（通信与信息系统专业论文）基于能量效率的mimo下行联合传输算法性能研究.pdf

重庆邮电人学硕士论文 摘要 摘要 目前许多文献研究了多用户m i m o 下行联合传输( 汀) 技术，并证明j t 技术 能大大的简化接收端的检测算法复杂度。但对于多用户m i m o 系统联合传输技术发 送端算法的性能分析较少从能量效率和传输效率的角度考虑，而能量效率和传输效 率是较为重要的性能指标。面向接收端的j t 发送端调制算法主要分为线性和非线性 两类，在这些线性算法中主要有t x m f ，t x m m s e 和t x z f 等三种，但发送端线性 调制算法一般具有较大的能量增益，使小区间的多址干扰增大，直接影响系统的容 量。因此研究能量效率，分析和比较各种联合传输技术发送端算法的能量效率和传 输效率性能，并在此基础上寻求能量效率和传输效率高的算法或改进已有的算法是 非常重要的。 本文研究多用户m i m o 下行盯算法的能量效率和传输效率。首先给出了多用 户m i m o l 下行链路模型，并在此基础上推导出了数据检测算法和调制算法，同时就 t d s c d m a 系统应用环境进行了仿真和分析。其次修j 下了能量效率的计算公式，使 其适应本文的多用户m i m o 下行联合传输技术，并讨论了多用户m i m o 下行联合 传输技术发送端各种调制算法的能量效率性能。然后，以能量效率最高的t x m f 为 参照，具体分析了t x z f 的传输效率和发送能量，可看出t x z f 是以提高发送能量 为代价提高误码率性能的。最后，本文还研究了具有低发送能量的t x n z f 算法的 能量效率、传输效率和误码率性能，证明这种算法不仅能提高能量效率，也保证了 较好的误码率性能。这些结果对多用户m i m o 下行链路中j t 算法的选择和实际应 用具有重要参考价值。 关键词：t d s c d m a ，多用户m i m o ，联合传输，能量效率，传输效率 重庆邮电人学硕士论文 摘要 a b s t r a c t u pt on o wm a n yr e s e a r c h e r sh a v es t u d i e dt h em u l t i l a s e rm i m od o w n l i n kj o i n t t r a n s m i s s i o n ( j r ) t e c h n o l o g y , a n dp r o v et h et e c h n o l o g yc a r lg r e a t l ys i m p l i f yt h ed e t e c t i o n a l g o r i t h mc o m p l e x i t yo f t h er e c e i v e r b u tn o n eo ft h e mr e s e a r c ho nt h ee n e r g ye f f i c i e n c y e v e ne n e r g ye f f i c i e n c yi sa ni m p o r t a n tp e r f o r m a n c ec r i t e r i o n f o rr e c e i v e ro r i e n t e d s c h e m ej tc o n s i s t so f t w ot r a n s m i t t e rm o d u l a t i o na l g o r i t h m t h eo n ep r o p o s a l sf o rj t c o n c e m e dl i n e a rt r a n s m i s s i o na l g o r i t h m sw h i c hb a s eo nt h er a t i o n a l e st r a n s m i tm a t c h e d f i l t e r ( t x m f ) ，t r a n s m i tm i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ( t x m m s e ) o rt r a n s m i tz e r o f o r c i n g ( t x z f ) t h e s et h r e el i n e a ra l g o r i t h m sd i f f e rf r o me a c ho t h e rb yt h ew a yi nw h i c h t h ep r o b l e m so fi n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ( i s i ) a n dm u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ( m a i ) a r e a d d r e s s e dw h e nd e s i g n i n gt r a n s m i t t e ds i g n a l s b u tl i n e