（通信与信息系统专业论文）分群预编码算法及其应用研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 目前，接收j 险测技术越来越复杂，这对移动通信下行链路的接收机( 移动终 端) 压力很大，一些专家和学者开始重视和探索将复杂的接收检测算法“搬到发 送端( 基站) ，以降低接收端的复杂度和功耗，如：r a k e 技术、j d ( 联合检测) 、 均衡技术等都可以放到发送端做预处理，从而形成传输预处理技术。传输预处理技 术也称为预编码( p r e c o d i n g ) 技术。 本文主要研究应用于多用户多入多出( m i m o ) 系统下行链路中的分群预编码 方案及其性能分析，通过对传输数据的分群处理，不仅可以降低符号间干扰和噪声 的影响，还能够提高传输效率等性能。 本文首先建立了分群联合传输的基础模型，然后给出了三种分群预编码算法， 即线性分群算法，非线性分群算法和基于最大化s j n r ( s i g n a lt oj a m m i n ga n dn o i s e r a t i o ) 的自适应选择分群算法，并分别进行性能仿真分析。结果表明：与传统的联 合传输算法相比，三种分群算法都具有较低的误码率；线性分群预编码能够提供分 集和复用，有效降低用户间干扰，减少噪声的影响；非线性分群预编码的计算复杂 度较高，但能有效的降低发射功率和误码率；而最大化s j n r 的自适应选择分群算 法在信道状态比较差的时候选择使用最大化s j n r 准则，可以取得有较好的误码率 性能，在信道状态好时则可以选择线性分群预编码，使得系统无论在信道状态好坏 的情况下都能够有较低的误码率。 关键词：多用户m i m o ，t d s c d m a ，分群，预编码，s j n r ( s i g n 丑lt oj a m m i n ga n d n o i s er a t i o ) 重庆邮电大学硕士论文摘要 a b s t r a c t t h er e c e i v e d e t e c t i o nt e c h n o l o g i e sa l em o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e dn o w , w h i c h b e c a m eab i gb u r d e nf o rt h er e c e i v e ri nt h ed o w n l i n k s o m ee x p e r t ss t a r t e dt op a yg r e a t a t t e n t i o na n dp r o b ei n t oh o wt om o v et h er e c e i v e d e t e c t i o nt e c h n o l o g i e st ot h et r a n s m i t t e r t or e d u c et h ec o m p l e x i t ya n dc o s to ft h er e c e i v e r s o m et e c h n o l o g i e s ，s u c ha sr a k e ， j o i n td e t e c t i o n ( j d ) a n de q u a l i z a t i o n ，c o u l db ep r e p r o c e s s e d a tt h et r a n s m i t t e r , w h i c hc o u l d b et e r m e da sp r e - p r o e e s st e c h n o l o g y , a n dp r e c o d i n gt e c h n o l o g yf o ra l t e r n a t i v e 啦sp a p e rm a i n l yr e s e a r c h e do nt h eg r o u p e dp r e c o d i n gs c h e m e si nt h em u l t i u s e r m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e - - o u t p u t ( m i m o ) s y s t e md o w n l i n k , a n da n a l y z e d t h e i r p e r f o r m a n c e v i aag r o u p i n gp r o c e s so nt h et r a n s m i s s i o nd a t a , w ec a i lr e d u c ee f f e c to f t h e i n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e n c ea n dn o i s e , t h ec o m p l e x i t yo fr e c e i v e ra n d i m p r o v et h e t r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y t h em o d e lo fg r o u p e d - j tw a se s t a b l i s h e df i r s t , a n dt h e ni n 打o d u c e d3p r e c o d i n g a l g o r i t