旋轉(zhuǎn)矩陣法抗多用戶間干擾

1、旋轉(zhuǎn)矩陣法抗多用戶間干擾孫東升 1, 吳 梅 2, 郭成寶 1, 李家福 1(1. 西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 四川 成都 610031;2. 臨沂財(cái)政學(xué)校 山東 臨沂 276002摘 要 :研究了一種新的 MIMO 系統(tǒng)下多用戶間干擾抑制技術(shù) (旋轉(zhuǎn)矩陣法 , , 降低成 對(duì)差錯(cuò)率 , 與傳統(tǒng)方法 (TDMA/CDMA 系統(tǒng)相比 :保證了頻帶利用率 ; 并對(duì)接收機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì) MMSE ML 分組接收機(jī) 。 仿真證明 , 在沒有編碼 、 不用正交信號(hào) 、 , , 而 MMSE ML 接收機(jī)降低算法復(fù)雜度的同時(shí)在信噪比 22dB 時(shí) , 誤碼率可達(dá)到 1關(guān)鍵詞 :瑞利衰落 ; 用戶間干擾 ;

2、 旋轉(zhuǎn)矩陣調(diào)制 ;ML 中圖分類號(hào) :TN911122:B373X (2006 0701302R esistant Multiuser InterferenceSUN Dongsheng 1,WU Mei 2, GUO Chengbao 1,L I Jiaf u 1(1. School of Information Science &Technology ,Southwest Jiaotong University ,Chengdu ,610031,China ;2. Linyi Financial School ,Linyi ,276002,China Abstract :Arota

3、tion matrix method in MIMO system is proposed ,which increases the distance of code words and decreases thepairwise error probability. Compared with some tranditional ways ,this method is bandwidth efficient. A detection method MMSE ML is used for the simple algorithm. The computer simulation result

4、s confirmed in high SNR ,this method can efficient decrease multiuser interference without any coding or bandwidth expansion. Using MMSE ML detection ,313E 3B ER reached at 22dB SNR.Keywords :Rayleighfading ;multiuser interference ;rotation matrix ;ML detection ;MMSE detection收稿日期 :20051216 隨著蜂窩移動(dòng)通信

5、、 因特網(wǎng)和多媒體業(yè)務(wù)的發(fā)展 , 用 戶數(shù)量大幅度升高 , 無(wú)線電通信的容量也迫切要求提高 , 多天線技術(shù)的發(fā)展為其提供了楔機(jī) , 但同時(shí)帶來(lái)了新的問(wèn) 題 , 天線間及用戶間干擾成為主要問(wèn)題。傳統(tǒng) TDMA/CDMA 系統(tǒng)應(yīng)用信號(hào)正交化來(lái)消除干擾 , 顯然使頻帶利用率降低。 文中提出了旋轉(zhuǎn)矩陣抗干擾法 , 不用任何編碼 和正交信號(hào) ; 給出了旋轉(zhuǎn)矩陣的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 ; 提供了兩種接 收機(jī) , 最大似然法 (ML 和最小均方法 (MMSE 分組檢測(cè) 法 ,MMSE 分組檢測(cè)法大幅度降低了算法復(fù)雜度 ; 最后進(jìn) 行仿真分析 , 對(duì) 2用戶用 ML , 對(duì) 4用戶用了 MMSE 檢測(cè) , 并都用了旋轉(zhuǎn)矩

6、陣法減小干擾。 1 系統(tǒng)模型移動(dòng)臺(tái)到基站的上行鏈路共有 N 個(gè)用戶 , 每個(gè)用戶有M T 個(gè)發(fā)射天線 ; 基站有 M R 個(gè)接收天線。 各天線間形成的信道是非頻率選擇性的瑞利衰落 , 且各信道相互獨(dú)立。 假 定各用戶間符號(hào)同步。 t 時(shí)刻在基站第 m 個(gè)接收天線接收 的信號(hào)為 :rm t= Ni =1M Tj =1h inmci n ts +nm t (1其中 :c i nt 表示發(fā)送的符號(hào) ; h i nm 表示衰落衰減系數(shù) ; E s 表示信號(hào)的平均功率 , 假定為 1; n m t 表示第 m 根接收天線在 t 時(shí) 刻的噪聲分量 , 方差為 N 0/2, 均值為 0的復(fù)高斯隨機(jī)過(guò)程。 假