a rm o d u l a t i o nt r a n s m i t t e r a l g o r i t h m st e n dt oh a v em o r ee n e r g yg a i n , w h i c hm a d ei n t e r c e l lm a ii n c r e a s ea n dd i r e c t i m p a c to nt h ec a p a c i t yo ft h es y s t e m s oa n a l y s i sp e r f o r m a n c eo ft h e s et r a n s m i s s i o n a l g o r i t h m sb a s e do ne n e r g ye f f i c i e n c ya n dt xe f f i c i e n c yc r i t e r i o n ，a n dg i v e na na l g o r i t h m 谢t l ll l i g he n e r g ye f f i c i e n c yb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t h i sp a p e rf o c u s e so na n a l y s i sp e r f o r m a n c eo f j o i n tt r a n s m i s s i o ns c h e m ei nm i m o d o w n l i n kb a s e do ne n e r g ye f f i c i e n c ya n dt xe f f i c i e n c yc r i t e r i o n f i r s t l y , am o d e lo f m u l t i u s e rm i m od o w n l i n ki si n t r o d u c e d ，c o n s e q u e n t l y , ad a t at r a n s m i s s i o nm o d u l m i o n a l g o r i t h ma n dd a t ad e t e c t i o na l g o r i t h mi sg o t t h e nw ep r e s e n te n e r g ye f f i c i e n tc r i t e r i o n a n dm o d i f yi tf o rj tm i m os c h e m ei nt h i sp a p e r , w ed oc o m p a r et h et r a n s m i s s i o n a l g o r i t h mo fj tm i m 0s c h e m eb a s e do ne n e r g ye f f i c i e n c yc r i t e r i o na n dt xe f f i c i e n c y m o r e o v e r , w i t ht h eh i g h e s te n e r g ye f f i c i e n c yt x m fa sar e f e r e n c e ，ad e t a i l e da n a l y s i so f t x z fw a sp r e s e n t e d a tl a s t , b e c a u s et x z fh a sal o we n e r g ye f f i c i e n c y , s ow ei n t r o d u c ea n o n l i n e a rt r a n s m i s s i o na l g o r i t h mf o rj tm i m os c h e m et oo v e r c o m et h i sl o wu t i l i t yr a t i o o ft r a n s m i te n e r g y s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h et x n z fa l g o r i t h mh a ss u p e r i o r p e r f o r m a n c ec o m p a r ew i t hl i n e a ra l g o r i t h m si nm u l t i u s e rm i m 0 j td o w n l i n k k e yw o r d s ：t d - s c d m a ，m u l t i - u s e rm i m o ，j o i n tt r a n s m i s s i o n , e n e r g ye f f i c i e n c y , t x e f f i c i e n c y i i 重庆邮电大学硕十论文第一章绪论 第一章绪论 1 1t d s c d m a 通信系统概述 t d s c d m a 系统是t d m a 和c d m a 两种基本传输模式的灵活结合，是由我国 提出并得到i t u 通过的3 g 无线通信标准【1 】【2 1 。