第30卷第2期南華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)Vol 30 No. 22016年6月Journal of University of South China( Science and TechnologyJun.2016文章編號(hào):1673-0062(2016)02-0044-06室內(nèi)多用戶MIMO系統(tǒng)下行鏈路空分多址算法研究王明華,鄧賢君(南華大學(xué)電氣工程學(xué)院,湖南衡陽(yáng)421001)摘要:多天線技術(shù)可在不額外增加功率和帶寬的條件下成倍提升無(wú)線資源的頻譜效率,改善通信質(zhì)量.本文提出了一種適合于室內(nèi)分布系統(tǒng)場(chǎng)景的多用戶MIMO下行鏈路空分多址算法.首先通過(guò)測(cè)量不同用戶在不同通道上的功率來(lái)計(jì)算空分多址用戶間的信號(hào)干擾比值,然后根據(jù)該信號(hào)干擾比值進(jìn)行初步的空分多址判決,最后對(duì)空分多址用戶進(jìn)行干擾補(bǔ)償仿真結(jié)果表明該空分多址算法可以大幅提升室內(nèi)分布系統(tǒng)的容量.關(guān)鍵詞:多用戶MIMO;室內(nèi);空分多址中圖分類號(hào):TN929.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:Research on Downlink Space Division Multiple access inIndoor Multi-user MIMO SystemWANG Ming-hua, DENG Xian-junSchool of Electrical Engineering, University of South China, Hengyang, Hunan 421001, ChinaAbstract: Multi antenna technology can improve the spectrum efficiency of wireless resources and improve the quality of communication under the condition of no additionalpower and bandwidth. In this paper, a multi user MIMo downlink space division multipleaccess( SDMA) algorithm is proposed, which is suitable for indoor distributed system sce-arios. First, ratio of the signal power to interference power was computed by measuring thepower of different users in different channel. And then, a preliminary decision of whether touse SDMa was done according to the ratio. Finally, SDMA interference compensation wascomputed for scheduling. Simulation results show that the space division multiple access al-gorithm can significantly improve the capacity of indoor distribution systemkey words: multi user MIMO; indoor; space division multiple access收稿日期:2016-03-27基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)青年基金資助項(xiàng)目(6140193);湖南省教育廳科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目(15C:195);南華大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(2013XQDO3)作者簡(jiǎn)介:王明華(1980-),男,湖南衡陽(yáng)人,南華大學(xué)電氣工程學(xué)院講師,博士主要研究方向:移動(dòng)無(wú)線通信技術(shù)第30卷第2期王明華等:室內(nèi)多用戶MIMo系統(tǒng)下行鏈路空分多址算法研究45前言絡(luò)的壓力隨著移動(dòng)通信用戶數(shù)的快速增長(zhǎng)和移動(dòng)通信1室內(nèi)空分多址基本原理業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展,現(xiàn)有的頻譜資源已經(jīng)日趨緊張以TDD( Time