h m sb a s e do ni t , w h i c hw e r el i n e a rg r o u p e da l g o r i t h m ，n o n l i n e a rg r o u p e da l g o r i t h m a n da d a p t i v es e l e c t i o nm a x i m a ls j n r ( s i g n a lt oj a m m i n ga n dn o i s er a t i o ) g r o u p e d a l g o r i t h m , a n dt h e ns i m u l a t e da n da n a l y z e dt h e i rp e r f o r m a n c e s t h es i m u l a t i o ns h o w e d t h a t , c o m p a r i n gt o t h e jr , t h el i n e a lg r o u p e dp r e c o d i n gc a np r o v i d ed i v e r s i t ya n d m u l t i p l e x i n g ，a n dr e d u c et h ei n t e r - s y m b o li n f e r e n c e ( i s i ) a n dn o i s ee f f i c i e n t l y ；t h e n o n l i n e a rg r o u p e dp r e c o d i n gc a nr e d u c et h et r a n s m i te n e r g yt h o u g hi th a sah i 曲e r c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y ；t h ea d a p t i v es e l e c t i o nm a x i m a ls j n rg r o u p e da l g o r i t h mc a n g e tb e t t e rb e rp e r f o r m a n c ew h e nt h ec h a n n e ls t a t e m e n tw a sb a db yu s i n gt h em a x i m a l s j n rc r i t e r i o n , s ow ec o u l dc o m b i n et h el i n e a lg r o u p e da l g o r i t h mw i t hi tt og e tal o w e r b e ri nd i f f e r e n tc h a n n e ls t a t e m e n t s k 呵w o r d s ： m u l t i - u s e rm i m o ，t d - s c d m a , j a m m i n ga n d n o i s er a t i o ) 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1t d s c d m 通信系统概述 早在1 9 8 5 年，国际电联( i t u ) 就提出了第三代移动通信的概念，当时称为未 来陆地移动通信系统( f p l m t s ) ，后来被正式命名为国际移动通信一0 0 0 ( i m t - 2 0 0 0 ) 。2 0 0 0 年5 月，i t u 正式批准5 种第三代移动通信系统( i m t - 2 0 0 0 ) 无线接1 2 1 技术规范( r s p c ) 建谢u ： 三种c d m a 标准：m c c d m a ( e d m a 2 0 0 0 ) 、d s c d m a ( w - c d m a ) 和c d m a t d d ( 包括t d s c d m a 和u t r a t d d ) ； 两种t d m a 标准：s c t d m a ( 美国的u m c 1 3 6 ) 和f t - t d m a ( 欧洲的 e p d e c t ) 。其中，三种c d m a 标准成为目前第三代移动通信的主流技术。 其中t d s c d m a 系统是由我国无线通信标准化组织( c w t s ) 提出并得到i t u 通过的3 g 无线通信标准i ，该系统是t d m a 和c d m a 两种基本传输模式的灵活 结合，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 系统的每个射频信道带宽为1 6 m h z ，系统速率为1 2 8 m c h i p s 。 每个t d d 无线帧长1 0 m s ，t d s c d m a 将每个无线帧分为两个5 m s 的子帧。如 图1 1 所示，每个子帧由7 个常规时隙和3 个特殊时隙：下行导频时隙( d 、p t s ) ， 上行导频时隙( u p p t s ) 和保护间隔( g p ) 构成 3 1 。 