一種可變速率一種變速率分集技術(shù)

一種可變速率一種變速率分集技術(shù)

1mimo傳輸信號的自適應(yīng)編碼調(diào)制多級采集是一種存在于多級無線系統(tǒng)的技術(shù)，可以利用衰落信號來提高系統(tǒng)的容量。在本文中，機(jī)會波束合成技術(shù)與多級采集技術(shù)的結(jié)合可以使通道具有更大的波動范圍，并將發(fā)射配置給與信道形成最兼容的用戶。為了獲得更高的數(shù)據(jù)率，這種方案被擴(kuò)展到mimo系統(tǒng)。在本文中，我們提出了一種使用mimo系統(tǒng)中多級采集數(shù)據(jù)的隨機(jī)波束形成的方案。其中，主要考慮了非相關(guān)通道的情況。然而，在實(shí)際的信道傳播環(huán)境中，信道矩陣通常存在較大的色散路徑或分散設(shè)施，這會使信號矩陣具有一定的相關(guān)性。在這篇文章中,我們采用MIMO信道的虛擬表述來實(shí)現(xiàn)相關(guān)MIMO系統(tǒng)的多用戶分集.在不相關(guān)MIMO信道中,發(fā)射端的隨機(jī)波束成形矩陣為與用戶矩陣同分布的信道矩陣的右奇異矩陣.發(fā)射端的隨機(jī)波束成形矩陣和期望用戶的信道矩陣越匹配,子信道之間的相互干擾越小,系統(tǒng)獲得的吞吐量越大.在相關(guān)信道中,通常用參數(shù)物理模型來表示信道,Η=L∑l=1βlaR(θR,l)aΗΤ(θΤ,l),其中,βl是衰落增益,θR,l和θT,l分別表示和第l條路徑相關(guān)的到達(dá)角和離開角.雖然物理模型能較準(zhǔn)確的表示具有相關(guān)性的用戶信道,但由于方向角的角度范圍很難選取,直接用該模型很難產(chǎn)生與用戶信道矩陣匹配的隨機(jī)波束成形矩陣,尤其當(dāng)用戶數(shù)較少時,波束成形矩陣不能和用戶信道矩陣很好匹配,從而降低了系統(tǒng)性能.文中所提出的虛擬信道表示形式采用虛擬方向的固定空間波束描述信道,虛擬信道矩陣中的非零子矩陣對應(yīng)于不同的物理散射物,且子矩陣中的元素不相關(guān).因此,通過虛擬信道表述,我們可以用類似在非相關(guān)信道中構(gòu)造統(tǒng)計矩陣的方法來構(gòu)造隨機(jī)波束成形矩陣,而無需對方向角的范圍進(jìn)行估計.這種方法能增加相關(guān)信道中隨機(jī)波束成形矩陣和用戶信道矩陣的匹配度,當(dāng)用戶數(shù)較少時,改善效果更明顯.在我們所提出的方案中,在發(fā)射端不需要準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息,而是根據(jù)接收端反饋的子信道信噪比和比例公平調(diào)度算法選出期望用戶.為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能,MIMO技術(shù)通常與自適應(yīng)發(fā)射技術(shù)結(jié)合在一起.在文中,研究了MIMO多用戶分集系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)制技術(shù).在本文中,進(jìn)一步考慮采用收縮碼實(shí)現(xiàn)可變速率編碼,通過子信道的自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù),進(jìn)一步提高系統(tǒng)的誤碼性能及傳輸速率.文中考慮了兩種情況:固定總數(shù)據(jù)率使系統(tǒng)誤碼率最小;在一定的誤碼率條件小最大化系統(tǒng)傳輸速率.