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)送及檢測算法。通過在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，降低移動終端的數(shù)據(jù)檢測復(fù)雜度，使移動終端的微型化、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的不良影響，實現(xiàn)信號傳輸?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)(簡稱JT-SA MIMO-OFDM)。通過在TD-SCDMA系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境中的仿真，驗證了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)送及檢測算法的原理是首先在基站將發(fā)送給移動終端的數(shù)據(jù)串并變換后進行OFDM調(diào)制，然后進行聯(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)，移動終端將經(jīng)過匹配濾波后的數(shù)據(jù)進行OFDM解調(diào)后再進行并串變換即可得到檢測后的數(shù)據(jù)。

　　假定一個基站服務(wù)K個移動終端，每個移動終端采用KM元天線陣列，基站采用KB元天線陣列，基站為每個移動終端發(fā)送L個數(shù)據(jù)符號：



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


C(k)=C■…C■■ (12)

4 仿真結(jié)果與結(jié)論
　本文對上述模型就TD-SCDMA系統(tǒng)環(huán)境進行了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。擴頻碼為OVSF碼，擴頻因子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的長度是256點，信號映射采用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)有效長度W=4，基站采用最大似然算法估計信道沖激響應(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，相對時延[0 781 1 563 2 344] ns，平均功率[0 -3 -6 -9] dB。
　圖2給出了當基站發(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，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，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)不同對多用戶MIMO-OFDM下行鏈路JT-SA技術(shù)性能的影響?？梢钥闯?，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)送及檢測算法。通過在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)用價值。
參考文獻
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