它是世界上第一个采用时分双工 ( t d d ) 方式和智能天线技术的公众陆地移动通信系统，也是唯一采用同步c d m a 技术和低码片速率( l c r ) 的第三代移动通信系统。 t d s c d m a 是t d d 模式的，且同时使用了f d m a f i d m a c d m a 技术、o p s k 射频调制技术、正交可变扩频，用软件和帧结构设计来实现严格的上行同步，联合 使用智能天线和联合检测技术，因此，在达到高数据率的同时，还达到了较高的频 谱利用率和较大的系统容量。其发送和接收在同一频率信道( 即载波) 的不同时隙， 用时间来分离接收和发送信道。该模式在不对称业务中具有不可比拟的灵活性，时 域上下行切换点可灵活变动，所以对于对称业务( 语音和多媒体等) 和不对称业务 ( 包交换和因特网等) ，都可充分利用无线频谱。 t d s c d m a 还同时采用了联合检测、软件无线电、接力切换等一系列高新技术 1 3 1 。接下来，仅介绍与论文有关的联合检测技术。 t d s c d m a 系统是干扰受限系统，包括多径干扰、小区内多用户干扰和小区f 目 的干扰，这些干扰破坏了各个信道的正交性，降低了系统的频谱利用率。传统的r f k c 接收机技术把小区内的多用户干扰当作噪声处理，而没有利用该干扰不同于噪声干 扰的独有特性，t d s c d m a 系统采用的联合检测是一种有效的抗干扰措施，由于联 合检测技术具有抗远近效应的能力，还可以降低系统对功率控制的要求1 4 j 。 从信息论角度来看，c d m a 移动通信系统是多用户系统，采用传统的单用户检 测方式，如匹配滤波器，不能充分利用用户间的信息，而将多址干扰认为是高斯白 噪声，因此大大降低了系统容量。1 9 8 6 年，v e r d u 提出了多用户检测思想【5 l ，认为 多址干扰是具有一定结构的有效信息，理论上证明采用最大似然序列检测( m l s d ) 可以逼近单用户接收性能，并有效地克服了远近效应，大大地提高了系统容量，从 而开始了对多用户检测的广泛研究。 重庆邮电人学硕士论文 第一章绪论 、- r _ ， ( 4 a h ) a h 图1 1 联合检测原理图 图1 2 给出了联合检测技术的原理框副纠】。它是一种面向发送的技术，也就是 说，优先确定发送端的算法，然后确定出与发送端算法和信道信息相匹配的接收端 算法。这种技术的缺点是，在确定接收端算法时需要知道信道信息，因此必须在接 收端做信道估计和复杂的检测算法，这使得接收端实现起来十分困难，由原理图我 们也可以清楚的看出。对于基站，接收机可以实现这些复杂的处理，但是对于移动 终端，由于受到处理能力等因素的限制，严重的阻碍了联合检测技术在下行链路的 实施。 1 2 联合传输技术的提出 与联合检测技术相对，r w b a i e r 等人在文【8 j 提出了一种新的适用于t d d 系统 下行链路的多用户传输技术联合传输技术( 盯) 。它是一种面向接收的技术，在这 种技术中，接收端算法是优先确定的，并且尽可能简单，发送端在考虑了信道信息 和接收端算法的情况下，随之确定出与之匹配的发送端算法i 2 1 。它可以充分的利 用t d d 上下行信道冲激响应近似相等的特性，下行不需要利用训练序歹0 估计信道， 可以将训练序列的部分传送有用数据，因此提高了下行链路的有用数据速率，改善 了系统容量【l3 1 。联合传输技术最重要的优点是：优先确定接收端算法，能够实现非 常简单的接收机结构。因此，在t d s c d m a 系统下行链路中，它很自然地将成为 最佳选择。 图1 2 说明了基于传输迫零( t x z f ) 准则的联合传输技术的基本原理降1 2 】。 、一 口h ( 口8 h ) 一1 召 图1 2 基于t x z f 准则的联合传输技术基本原理图 2 重庆邮电人学硕十论文第一章绪论 1 3m i m o 系统概述 m i m o ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 系统，最早是由m a r c o n i 于1 9 0 8 年提 出，它利用多天线来抑制多径衰落。根据s h a n n o n 的信息论【1 4 】结果，m i m o 信道的 容量随着天线数量的增大而线性增大【1 5 】。也就是说可以利用m i m o 信道成倍地提高 无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提 高。 通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明，对于m i m o 系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。m i m o 系统在发射端和接收端均 采用多天线( 或阵列天线) 和多通道，m i m o 的多入多出是针对多径无线信道来说 的。图1 3 所示为m i m o 系统的原理图。 