結(jié)果表明,通過自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù),有效地提高了系統(tǒng)的誤碼性能和傳輸速率,隨著用戶數(shù)的增加,系統(tǒng)性能逐漸接近于特征波束成形系統(tǒng)的性能.2hv的非零性及散射性我們考慮一個基站和多個移動終端的通信系統(tǒng),基站上裝有Mt個發(fā)射天線,移動臺上裝有Mr個接收天線(Mt<Mr).真實(shí)無線信道通常和角度擴(kuò)展,散射物和天線距離等因素有關(guān),因此信道矩陣元素通常是相關(guān)的.采用虛擬信道表述的信道模型通過固定、虛擬方向的空間波束表示散射環(huán)境的特點(diǎn),如下式所示Η=Μr∑m=1Μt∑n=1[ΗV]m,naR(θR,m)aΗΤ(θΤ,n)=ARΗVAΗΤ(1)其中,AR=[aR(θR,1),…,aR(θR,Mr)],AT=[aT(θT,1),…,aT(θT,Mt)],aR(θR,l)和aT(θT,l)分別表示虛擬方向的舵矢量和響應(yīng)矢量,aR(θR,l)=1√Μr[1,e-j2πθR,l,?,e-j2π(Μr-1)θR,l]Τ(2)aΤ(θΤ,l)=1√Μt[1,e-j2πθΤ,l,?,e-j2π(Μt-1)θΤ,l]Τ(3)θR,m和θT,n表示固定的虛擬角度,是在主值區(qū)間θ∈[-0.5,0.5]內(nèi)的均勻抽樣,其中,θR,m=(m-1)/Mr-0.5,(m=1,…,Mr),θT,n=(n-1)/Mt-0.5,(n=1,…,Mt).HV是Mr×Mt的虛擬信道矩陣,從式(1)中我們可以看出,HV和H是等價矩陣.HV能形象地表示散射信道,它的非零子矩陣相對于不同的散射物,在不相關(guān)散射的假設(shè)條件下,HV的非零元素不相關(guān).MIMO可變速率多用戶分集系統(tǒng)的框圖如圖1所示.我們考慮下行鏈路多用戶分集,假設(shè)MIMO信道是準(zhǔn)靜止的,則第k個用戶的Mr×1接收信號向量可表示為Yk(n)=HkXb(n)+Wk(n)(4)其中,下標(biāo)k表示用戶指數(shù),b表示基站.Hk是Mr×Mt的復(fù)相關(guān)矩陣.Wk(n)為獨(dú)立同分布的復(fù)加性高斯白噪聲向量(Wk(n)～N(0,(N0)IMr)).Xb(n)表示發(fā)射數(shù)據(jù),E(XTbXb)=P,P是總發(fā)射功率.3虛擬仿真矩陣的生成當(dāng)基站已知用戶信道狀態(tài)信息時,通常采用特征波束成形技術(shù)將信道分成平行的子信道以獲得最大的信道容量.在多用戶分集系統(tǒng)中,發(fā)射端無須知道每個用戶的信道信息,而是生成一個隨機(jī)波束成形矩陣,然后根據(jù)比例調(diào)度算法選出信道矩陣和隨機(jī)波束成形矩陣最匹配的用戶.本文通過虛擬信道矩陣HV產(chǎn)生隨機(jī)波束成形矩陣.由于HV的非零子矩陣和實(shí)際信道中的散射物相對應(yīng),且非零元素不相關(guān),因此可用在非相關(guān)矩陣中產(chǎn)生隨機(jī)矩陣的方法來產(chǎn)生相關(guān)信道中的隨機(jī)矩陣.在發(fā)射端,訓(xùn)練序列ˉXbv先和隨機(jī)矩陣R相乘,再從多個發(fā)射天線發(fā)射出去.隨機(jī)矩陣R的表達(dá)式如下R=ATVvbΓ1/2vb(5)其中,AT為固定舵矢量矩陣,Vvb為隨機(jī)波束成形矩陣,它是隨機(jī)虛擬矩陣Hvb=UvbΛvbVΗvb的右奇異矩陣,Γvb為對角陣,對角線元素是根據(jù)灌水原理求得的功率分配因子γvm=(μ-λ-1vm)+,m=1,…,Mt(6)其中,λvm是HvbHΗvb的特征值,上式滿足約束條件∑mγ2vm=Μt,(x)+表示max(0,x).