Division Duplexing,時(shí)分雙工)加上通信技術(shù)頻分多址(FDMA)、時(shí)分多址系統(tǒng)為例闡述室內(nèi)分布系統(tǒng)下空分多址的物理模(TDMA)、碼分多址(CDMA)的容量也漸趨飽和,型在室內(nèi)分布系統(tǒng)中,由于處于不同的樓層中的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)在系統(tǒng)容量、用戶通信質(zhì)量以及新用戶之間有理想的墻壁穿透隔離,這就允許不同通信業(yè)務(wù)的擴(kuò)展等方面都已經(jīng)難以滿足需求如的用戶使用相同的下行資源進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.比如何提升無(wú)線資源的利用率來(lái)滿足人類日益增長(zhǎng)的假設(shè)基站總共有4個(gè)通道,分別服務(wù)不同的樓層,移動(dòng)通信的需求成為移動(dòng)通信領(lǐng)域思考的參考圖1假設(shè)目標(biāo)用戶UE1( User Equipment1)重點(diǎn)13的服務(wù)通道為2,對(duì)目標(biāo)用戶UE1產(chǎn)生SDMA同多輸入多輸出( Multiple Input Multiple Output,碼干擾的干擾用戶UE2的服務(wù)通道為4,UE1和MIMO)技術(shù)可在不額外增加功率和帶寬的條件下UE2分別位于樓層3和樓層1由于通道4為該干成倍提升無(wú)線資源的頻譜效率和大幅改善通信質(zhì)擾用戶UE2下發(fā)的信號(hào)穿透樓層2和3到達(dá)目量十幾年來(lái),大量的科研人員對(duì)MIMO理論進(jìn)行標(biāo)用戶UE1時(shí),由于經(jīng)過(guò)了兩層樓層,信號(hào)的衰了研究,使其得到很好的發(fā)展同時(shí)隨著陣列信號(hào)減很大,所以對(duì)目標(biāo)用戶UE1帶來(lái)的同碼干擾比處理技術(shù)的快速發(fā)展,MIMO技術(shù)在移動(dòng)通信領(lǐng)域較微弱,此時(shí)兩用戶可以空分多址復(fù)用同一個(gè)資中的應(yīng)用也引起了人們的極大關(guān)注目前,MIMO技源,提高了資源利用率術(shù)已經(jīng)成為3G(第三代移動(dòng)通信系統(tǒng))和4G(第四代移動(dòng)通信系統(tǒng))的關(guān)鍵技術(shù)之一.空分多址( Space Division Multiple Access,SDMA)技術(shù)建立通道1樓層4在廣義的多天線技術(shù)的基礎(chǔ)上,在3G中引入,是智能天線技術(shù)的集中體現(xiàn)空分多址方式將空間進(jìn)行通道卜E有用信號(hào)~,目標(biāo)用PUE樓層3劃分,以取得更多的地址,在相同時(shí)間間隙、相同頻段、相同擴(kuò)頻碼下,根據(jù)信號(hào)在空間內(nèi)傳播路徑不通道3樓層2同來(lái)區(qū)分不同的用戶,實(shí)現(xiàn)不同用戶的空間復(fù)用UE2干擾信SDMA技術(shù)可使系統(tǒng)在有限的頻譜內(nèi)支持更多的用戶,成倍的提高頻譜效率,達(dá)到擴(kuò)大移動(dòng)通信網(wǎng)干F狀用戶U2樓層絡(luò)系統(tǒng)容量,降低系統(tǒng)整體造價(jià)和改善系統(tǒng)管理等圖1室內(nèi)空分多址的原理圖目的46Fig1 Schematic diagram of indoor space對(duì)于室內(nèi)分布系統(tǒng)而言,需要重點(diǎn)關(guān)注和研division multipleccess究的問(wèn)題有兩個(gè),即如何解決高速數(shù)據(jù)與多媒體業(yè)務(wù)對(duì)系統(tǒng)容量的要求以及室內(nèi)分布系統(tǒng)覆蓋的由圖1還可以看出,由于TDD系統(tǒng)具有信道可靠性問(wèn)題MIMO技術(shù)理論上都可以解決這兩互易的特點(diǎn)0,用戶在上行各通道的功率關(guān)系個(gè)問(wèn)題,采用空分多址技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)容量的翻倍,可以用來(lái)衡量各通道等功率發(fā)射時(shí)終端用戶從各采用發(fā)射分集技術(shù)可以提升覆蓋的可靠性目前通道收到功率的關(guān)系比如,在圖1中,假設(shè)通道2關(guān)于MIMO技術(shù)在室內(nèi)分布系統(tǒng)中的應(yīng)用研究主和通道4收到的目標(biāo)用戶UE1上行發(fā)來(lái)信號(hào)的要集中的在如何解決室內(nèi)分布的覆蓋問(wèn)題以及系功率分別為Pm2和P叫,對(duì)應(yīng)的功率比值為=統(tǒng)室內(nèi)方案演進(jìn)及改造上,而關(guān)于室內(nèi)分布系統(tǒng)下的空分多址技術(shù)研究相對(duì)較少79p,則當(dāng)通道2和通道4同時(shí)以相同功率P對(duì)各本文重點(diǎn)研究室內(nèi)分布系統(tǒng)下如何采用自的服務(wù)用戶下行發(fā)射時(shí),目標(biāo)用戶UE從通道MMO技術(shù)來(lái)提升系統(tǒng)容量,提出了一種基于2收到的有用信號(hào)功率P與從通道4收到的干TDD( Time