发 送 端 接 收 端 图1 3m i m o 系统信道模型 传输信息流d 经过空时编码形成个信息子流f j ，= 1 ，o 这个子流由 晒个天线发送出去，经空间信道后由砌个接收天线接收。多天线接收机利用先进 的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳的处理。特别是，这 个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并未增加带宽。若各发 射接收天线间的通道响应独立，则多入多出系统可以创造多个并行空间信道。通过 这些并行空间信道独立地传输信息，数据率必然可以提高。 系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统最大传输率。对 于发射天线数为硒，接收天线数为k m 的多入多出( m i m o ) 系统，假定信道为独立的 瑞利衰落信道，并设、砌很大，则信道容量c 近似为： c = m i n ( k u , k b ) i b i 0 9 2 ( t 2 ) ( 1 1 ) 3 重庆邮电火学硕士论文第一章绪论 其中b 为信号带宽，为接收端平均信噪比，m i n 乩) 为k b 的较小者。 上式表明，功率和带宽固定时，多入多出系统的最大容量或容量上限随最小天线数 的增加而线性增加。而在同样条件下，在接收端或发射端采用多天线或天线阵列的 普通智能天线系统，其容量仅随天线数的对数增加而增加。也就是说可以利用m i m o 信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用 率可以成倍地提高。目前，m i m o 已经被列为第四代移动通信的关键技术【1 3 j 。 1 4j t m i m o 的提出 由于m i m o 系统在发射端和接收端均采用多天线，使m i m o 接收检测复杂度 高，这种检测的复杂度，在基站端可以忍受，但是移动台由于受到处理能力和价格 等因素的限制，严重影响m i m o 的应用，所以研究m i m o 下行链路的低复杂度检 测算法具有十分重要的理论价值和应用价值。 由于联合传输技术( 盯) ，能利用t d d 模式上下行链路无线信道冲激响应近似 相同的特点，只在上行链路的基站对信道进行估计，下行链路一方面利用估计得到 的信道冲激响应值，另一方面把复杂的检测算法由移动台移到基站实现，移动台仅 需简单的接收处理，因此利用联合传输方法来降低m i m o 下行检测算法的复杂度是 可行的。先前的研究实现了利用联合传输的方法来降低m i m 0 下行检测复杂度的方案 0 6 1 ，它把复杂的m i m o 译码和检测算法从移动台移到基站实现，移动台仅需简单的 接收处理。这种方案被简称为j tm i m o 技术。 1 5 选题意义 上节介绍了多用户m i m o 下行联合传输技术，该技术不仅可以实现m i m o 系统 容量和性能上的优势，而且通过j t 技术降低了m i m o 系统检测的复杂性。目前对 于多用户m i m o 系统联合传输技术发送端算法的性能分析较少从能量效率的角度 考虑，而能量效率是较为重要的性能指标。在无线通信系统中为对抗传输误码，b s 端通常增大发送能量来保证接收端有用能量尽可能高和残余干扰尽可能小；然而另 一方面在无线通信系统中发送能量被要求尽可能低以保证小区内和小区间的干扰尽 可能低，这样可使通信系统容量增大。这样便存在寻求合适的算法，以使发送能量 的利用率高即能量效率高，也就可使发送能量尽可能的小且误码率性能较好。 面向接收端的j t 发送端调制算法主要分为线性和非线性两类，在这些线性算法 中主要有t x m f ，t x m m s e 和t x z f 等，他们的区别在于设计发射信号时，解决符 号间干扰( i s i ) 和多址干扰( m a i ) 的方式不同。t x m f 在最大化接收端的有用能 量时不能完全解决i s i 和m a i 的干扰，t x z f 为了完全消除了i s i 和m a i 而降低接 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 收端的有用能量，t x m m s e 则是在残余干扰和接收端的有用能量之间进行了较好的 折中。目前在j tm i m o 中较为适用的发送端线性调制算法是t x z f ，但此算法具有 较大的能量增益，使用小区间的多址干扰增大，直接影响系统的容量。因此研究能 量效率，分析和比较各种联合传输技术发送端算法的能量效率性能，特别是分析 t x z f 的能量效率和传输效率性能，并在此基础上寻求能量效率高的算法或改进已 有的算法，是值得研究的新课题，也是急需解决的问题。 本文把能量效率和传输效率作为衡量评价各种j tm i m o 发送端算法的主要性 能指标。本文主要讨论下面三个问题： ( 1 ) 如何计算能量效率，使能量效率的计算式适合本文所涉及的系统： ( 2 ) 用能量效率和传输效率性能标准来评价各种发送端算法，着重分析了t x z f 算 法的性能和传输效率。 ( 3 ) 给出一种能量效率较高且误码率性能好的非线性算法，并分析这种算法的能量 效率性能和传输效率性能。 