7、設(shè)衰落系數(shù) h i nm 是方差為 1/2, 均值為 的復(fù)高斯隨機(jī)變 量 , 呈瑞利衰減。 2 旋轉(zhuǎn)矩陣的設(shè)計(jì)本文運(yùn)用了旋轉(zhuǎn)矩陣調(diào)制 , 本節(jié)對(duì)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行討 論。 為簡(jiǎn)便起見 , 每個(gè)用戶的發(fā)射天線數(shù) M 取 1, 發(fā)射數(shù) 據(jù)幀長(zhǎng)為 L 個(gè)符號(hào)。 發(fā)射序列定義為 N ×L 的空時(shí)碼 字矩陣 :C =C 1, C 2, , C L T C k =c k1, c k2, , c kL 其中 , 第 i 行 C i =c i 1, c i 2, , c iL 表示第 I 個(gè)用戶的發(fā)送碼字 , 假定接收機(jī)有理想的 CSI , 則成對(duì)差錯(cuò)率的上限值 :P (C, C |H 2exp -d 2

8、h (C, C4N 0其中 :d 2h (C, C = H (C -C 2= Lt =1M Rj =1M Ti =1h t j , i (c i t -c it 2是兩個(gè)碼字矩陣的修正歐氏距離。定義碼字差別矩陣 :B (C, C =C -C , 碼字距離矩陣A (C, C =B (C, C B (C, C T, 研究 2用戶情況 , 令 :31現(xiàn)代電子技術(shù) 2006年第 7期總第 222期 通信與信息技術(shù)x =(c 11-c 11,c 12-c 11, ,c 1L -c 1L , y =(c 21-c 21,c 22-c 21, ,c 2L -c 2L , 則 A (C, C =xxTx y

9、y Txy yT, 對(duì)傳統(tǒng)的 TDMA/CDMA 系統(tǒng)都是應(yīng)用了正交信號(hào) , 頻帶利用率減半 , 本文應(yīng)用了旋轉(zhuǎn)矩陣 , 保證分集編碼增益 , 并保證頻帶利用率 。 其方法是在各用戶的原始信號(hào)碼字右乘一個(gè)正交的旋轉(zhuǎn) 矩陣 , 如下所示 :C =c 1R 1c 2R 2c NR , 對(duì)于 2用戶情況 , 只需一用戶右乘 R 矩陣 , 則 , A (C, C =xxT x R T 2y yR 2xTy yT, R , 則 , :(1 秩準(zhǔn)則 :, 使其 B 矩陣的秩為最大秩 r , r =min (L , z , z 表示 B 矩陣的非 0行數(shù) ;(2 行列式準(zhǔn)則 :對(duì)于所有具有秩 r 的所有不同

10、碼字對(duì) , 使矩陣 A 最小非 0特征值的乘積 ri =1i , i =1, , r 最大 , i 為矩陣 A 的非零特征值。 3 接收機(jī)設(shè)計(jì)3. 1 ML 接收機(jī) (最大似然檢測(cè)法 假設(shè)接收端已知 CSI , 假定調(diào)制星座圖中信號(hào)等概 率 , 對(duì)所有可能的信號(hào)值 , 從調(diào)制星座圖中選擇一個(gè)碼字 信號(hào) , 使接收信號(hào)與估計(jì)的接收信號(hào)間的距離度量最小 :d =arg min d |r -Hd |2 ML 檢測(cè)的復(fù)雜度與幀長(zhǎng)度 L 和用戶數(shù) N 呈指數(shù)關(guān) 系 , 因此當(dāng)用戶數(shù) N 和 L 很大時(shí) , 其復(fù)雜度太高 , 為了降低 復(fù)雜度 , 本文引入了一種折中的檢測(cè) MMSE 分組檢測(cè)法。 3. 2

