基于隨機波束成形的mimo-ofdm系統(tǒng)自適應分集資源分配算法

基于隨機波束成形的mimo-ofdm系統(tǒng)自適應分集資源分配算法

1隨機波束成形+自適應調(diào)制的mimo-ofd用戶可以利用不同用戶錯誤頻率的獨立性來提高系統(tǒng)容量。在一組數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（siso）中，氣機將資源分配給最合適的用戶，從而最大限度地提高系統(tǒng)的吞吐量。為了在mimo地址和廣播信道上記錄用戶記錄，并在文獻中提出了一種隨機波束形成技術來增加信道的波動范圍，并將信號發(fā)送給具有最合適波束形成矩陣的用戶。為了獲得更高的數(shù)據(jù)率，這個系統(tǒng)被擴展到了mimo系統(tǒng)。自適應調(diào)制能根據(jù)信道條件好壞調(diào)整數(shù)據(jù)速率,已被應用到多用戶分集系統(tǒng)、MIMO系統(tǒng)、蜂窩系統(tǒng)、OFDM系統(tǒng)及MIMO-OFDM系統(tǒng)中.在文獻中,提出了MIMO系統(tǒng)中利用多用戶分集的隨機波束成形方案,其中主要考慮窄帶無線系統(tǒng)的情況,而在寬帶無線通信中,符號周期變得越來越小,因此系統(tǒng)信號受頻率選擇性衰落的影響,該方案不再適用.本文聯(lián)合考慮多用戶分集和自適應調(diào)制技術將提出的可變速率方法推廣到頻率選擇性衰落信道上,建立基于隨機波束成形和自適應調(diào)制的MIMO-OFDM系統(tǒng)的自適應多用戶分集系統(tǒng)模型,提出隨機波束成形QR接收機的自適應多用戶分集資源分配算法及其簡化算法,在最大化系統(tǒng)吞吐量條件下推導系統(tǒng)的誤碼性能.實驗結果表明,與文獻中的SVD線性接收機相比,本文提出的QR線性接收機即使用戶數(shù)很少或平均功率較大時,系統(tǒng)的吞吐量也能很快收斂到特征波束成形系統(tǒng)的性能;當用戶數(shù)增加時,將天線分給不同用戶可以獲得比特征波束成形系統(tǒng)更好的性能;在MIMO-OFDM系統(tǒng)中,如果對每個子信道采用不同的編碼調(diào)制方式,當天線數(shù)或載波數(shù)較大時,將會增加設備的復雜度,因此本文采用子信道分組,同組子信道采用相同調(diào)整方式的方法,以簡化系統(tǒng)結構.2抽樣序列的提取基于MIMO-OFDM系統(tǒng)的多用戶分集系統(tǒng)框圖如圖1所示.考慮一個基站和多個移動終端的多用戶通信系統(tǒng),設信道為頻率選擇性瑞利衰落信道,且認為在一幀數(shù)據(jù)傳輸時間內(nèi),信道狀態(tài)保持不變;發(fā)射天線和接收天線之間的多徑數(shù)為L,每條信道的最大信道長度為V,g(t)為發(fā)射符號的脈沖成形函數(shù),則在第l條信道上的g(t)的抽樣序列可表示為{gl(n),n=0,…,V-1};設MIMO-OFDM系統(tǒng)的子載波個數(shù)為Nc,發(fā)射系統(tǒng)由Mt個OFDM發(fā)射器組成.每個OFDM發(fā)射器由相應的自適應編碼調(diào)制器,功率分配器,及IFFT模塊構成.對(Mt,Mr)的MIMO信道而言,每個子載波的空頻信道對應一個波束成形器,一個空頻信道由Mt個平行子信道組成.在接收端,再通過FFT將各個子載波的信息分離出來,并分別進行相應的解碼及數(shù)據(jù)檢測.