1 2 8 m c h i p s d w p l r s ( 9 6 c h i p s ) 1 1 j - ，u - 4 ”- r ”v i i i j 叫 一 t 转换点 t s o jt s l tt s 2 tt s 3 tt s 4 上t s 5 上t s 6 上 图1 1t d s c d m a 子帧 t d s c d m a 是t d d 模式的，且同时使用了f d m a 佃燃d m a 技术、q 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 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 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 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间 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 a k e 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 4 1 。 1 2联合传输技术的提出 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 】，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。 、- 、，- j 4 图1 2 联合检测原理图 、_ - v _ - 一 ( a a h ) a h 图1 2 给出了联合检测技术的原理框图 6 - 7 1 。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旌。 与联合检测技术相对，p w b a i e r 等人在文献嗍中提出了一种新的适用于t d d 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 系统下行链路的多用户传输预处理技术联合传输技术( j t ) 。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【8 - 1 2 。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 序列估计信道，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【1 3 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 3 说明了基于传输迫零( t ) 沥) 准则的联合传输技术的基本原理阴2 1 。 、- - - 、，j 丑h ( b b h ) 一1 1 3选题意义 召 图1 3 基于t x z f 准则的联合传输技术基本原理图 随着移动通信业务的快速发展，对于系统各个方面、各个角度上的性能要求越 来越严格，接收检测技术也越来越多复杂，这对移动通信下行链路的接收机( 移动 终端) 压力很大，一些专家和学者开始重视和探索将复杂的接收检测算法“搬”到 发送端( 基站) ，降低接收端的复杂度和功耗，如：r a k e 技术、j d ( 联合检测) 、 滤波器、均衡技术等都可以放到发送端做预处理，从而形成传输预处理技术。 传输预处理技术，也可称为预编碉j ( p r e e o d i n g ) 技术，需要知道传输信道的传播 特性，因此能够得到信道估计是很重要的。在t d d 模式中，基站到用户设备的上 下行链路信道都用同样的频率，上下行链路的传播特性基本相同，于是上下行信道 的信道参数基本相同，这样可以将基站上行接收估计信道冲击响应直接应用于下行 方向的发送处理，反之亦然。这种上下行信道的参数冲击响应基本相同，可以在上 下行接收和发送时根据一方估计的结果被另一方直接利用的特性，称为上下行信道 的互惠性【l j 。这种互惠性更为传输预处理技术的应用提供了便利的平台。而在f d d 模式下，由于没有t d d 的互惠性，导致发送信道信息的获取比较复杂。 目前已涌现出了大量的预编码算法，从性能上分，有最优的，也有次优的：从 3 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 数据处理方式上，可分为线性和非线性等等。前面介绍的联合传输算法，有效降低 了接收端的复杂度，而且具有比联合检测技术更好的性能。但一个技术往往在优越 的性能和低复杂度两方面不能两全其美，所以出现了许多在性能和复杂度之间取折 中的次优技术，这些技术的复杂度比最优技术略高，但性能却很好。分群技术与联 合检测技术结合的群联合检测，在性能和复杂度的取得了良好的折中。这种方式同 样也可以应用在预编码中，形成分群预编码方法，不仅可以进一步降低预编码本身 的处理复杂性，而且性能也大大提高。本文主要研究多用户m i m o 系统中以下几个 问题： ( 1 ) 如何实现分群预编码算法，包括线性和非线性算法； ( 2 ) 已实现的分群算法有何特点，能够改善哪些性能； ( 3 ) 在已有算法的基础上，能否进行进一步的研究，使算法性能更好。 1 4论文结构 本文主要研究应用于多用户m i m i o 系统的基于分群技术的预编码算法，包括 线性分群预编码、非线性分群预编码和基于最大化s j n r 准则的自适应选择分群预 编码算法，并对其性能进行仿真分析。全文共分六章，各章内容具体安排如下： 第一章首先介绍了t d s c d m a 系统，联合传输技术的产生，以及选题意义。 第二章讨论了本论文分析和仿真中必要的基础知识，包括多用户m i m o 下行的 联合传输技术的矢量模型技术、信道估计等。 第三章详细推导了线性分群预编码的矢量模型，并将该算法在t d s c d m a 系 统环境中进行了仿真，并对仿真结果进行了分析，结果说明了线性分群预编码算法 能够有效的降低误码率，有较低的复杂度，并能提高传输效率。 