11、 MMSE 分組接收機(jī)在接收端將 N 用戶分成 N g 組 , 每組 G 個(gè)用戶 , 首先用MMSE 檢測(cè)法估計(jì)出單個(gè)組的信號(hào) , 然后在各組內(nèi)用 ML法檢測(cè)各用戶的信號(hào)。將信號(hào)分組 , 第 i 組的碼字 d i =c i 11, c i 21, , c iG 1, ,c iGL T不失一般性 , 令第 1組為期望的組 , 接收信號(hào)可表示為 :r =H 1d 1+ N gi =2H idi+n其 中 , H i =diag H i (1 , H i (2 , , H i (L , H i (t =h i 111h i 211 h iG11h i 112h i 212 h iG12hi 11M

12、Rh i 21MR hiG 1M , 第 1組為期望信號(hào) , 而其他信號(hào)看作干擾 , 由 MMSE 檢測(cè) , 滿足 : min W 1r -c 1 2=min tr(W 1r -c 1 (W 1r -c 1 H得 :W opt ,1=H T1R -1corr , R corr = N g i =1H i H Ti +N 0I由 W opt1, 可得到第 1組的估計(jì)值 , 在第 1組內(nèi)用 ML檢測(cè) :d 1=arg min (W opt ,1r -W opt , 1H 1d 1TQ -1(W opt ,1r -W opt ,1H 1d 1Q 1=W opt ,1( N gi =2HiH T i

13、0I W Topt ,14, 對(duì) 2個(gè)用戶乘了旋轉(zhuǎn)矩陣的情況 , 其條件為 :ML 檢測(cè) , 用戶數(shù)N =2, L =2, 發(fā)射天線數(shù) M T =1, 接收天線數(shù) M R =1; 結(jié)果見圖 1, 結(jié)果表明在高信噪比條件下 , 乘旋轉(zhuǎn)矩陣的要 比沒乘的誤碼率明顯降低 , 性能升高 , 在信噪比達(dá) 22左右 可達(dá)到單用戶的性能 , 大大降低了用戶間干擾。圖 1 2用戶情況仿真結(jié)果對(duì)于 4用戶情況 , 為降低復(fù)雜度 , 應(yīng)用了 MMSE 檢測(cè) 法 , 用戶數(shù) N =4, L =2, 發(fā)射天線數(shù) M T =1, 接收天線數(shù)M R =3 , 仿真結(jié)果見圖 2, 結(jié)果表明 , MMSE 檢測(cè)是一種次優(yōu)方法

14、 , 但可滿足要求 , 用 MMSE 在高信噪比條件下旋 轉(zhuǎn)矩陣仍具有降低干擾的作用。圖 2 4用戶分組仿真結(jié)果(下轉(zhuǎn)第 17頁(yè) 41無(wú) 線 通 信 孫東升等 :旋轉(zhuǎn)矩陣法抗多用戶間干擾添加一個(gè)倍頻器 , 就能實(shí)現(xiàn)全頻段范圍內(nèi)對(duì)本振信號(hào)的設(shè) 計(jì)要求。 利用 AD9858強(qiáng)大的 DDS 功能 , 配合單片機(jī)靈活 的控制手段 , 設(shè)計(jì)了一款可編程控制的本振信號(hào)源 , 其工 作原理框圖如圖 2 所示。圖 2 本振源工作原理框圖(3 精確設(shè)計(jì)帶通濾波器電路 。由于對(duì)頻段進(jìn)行了分割 , 所以為了確保每個(gè)小頻段交界處的信號(hào)既不互相干 擾 , , 濾波器的相對(duì)帶寬 , f 0=(+L /2=2f L +-f