第k個用戶的接收信號向量可表示為Yk(n)=ΗkRˉXbv(n)+Wk(n)(7)其中,Hk=ARHvkAΗΤ,Hvk=UvkΛvkVΗvk.因?yàn)榻邮斩艘阎?xùn)練序列,因此可以估計合成信道HkR,并進(jìn)行相應(yīng)的線性處理,處理后的信號可表示為?Xvb=BΗkYk(8)其中,Bk為合成信道HkR=BkFkDkΗ的左奇異矩陣.Bk和Dk為奇異矩陣,Fk為奇異值矩陣.如果虛擬波束成形矩陣Vvb等于虛擬信道矩陣右奇異矩陣Vvk,則HkR=ARUvkΛvkΓvb1/2,因此Bk=ARUvk,式(8)可進(jìn)一步表示為X^vb=ΛvkΓvb1/2Xˉvb+BkΗWk(9)然而,當(dāng)Vvb≠Vvk,BHkHkR不再是對角陣,數(shù)據(jù)流將相互干擾.令Ωk=FkDkΗ,第q個子信道的有效信噪比可表示為SΝRkq=Ωk2(q,q)ΡΜt∑j=1j≠qΜtΩk2(q,j)ΡΜt+σk2(10)其中,Ωk(i,j)表示Ωk的(i,j)個元素.對于第k個接收機(jī),我們可以得到Mt個有效信噪比,然后,將信噪比反饋到發(fā)射端.在發(fā)射端,先根據(jù)信噪比計算各個用戶的信道容量,再根據(jù)比例公平調(diào)度算法選擇期望用戶.總結(jié):在MIMO系統(tǒng)中,采用虛擬隨機(jī)波束成形實(shí)現(xiàn)多用戶分集的步驟如下:(1)發(fā)射機(jī)先根據(jù)信道條件(散射物的分布)確定隨機(jī)虛擬矩陣Hvb的非零子矩陣,每個子矩陣由獨(dú)立同分布的變量構(gòu)成,對Hvb進(jìn)行SVD分解,Hvb=UvbΛvbVvbΗ,得到隨機(jī)波束成形矩陣Vvb,然后構(gòu)造矩陣R=ATVsbΓvb1/2,其中,Γvb可通過式(6)獲得.(2)發(fā)射機(jī)將訓(xùn)練序列和隨機(jī)矩陣R相乘,然后從天線發(fā)射出去.(3)用戶估計合成信道,對接收信號進(jìn)行線性處理,計算每個子信道的有效信噪比,將信噪比反饋到發(fā)射端.(4)發(fā)射機(jī)計算每個用戶的總信道容量,然后根據(jù)比例公平調(diào)度算法選擇期望用戶,同時根據(jù)反饋信噪比對所選用戶進(jìn)行自適應(yīng)編碼調(diào)制(詳見第4節(jié)).4自適應(yīng)編碼調(diào)制在本節(jié),我們根據(jù)反饋信噪比選擇期望用戶的編碼調(diào)制方式.兩種情況下的自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)被分別討論:在一定數(shù)據(jù)率的條件下最小化系統(tǒng)的誤碼率;在誤碼率一定的條件下最大化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)率.4.1子信道的編碼調(diào)制在該方案中,我們在數(shù)據(jù)率一定的條件下,自適應(yīng)地選擇子信道及編碼調(diào)制方式以使期望用戶的誤碼率最小(設(shè)第k個用戶為期望用戶).令bi,i=1,…,Mt表示分配給每個子信道的比特數(shù),且∑qbq=bΤ,采用QAM調(diào)制方式的第k個用戶的第q個子信道的誤比特率公式為BERkq≈Cexp(-1.6GcqSΝRkq2bq-1)(11)其中,C為常數(shù),Gcq為第q個子信道的編碼增益.