多用戶多天線FDD下行系統中空時碼研究

戴譚明 王海泉 李國彬 鄭思思

摘 要：針對基站端配置M根發送天線，而用戶端只有一根接收天線的多用戶多天線頻分雙工（frequency division duplex，FDD）下行系統，結合預編碼與空時碼技術，提出一種新的傳輸方案及相應解碼方法，將用戶間干擾轉化為信道增益且保持線性解碼復雜度。即當用戶數[K=2]時，采用Alamouti正交空時碼傳送方案，而在[K2]的情況下，采用循環矩陣形式的傳送方案，并與預編碼技術相結合采用新的傳輸方案。相較于傳統傳送方案，該方案能有效將用戶間的干擾信道信息轉化為對主用戶有益的信息，與此同時保持線性解碼的復雜度。數值仿真結果表明，該傳送方案比傳統傳送方案在誤碼率和容量上均有所提升。

關鍵詞：多用戶多天線;FDD下行系統;預編碼技術;正交空時碼;循環矩陣;解碼復雜度

DOI：10. 11907/rjdk. 182058

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：1672-7800（2019）003-0173-05

0 引言

在無線通信領域，多項研究表明多用戶多天線系統能明顯提高頻譜效率，實現高容量的最佳接收。從信息論的觀點看，單用戶信道容量的研究已趨于成熟，其中包括單天線系統以及多天線的多輸入多輸出（Multiple input Multiple output， MIMO）系統。多用戶多天線系統因其信道復雜性，容量分析具有重要研究價值。在文獻[1-2]中，針對多用戶信道容量方向的研究有較為全面的綜述。實際上在收發雙方均知道信道狀態信息的情況下，能使用臟紙編碼技術達到其容量域[3]。文獻[4]給出了在兩個用戶的場景下，臟紙編碼技術能達到的容量域就是下行多用戶MIMO信道的容量域證明。然而，臟紙編碼算法具有較高的復雜度，故實用性不高。另一方面，要使發送端和接收端完全知道信道狀態信息是難以實現的。所以，普遍的做法是通過有限反饋技術[5-9]使發送端獲得不完善的信道狀態信息實現預編碼技術。其中，預編碼碼本的設計基于最小化最大碼本矢量距離，這在文獻[10-11]中有所涉及。

在多用戶[12]多天線FDD下行系統中，由于基站端包含了所有用戶信息，因此必然會產生多用戶干擾（Multiple User Interference，MUI）。通過基站發送訓練序列，假設在用戶端接收到訓練序列后，用戶經下行信道能準確估計出該信道狀態信息，再通過上行信道反饋回基站，基站利用接收端信道狀態信息，使用相應的預編碼方式進行傳輸。然而，在反饋過程中，由于誤差的存在，比如信道量化、信道反饋產生的誤差，系統得到的用戶信道狀態信息是不完善的，即使經過預編碼處理，用戶間的干擾也難以完全消除，并且隨著用戶數的增加，用戶間的干擾也會增大，導致系統誤碼率增大以及容量降低。為了克服這一缺陷，本文結合預編碼和空時編碼技術[13-16]提出了新的發送方式，即在相干時間內通過多次發送，使得同一信號通過不同的信道抵達接收端。為了達到系統容量，在發送方式上提供完全增益的空時碼，即Alamouti正交空時碼[17-18]，能有效處理用戶間干擾且能達到系統容量。在基站端，各用戶經預編碼選擇準則選出各自對應的預編碼向量。在基站獲取用戶的預編碼向量后，需在基站端廣播一次，使得所有用戶的預編碼向量對各用戶均是透明的。在接收方利用最大似然（Maximum Likelihood，ML）解碼方式，而當發送的信號具有正交性時[19]，可通過轉化以降低解碼復雜度。

1 系統模型

系統模型見圖1。假定系統基站端發送天線數為M，用戶數為K，且均為單天線用戶。假設基站端到用戶端之間是平坦瑞利慢衰落信道，相干時間不小于T，用戶[i]接收信號可表示為：

式（3）右邊第一項是用戶[i]需要的信息，第二項是用戶間的干擾，第三項是噪聲。

2 有限反饋預編碼及解碼

傳統傳輸方案往往把其它用戶的信息當成干擾處理，這樣隨著用戶數的增加干擾也會加大，導致系統性能下降。本文結合預編碼技術與空時碼技術，提出了一種能充分利用其他用戶信息進行傳輸的方式。

2.1 預編碼碼本設計及預編碼選擇

3 仿真分析

為驗證本文方案性能，對預編碼技術和空時碼發送方式進行仿真，在多用戶多天線FDD下行系統中，每個用戶的反饋比特數均為B=4bits，以系統的容量及誤碼率為指標評價方案的優劣。

仿真一 圖2顯示了用戶均為單天線的情況下K=2、3，M=4的容量，從圖中可以看出，傳統的發送方式下隨著信噪比不斷增大，信號和干擾的能量同時增大，故容量先增大然后趨于平穩。而在本文提出的發送方案1和方案2的情況下，隨著信噪比增大，容量也增大。

仿真二 圖3顯示在用戶均為單天線的情況下K=2、3，M=4的誤碼率仿真曲線。在傳統的發送方式下，為保證比特速率相同，即發送1次時采用4-QAM傳送2bits，在發送方案一中，利用Alamouti正交空時碼發送2次，采用16-QAM傳送了4bits;在發送方案二中，利用循環矩陣發送3次，采用64-QAM傳送了6bits。在這幾種不同的發送方式下，傳送率均為2比特pcu（每使用一次信道所能傳送的比特數）。從仿真圖可以看出，基于傳統的傳輸方案因用戶間干擾的存在，隨著信噪比的增大其誤碼率難以下降，但在本文發送方案一和方案二的情況下，隨著信噪比的增大，碼率減小。

仿真三 圖4在用戶數一定的情況下進行，用戶數K=3。該仿真分為三組，第一組是在反饋比特數相同的情況下改變基站端的天線數。仿真結果表明，隨著基站端天線數的增加，誤碼率反而越大。第二組是在基站端天線數相同的情況下改變反饋比特數。仿真結果表明，隨著反饋比特數的增大誤碼率越小。第三組是在基站端天線數和反饋比特數比值一定的情況下進行仿真，結果表明在比值一定時，基站端天線數越大誤碼率越小。并且這個比值越大，誤碼率就越小，這個比值越小，誤碼率反而越大。