Division Duplexing,時(shí)分雙工)系統(tǒng)特征的下行鏈路空分多址算法,提升室內(nèi)分布系統(tǒng)擾用戶UE2的擾功率Pn2的比值為=p=的容量,緩解室內(nèi)環(huán)境下高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對(duì)通信網(wǎng)南華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2016年6月基于此,可以利用上行控制信道信息來(lái)獲取下行他非核心算法流程非常簡(jiǎn)單明確,本文不做詳細(xì)發(fā)送時(shí)目標(biāo)用戶和干擾用戶間的干擾比.說(shuō)明.圖中的Ω為根據(jù)上行接收功率判決是否可2室內(nèi)空分多址算法流程設(shè)計(jì)以采用空分多址的門限值.21非空分下的SINR和SE計(jì)算對(duì)于蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng),比如3G或者4G系不管是3G移動(dòng)通信系統(tǒng)還是4G移動(dòng)通信統(tǒng),無(wú)線資源管理的調(diào)度模玦會(huì)在每一個(gè)調(diào)度時(shí)系統(tǒng),下行鏈路的信道質(zhì)量狀態(tài)是依靠終端反饋刻選擇出一個(gè)當(dāng)前需要調(diào)度的目標(biāo)用戶如果不給基站的為了節(jié)約上行信道反饋下行信道質(zhì)量考慮空分多址,則直接完成該用戶的調(diào)度及資源的數(shù)據(jù)量,提升上行控制信道數(shù)據(jù)反饋的可靠性分配如果采用空分多址,則需要為目標(biāo)用戶選擇終端需要把測(cè)量的信道質(zhì)量信息,即信噪比SNR,個(gè)可以進(jìn)行空分的用戶,不僅需要確保空分之映射為用少量比特信息可以表征的信道質(zhì)量指示后的系統(tǒng)總?cè)萘坎恍∮诜强辗謺r(shí)的系統(tǒng)容量,而( channel quality indication,CQI).與此同時(shí),SE也且空分之后系統(tǒng)的容量越大越好針對(duì)于調(diào)度的與CQ1和SNR一一對(duì)應(yīng)CQI、SE和SNR的映射目標(biāo)用戶,室內(nèi)空分多址的調(diào)度流程如圖2所示關(guān)系一般在高斯白噪聲下仿真得到本文仿真采用的CQI、SE和SNR的映射關(guān)系如表1所示表開(kāi)始中 COI Index和SE是LTE標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議定義的,本文直接采用關(guān)于不同的 CQI Index與SNR閾值的非空分下的SNR和SE計(jì)算關(guān)系由仿真得到仿真信道條件為高斯白噪聲信道仿真思路為:仿真不同的數(shù)據(jù)包大小(對(duì)應(yīng)不調(diào)度用戶集為空同的碼率)在不同的信噪比SNR下的誤碼率曲否線,得到 CQI Index對(duì)應(yīng)碼率下BLER=10%選擇一個(gè)用戶為待空分用戶的SSNR信號(hào)功率與干擾功率比值β計(jì)算表1CQI、SE和SNR映射表格>干擾判決門限9Table 1 CQl, sE and SNR mapping tableCOI IndexSE SNR閾值(BLER=10空分下的SINR和SE計(jì)算0( Out of range)6.71瞳分的$E空分的0.23445.11該待空分用戶適合空分,進(jìn)入0.377-3.15待調(diào)度空分用戶集合0.60l6從空分用戶集合中選擇空分吞50.8770.71上量最大的用戶進(jìn)行空分調(diào)度61.17581.476691416.431圖2室內(nèi)空分多址算法設(shè)計(jì)流程圖92.40638.326Fig2 Algorithm flow chart of indoor space2.7305ision multiple access3.9023室內(nèi)空分多址算法流程中涉及以下幾個(gè)核心算法:目標(biāo)用戶在非空分下的信干噪比( Signal to4.523415.81Interference Plus Noise Ratio,SINR)和傳輸頻譜效5.115217.68率( spectrum efficiency,SE)計(jì)算;目標(biāo)用戶和待空5.5547分用戶的信號(hào)功率與干擾功率比值β計(jì)算;目標(biāo)用戶和待空分用戶空分下的SINR和SE計(jì)算.