第四章给出了非线性分群预编码的系统模型，并在t d s c d m a 系统环境中进 行了仿真，对仿真结果进行了分析，结果说明了线性分群预编码算法能够降低误码 率，并有效的降低发射功率。 第五章在第三章的基础上，研究了基于最大化s j n r 准则的自适应选择分群预 编码算法，根据算法的特点，将最大化s j n r 分组算法与线性分群算法结合形成一 个自适应分群选择算法，它能够针对不同的信道状态采用不同的算法来提高系统性 能。仿真结果说明在信道状态差的情况下采用最大化s j n r 分群预编码算法可以取 得较好的性能，在信道状态好的情况下采用线性分群算法可以取得较好的性能。 第六章概括性地总结了本文所做工作，总结了研究中的不足，并探讨了进一步 的研究方向。 4 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 2 1 引言 第二章多用户m i m o 系统下行联合传输技术 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。 文献【l 5 j 研究了t d s c d m a 下行链路的联合传输( j t ) 技术，由于联合传输 技术( j t ) 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。文献 8 - 1 2 】 1 4 q 6 研究了盯技术在单入单出系统下行链路中的情况，文献【1 刀将该方法推广应用 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，而且通过盯技术降低了m i m o 系统检测的复杂性，而且多天线的使用也 带来了一定的发射接收分集增益。这类方案被简称为j tm i m o 技术。 本章首先介绍了信道估计，然后给出了多用户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。 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【l 6 1 。 2 2 信道估计 信道估计是实现联合传输的基础。在t d s c d m a 系统中，联合传输技术可以根 据t d d 模式信道互惠的特性，只需要在上行链路做信道估计，下行链路可以利用上 行估计出来的信道信息。信道估计通常可以分为：盲信道估计和非盲信道估计。本 文是以t d - s c d m a 系统为背景的，所以在研究基于联合传输方法的低复杂度m i m o 检测算法中，采用的信道估计方法是利用训练序列估计信道【l 】，即非盲信道估计。 5 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 训练序列，也称为m i a m b l e 码，因为它被放在突发的中间，也被称为中间码。在 t d - s c d m a 系统中，对于同一个小区的同一个时隙，给定一个基本的中间码，不同 的用户采用这个相同的基本码经过不同的循环移位作为它的信道估计码。 假设第k 个用户的训练序列用矢量“的表示，有： m 似) 一咖”聊，聊黔一胁箩】t 系统参数尸的取值与同一时隙的系统设计可容纳用户数以及信道冲激响应的最 大样值数有关，若系统设计每时隙最大用户数为k ，且信道冲激响应的最大样值数 为职要实现所有的冲激响应样值的估计，易知尸应满足： p k w 假设每一用户的训练序列长度为p ，相应的信道冲激响应样值长度为阢则易 知，若令该训练序列经过信道后的响应长度为三册， l 尸+ w l 脚 须将所有用户的训练序列矢量补零扩展至上肌并构筑矩阵4 。缸，使： a m i d 2 朋l d 所l ( 2 ) 所罗册尸 聊；o 聊p m m p ( om ? m m p ( om ? 00 00 oo oo oo 0o 聊， m 朋p ； m i m 0 0 0 0 0 o oo m i ( 1 ) 聊l ( 2 ) m 攀m m “( om 翟 聊2m 2 朋所尸 0o oo o o o0 oo 00 o0 oo 册p ； 册p ； 妒； j 群 矽； i 碟 妒i 在a w g n 的假设下，用户发送的训练序列胁经过相应的信道冲激响应五后，接 收到的信号为 x m ( k 耐) 一- - a 黝j i l 七+ 刀黯( 2 1 ) 其中，以勉为零均值的高斯白噪声，其协方差矩阵为： r ，= 仃2 i ( 2 2 ) 此时的 求取实际上转化为高斯白噪声下的估值问题，若采用最大似然估计， 6 o o；o妒妒妒；矽；矽 o o；o矿矽秽；矽；矽 o o；o 0 o o妒矽；磅；硝矽o o o o o ； 啊；： 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 则该估值为： 五( 七) = ( 彳勉h 群1 彳) 一1 彳h 巧1 端( 2 3 ) 根据该信道冲激响应的矢量估值，可以针对相应的信道模型进行多用户信号的 联合传输。 2 3 多用户m i m o 下行链路联合传输模型 m ， 图2 1 多用尸m i m of 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。基站采用肠个发送天线阵，每个移动终端采用k u 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一个m i m o 结构，总的系统是一个多用户的 m i m o 结构。 