設第k個用戶的第i個子載波上的發(fā)射信號為xk(i),則在經(jīng)過FFT處理后的接收信號向量可表示為:rk(i)=Hk(i)xk(i)+nk(i)(1)其中,nk(i)為獨立同分布的復加性高斯白噪聲向量(nk(t)～N(0,N0IMr))Hk(i)為第i個子載波對應的空頻信道,可表示如下:Hk(i)=V-1∑v=0(L∑l=1βlαR,lαΤΤ,lgl(v))e-j2πvi/Νc(2)其中,βl為第l條路徑的衰落系數(shù),αR,l和αT,l分別為第l條路徑的接收天線陣列響應向量和發(fā)射天線陣列響應向量.3信號分配器mimo-ofd在慢衰落信道中,多用戶分集只能獲得有限的分集增益,為了提高增益,就必須增加信道的變化速度和波動范圍.在每個空頻信道的發(fā)射端采用隨機波束成形技術,就是為了增加空頻信道的波動,當隨機波束成形矩陣和某用戶的空頻信道矩陣相匹配時,信道的波動到達峰值,則根據(jù)比例公平調(diào)度算法,發(fā)射機將資源分配給該用戶.用戶k的第i個載波信道矩陣的奇異值(SVD)分解可表示為:Hk(i)=Uk(i)Λk(i)VΗk(i)(3)其中,Uk和Vk為正交陣,Λk為對角陣,對角線元素為Hk的奇異值.令Vib(1≤i≤Nc)表示第i個載波空頻信道的隨機波束成形矩陣,Vib為隨機矩陣Hib的右奇異矩陣.Hib是與用戶信道矩陣同分布的隨機矩陣.基站向所有用戶發(fā)導頻信號,以測試用戶的信道信息,用戶k的接收信號在FFT變換后,第i個空頻信道的接收信號可表示為:Yk(i)=Hk(i)VibXk(i)+nk(i)(4)在接收端,可通過信道估計得到合成信道Hk(i)Vib,并對接收信號進行相應的線性處理.接收信號經(jīng)過線性處理后,可表示為:?Xk(i)=QΗk(i)Yk(i)(5)其中,Qk(i)為正交陣,且Hk(i)Vib=Qk(i)rk(i),rk(i)為上三角矩陣.因此?Xk(i)=rk(i)Xk(i)+?nk(i)(6)其中,?nk(i)=QΗk(i)rk(i),其滿足E(?nk?nΗk)=σ2nΙ,第j子信道的有效信噪比為:ρjk(i)=(rjjk(i))2σ2n(7)其中,rjjk為矩陣rk(i)的對角線元素.將有效信噪比反饋到發(fā)射端,發(fā)射端根據(jù)比例調(diào)度算法選擇期望用戶,并利用有效信噪比對總功率進行功率分配,則期望用戶所獲得的系統(tǒng)容量為:CT=Νc∑i=1Μt∑j=1log2(1+pj(i)(rjj(i))2)ΚΝc(8)其中,pj(i)=(μ-1(rjj(i))2)+,∑jpj(i)=ΡΝc?Ρ為總發(fā)射功率,K為系統(tǒng)內(nèi)的活動用戶數(shù).在MIMO-OFDM信道中,采用不同天線分配技術,利用隨機波束成形和QR接收機的多用戶分集算法的步驟如下:(1)在發(fā)射端產(chǎn)生Nc個不同載波的隨機波束成形矩陣,在子信道間平均分配導頻信號的發(fā)射功率,將各個載波的頻域發(fā)射符號向量分別和隨機波束成形矩陣相乘.(2)將信號從不同的天線發(fā)射出去.(3)在接收端,對每個載波的接收信號向量用QR接收機進行線性處理,并計算每個子信道的有效信噪比.(4)將信噪比反饋到發(fā)射端.(5)設將Mt個天線分別分配給不同的用戶,這就需要根據(jù)反饋的有效信噪比對Mt個天線分別進行比例調(diào)度算法.設第m根天線對應的用戶為km,則:km=argkmax(Rk,mΤk)(9)其中,Rk,m表示第m根天線對應的用戶k的不同載波子信道的傳輸速率和,Tk表示用戶k在過去一段時間的平均吞吐量.