該優(yōu)化問題可表示為下式minmaxq∈{1,?,Μt}BERkq(12)為了滿足式(12),所有子信道的誤比特率必須相同,否則,誤碼性能最差的子信道將會使系統(tǒng)性能嚴(yán)重惡化,因此,根據(jù)式(11),我們可得到下式2bqGcq=-1.6SΝRkqln(BERkq/C)+1(13)將子信道的頻譜效率相加,可得BERcon的上界BERcon＜Cexp(-1.6(∏qGcq)1/Μt(∏qSΝRkq)1/Μt2bΤ/Μt)(14)令S和Μ?t表示使用的子信道集合和數(shù)目,為最小化式(14),子信道的選擇原則如(S,Μ?t)=argmax(Cexp(-1.6(∏qGcq)1/Μt(∏qSΝRkq)1/Μt2bΤ/Μt))(15)一旦(S,Μ?l)確定,各個子信道的編碼調(diào)制方式可由式(13)確定.每個子信道分配的比特數(shù)和編碼增益是對應(yīng)的,設(shè)子信道分配的比特數(shù)為bi,則2bi/Gci應(yīng)為不超過-1.6SΝRkiln(BER/C)+1的最大數(shù).4.2編碼調(diào)制方式在這個小節(jié)中,我們考慮離散速率和一定BER約束條件下的自適應(yīng)編碼調(diào)制方案.對于M-QAM調(diào)制,幀長為L的系統(tǒng),第k個用戶的第q個子信道可獲得的吞吐量可表示為Tkq=Rq(1-BERkq)Llog2Mq(16)其中,Rq為編碼速率,Mq=2bq,BERkq為式(11)所示.每個子信道根據(jù)其信噪比進(jìn)行獨(dú)立的編碼調(diào)制,使各個子信道所能獲得的吞吐量最大Mq=argmaxTkq(17)其中,BERkq必須小于系統(tǒng)的誤比特率的約束條件.式(17)很難得到準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)解,只能采用計算機(jī)搜索比較獲得.在一定的誤碼性能的條件下,為了獲得最大的頻帶利用率,信噪比高的子信道應(yīng)采用高進(jìn)制調(diào)制發(fā)式,而信噪比低的信道應(yīng)采用低進(jìn)制調(diào)制方式.5自適應(yīng)編碼調(diào)制在本節(jié),我們討論在慢衰落相關(guān)信道中的系統(tǒng)性能.慢衰落意味著在我們所考慮的時間范圍內(nèi)信道是保持不變的.雖然信道恒定,隨機(jī)波束成形技術(shù)能導(dǎo)致信道波動以實(shí)現(xiàn)多用戶分集.如果發(fā)射端已知信道狀態(tài)信息時,則令Vvb=Vvk,且發(fā)射端采用灌水原理進(jìn)行功率分配,此時用戶k的子信道信噪比最大,我們稱這種情況為特征波束成形.當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)的用戶數(shù)很多時,隨機(jī)波束成形的性能接近特征波束成形的性能.為進(jìn)一步提高多用戶分集系統(tǒng)的性能,我們在發(fā)射端采用子信道自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù).我們采用固定編碼速率1/2的編碼器(g=),通過收縮碼實(shí)現(xiàn)可變速率編碼(編碼速率為(n-1)/n,n=2,…,8),采用4QAM～256QAM的調(diào)制方式.5.1誤碼性能分析在本小節(jié)中,主要評價在總速率一定的條件下,系統(tǒng)的誤碼性能.在本節(jié)的所有仿真中,bT=8bps/Hz.圖2評價了在不同信道條件下的多用戶環(huán)境中用戶1的誤碼性能(假設(shè)小區(qū)內(nèi)的所有用戶的信道矩陣是同分布的,因此僅考察用戶1的誤碼性能不失一般性).其中,平均SNR=P/N0,發(fā)射天線Mt=4,接收天線Mr=4,用戶數(shù)為100.