于也的每一个元素而言，都构成了参考符号的有利干扰。与s c i 中不 同，我们将不利的干扰也能通过相位旋转，变成有利的干扰，这样对于每个码元 符号都可以利用其他用户子流符号的干扰。图2 5 给出基于c r 的发送接收机框图。 基于c r 的干扰利用中，所有用户都可以利用到其他用户数据泄漏过来的干扰。此 时通过m m s e 可以确定其预编码形式。 ，= e | l r p b 一( h t o b + w ) 1 1 2 ( 2 2 0 ) t 妒= h r - r ， ( 2 - 2 1 ) 接收信号表示为： x = h ( h h ) r 妒b o ( 2 2 2 ) 其中 e 4 l x ( ，) 1 1 2 三兰( 2 - 2 3 ) = 影印【r p ( h h ) - 1 r 妒】 图2 5 干扰旋转收发机框图 第二章多用户m i m o 下行链路干扰利用技术简介 l l 2 2 3 干扰利用复杂度及吞吐量分析 对于新旧系统的分析，复杂度比较是必不可少的一项，这直接决定着当前理 论的实用性。定义复杂度的计算为，每发送一帧符号，所需要的总的计算量( 操 作数) 1 2 6 】网，这里就c i 、s c i 及c l t 三种方法进行对比。 如表2 1 所示，我们给出了算法所涉及的所有操作的复杂度的计算，实际计算 时，还应该考虑算法的更新次数n 以及帧长，等因素，当存在功率分配时，认为 等功率分配和逆向功率分配的复杂度相同，都设为l ，迭代功率分配的复杂度要考 虑具体的迭代帧长，步长，及迭代次数等因素，后文中将具体给出其复杂度表达 式。这里假设信道相关矩阵r 的更新，对于慢衰落信道下每帧更新一次，即n = l ， 对于快衰落下n = 1 0 ，帧长n ，= l o o 固定不变，m 和n 分别表示系统收发天线数 目，后文仿真中都假设收发天线相等。 表2 1 操作复杂度 o p e r a t i o n s n o o fo p e r a t i o n s c o n s t r u c tr o ( n m 2 ) c o n s t r u c t 尺。 o ( m 3 ) c o n s t r u c t 戳 4 o ( m 2 ) i n v e r tr o ( m 3 ) m u l t i p l y r 一1w i t hb ( o o ( m 2 ) m u r i p l y r 。o rr 妒w i t hb ( )o ( m 2 ) m u l t i p l yw i t h h o ( g 加 c a l c u l a t es e a l i n gf a c t o rf d ( m ) 这样可以分别得出三种算法在等功率分配方法下的复杂度表达式分别为： o c , = n ( d ( m 3 ) + d ( m 2 ) + d ( m ) ) + ，( d ( m 2 ) + d ( r m ) ) ( 2 - 2 4 ) o s c i = n ( d ( m 3 ) + d ( m 2 ) + d ( m ) ) + _ ，( d ( 肘3 ) + d ( m 2 ) + d ( m 2 ) + d ( m ) ) ( 2 - 2 5 ) = n ( d ( 肘3 ) + d ( m 2 ) + d ( m ) ) + ，( 4 o ( m 2 ) + d ( m 2 ) + d ( m 2 ) + d ( 膨) ) ( 2 - 2 6 ) 可以看出，相对于c i ，s c i 及c r 最大不同之处在于干扰利用矩阵的求解上。 1 2 多用户m i m o - o f d m 系统下行链路干扰利用技术研究 注意对于s c i 情况下，s c i a ，s c i b ，s c i c 三种不同算法，他们的复杂度 近似相等，这里就不再细分说明，下面给出相对复杂度的增加情况。 艮，：； 竺竺竺生里竺塑一；一。 ( 2 2 7 ) 2 雨砑矛河丽丙荔历面丽瓦可洒可面厕 u 。 = 丽丽丽吾篇篇丽丽( 2 - 2 8 )2 瓦面面酉面万矛f 彘高鬲哥面两可面万丽 定义y = 表示c r 和s c i 复杂度的比值。当y 1 时，可以得到c r 复杂度 小于s c i 的临界天线数目，即 鱼：! 竺：2 坐：! ，( d 3 ) + d ( m 2 ) ) 5 m 2 m 3 + m 2 sl jm 4 所以当接收天线数大于4 时，c r 预编码的复杂度会比s c i 的小，需要的计算 量较少，这将在后面的仿真中进行验证解释。 吞吐量是衡量系统性能的另外一个重要指标。