1 6 论文结构 本文主要研究了基于联合传输方法的低复杂度m i m o 检测算法及其在 t d s c d m a 系统中的应用，全文共分六章，各章的内容安排如下： 第一章首先介绍了t d s c d m a 系统，联合传输技术和基于联合传输方法的低 复杂度m i m o 检测算法，以及研究j tm i m o 发送端算法能量效率的意义。 第二章讨论了降低多用户m i m o 下行检测复杂性的联合传输技术的矢量模型， 讨论了调制矩阵的选择，并给出了不同调制矩阵算法的性能分析。 第三章给出了能量效率的定义及计算方法，并分析了线性算法的能量效率；通 过分析可知，j tm i m o 技术发送端各种线性调制算法中，t x m f 算法有最好的能量 效率性能，但它不能消除i s i 和m a i ，所以误码率性能最差；t x m m s e 算法误码率 性能较好，能量效率适中：目前j tm i m o 技术中适用的t x z f 算法能完全消除i s l 和m a i ，误码率性能较为理想，但能量效率不高。 第四章以能量效率最高的t x m f 为参照，具体分析了t x z f 的传输效率和发送 能量，可看出t x z f 是以提高发送能量为代价提高误码率性能的。 第五章分析了具有低发送能量的t x n z f 算法的能量效率、传输效率和误码率 性能，证明这种算法不仅能提高能量效率，也保证了较好的误码率性能。所以在j t m i m o 技术中可以选用诸如t x n z f 的非线性算法来得到更好的系统性能。 第六章概括性地总结了本文所做工作，并探讨了进一步的研究方向。 重庆邮电大学硕十论文 第二章多用户m i m o 系统下行联合传输技术 2 1 引言 第二章多用户m i m o 系统下行联合传输技术 文献【l - 强】研究了降低t d s c d m a 下行链路检测复杂性的联合传输( 盯) 技术， 该方法具有在移动台不需要复杂的信道估计和联合检测算法，而没有牺牲接收性能 的优点。文献2 】1 1 7 - 1 9 1 研究了盯技术在单入单出的下行链路中的情况，文献【1 6 】将该 方法推广应用到多用户m i m o 下行链路情况，这种方案不仅可以实现m i m o 系统 容量和性能上的优势，而且通过j t 技术降低了m i m o 系统检测的复杂性。由于用 户也采用多天线，带来一定的接收分集增益。因此，多用户m i m o 下行联合传输( 简 称j tm i m o ) 技术比传统的盯技术性能得到了较大的提高。 本章首先给出了多用户m i m o 下行链路模型，在此基础上导出了数据检测算 法，每个移动台只需一个线性滤波器来完成数据检测，大大地降低了接收机的计算 量，并分析了不同调制方法的性能。 本文中，t 表示矩阵转置，h 表示共轭转置。由于篇幅，关于联合传输技术和 采用的其它符号可以参考文献i l7 - 1 9 。 2 2 多用户m i m o 下行链路联合传输模型 m j 5 i k , k b , k m ) ， “( 1 d 暑) d i d 图2 1 多用户m i m o 下行链路联合传输模型 图2 1 给出了多用户m i m o 下行链路联合传输模型，假定一个基站服务k 个 移动终端。基站采用个发送天线阵，每个移动终端采用k m 个接收天线阵。因此， 基站和每个移动终端间的链路都建立了个m i m o 结构，总的系统是一个多用户的 6 重庆邮电火学硕士论文 第二章多用户m i m o 系统下行联合传输技术 m i m o 结构。 基站为每个移动终端发送个数据符号： d 足) = ( 研七) 硝) t ， k = 1 9 e9 k ( 2 1 ) 将发送给k 个移动终端的数据表示成总的数据矢量： d = ( d 1 1 d k ) ) t - - ( 4 d k n ) t ( 2 2 ) 令m 叫，长度为m 的数据矢量d 是广义平稳，均值为零，协方差矩阵为 心- - , e r i d h - 易， ( 2 3 ) 数据矢量d 通过调制矩阵m 完成线性调制，被映射为一个k b s 1 的空间扩频信号 ( s = n s o ，s o 为扩频因子) ： f = ( f ( 1 ) 1 t 埘) t = ( o i k b s ) t = m d ( 2 4 ) t ( k e ) 是由第( = l ，k s ) 根发射天线发送的s i 维的空间信号。m 是一个 k b 8 k n 的调制矩阵，调制矩阵的设计在第2 4 节给出。 基站第根发射天线和第七个移动终端服的第锄根接收天线间的频率选择性 信道的信道冲激响应为 厅七b = ( j | l ；：七，五，w ( ，k , k b , k m ) ) t( 2 5 ) 可构成( 姆w - 1 ) x s 信道卷积矩阵 h ，( k , k b , k m = ( 日子) ，i = 1 ，s + w 一1 ；j ：l ，s ( 2 6 ) 日! k b , k m ) ：jh 叫( k , k 十s i , k 川，l f 一+ 1 ” 10 ，其他 ( 2 7 ) k = l ，- 。