基于智能天線的多用戶MIMO-OFDM聯(lián)合發(fā)送技術(shù)研究

摘 要: 提出了一種基于智能天線(SA)的多用戶MIMO-OFDM聯(lián)合發(fā)送(JT)方案，給出了系統(tǒng)模型，推導(dǎo)出了權(quán)向量和數(shù)據(jù)發(fā)送及檢測(cè)算法。通過(guò)在TD-SCDMA系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境中的仿真和分析，表明基于SA的多用戶MIMO-OFDM的JT技術(shù)具有比基于多用戶MIMO的JT技術(shù)更優(yōu)良的誤比特率性能。
關(guān)鍵詞: 智能天線； 聯(lián)合發(fā)送； 多用戶MIMO-OFDM； TD-SCDMA

采用智能天線(SA) [1-3]波束形成技術(shù)可以增加TD-SCDMA系統(tǒng)小區(qū)的覆蓋范圍，改善鏈路質(zhì)量。但是在智能天線主波束覆蓋范圍內(nèi)往往有多個(gè)用戶存在，并導(dǎo)致多址干擾(MAI)和多用戶干擾。由BAIER P W等人提出的聯(lián)合發(fā)送技術(shù)(JT)[1-3]能有效降低MAI和多徑干擾，提高系統(tǒng)容量，降低移動(dòng)終端的數(shù)據(jù)檢測(cè)復(fù)雜度，使移動(dòng)終端的微型化、低功耗成為可能。
　將MIMO技術(shù)與OFDM技術(shù)相結(jié)合的MIMO-OFDM系統(tǒng)能有效克服多徑效應(yīng)和頻率選擇性衰落帶來(lái)的不良影響，實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)母叨瓤煽啃?，增加系統(tǒng)容量，提高頻譜利用率。
　本文深入研究了基于智能天線的多用戶MIMO-OFDM系統(tǒng)下的JT技術(shù)(簡(jiǎn)稱JT-SA MIMO-OFDM)。通過(guò)在TD-SCDMA系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境中的仿真，驗(yàn)證了JT-SA MIMO-OFDM方案比JT MIMO方案[4-5]在系統(tǒng)誤比特率方面具有更優(yōu)越的性能。
1 系統(tǒng)模型及數(shù)據(jù)發(fā)送算法
　圖1給出了JT-SA MIMO-OFDM系統(tǒng)模型?；诖讼到y(tǒng)模型的數(shù)據(jù)發(fā)送及檢測(cè)算法的原理是首先在基站將發(fā)送給移動(dòng)終端的數(shù)據(jù)串并變換后進(jìn)行OFDM調(diào)制，然后進(jìn)行聯(lián)合發(fā)送，基站發(fā)送天線采用智能天線下行波束形成技術(shù)，移動(dòng)終端將經(jīng)過(guò)匹配濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行OFDM解調(diào)后再進(jìn)行并串變換即可得到檢測(cè)后的數(shù)據(jù)。

　　假定一個(gè)基站服務(wù)K個(gè)移動(dòng)終端，每個(gè)移動(dòng)終端采用KM元天線陣列，基站采用KB元天線陣列，基站為每個(gè)移動(dòng)終端發(fā)送L個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)：



2 權(quán)向量的確定
由于TD-SCDMA是時(shí)分雙工的移動(dòng)通信系統(tǒng)，其上行信道與下行非常接近，因此可以用上行時(shí)隙訓(xùn)練序列估計(jì)得到的信道沖激響應(yīng)作為下行鏈路的預(yù)計(jì)值，由此得到天線權(quán)值。
本文智能天線下行波束形成準(zhǔn)則采用最小均方誤差準(zhǔn)則(MMSE)，要求輸出信號(hào)y(k)與本地期望信號(hào)b(k)的均方誤差最小，尋求最佳權(quán)亦即解如下優(yōu)化問(wèn)題：


C(k)=C■…C■■ (12)