15、 LfL+2+f L=40%(7如此大的相對(duì)帶寬 , 普通的晶體濾波器和陶瓷濾波器是難 以達(dá)到的 , 因此選用聲表面波濾波器作為帶通濾波器的設(shè) 計(jì)原型。 聲表面波濾波器不僅選頻特性好 , 而且性能穩(wěn) 定、 溫度系數(shù)小 , 相對(duì)帶寬更可達(dá)到 50%。在設(shè)計(jì)中采用REMEZ 交換算法進(jìn)行優(yōu)化 , 可以使矩形系數(shù)達(dá)到 111, 甚至更低 , 從而使兩相鄰頻段交界處的互擾降到最低 。(4 作為陷波環(huán)節(jié) , 還需設(shè)計(jì)一組高 Q 值的帶阻濾波器。 基本可以考慮使用單片晶體濾波器 , 但晶體的最高工 作頻率為 200M Hz , 因此第 8、 第 9頻段帶阻濾波器的設(shè) 計(jì)需要用到聲表面波諧振器 , 并在此基

16、礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出分立式帶阻濾波器 , 以滿足這兩個(gè)頻段的設(shè)計(jì)要求。(5 在連接各個(gè)部分電路時(shí) , 精確計(jì)算電路之間的匹配關(guān)系 , 以保證整體電路達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 4 結(jié) 語(yǔ)從理論上講 , 利用頻段分割技術(shù) , “ 間接可編程陷波 法” 幾乎可以運(yùn)用于任何波段 , 尤其是對(duì)于高頻信號(hào) , 因?yàn)?阻帶中心頻率越高 , 其覆蓋的可陷波工作頻帶就會(huì)越寬。 獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì) , 又能為自己 , 從而 的困擾。在實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題 , 最重要的問(wèn)題出現(xiàn)在兩 相鄰頻段交界處 , 該處信號(hào)失真較大 , 基本無(wú)法實(shí)現(xiàn)陷波。 解決的辦法有兩種 :第一種是設(shè)計(jì)出一款矩形系數(shù)為 1的 帶通濾波器 , 以減少頻段間的干擾 ; 第

17、二種是同時(shí)使用兩 套系統(tǒng) , 每套系統(tǒng)只處理相隔頻段的信號(hào) , 以消除相鄰頻段信號(hào)的干擾。這兩種方法都能解決頻段交界處信號(hào)失 真的問(wèn)題 , 但第一種方法在實(shí)現(xiàn)上有困難 , 第二種方法又 無(wú)形中會(huì)增加產(chǎn)品成本。因此 , 在設(shè)計(jì)之初應(yīng)該詳細(xì)分析 陷波頻帶 , 盡量將其分配在所分割頻段的中部 , 這是最經(jīng) 濟(jì)實(shí)用的一種解決辦法。參 考 文 獻(xiàn)1陶軍生 . 特種警用裝備 Z.北京 :公安部科學(xué)技術(shù)信息研究所 ,2003.2廖 惜 春 . 高 頻 電 子 線 路 M .廣 州 :華 南 理 工 大 學(xué) 出 版社 ,2001.3盛亦軍 , 劉娟 . 一種適用于高頻信號(hào)的間接可編程陷波技術(shù)J.電子工程師 ,

18、2005,31(9 :2931.(上接第 14頁(yè) 5 結(jié) 語(yǔ)多用戶情況下 , 用文中的旋轉(zhuǎn)矩陣法 , 在不用編碼 , 也 不用提供正交信號(hào)條件下 , 可以降低用戶間干擾 , 從而保 證了頻 帶 利 用 率。仿 真 結(jié) 果 表 明 , 在 SNR =22時(shí) , 有213dB 的增 益 ; 另 外 , 文 中 對(duì) 多 用 戶 情 況 應(yīng) 用 了 分 組 MMSE 檢測(cè)法 , 降低了計(jì)算復(fù)雜度 。參 考 文 獻(xiàn)1 Branka Vucetic ,Jinhong Yuan. Spacetime CodingM .王曉海譯 . 北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 ,2004.2 DaSilva V ,Sousa E. Fadingresistant Modulation UsingSeveral Transmitter Antennas J.IEEE Trans. on Com 2mun. ,1997,45(10 :12361244.3 G iallorenzi T R ,Wilson S G. Multiuser ML Sequence Esti 2mator for Convolutional Coded A