定义吞吐量为： z = ( 1 - b l e r ) m ns e g m e n t c h a n n e lz 艘 ( 2 - 2 9 ) 其中b l e r 表示误块率( b l o c ke r r o rr a t e ) ，这里研究整个m i m o o f d m 系统的 吞吐量，所以每块数据包括m c a r r i e r n u m ，个符号，聊表示每符号对应的比特 数目，b p s k 中m = l ，q p s k 中m = 2 。 2 3 仿真结果及分析 给出仿真环境为：信道总载波数为2 0 4 8 个，使用中间9 6 个载波进行通信， 基站4 根天线，4 个用户同时通信，每个用户l 根天线，所有用户同频同时，共享 资源，通过空分来区分，调制方式为p s k 。 2 3 1 确知信号干扰利用仿真分析 误码率对比： 第二章多用户m i m o 下行链路干扰利用技术简介 1 3 图2 6 总的误码性能对比 图2 6 给出了等功率分配下c i ，r c i ，s c i ( a s c ) ，s r c i 几种算法的对比图， 从中可以看出利用干扰情况下比不利用情况下性能要好，对于干扰利用情况下，a 方法复杂度相对最低，但是性能也最差，b 方法复杂度最高，需要逐个符号取判断， 但是性能也最好，c 方法在复杂度和性能两个方面相对折中，基于r c i 的预编码方 法比单纯c i 预编码性能要好【2 钔。 图2 7 给出了c i 和s c i 在s 胛= 2 0 d b 时候给出的星座图对比情况，可以明显 看出来s c i 中的接收信号星座点比c i 的要发散很多，意味着s c i 情况下，接收信 号能够利用一部分其他信号的能量，使得自身的瞬时幅度增大，从而使得接收机 能够更容易的进行判决和解码。 图2 7 c i 和s c i 星座对比图 1 4 多用户m i m o - o f d m 系统下行链路干扰利用技术研究 图2 8c i 和s c i 复杂度对比图 图2 9 吞吐量与信噪比关系图 图2 8 给出了等功率分配情况下c i ，s c i ，c r 三种预编码方法下复杂度的对 比图。假设信道的更新，对于慢衰落信道下每帧更新一次，即n = l ，对于快衰落 下n = 1 0 ，帧长，= 1 0 0 固定不变，系统使用的总载波数为9 6 ，收发天线数都为4 。 可见相比s c i 而言，c r 的复杂度增长幅度比较小。 图2 9 中给出了c i 和s c i 两种预编码方法下，分别基于b p s k 和q p s k 两种 调制方式下的吞吐量对比关系。从图中可以明显看出来s c i 下，系统在较低的s n r 下就能达到较高的吞吐量，在b p s k 情况下比c i 预编码提高了约3 d b ，在q p s k 调制下，提前了约2 d b 。 2 3 2 确知信号干扰旋转仿真分析 一垂垂攀 o i 2 k2 却女- - i f = 兜! l i i l 阜! t l = ：- t = ：= i - _ = ：= 站= = ：f - = = = & ：，：= = = t = = = ： i i i ! i ；i ! ；逵；! i ! ! ；釜嬉i i i ! ! 过；! ； 图2 1 0 c i 和c r 误码对比图 从图2 1 0 中可以看出，等功率分配下c r ，远比c i 性能好，在误码率为1 0 - 3 时 第二章多用户m i m o 下行链路干扰利用技术简介 1 5 提高了近4 d b 。相比s c i 而言，c r 也比其性能要好很多，这是因为c r 情况下， 干扰是全利用，而s c i 则是部分利用。( 参考文献中，q p s k 调制，瑞利信道下， 天线对为4 x 4 时，两者差别5 d b ，天线对为8 x 8 时，两者差别7 d b ) 。 图2 1 lc i 和c r 星座对比图 图2 1 l 给出了c i 和c r 在s n r = 2 0 d b 时候的星座对比图，这里的c i 和之前的 略有差别，采用的是文献【2 5 】中的归一化方法。可以明显看出c r 较c i 性能有较 大改善。 帅一m 图2 1 2c i 和c r 复杂度对比图图2 1 3c i 和c r 吞吐量对比图 图2 1 2 给出了c i ，s c i 及c r 的复杂度对比图，同前文所推导的相同，在接 收天线m 4 时，c r 的复杂度明显开始比s c i 减少很多。图2 1 3 给出了c r 和 c i 的吞吐量对比图。可以看出相比单纯c i 预编码而言，c r 预编码的情况下性能 要好很多。 ljijj：=i耋：。】l暑e=illno羔。