4 仿真結(jié)果與結(jié)論
　本文對(duì)上述模型就TD-SCDMA系統(tǒng)環(huán)境進(jìn)行了Monte Carlo仿真。仿真所用的系統(tǒng)參數(shù)如下：碼片速率1.28 Mchip/s，載波頻率2 GHz，采樣頻率8 000 Hz。擴(kuò)頻碼為OVSF碼，擴(kuò)頻因子Q=16，基站發(fā)送天線數(shù)為KB，用戶數(shù)為K,每用戶的接收天線數(shù)為KM，F(xiàn)FT的長(zhǎng)度是256點(diǎn)，信號(hào)映射采用QPSK調(diào)制。信道為基于Clarke模型的四徑Rayleigh衰落信道，信道沖激響應(yīng)有效長(zhǎng)度W=4，基站采用最大似然算法估計(jì)信道沖激響應(yīng)，并作為下行發(fā)送的信道矩陣。信道模型采用3GPP中TD-SCDMA的多徑衰落信道情況3的參數(shù)[6]：速度120 km/h，相對(duì)時(shí)延[0 781 1 563 2 344] ns，平均功率[0 -3 -6 -9] dB。
　圖2給出了當(dāng)基站發(fā)送天線數(shù)和每用戶的接收天線數(shù)都為2且用戶數(shù)為16時(shí)，JT MIMO與JT-SA MIMO-OFDM誤比特率性能仿真結(jié)果。從仿真圖上可以看出，JT-SA MIMO-OFDM方案比JT-SA方案在系統(tǒng)誤比特率性能上有明顯的改善。如誤比特率為10-2時(shí)，JT-SA MIMO-OFDM相比JT MIMO有近1.5 dB的增益。隨著信噪比的增大，系統(tǒng)誤比特率性能改善更為顯著。

　圖3給出了用戶數(shù)不同對(duì)多用戶MIMO-OFDM下行鏈路JT-SA技術(shù)性能的影響。可以看出，隨著用戶數(shù)的增加，多用戶MIMO-OFDM下行鏈路JT-SA技術(shù)的系統(tǒng)性能有所下降。

　本文成功地將傳統(tǒng)JT技術(shù)和SA技術(shù)擴(kuò)展到多用戶MIMO-OFDM系統(tǒng)中。給出了多用戶MIMO-OFDM下行鏈路模型，研究了數(shù)據(jù)發(fā)送及檢測(cè)算法。通過(guò)在TD-SCDMA系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境中的仿真表明多用戶MIMO-OFDM的JT-SA技術(shù)可以獲得比多用戶MIMO的JT技術(shù)更好的系統(tǒng)誤比特率性能。說(shuō)明多用戶MIMO-OFDM系統(tǒng)下的智能天線聯(lián)合發(fā)送方案具有良好的應(yīng)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1] LIBERTI J C, RAPPAPORT T S.無(wú)線通信中的智能天線—IS.95和第3代CDMA應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2002．
[2] 翟明岳,唐良瑞,梁明.智能天線系統(tǒng)中空時(shí)信道模型應(yīng)用分析,現(xiàn)代電力,2003,20(6):67-73.
[3] 梁奐暉,肖明明.OFDM系統(tǒng)智能天線設(shè)計(jì)中的波束綜合算法[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2005,17(208):5-8.
[4] 馮媛,謝顯中,楊陶,等.降低多用戶MIMO下行檢測(cè)復(fù)雜性的聯(lián)合發(fā)送技術(shù)[J]. 電子與信息學(xué)報(bào),2007,29(1):
174-176.
[5] 王麗秋,申敏,楊陶.TDD系統(tǒng)中MIMO信道的線性傳輸技術(shù)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2007,23(3-3):149-150.
[6] 3GPP TS 34.122. Terminal Conformance Specification;Radio Transmission and Reception (TDD) [S]. Release 4,V4.6.0, 2002.