基于智能天线的多用户MIMO-OFDM联合发送技术研究

摘 要: 提出了一种基于智能天线(SA)的多用户MIMO-OFDM联合发送(JT)方案，给出了系统模型，推导出了权向量和数据发送及检测算法。通过在TD-SCDMA系统应用环境中的仿真和分析，表明基于SA的多用户MIMO-OFDM的JT技术具有比基于多用户MIMO的JT技术更优良的误比特率性能。
关键词: 智能天线； 联合发送； 多用户MIMO-OFDM； TD-SCDMA

采用智能天线(SA) [1-3]波束形成技术可以增加TD-SCDMA系统小区的覆盖范围，改善链路质量。但是在智能天线主波束覆盖范围内往往有多个用户存在，并导致多址干扰(MAI)和多用户干扰。由BAIER P W等人提出的联合发送技术(JT)[1-3]能有效降低MAI和多径干扰，提高系统容量，降低移动终端的数据检测复杂度，使移动终端的微型化、低功耗成为可能。
　将MIMO技术与OFDM技术相结合的MIMO-OFDM系统能有效克服多径效应和频率选择性衰落带来的不良影响，实现信号传输的高度可靠性，增加系统容量，提高频谱利用率。
　本文深入研究了基于智能天线的多用户MIMO-OFDM系统下的JT技术(简称JT-SA MIMO-OFDM)。通过在TD-SCDMA系统应用环境中的仿真，验证了JT-SA MIMO-OFDM方案比JT MIMO方案[4-5]在系统误比特率方面具有更优越的性能。
1 系统模型及数据发送算法
　图1给出了JT-SA MIMO-OFDM系统模型。基于此系统模型的数据发送及检测算法的原理是首先在基站将发送给移动终端的数据串并变换后进行OFDM调制，然后进行联合发送，基站发送天线采用智能天线下行波束形成技术，移动终端将经过匹配滤波后的数据进行OFDM解调后再进行并串变换即可得到检测后的数据。

　　假定一个基站服务K个移动终端，每个移动终端采用KM元天线阵列，基站采用KB元天线阵列，基站为每个移动终端发送L个数据符号：



2 权向量的确定
由于TD-SCDMA是时分双工的移动通信系统，其上行信道与下行非常接近，因此可以用上行时隙训练序列估计得到的信道冲激响应作为下行链路的预计值，由此得到天线权值。
本文智能天线下行波束形成准则采用最小均方误差准则(MMSE)，要求输出信号y(k)与本地期望信号b(k)的均方误差最小，寻求最佳权亦即解如下优化问题：


C(k)=C■…C■■ (12)

4 仿真结果与结论
　本文对上述模型就TD-SCDMA系统环境进行了Monte Carlo仿真。仿真所用的系统参数如下：码片速率1.28 Mchip/s，载波频率2 GHz，采样频率8 000 Hz。扩频码为OVSF码，扩频因子Q=16，基站发送天线数为KB，用户数为K,每用户的接收天线数为KM，FFT的长度是256点，信号映射采用QPSK调制。信道为基于Clarke模型的四径Rayleigh衰落信道，信道冲激响应有效长度W=4，基站采用最大似然算法估计信道冲激响应，并作为下行发送的信道矩阵。信道模型采用3GPP中TD-SCDMA的多径衰落信道情况3的参数[6]：速度120 km/h，相对时延[0 781 1 563 2 344] ns，平均功率[0 -3 -6 -9] dB。
　图2给出了当基站发送天线数和每用户的接收天线数都为2且用户数为16时，JT MIMO与JT-SA MIMO-OFDM误比特率性能仿真结果。从仿真图上可以看出，JT-SA MIMO-OFDM方案比JT-SA方案在系统误比特率性能上有明显的改善。如误比特率为10-2时，JT-SA MIMO-OFDM相比JT MIMO有近1.5 dB的增益。随着信噪比的增大，系统误比特率性能改善更为显著。

　图3给出了用户数不同对多用户MIMO-OFDM下行链路JT-SA技术性能的影响。可以看出，随着用户数的增加，多用户MIMO-OFDM下行链路JT-SA技术的系统性能有所下降。

　本文成功地将传统JT技术和SA技术扩展到多用户MIMO-OFDM系统中。给出了多用户MIMO-OFDM下行链路模型，研究了数据发送及检测算法。通过在TD-SCDMA系统应用环境中的仿真表明多用户MIMO-OFDM的JT-SA技术可以获得比多用户MIMO的JT技术更好的系统误比特率性能。说明多用户MIMO-OFDM系统下的智能天线联合发送方案具有良好的应用价值。
参考文献
[1] LIBERTI J C, RAPPAPORT T S.无线通信中的智能天线—IS.95和第3代CDMA应用.北京：机械工业出版社, 2002．
[2] 翟明岳,唐良瑞,梁明.智能天线系统中空时信道模型应用分析,现代电力,2003,20(6):67-73.
[3] 梁奂晖,肖明明.OFDM系统智能天线设计中的波束综合算法[J].现代电子技术,2005,17(208):5-8.
[4] 冯媛,谢显中,杨陶,等.降低多用户MIMO下行检测复杂性的联合发送技术[J]. 电子与信息学报,2007,29(1):
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[5] 王丽秋,申敏,杨陶.TDD系统中MIMO信道的线性传输技术[J].微计算机信息,2007,23(3-3):149-150.
[6] 3GPP TS 34.122. Terminal Conformance Specification;Radio Transmission and Reception (TDD) [S]. Release 4,V4.6.0, 2002.