由于虛擬信道矩陣的不同非零子矩陣對應(yīng)于信道中的不同散射物,且非零元素相互獨(dú)立,因此,虛擬信道矩陣為真實(shí)信道提供了直觀形象的表達(dá)方式.在圖2中,我們選取的虛擬信道矩陣為.其中,×和Δ分別表示不同方差的非零元素.在本次實(shí)驗(yàn)中,Δ表示方差為1的非零元素.為了比較系統(tǒng)在不同信道條件下的性能,×分別表示方差為0.01(相對于圖2中的Hv1)和0.05(相對于圖2中的Hv2)的非零元素.信道中的散射路徑越大,信道相關(guān)性越弱,相應(yīng)子矩陣元素的方差也越大,因此,從圖2中,我們可以看出,方差越大的矩陣對應(yīng)的誤碼率曲線的斜率越大.同時,我們還將接收端已知信道信息(Vvb=Vv1)的系統(tǒng)性能和隨機(jī)波束成形的性能進(jìn)行比較.當(dāng)信噪比小于16dB的時候,兩者是基本重合的,這表明當(dāng)用戶數(shù)為100時,隨機(jī)波束成形矩陣能和期望用戶信道矩陣能較好地匹配.但當(dāng)信噪比大于16dB,兩條曲線開始分開,這是因?yàn)橛捎陔S機(jī)波束成形矩陣不可能和戶信道矩陣完全匹配,而發(fā)射端的功率越大,來自其他子信道的干擾也越大,因此,當(dāng)用戶數(shù)一定時,發(fā)射功率過大反而會使系統(tǒng)性能惡化.圖3為用戶1在不同天線配置條件下的誤碼性能曲線.平均SNR為15dB.當(dāng)Mt=2Mr=4時,;當(dāng)Mt=4,Mr=6時,,其中,×和Δ分別表示方差為0.05和1的非零元素;.當(dāng)發(fā)射端已知用戶1的信道狀態(tài)信息時,各個子信道的信噪比最大,用戶1的BER最小(圖3中的直線).當(dāng)采用隨機(jī)波束成形技術(shù)時,隨著用戶數(shù)的增加,用戶1的BER會逐漸接近BER下界.顯然,增加發(fā)射或接收天線的個數(shù)可以提高系統(tǒng)的誤碼性能,尤其是增加接收天線的個數(shù),對系統(tǒng)性能有很大改善.因?yàn)樵黾犹炀€的數(shù)目相當(dāng)于增加了路徑數(shù),從而能為系統(tǒng)提供更多的復(fù)用增益.圖4為發(fā)射端根據(jù)子信道信噪比進(jìn)行自適應(yīng)編碼調(diào)制時,各個子信道采用的調(diào)制方式.其中,發(fā)射接收天線的個數(shù)均為4,信道模型與圖2的信道模型同,×和Δ分別表示方差為0.05和1的非零元素.在相關(guān)信道中,由于信道矩陣的條件數(shù)較大,因此,信噪比較小的子信道通常不可用.在本實(shí)驗(yàn)中,只有子信道1和2可用.各子信道采用的編碼調(diào)制方式如表1所示.子信道1的信噪比較大,因此采用256QAM～16QAM的高進(jìn)制調(diào)制方式,而子信道2則多用4QAM和8QAM等調(diào)制方式.因?yàn)橄到y(tǒng)的總速率一定,所以調(diào)制方式的比例基本不隨信噪比而變化.5.2隨機(jī)波束成形矩陣hv隨機(jī)波束成形矩陣與用戶信道矩陣越匹配,系統(tǒng)所能獲得吞吐量越大.在研究相關(guān)信道中的隨機(jī)波束成形技術(shù)中,如果用物理信道模型的方法來構(gòu)造隨機(jī)波束成形矩陣,很難得到和用戶信道矩陣匹配的波束成形矩陣.圖5主要比較了采用物理信道模型和采用虛擬波束成形矩陣方法所能獲得的系統(tǒng)吞吐量.我們所采用的虛擬波束成形矩陣與圖2中所用的虛擬矩陣Hv相同.當(dāng)發(fā)射端已知信道狀態(tài)信息時,系統(tǒng)的吞吐量達(dá)到最大,即圖5中的吞吐量上界.用戶1的容量和速率隨著用戶數(shù)的增加而逐漸接近容量界.顯然,采用虛擬矩陣構(gòu)造的