基站为每个移动终端发送个数据符号： d ( 七) = ( 钟始) t ， j i = l ，k ( 2 4 ) 将发送给k 个移动终端的数据表示成总的数据矢量： d = ( 口( 1 ) t d ( 妒) t = ( 西) t( 2 5 ) 令n t = k v , 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 = 弓 d 口h = 日j ， ( 2 6 ) 数据矢量d 通过调制矩阵肘完成线性调制，被映射为个k b s xl 的空间扩频信号 ( s - - n s o ，s o 为扩频因子) ： 矿0 d 1 k 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 f = ( f 如) t ) t = ( t l f 如s ) t = m d ( 2 7 ) ，( b ) 是由第岛( 易= l ，妫) 根发射天线发送的s 1 维的空间信号。m 是一个 k z 迟x k n 的调制矩阵，调制矩阵的设计在第2 4 节给出。 基站第磁根发射天线和第j j 个移动终端m 的第根接收天线间的频率选择性 信道的信道冲激响应为 七b ) = ( 碍七 磺，) t( 2 8 ) 可构成( 针w - 0 x s 信道卷积矩阵 h 七 k b = ( 日黔b k m ) ，i = 1 ，s + w l ；j = l ，s 栌_ 警如鬟叫+ l 形 k = l ，足；k s = 1 9 e9 k b ；= l ，k m 用户触的第根接收天线接收到的信号为 ，( 七，) ：y - - dh ( k ，k m ) t ( k s ) j 一 “= l = ( 日( 七，l ) 日( 七，k u ) ) t = 日( 疋k u ) t ， k = l ，k ；= l ，嘞 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，( 露) ： ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ，( 七) ：( 小1 ) t k m ) t ) t ：( 日( 七，1 ) t h ( k ，k m ) t ) t t ( 2 1 2 ) = 日( 七) f ，k = l ，k k 个用户的接收信号，( 七) ( 扣l ，k ) 组成k k m ( s + w - o x1 维的总接收信号： ，= ( ，( 1 ) t r ( k ) r ) t = ( 日( 1 ) t h ( k ) t ) t t = h t 2 4 数据检测 ( 2 1 3 ) 首先假设在无噪声的情况下，移动终端触接收的数据，( 量) 经过解调矩阵d ( i ) 后 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 可以得到期望的无i s i ( 符号间干扰) 和m 越( 多址干扰) 的用户数据： 0 ( 七) 兰d ( 七) ，( 七) ：d ( 七) ( 2 1 4 ) 其次假设在有高斯白噪情况下，接收信号，被一个圈勖研w - 1 ) xl 的噪声厅 破坏 1 1 = 帆i i k k m ( s + w 1 ) ) 1 ( 2 1 5 ) 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 毛= 弓 刀厅h ) = 仃2 i 蛳岱椰。1 ( 2 1 6 ) 则经过解调后的总数据为 d = d r + 以】= d h m d + 以】 数据符号以解调后的估计值孑。包括有用数据部分 叱倒，。= 【删】。吒 干扰部分 。2l d i a g ( d h m ) d 。 和噪声部分 一= 【d n l 估计误差是由噪声和干扰引起的，即 8 = 0 一( 丸。l 叱，f ) t = 五l - d i a g ( d h m ) d = d i a g ( d h m ) d + d n ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 我们已经假设d 和刀是具有( 2 3 ) 式和( 2 1 3 ) 式的统计特性的随机向量。那么， 式( 2 2 1 ) 中的s 也是一个随机向量，它的均值为零，协方差矩阵为 r = e e e h = d i a g ( d h m ) ( d - 丽( d h m ) ) h 日+ d r n d h ( 2 2 2 ) 干扰 用信噪干比( s n i r ) 。一来衡量估计值乏的质量。它是基于估计误差8 的协方差矩 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 阵恐的，见文献1 8 1 。 ，一 旦帆o 一| 【删蚶i u , u i , j 易 一一丽司可叨一可眨2 3 ， ! f 丝竺：! 鱼一一 巩d h 一一+ i l 丽( 删) w 易 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能的简化，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) = d 七) h ，c ( 七) 为分配给用户触的c d m a 扩频码c ( 七) = ( c f 七) c 咖( k ) ，t 组 成的扩频码矩阵： c = 陋胪c 阮) h h ( 2 2 4 ) c ( 七，) 是对应于用户触的第( k m = l ，鳓) 根接收天线的子扩频码矩阵， 它们相等 c ( 七 - ( 、c k ( k ，, k m ) ) i = 1 ，s + w l ；_ ，= h ，n ( 2 2 5 ) c 转其l 他i 一岛硒 眩2 6 ， 并有如下结构： c ( k , k u ) ： c p c p ： c 静 e l ( k ) c p ： c 静 o o l o ( s + 矿一1 ) n 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 鬈个用户的总扩频码矩阵为c = 6 肠c 慨 c m c ( k 。 