由式(10),發(fā)射機選出Mt個用戶(k1,k2,…,kMt),每個天線的發(fā)射信號對應一個用戶,每個用戶分配相同的發(fā)射功率.如果每個用戶分配的天線數(shù)大于2,則根據(jù)“灌水原理”進行天線間的功率分配.(6)將信號同時發(fā)射給Mt個期望用戶.(7)每個用戶采用QR接收機抑制其他用戶的干擾信號,提取自身的接收信號.結合天線分配的多用戶分集技術所能獲得的系統(tǒng)吞吐量為:CAT=Μt∑j=1maxkΝc∑i=1log2(1+pjk(i)(rjjk(i))2)ΚΝc(10)其中,pjk(i)為第k個用戶的第i個載波的第j個空間子信道的發(fā)射功率.4求解最大誤比特率在多用戶系統(tǒng)中,用戶有不同的服務要求,如果對每個用戶采用固定的編碼調(diào)制方式,不利于系統(tǒng)頻帶資源的有效利用.因此將考慮在不同服務要求下的自適應編碼調(diào)制技術.利用接收機反饋的有效信噪比,對用戶的發(fā)射參數(shù)進行調(diào)整.考慮離散速率和一定BER約束條件下的多用戶分集系統(tǒng)的自適應編碼調(diào)制方案.采用固定編碼速率為1/2的編碼器,通過刪除碼實現(xiàn)可變速率編碼.具體的編碼調(diào)制方式見表1.令bj(i),j=1,…,Mt,表示分配給期望用戶的第i個空頻信道的第j根天線的比特數(shù),采用QAM調(diào)制方式的第個子信道的誤碼率可表示為:BERj(i)≈Cexp(-1.6Gjcρj(i)pj(i)2bj(i)-1)(11)其中,C為常數(shù),Gjc(i)為第j個子信道的編碼增益,ρj(i)和pj(i)分別為第i個空頻信道的第個j子信道的有效信噪比和發(fā)射功率,且Νc∑i=1Μt∑j=1pj(i)=P,P為總發(fā)射功率.子信道的誤碼率滿足以下約束條件:BERj(i)≤BERtarget(12)第i個空頻信道的第j個子信道的最大信息比特數(shù)可表示為:ˉbj(i)=floor(log2(1+-1.5Gcρj(i)pj(i)ln(BERtarget/C))-1)(13)其中,floor(x)表示不大于x的最大整數(shù),則系統(tǒng)的總吞吐量為:BT=Νc∑i=1Μt∑j=1ˉbj(i)Νc.在總功率及誤碼率約束條件下的最大化系統(tǒng)吞吐量的子信道功率分配為:pj(i)=(μ-1Κρj(i))+(14)其中,Κ=1.5Gcln(BER/C)?x+=max(0,x).在采用天線分配技術的系統(tǒng)中,每個用戶的誤比特率都必須滿足要求,則系統(tǒng)所能獲得的總吞吐量為獲得資源的用戶的吞吐量和:BAT=ΜΤ∑j=1maxkΝc∑i=1ˉbkj(i)Νc(15)其中,Νc∑i=1ˉbkj(i)表示分配到第j根天線的第k個用戶獲得的吞吐量.簡化算法:為使最大化系統(tǒng)吞吐量,需要對NcMt個子信道進行比特分配,當Nc或Mt增加時,系統(tǒng)的復雜度會大大增加.簡化算法主要采用對子信道分組的方法,對同一組子信道分配相同比特數(shù),從而降低系統(tǒng)復雜度.根據(jù)式(14)計算個載波分配的比特數(shù),將子信道按比特數(shù)排序,使?bj(1)＜?bj(2)＜?＜?bj(Νc)?j=1,?,Μt.