，尺；k b = l ，k s ；k m = l ，k m 用户触的第根接收天线接收到的信号为 k o ，( 七) ：9 日( 七，k b ，f ( ) - o ：( 日( 地) 日( 七，k , e ，k u ) ) t ( 2 8 ) = 日七t ， k = l ，尬= l ，翰 用户触的锄根接收天线接收到的信号组成用户k 的接收信号，( 七) ： 7 重庆邮电大学硕十论文 第二章多用户m i m o 系统下行联合传输技术 ：( 1 ) t k u ) t ) t = ( 日( 疋i ) t 何( 七，) t ) t ， = 日( 七) f ，k = l ，k ( 2 9 ) k 个用户的接收信号，( 扪( k - - = l ，k ) 组成k k m ( s + w - 1 ) 1 维的总接收信号： ，：( r o ) t ，( k ) t 1 t = f 日( 1 ) t 一日( 髟) t ) t t ( 2 1 0 ) = h t 2 3 数据检测 首先假设在无噪声的情况下，移动终端肌接收的数据，f 量) 经过解调矩阵d ( 丘) 后 可以得到期望的无i s i ( 符号间干扰) 和m a i ( 多址干扰) 的用户数据： i ( 七) 兰d ( 七) ，( 七) ：d ( 七)( 2 11 ) 其次假设在有高斯白噪情况下，接收信号，被一个k k m ( s + w - i ) xl 的噪声矗 破坏 i = ( 7 1 i i k k m ( s + 一1 ) ) t ( 2 1 2 ) 假设式( 2 1 2 ) 中的总噪声信号以是高斯，零均值的广义平稳随机过程，它与式( 2 2 ) 中的d 是互相独立的。它的协方差矩阵为 心= e n n h l = 盯2 i k k m ( s 梆一 玎 ， 则经过解调后的总数据为 d - 。d r + 以】= d h m d + 尼】 数据符号吒解调后的估计值孑。包括有用数据部分 d 。喇一= d h m l n d 。 干扰部分 d i 吐。= 丽( 删矽 。 和噪声部分 ，。= 【加l 估计误差是由噪声和干扰引起的，即 8 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 重庆邮电大学硕+ 论文第二章多用户m i m o 系统下行联合传输技术 s = d 一( 吨 1 d 。，m ) t ；d d i a g ( d h m ) d = d i a g ( d h m ) d d n ( 2 1 8 ) 我们已经假设d 和甩是具有( 2 3 ) 式和( 2 1 3 ) 式的统计特性的随机向量。那么， ( 2 1 8 ) 式中的s 也是一个随机向量，它的均值为零，协方差矩阵为 咫2 s s h ) = i d i a g ( d h m ) ( d - 丽( d h m ) ) h 易+ d r n d h ( 2 1 9 ) 干扰 用信噪干比( s n l r ) 以来衡量估计值吒的质量。它是基于估计误差的协方差矩 阵r 的，见【2 0 】。 ，一 是 l d 峨，一1 2 一 d h m m 1 2 易 7 。月3 ： i dn 。i s c ，一1 2 + 。e ，。l 、i d t n t ，一1 2 ) 【。屯】”一 ( 2 2 。) i d h m 易 d r d + i l 丽( 删) 日 解调矩阵的选择方法有很多，如何选择合适的解调矩阵，既能达到低误码率和 有效的能量传输，又可以使接收端尽可熊的简化，是联合传输技术研究的一个重点。 本文只给出了直接解扩解调矩阵的选择方法，只考虑无噪声的情况。 如果令七) - c ( 七) h ，c ( 七) 为分配给用户触的c d m a 扩频码c ( 七) - ( c f 七) 蜷) t 组 成的扩频码矩阵： c ( 七) - c ( k , 1 ) h c ( 正，) h h( 2 2 1 ) lj d 七，是对应于用户肌的第( k a y - - 1 ，函) 根接收天线的子扩频码矩阵， 它们相等 c ( 蛐w ) 一- - ，- - ( i , 七j 知) ) 扛1 ，s + w l ；j = 1 ， ( 2 2 2 ) c ： 转蒜吲川硒 眩2 3 ， 并有如下结构： 9 重庆邮电大学硕十论文第二章多用户m i m o 系统下行联合传输技术 c k ，k m ) = c c ! 七 ： c 甜) c i ( k ) c ! 七) ： c 多： o w 一1 o ( s + 形一1 ) n k 个用户的总扩频码矩阵为c = b l o c k d i a g c d ) c ( 足) 。 选择总的解调矩阵： d ：c h ，d ：b l o c k d i a g d ( 1 ) d ( k ) 1 ( 2 2 4 ) 用户凤的解调矩阵d ( 七) 的结构如图2 2 ： ) = ( 必肼( s o | + 1 ) 片 图2 2 解调矩阵d ( t ) 的结构 解调后的总数据为 0 ：d r = d h t ( 2 2 5 ) 当采用这种解调方式时，移动终端只需要装备一个与各自的c d m a 扩频码相 匹配的线性滤波器就可以完成数据检测，这对于尽可能的实现移动终端简化，具有 很大的意义和很好的应用前景。 