选择总的解调矩阵： d = c h ， d = 6 ，d 撇 d ( 1 ) d ( k ( 2 2 7 ) 用户触的解调矩阵d ( ) 的结构如图2 2 ： ) = ( k u ( s o t ，+ 1 ) 图2 2 解调矩阵d ( 后) 的结构 ) 解调后的总数据为 d - _ d r = d h t ( 2 2 8 ) 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。 2 5 调制矩阵的确定 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 ，然后根据已 确定的解调矩阵d 和由信道估计得到的信道矩阵凰随后确定与之相匹配的调制矩 阵从 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。 经过调制矩阵肘调制后的总发送数据为 t = m d ( 2 2 9 ) 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 r = d h t ( 2 3 0 ) 为了简化，引入矩阵b ，令曰= d 日，则 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 d = b t = c h h t = c h 日m ( 2 3 1 ) b 矩阵大小为k n k s s ，一般地，k n d h m = i 图2 3 信道传输概念 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 ) 、传输迫零 ( t x z f ) 【1 卅和传输最小均方误差( t x m m s e ) 【1 9 1 调制等。 对于传输迫零准则： m = b h ( b 占h 1 - l ( 2 3 2 ) 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 触。 对于传输匹配滤波准则： 膨= 口h ( 2 3 3 ) 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 = p ma n d= 庸气脚， 础c 删，日+ 嘉慨p c 肋日， _ l q 3 4 t x m m s e 算法在干扰项和噪声项的影响之间做了折衷，这种算法在给定平均发送能 量时能得到最大的平均信噪干扰比。 以下通过仿真计算，来具体分析三种调制矩阵线性算法的性能优劣。 1 2 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 2 6 仿真参数及模块说明 本节基于t d s c d m a 系统环境1 1 ，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 6 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 【1 1 ，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 发送天线数为岛，k 表示用户数，每用户的接收天线数为砌。 图2 4 给出了j tm 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 此用户信号d 是多个用户( 扫1 ，k ) 的总信号向量。用户信号d 经过q 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【l 】：速度 1 2 0 k m h ，相对时延【o7 8 11 5 6 32 3 4 4 n s ，平均功率 o 3 - 6 9 1 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 6 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 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 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，o p o ，1 序列信号。 2 ) q 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1 。 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 = 2s o = 4 图2 5o v s f 码树图 4 ) 每个扩频码伴随一个加权因子峭 e j x l 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 _ jll 勺一1 1l - jq1 巧j j 勺 一l t 3 j ，内部框图如图2 6 。 5 ) 信道模块 功能：模拟实际的瑞利多径衰落信道。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，我们采用c l a r k e 模型【2 0 j 。 输入：被发送的信号序列。 1 4 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 输出：经过信道衰减后的复数序列。 