設S個子信道為一組,同一組中子信道比特數(shù)按從小到大的順序表示為?bj(1),?,?bj(S),為簡化發(fā)射接收機的復雜度,同一組子信道分配相同的比特數(shù)?bsj,令s′=maxs?bj(s)(S-s+1),則?bsj=?bj(s′).5天線分配方案我們通過仿真實驗來分析在MIMO-OFDM系統(tǒng)中的多用戶分集系統(tǒng)的性能.天線分配方案1是指將4個天線同時分配給2個用戶,天線分配方案2是指將4個天線同時分配給4個用戶.實驗1:假定所有用戶信道的信道模型如式(2)所示.衰落系數(shù)服從方差為1的瑞利分布,路徑對應的發(fā)射方向角θT,l服從(-π6,0)的均勻分布,達到方向角θR,t服從(-π3,0)的均勻分布,路徑時延τl服從均方根時延擴展為2μs的均勻分布.脈沖成形函數(shù)g(t)為周期5μs,滾降系數(shù)0.35的升余弦函數(shù).路徑長度V等于3.系統(tǒng)的子載波個數(shù)為64.系統(tǒng)允許的最大誤碼率為10-3.多徑數(shù)為20,接收平均信噪比為12dB.圖2給出誤碼率一定條件下在不同天線配置系統(tǒng)((4,4)和(2,2))中,基于QR線性接收機和采用天線分配的兩種多用戶分集系統(tǒng)中,系統(tǒng)平均吞吐量和用戶數(shù)的關系.由圖2可知,在發(fā)射天線和接收天線都為2的系統(tǒng)中,將天線同時分配給2個用戶,能獲得更好的吞吐量性能.而且,在(2,2)系統(tǒng)中,基于QR接收機的系統(tǒng)能更快地收斂到特征波束成形系統(tǒng).在(4,4)系統(tǒng)中,將4個發(fā)射天線分別分給四個用戶能獲得更好的性能.因為天線數(shù)越多,系統(tǒng)能提供的自由度越大,獲得的分集增益也越大.實驗2:假定信道長度V=8,每個子信道所能分配的最大比特數(shù)為8,其余實驗參數(shù)同實驗1.在吞吐量一定條件下比較用戶數(shù)分別為16和100時,分別基于QR接收機的系統(tǒng)和采用天線分配系統(tǒng),系統(tǒng)的誤比特率和平均信噪比的關系.由圖3可知,采用天線分配方案2誤碼性能最佳,天線分配方案1次之,將所有天線分配給同一個用戶的系統(tǒng)誤碼性能最差.在采用天線分配的系統(tǒng)中,由于用戶數(shù)越多,系統(tǒng)提供的分集增益越大,因此用戶數(shù)為100的系統(tǒng)比用戶數(shù)16的系統(tǒng)獲得更好的誤碼性能.實驗3:假定信道長度V=8,每個子信道所能分配的最大比特數(shù)為8,發(fā)射接收天線個數(shù)相等且Mt分別為2和4,用戶數(shù)為16,其余實驗參數(shù)同實驗1.圖4給出在吞吐量一定條件下比較當發(fā)射接收天線個數(shù)不同時,在特征波束成形系統(tǒng)、基于QR接收機系統(tǒng)和采用天線分配的多用戶系統(tǒng)中,用戶1的誤比特率和平均信噪比關系.由圖4可知(4,4)系統(tǒng)能獲得更好的誤碼性能,因為(4,4)系統(tǒng)能提供更大的分集增益.在(2,2)系統(tǒng)中,特征波束成形、基于QR接收機、采用天線分配(將兩個天線分配給兩個用戶)的誤碼率曲線基本重合,表明發(fā)射接收天線個數(shù)越少,基于QR接收機系統(tǒng)的誤碼性能能越快收斂到特征波束成形系統(tǒng)的性能,但是,但天線數(shù)較少時,采用天線分配方案無法為系統(tǒng)帶來額外的增益.6多用戶分集資源分配算法本文聯(lián)合考慮多用戶分集和自適應調(diào)制技術將可變速率方法推廣到頻率選擇性衰落信道上,建