基于多址干擾和蜂窩間互擾分布的多載波系統聯合接收方法

王金鵬,曹 帆,賀曉陽,鄒念育

(大連工業大學 信息學院，遼寧 大連 116034)

0 引 言

多載波系統由于其信道呈現稀疏特性[1]，故其在頻率選擇性的多通道情況下可以擁有較強的對抗性，同時具有較高的頻帶利用率，一直以來都是研究的熱點，并被認為是新一代寬帶無線接入的可選方案之一[2]。伴隨著頻域中對正交擴頻碼的應用，用戶數據通過多載波系統的發射裝置進行擴頻。可以通過頻域均衡技術在惡劣的衰落環境中獲得較好的誤比特率(BER)[3,4]。當然，與直接數字序列系統相同的是，在多載波系統中可以應用頻分復用[5]，也可以通過限制帶寬來達到目的。對于移動用戶來說，由于陰影和距離衰落導致的接收信號功率降低可以通過空間分集接收方法來進行補償[6]。這些方法均可以提高下行基鏈路的傳輸性能。最小均方誤差估計(MMSE)方法的主要思想是使誤差的均方值最小；空間分集可以對多個有一定距離的接收天線的信號進行合并接收，并利用各個天線的不相關特性以達到接收信號最優的效果。

本文提出了一種基于最小均方誤差和空間分集的多載波系統中下行鏈路的聯合接收方法，該方法既具備了空間分集的信號合并最優特性，又具有MMSE方法所帶來的均方誤差最小的優勢。計算機仿真結果表明，通過聯合使用最小均方誤差的頻域均衡(MMSE-FDE)和接收分集方法可以極大地提高下行鏈路的容量[7,8]。這些通過計算機仿真得到的結論如何在理論上得到驗證仍存在著很大的問題[9,10]，因此建立一整套的完備的理論體系來評估由空間分集方法建立的下行鏈路性能就顯得尤為重要。

1 系統模型及理論推導

多載波系統中包括正交擴頻碼、交織碼和高斯白噪聲等信號，其中正交擴頻碼用來確認用戶，而交織碼可以用來分離微蜂窩的空間[11]。頻率選擇性衰落信道很難在用戶中獲得完美的正交性[12]，如圖1所示，子載波的增益不再是恒定的，這就會帶來多址干擾(Multiple access interference，MAI)。

考慮第i個基站BSi與第j個用戶u(j)的距離為ri_u(j)，同時假定陰影衰落因子為α，遮擋衰落的標準方差為β，信道為高斯白噪聲的理想信道AGWN，空間分集的天線個數為m，則信道增益可以表示為：

(1)

(2)

式中：

(3)

而此時的多址干擾MAI為：

(4)

假設多載波系統的子載波數量為Nc，擴頻因子為SF,圖2給出了使用最小均方誤差的頻域均衡(MMSE-FDE)和接收分集方法聯合接收的系統框圖，包括發射和接收兩部分。

考慮基站BSi中微蜂窩j的用戶u，其并行數據序列Nc/SF可以從已調信號序列{du(j)(n);n=0～Nc/SF-1}中通過串并轉換(S/P)得到。S/P轉換的輸出是通過計算擴頻因子SF乘以正交擴頻碼{Cu(j)(k);k=0～SF-1}得到的。通常，基站i的交織碼{CPN(i)(k);k=0～Nc-1}是被用作結合每個子載波的用戶擴頻信號做乘法使用的。不同交織碼的作用是將那些接收到的合成信號轉化成類白噪聲性質，并可以提取出來不同微蜂窩的空間信息。定義第k路子載波的復合接收信號為：

cu(i)(kmodSF)cPN(i)(k)

(5)

基于上述方程，其中Pi為傳輸功率，基站i中活動的信道(用戶)數為U+δui，δui為在空間分集運算中額外預留的信道數。考慮到|du(i)(n)| =|cu(i)(k)|=|cPN(i)(k)|=1，那么，正交擴頻交織碼可以表示為：正交擴頻交織碼可以表示為：

(6)

圖2下行鏈路多載波蜂窩系統發射機/接收機
Fig.2DownlinkMC-CDMAtransmitter/receiverwithsitediversityoperation

然而，由于多址干擾(Multiple access interference，MAI)的存在，多徑衰落信道中是沒有理想正交性的。多址干擾 MAI 定義如下：

(7)

另外，蜂窩間互擾ICI(Inter-cellular interference)是由于交織碼不正交而在蜂窩之間產生的，其可定義為：

(8)

信道的增益由本地的平均誤碼率(BER)表征，其值是通過統計平均及數值仿真得到的，可以表示為：

(9)

(10)

2 仿真實驗

表1為仿真環境和各個相關仿真參數的設定值。

表1 仿真條件設定Table 1 Simulation condition

從圖3可以看出，遮擋衰減系數β的增大對于下行鏈路容量幾乎沒有影響。但是β的增加可以引起干擾功率增大，從而使得干擾發生的概率也變大，因此下行鏈路的容量降低了。

圖3 陰影衰落 β 對下行鏈路容量的影響Fig.3 Effect of shadowing loss standarddeviation β on downlink capacity

通過空間分集算法后，接收信號的功率有了明顯增強，說明β的微小變化可以通過混合分集算法補償回來，理論分析結果與仿真結果是一致的。由信干噪比和誤碼率看出干擾成分為復高斯隨機變量。圖4給出了MAI的概率密度函數(Probability density functions，PDF)的仿真結果。假定每個蜂窩的用戶數U=27 ，γ= 0 dB 代表信道中的是歸一化的功率延遲，Pth=4.5 dB，零均值的高斯分布符合MAI的PDF要求，同時滿足了理論計算的近似值。

圖5給出了采用本文方法時多載波系統的性能，可以看出，隨著參與空間分集的基站數量的增加，多載波下行鏈路的容量也在增加，說明本文的聯合接收方法是有效的。分集使用的基站數目剛好時系統性能達到最佳(比如圖5中的基站數為4)，此時再增加基站數量反而會降低系統性能。

圖5 聯合接收方法的下行鏈路系統容量Fig.5 Downlink capacity based on joint receiving method

3 結束語

本文首先在理論上準確描述在高斯干擾下接收信號的基礎表達，其次推演并計算出信道的理論誤碼率，最后采用蒙特卡洛數值仿真方法對平均誤碼率的條件進行模擬并獲得當前的平均誤碼率，以此來判斷在給定的條件下信道增益是否能夠達到標準。文中給出了局部平均誤碼率的累積分布的中斷概率，定義了下行鏈路的容量，并對理論和計算機仿真結果進行了分析和比較，實驗證明本文理論模型準確，數學描述完備，為研究多載波系統下行鏈路的性能提供了一種有效的理論方法。

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