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 ) 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：每个用户的特殊数据符号。 2 7 仿真结果 图2 6 扩频模块内部框图 本节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 ) ，以及 当联合传输技术在发送端采用不同调制算法时对系统性能的影响，结果如下。 其中比较j tm i m o 与传统的联合传输( j t ) 性能时，所取的数据符号长度- 2 2 ； 比较发送端采用不同调制算法时所取的数据符号长度n = 4 。 图2 7 给出了多用户m i m o 下行链路联合传输技术与传统的汀和j d 技术的性 能比较。由图2 7 的仿真结果可以看出，在下行链路中，当信噪比增大时，j tm i m o 误码率下降趋势比传统的j t 快，仿真结果说明了多用户m m o 下行链路联合传输 技术的优越性和可行性。 图2 8 给出了多用户m i m o 下行链路联合传输技术发送端不同调制算法的性能 比较。由图2 8 的仿真结果可以看出，在下行链路中，当信噪比增大时，t x m m s e 误码率下降趋势最快，t x z f 其次，t x m f 下降趋势最慢。 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 缶 叱 山 s n r ( d b ) 图2 7j t m i m o 与传统的j t ，j d 性能比较 图2 8j tm i m o 三种线性调制算法的性能比较 重庆邮电大学硕士论文 第三章线性分群预编码算法 第三章线性分群预编码算法 上章讨论了多用户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，而且降低了m i m o 系统检测的复杂性。本章中将探讨结合了 分群技术的线性分群预编码技术( 即分群联合传输技术，g j t ) ，它进一步降低了预 编码本身的复杂性，同时性能方面也具有一定优势。 3 1 分群联合传输技术( g r o u p e d j o i n t t r a n s m i s s i o n ) 在盯技术中，全部的发射信号首先经过扩频，得到用户数据的扩频矩阵c ，由 胪c ；o 得到解调矩阵d ，通过信道估计得到信道矩阵日，并由二者联合决定发射端 的调制矩阵 扎而在分群联合传输( g j t ) 中，用户数据不再一起传输，而是先将 k 个用户分为g 个群，每群有三= ik g1 个用户，这里ixl 表示小于等于x 值的最 大整数。在此我们可以设每群用户数与基站发射天线数相等，即l = k b 。分群联合 传输的原理如图3 1 所示。 图3 1 分群联合传输原理图 珞 每群用户的数据符号d 合成一个l n x1 维的群信号鹾发出，其中 碟= ( - l y + 1 。蝣tj t ，g = 1 g ，= 1 三 ( 3 1 ) 经过分群后的数据符号流首先经过扩频，再通过调制得到发射信号。不同的是， 这g 个群信号不用再合为一个发射信号通过同一个扩频矩阵和调制矩阵，而是分别 通过各自的扩频矩阵锈和调制矩阵心，g = l g 1 = 1 三，得到发射信号培。每一 群的正交可变扩频因子( o v s f ) 都是唯一的，每个群的扩频矩阵为k u ( s + w - i ) x n 的矩阵 1 7 重庆邮电大学硕士论文第三章线性分群预编码算法 q = ( 掣旷c 暑( t 川”) h ，g - 1 g ，工，砌= 1 。 ( 3 2 ) 其中c ? 表示第g 群中第，个用户的第个天线上的扩频子矩阵，其结构如式 ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 所示一样。每群的用户的扩频矩阵再组成该群的总扩频矩阵，维数 为l k u p + w - 1 ) x l n c g = 口0 ，( 2 ) o f 0(8l) ，g = l g ，= 1 l ( 3 3 ) 我们仍然把扩频矩阵写成如f 形式， q = b l o c k d i a g lc ：) c 孑l ，g = l g ，= 1 上 ( 3 4 ) 得到分群扩频码后，我们仍令雕= 瑶h ，则有分群解调矩阵 珑= b l o c k d i a g i 磁) 一d 引，g = 1 g ，1 = 1 - ( 3 5 ) 其结构如图2 2 所示一样。分群后的数据是通过同一个信道传输的，此时信道 的数目不需要像j t 中那样由全部的用户数目来确定，只需要由每群的用户数来确定 就可以了。我们得到分群的信道凰，维数为三( s + w + i ) x s 。仍令 蟛= 聪，此时群为l n k s s ，根据迫零准则，得到每群的调制矩阵，维数为 x b s x l n 峨= 彤hb s b g h - ig = 1 g ，( 3 6 ) 经过分群调制矩阵调制后的分群发送数据仍为k b s x1 维的 培= m 。g d 。g ，g = l g ，( 3 7 ) 相应的，分群接收信号为翰( s + w + i ) x l 维的 嘭= 瓯f 5 + n ，g = l g ( 3 8 ) 其中以是零均值的广义平稳随机高斯噪声信号，维数是三如p + 形+ 1 ) l 。 在接收端，对接收信号进行估计 蝣四 r 。g 。g ( 。g u g + 厅) = 碟+ 以g ，g = 1 g ， ( 3 9 ) 由式( 3 9 ) 可以看出，分群后的接收信号中，同一群的用户