1 0 重庆邮电人学硕十论文 第二章多用户m i m o 系统下行联合传输技术 2 4 调制矩阵的确定 我们已知联合传输技术是一种面向接收端的技术，它优先确定解调矩阵d ，然 后根据己确定的解调矩阵d 和由信道估计得到的信道矩阵日，随后确定与之相匹配 的调制矩阵膨。 由图2 3 所示的信道传输概念可以引入调制矩阵m 的确定方法。 m t = md h ，= h t d d = d r d = d h t = d h m d d h m = i 图2 3 信道传输概念 经过调制矩阵m 调制后的总发送数据为 t = m d ( 2 2 6 ) 从上小节已知，假设在无噪情况下，接收端经过解调矩阵d 后可以得到无偏的 用户数据 d = d ，= d h t( 2 2 7 ) 为了简化，引入矩阵b ，令曰= d 日，则 d = b t = c h h t = c h h m d( 2 2 8 ) b 矩阵大小为k n k a s ，一般地，k n 娜，当t d s c d m a 上行链路的前一 时隙的时间间隔比移动无线信道的相关时间足够小，那么基站就可以知道( 2 2 8 ) 式中的c ，日和d 。 选择调制矩阵m 的线性准则比较熟知的有：传输匹配滤波( t x m f ) 2 q 、传输 迫零( t x z f ) 0 0 1 和传输的方差( t x m m s e ) 2 2 1 调制等。 对于传输迫零准则： m = b h ( b j b h1 i ( 2 2 9 ) 可以看出，基于t x z f 准则的联合传输技术可以完全的消除i s i 和m a i 。 对于传输匹配滤波准则： m = 矗h ( 2 3 0 ) 二 重庆邮电大学硕十论文第二二章多用户m i m o 系统下行联合传输技术 可见t x m f 算法忽略了干扰项的消除，即它不能消除i s i 和多址干扰m a i ，这两者 大大降低了系统的性能，减小了系统的容量。 对于传输的最小均方误差调制： m = b ma n d8 = 2 5 仿真参数及模块说明 本节基于t d s c d m a 系统环境【，使用m a t l a b 仿真工具完成降低多用户 m i m o 下行检测复杂性的联合传输技术的性能仿真。并在相同的仿真条件下分别进 行了j tm i m o 与传统的联合传输( j t ) 性能比较；以及当联合传输技术在采用不 同调制算法时对系统性能的影响。 2 5 1 仿真参数 利用m a t l a b 仿真t d s c d m a 系统环境，数据生成方式按照3 g p p 协议要求 【l 】，载波频率为2 g h z ，码片速率1 2 8m c h i p s ，扩频因子s o = 1 6 。仿真中假设基站 发送天线数为妫，k 表示用户数，每用户的接收天线数为k u 。 图2 4 给出了j t m i m o 技术在t d s c d m a 系统下行链路中的基本仿真流程图。 图2 4j tm i m o 在t d - s c d m a 系统下行链路中的仿真流程图 信道左边的部分为发送端，基站在一个时隙内可向多个用户发送下行数据，因 1 2 重庆邮电人学硕士论文 第二章多用户m i m o 系统下行联合传输技术 此用户信号d 是多个用户( 扣1 ，k ) 的总信号向量。用户信号d 经过o p s k 调制 和扩频后，经过联合传输算法处理，送往信道。 信道模型采用3 g p p 中t d s c d m a 的多径衰落信道c a s e 3 的参数【lj ：速度 1 2 0 k m h ，相对时延 07 8 11 5 6 32 3 4 4 n s ，平均功率 0 3 6 9 d b ，信道冲激响应有效 长度w = 4 ，基站采用最大似然算法估计信道冲激响应，并作为下行发送的信道矩阵。 接收端只需要通过简单的处理，就可以恢复每个用户的特殊用户数据。 2 5 2 仿真模块说明 以下给出了每个功能块的定义和功能描述： 1 ) 数据源产生 功能：产生k 个用户的随机数字信号，作为整个链路的信源。 输出：随机产生的二进制信号，即 0 ，1 ) 序列信号。 2 1q p s k 调制 功能：将产生的信源进行q p s k 数据调制。 输入：数据源产生的 0 ，1 ) 序列。 输出：调制之后的复数信号，单位为s y m b o l 。 说明：该数据调制模块主要是将数据源产生的b i t 信号映射到q p s k 的星座图中， 完成q p s k 数据调制。 3 ) 扩频码产生模块 功能：产生对经过数据调制之后的符号进行扩频调制的扩频码，扩频码可以区分同 一个时隙中的不同用户。 输出：扩频之后的复数序列，幅度为l 。 说明：扩频因子s o = 1 6 ，所选正交扩频码序列为o v s f ( 正交可变扩频因子码) 。 s o = 1s o = 2 s o = 4 1 3 重庆邮电大学硕十论文 第二章多用户m i m o 系统下行联合传输技术 图2 5o v s f 码树图 每个扩频码伴随一个加权因子吠e j x 2 p k ，p k o ，s o - 1 。扩频码的加 权因子一般在扩频前与每个数据调制后的数据符号相乘，以保证实部和虚部平衡。 当扩频因子s o = 1 6 时，该复数因子对应为： - 1 - j11 勺一1 11 - j 勺1q - j - j + j 一1 ) 【3 1 ，内部框图如图3 7 。 