其假設(shè)終端上行信道反饋的CQI索引為CQl第30卷第2期王明華等:室內(nèi)多用戶MIMo系統(tǒng)下行鏈路空分多址算法研究則可以根據(jù)表1映射得到上報(bào)的CQl對(duì)應(yīng)的非假設(shè)目標(biāo)用戶UE1和干擾用戶UE2在非空空分時(shí)的 SIRE和SEc分狀態(tài)下的信噪比分別為SNR1和SNR2,則22信號(hào)功率與干擾功率比值β計(jì)算目標(biāo)用戶UE1和干擾用戶UE2在空分狀態(tài)下的為了初步判決目標(biāo)用戶UE1和干擾用戶信干噪比SNRm1,和SINR2,可以計(jì)算為UE2是否可以采用空分多址方式進(jìn)行傳輸,需要SINR計(jì)算得到兩個(gè)用戶間的干擾功率與信號(hào)功率的比B(uel, ue2)X S/NRnel. (4)β(uel,ue2)+S/NR,值β.當(dāng)然,B不僅可以初步判決目標(biāo)用戶和干擾用戶是否可以空分,而且可以用于空分用戶間的s1NR,2(e2,l)+S/NR(5)干擾折算與補(bǔ)償初步空分判決的目的是為了避根據(jù)SNR和SNR,查找表1分別得到目免明顯不可空分的用戶仍然進(jìn)行后續(xù)的計(jì)算,降標(biāo)用戶UEl和干擾用戶UE2空分多址下的頻率效低算法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度率SE,和SE2,根據(jù)SN1,查找表1得到目標(biāo)假設(shè)UE為調(diào)度的目標(biāo)用戶,UE2為UE1的用戶UE1在非空分下的頻率效率SEm,如果干擾用戶(或者待空分用戶).根據(jù)圖1所示,假設(shè)SE + se(6)各通道等功率發(fā)射,通道2和通道4收到的目標(biāo)則表示采用空分多址方式可以帶來(lái)頻譜效率用戶UE1上行發(fā)來(lái)信號(hào)的功率分別為Pm和的提升,優(yōu)先采用空分多址方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;否P1,通道2和通道4收到的干擾用戶UE2上行則目標(biāo)用戶UE采用非空分多址方式單獨(dú)進(jìn)行發(fā)來(lái)信號(hào)的功率分別為Pm2和Pm2數(shù)據(jù)傳輸.對(duì)于目標(biāo)用戶UE而言,可以計(jì)算得到信號(hào)最后,根據(jù)確定調(diào)度的用戶的信干噪比查找功率與干擾功率的比值為表1確定最終的CQ索引B(uel, ue2)=pwe(1)3仿真驗(yàn)證及參數(shù)優(yōu)化對(duì)于干擾用戶UF2而言,可以計(jì)算得到信號(hào)對(duì)于室內(nèi)分布系統(tǒng),仿真建模相對(duì)比較簡(jiǎn)單,功率與干擾功率的比值為主要考慮路徑傳播損耗和陰影衰落即可.本文采β(ue2,uel)=(2)用已經(jīng)非常成熟的 Keenan- Motley模型進(jìn)行系統(tǒng)性能驗(yàn)證仿真系統(tǒng)為 TD-SCDMA平臺(tái),主要參數(shù)如果為:通道數(shù)2個(gè);用戶數(shù)2個(gè);頻率為2010~20202且(3)MHz;調(diào)制方式為QPSK/16QAM自適應(yīng)其他參β(uel,ue2)β(ue2,uel)數(shù)(包括室內(nèi)信道建模相關(guān)參數(shù))較多,采用行業(yè)即,待空分用戶UE2對(duì)目標(biāo)用戶UE1的干擾功率典型參數(shù)配置,不一一注明相對(duì)于UE的信號(hào)功率小于設(shè)定的門限值且目3.1性能增益仿真驗(yàn)證標(biāo)用戶UE1對(duì)待空分用戶UE2的干擾功率相對(duì)圖3為兩個(gè)空分用戶處于不同距離間隔下的于UE2的信號(hào)功率也小于設(shè)定的門限值,說(shuō)明兩小區(qū)吞吐量曲線在非空分場(chǎng)景下,小區(qū)的極限吞個(gè)用戶間的干擾功率相對(duì)于信號(hào)功率都可以忽略吐量為468.1kbps,見(jiàn)圖3中的粗線采用空分多不計(jì),或者說(shuō)影響有限,則初步判決可以采用空分址方式,小區(qū)吞吐量隨著兩個(gè)用戶的距離不斷增多址的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸式(3)中的Ω為空分大而增大,即小區(qū)吞吐量隨著兩個(gè)用戶間的干擾多址判決門限值,取值范圍(0,1)不斷減少而增大空分多址