暑jq j - = 芒：t 1 6 多用户m i m o o f d m 系统下行链路干扰利用技术研究 2 4 本章小结 本章首先介绍了m i m o 系统的原理及仿真模型，然后在此基础上详细介绍了 确知干扰的分离问题，随后以q p s k 和b p s k 两种调制方式为例，介绍了干扰利 用的原理，紧接着再给出干扰旋转利用的算法原理及其收发机实现框图，最后给 出其仿真结果对比图。 通过仿真分析，可以看出，在c i 预编码条件下，干扰利用技术和干扰旋转方 法，可以在牺牲一定复杂度代价的前提下，提升系统的性能，使得接收端能够不 做任何解编码处理而获的一定增益。但是在仿真过程中发现，对于所有的子信道， 并不是都合适使用干扰利用或者干扰旋转算法，还存在着性能恶化现象，对此我 们将在下一章进行详细分析。 第三章确知信号干扰利用在m i m o - o f d m 系统中的问题分析 1 7 第三章确知信号干扰利用在m i m o o f d m 系统中 的问题分析 上一章中介绍了干扰利用s c i 及干扰旋转利用c r 两种算法的原理，并对其进 行仿真对比，可以发现相比传统c i 而言，误码性能和吞吐量等都有大幅提升，但 此技术是针对平衰落信道下的多用户m i m o 下行链路。本章讨论该方法推广到频 率选择性矢量信道，即探索m i m o o f d m 系统中s c m 信道下的性能及存在问题。 3 1m i m o o f d m 系统模型 多输入多输出( m i m o ) 系统因不需要增加频谱资源和发送功率却能成倍的提 高无线信道的容量而成为未来无线通信的关键技术之一。正交频分复用( o f d m ) 技术实际上是m c m ( m u l t i c a r d e rm o d u l a t i o n 多载波调制) 的一种，其主要思想是： 将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制 到每个子信道上进行传输【2 0 1 。 m i m o o f d m 的结合是个必然，如图3 1 所示，m i m o o f d m 系统在发送端和 接收端各设置多副天线，输入的比特流经串并变换为多个分支。每个支路都依次 进行o f d m 处理，即经过编码、交织、q a m 映射、插入导频信号、i f f t 变换、加 循环前缀等过程，再经过二次上变频从天线发送到无线信道中；接收端进行与发 射端相反的信号处理过程，即去除循环前缀、f f t 变换、提取导频信息、解调、解 交织、解码等，最后完全恢复原来的比特流【2 1 1 。 数据源h信道编码 _ 叫m i m 0 编码器 0 f d m 调制器i io f d m 调制器i lo f d m 调制器 信道 o f d m 调制器i 一lo f d m 调制器l lo f d m 调制器 接收机中的信号处理hm i m 0 解码器h 信道解码h 数据接收端 1 8 多用户m i m o - o f d m 系统下行链路干扰利用技术研究 3 2 频率选择性m i m o 信道下干扰利用算法的性能恶化现象 这里采用s c m a 信澍3 2 1 进行分析和和讨论，该信道模型中假设每对收发天线 间共有6 条主径，每条主径由2 0 条子径组成，子径的功率和延迟都是随机的。仿 真环境设定为收发4 x 4 天线对，总的可用载波数为2 0 4 8 个，实际仿真使用中间9 6 个，发送符号采用q p s k 调制方式。分别对不同的干扰利用算法进行仿真，存在如 下现象。 图3 2s c i 性能恶化现象示意图 图3 2 给出的是信道4 5 处的仿真图，可以看出使用干扰利用时反而比不使用 干扰利用的性能更差。 图3 3c r 性能恶化示意图 第三章确知信号干扰利用在m i m o o f d m 系统中的问题分析 1 9 图3 3 表明，干扰旋转中也存在着高信噪比下，性能反而恶化的现象。 以上两种现象说明在m i m o o f d m 系统中，并不是所有的子信道都可以采用 干扰利用算法进行预编码，存在着一些信道，使得在干扰利用预编码条件下接收 端的性能反而比普通信道逆预编码的性能还差。 3 3 基于平均误码率的恶化性能分析 仿真过程中，比较的是多用户多载波的平均误码情况，从子载波的角度来看， 每个子载波上承载的是所有用户的数据( 所有用户同频同时) ，这样可以得到所有 用户在所有载波上的平均误码率的表达形式为【2 8 】： e = e ( 爿) l - 譬g - - 。1 一 智。 图3 4 信道增益和误码率关系对比 图3 4 给出误码率和信道归一化增益的对比图，蓝色实线表示信道归一化增 益，绿色虚线表示对应的误码性能。可以看出，当信道增益较大时，系统误码率 较低，当信道增益较小时，误码率相对较高。由于对于m i m o o f d m 系统而言， 其等效子信道的差异是非常大的，根据“短板效应可以知道