图2 6 扩频模块内部框图 4 1 信道模块 功能：模拟实际的瑞利多径衰落信道。 输入：被发送的信号序列。 输出：经过信道衰减后的复数序列。 5 ) 多径衰落信道模型建模 由于信道环境的复杂性，衰落信道的统计模型也有很多种，根据论文实现的仿 真环境，只重点介绍c l a r k e 模型】。 c l a r k e 提出了一种用于描述平坦小尺度衰落的统计模型，即瑞利衰落信道。在 移动无线信道中，瑞利分布是常见的用于描述平坦衰落信号或独立多径分量接收包 络统计时变特性的一种分布类型。我们先讨论恒幅单频信号的发射情况。在典型的 陆地移动无线信道中，假设直射波被阻断，并且移动单元只能接收到反射波。根据 中心极限定理，当反射波的数量比较大时，接收信号的两个正交分量是均值为零、 方差为盯z 的互不相关的高斯随机过程，则任意时刻接收信号的包络服从瑞利概率分 布，相位服从一，r 石的均匀分布。 假设系统所要传输的复信号为 x ( f ) = j ( f ) + q ( f ) ( 2 3 2 ) 将它调制到角频率为她的载波上去 1 4 重庆邮电火学硕十论文 第二二章多用户m i m o 系统下行联合传输技术 - s i n ( t o c t ) 发送部分 s ( f ) = i ( t ) c o s t o o t q ( t ) s i n 吐f = r e i ( t ) + j q ( t ) c o s c o o t + j s i n w j ( 2 3 3 ) = r e 2 聿去【j ( f ) + j q ( f ) 】p j 。) 其中，s ( t ) 的包络为了1 【，( f ) + j q ( f ) 】，即吾x ( f ) 。 设移动台相对于基站的运动速度为v ，第胛条入射电磁波与移动台运动方向夹角 为a 。，则其d o p p l e r 频移为 ：2 7 【v f oe o s a 。= 2 冗f ac o s a 。= t o ae o s a 。 ( 2 3 4 ) 式中c 为真空中光速，厶为最大d o p p l e r 频率偏移。信号经过多径信道到达移动台 的接收收信号为 r ( t ) = r l ( t ) - r t j ( t ) ( 2 3 5 ) 其中 ，( f ) = ec o s ( 吐f + 鸭f + 吮) ，( f ) ：“羔gc o s ( f + 吮) 】c 。s 嗥f - l qe s i n ( o j f + 九) 】s i n 哆f ，( f ) 2 3 6 e l = ln = l = t c ( t ) c o s w e t t s ( t ) s i n o ) j i ( t ) 同理可得 重庆邮电大学硕十论文 第二章多用户m i m o 系统下行联合传输技术 饧( f ) = es i n ( o g c t + o g t + q k ) q ( t ) ： 【ng c 。s ( r + 唬) 】s i n 婢f + 【ne s i n ( f + 吮) 】c o s m j ) 9 ( f ) 2 3 7 = t s ( t ) c o sw e t + t c ( t ) s i no g c t q ( t ) 两式中c 为第n 条路径的信道衰落因子，以为第1 1 条路径的固定相位偏移，瓦( f ) 和 疋( f ) 分别为 t a t ) = ee o s ( o , t + 4 ) ( 2 3 8 ) e ( f ) - z es i n ( f + 吮) ( 2 3 9 ) 将接收信号整理后，可得 ，( f ) = r l ( t ) 一r o ( t ) = z ( ，) + 巧( ，) e o s c o c t + o ( t ) i ( t ) ( 2 4 0 ) 一z ( f ) + 彳( f ) s i n w e t + a p ( t ) q ( t ) 其中 c 。s 缈o ) 2 赤，s i n 矽( f ) 2 撩 c 2 4 ， 鹭( f ) + 巧( f )巧( f ) + 砭( f ) 经过以上分析可知，3 t n n 号r s ( t ) n n n n 妄【，( f ) + _ ，q ( f ) 】，经过多径衰落信道后， 接收信号的包络变为瓤乃( f ) + 歹互( f ) 】【，( f ) + j q ( f ) 】o 假设两个正交分量t c ( t ) 和l ( t ) 是均值为零、方差为仃2 的互不相关的高斯随机 过程。瓦( f ) 和五( ，) 在多普勒衰落影响下的功率谱密度为 驰m = t 3 0 e 阿 ，s 旺4 2 ) 【0 ， 其它 信道仿真建模过程可由图2 7 描述： 1 6 重庆邮电大学硕士论文第二章多用户m i m o 系统下行联合传输技术 s ( f ) 图2 7 仿真信道建立过程 6 ) 信道估计模块 功能：采用最大似然算法估计信道冲激响应，并作为下行发送的信道矩阵。 输出：长度w = 4 的信道冲激响应值。 7 1 接收端处理模块 功能：对接收到的信号进行判决、解扩、解调处理，恢复原始数据。 输出：每个用户的特殊数