的極限小區(qū)吞吐量為23空分下的SINR和SE計(jì)算861.6kbps,是非空分多址時(shí)的1.84倍,體現(xiàn)了室對(duì)于根據(jù)信號(hào)功率與干擾功率比值B初步判內(nèi)空分多址的巨大優(yōu)勢(shì)決可以采用空分多址進(jìn)行傳輸?shù)膬蓚€(gè)用戶,需要從圖3中也可以看出,如果兩個(gè)用戶的距離把干擾折算到實(shí)際的信噪比中,否則實(shí)際信道質(zhì)非常近時(shí),如圖3中的3m間距,空分多址下的性量與傳輸速率不匹配然后需要根據(jù)折算補(bǔ)償?shù)哪芊炊钆c非空分多址,也就是說(shuō)空分多址反而信噪比計(jì)算得到空分后的頻率效率,判斷相比于會(huì)因?yàn)橛脩糸g干擾的增加而導(dǎo)致小區(qū)吞吐量下非空分傳輸是否能夠帶來(lái)頻率效率的增益,如果降所以,有必要對(duì)空分多址的判決條件和相關(guān)參帶來(lái)增益則表示可以進(jìn)行空分.數(shù)進(jìn)行優(yōu)化48南華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2016年6月小區(qū)吞吐量VS空分用戶間距3.2干擾判決門限參數(shù)優(yōu)化最優(yōu)的干擾判決門限值應(yīng)該保證空分的效果優(yōu)于非空分的效果,主要的體現(xiàn)方式就是吞吐量,也就說(shuō)干擾判決門限值應(yīng)該保證空分時(shí)平均吞吐量大于非空分時(shí)的平均吞吐量為了確保空分多址場(chǎng)景下性能不差于非空分多3500址下的性能,我們需要先找到空分和非空分的臨界點(diǎn),即空分多址和非空分多址下的性能相當(dāng)然后在該臨界點(diǎn),統(tǒng)計(jì)空分用戶間干擾比值的概率分布;根據(jù)干擾比值的概率分布可以得到最優(yōu)的參數(shù)值.分用戶間距/m圖4為臨界點(diǎn)下兩個(gè)用戶的干擾功率比值的圖3小區(qū)吞吐量隨用戶間距的變化曲線概率分布從圖中可以看出,臨界點(diǎn)的空分干擾比Fig 3 The curve of cell throughput with the值絕大部分都小于0.35.如果兩個(gè)用戶的距離更distance between users近,則干擾會(huì)更小,干擾比值會(huì)低于臨界點(diǎn)UEIUE20.30.070.250.050.040.150.030.020.010.0.20.3040060:02030.403-06"07-080空分干擾比空分干擾比圖4臨界點(diǎn)時(shí)干擾信號(hào)功率比值概率分布Fig 4 Probability distribution of ratio of the interference power to signal power at the critical point表2為臨界點(diǎn)時(shí)兩個(gè)用戶在不同空分干擾判低,空分多址的概率越低,即非空分多址的概率決門限下的非空分多址概率顯然,門限取值越越高表2臨界點(diǎn)時(shí)不同空分干擾判決門限下的非空分多址概率Table 2 Non SdMa probability under different decision threshold at the critical pointΩ2值0.05UEl非空分多址概率0.650.430.220.040.02UE2非空分多址概率990.990.950.910.08從圖4和表2的數(shù)據(jù)分析結(jié)果看,最優(yōu)干擾注本文設(shè)計(jì)提出的針對(duì)于室內(nèi)分布系統(tǒng)的多用判決門限參數(shù)應(yīng)取值應(yīng)小于等于0.35戶MIMO下行鏈路的室內(nèi)空分多址算法可以大幅4結(jié)論提升室內(nèi)分布系統(tǒng)的小區(qū)容量,改善用戶的通信質(zhì)量雖然本文重點(diǎn)研究的是兩用戶下的室內(nèi)空隨著室內(nèi)分布系統(tǒng)通信需求的不斷增加,室分多址的判決準(zhǔn)則和參數(shù)優(yōu)化,但該判決準(zhǔn)則和內(nèi)分布系統(tǒng)的小區(qū)容量提升將會(huì)越來(lái)越受到關(guān)參數(shù)完全適合多用戶場(chǎng)景,而且多用戶下的性能第30卷第2期王明華等:室內(nèi)多用戶MIMo系統(tǒng)下行鏈路空分多址算法研究會(huì)更優(yōu),因?yàn)檫m合采用空分多址的用戶數(shù)更多當(dāng)Computing and Systems ICMCS ) 2014 International然,隨著室內(nèi)通信業(yè)務(wù)需求和用戶數(shù)的增加,我們Conference on Marrakech. 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