旋轉矩陣法抗多用戶間干擾

1、旋轉矩陣法抗多用戶間干擾孫東升 1, 吳 梅 2, 郭成寶 1, 李家福 1(1. 西南交通大學 信息科學與技術學院 四川 成都 610031;2. 臨沂財政學校 山東 臨沂 276002摘 要 :研究了一種新的 MIMO 系統(tǒng)下多用戶間干擾抑制技術 (旋轉矩陣法 , , 降低成 對差錯率 , 與傳統(tǒng)方法 (TDMA/CDMA 系統(tǒng)相比 :保證了頻帶利用率 ; 并對接收機進行設計 MMSE ML 分組接收機 。 仿真證明 , 在沒有編碼 、 不用正交信號 、 , , 而 MMSE ML 接收機降低算法復雜度的同時在信噪比 22dB 時 , 誤碼率可達到 1關鍵詞 :瑞利衰落 ; 用戶間干擾 ;

2、 旋轉矩陣調制 ;ML 中圖分類號 :TN911122:B373X (2006 0701302R esistant Multiuser InterferenceSUN Dongsheng 1,WU Mei 2, GUO Chengbao 1,L I Jiaf u 1(1. School of Information Science &Technology ,Southwest Jiaotong University ,Chengdu ,610031,China ;2. Linyi Financial School ,Linyi ,276002,China Abstract :Arota

3、tion matrix method in MIMO system is proposed ,which increases the distance of code words and decreases thepairwise error probability. Compared with some tranditional ways ,this method is bandwidth efficient. A detection method MMSE ML is used for the simple algorithm. The computer simulation result

4、s confirmed in high SNR ,this method can efficient decrease multiuser interference without any coding or bandwidth expansion. Using MMSE ML detection ,313E 3B ER reached at 22dB SNR.Keywords :Rayleighfading ;multiuser interference ;rotation matrix ;ML detection ;MMSE detection收稿日期 :20051216 隨著蜂窩移動通信

5、、 因特網(wǎng)和多媒體業(yè)務的發(fā)展 , 用 戶數(shù)量大幅度升高 , 無線電通信的容量也迫切要求提高 , 多天線技術的發(fā)展為其提供了楔機 , 但同時帶來了新的問 題 , 天線間及用戶間干擾成為主要問題。傳統(tǒng) TDMA/CDMA 系統(tǒng)應用信號正交化來消除干擾 , 顯然使頻帶利用率降低。 文中提出了旋轉矩陣抗干擾法 , 不用任何編碼 和正交信號 ; 給出了旋轉矩陣的設計準則 ; 提供了兩種接 收機 , 最大似然法 (ML 和最小均方法 (MMSE 分組檢測 法 ,MMSE 分組檢測法大幅度降低了算法復雜度 ; 最后進 行仿真分析 , 對 2用戶用 ML , 對 4用戶用了 MMSE 檢測 , 并都用了旋轉矩

6、陣法減小干擾。 1 系統(tǒng)模型移動臺到基站的上行鏈路共有 N 個用戶 , 每個用戶有M T 個發(fā)射天線 ; 基站有 M R 個接收天線。 各天線間形成的信道是非頻率選擇性的瑞利衰落 , 且各信道相互獨立。 假 定各用戶間符號同步。 t 時刻在基站第 m 個接收天線接收 的信號為 :rm t= Ni =1M Tj =1h inmci n ts +nm t (1其中 :c i nt 表示發(fā)送的符號 ; h i nm 表示衰落衰減系數(shù) ; E s 表示信號的平均功率 , 假定為 1; n m t 表示第 m 根接收天線在 t 時 刻的噪聲分量 , 方差為 N 0/2, 均值為 0的復高斯隨機過程。 假

7、設衰落系數(shù) h i nm 是方差為 1/2, 均值為 的復高斯隨機變 量 , 呈瑞利衰減。 2 旋轉矩陣的設計本文運用了旋轉矩陣調制 , 本節(jié)對設計準則進行討 論。 為簡便起見 , 每個用戶的發(fā)射天線數(shù) M 取 1, 發(fā)射數(shù) 據(jù)幀長為 L 個符號。 發(fā)射序列定義為 N ×L 的空時碼 字矩陣 :C =C 1, C 2, , C L T C k =c k1, c k2, , c kL 其中 , 第 i 行 C i =c i 1, c i 2, , c iL 表示第 I 個用戶的發(fā)送碼字 , 假定接收機有理想的 CSI , 則成對差錯率的上限值 :P (C, C |H 2exp -d 2

8、h (C, C4N 0其中 :d 2h (C, C = H (C -C 2= Lt =1M Rj =1M Ti =1h t j , i (c i t -c it 2是兩個碼字矩陣的修正歐氏距離。定義碼字差別矩陣 :B (C, C =C -C , 碼字距離矩陣A (C, C =B (C, C B (C, C T, 研究 2用戶情況 , 令 :31現(xiàn)代電子技術 2006年第 7期總第 222期 通信與信息技術x =(c 11-c 11,c 12-c 11, ,c 1L -c 1L , y =(c 21-c 21,c 22-c 21, ,c 2L -c 2L , 則 A (C, C =xxTx y

9、y Txy yT, 對傳統(tǒng)的 TDMA/CDMA 系統(tǒng)都是應用了正交信號 , 頻帶利用率減半 , 本文應用了旋轉矩陣 , 保證分集編碼增益 , 并保證頻帶利用率 。 其方法是在各用戶的原始信號碼字右乘一個正交的旋轉 矩陣 , 如下所示 :C =c 1R 1c 2R 2c NR , 對于 2用戶情況 , 只需一用戶右乘 R 矩陣 , 則 , A (C, C =xxT x R T 2y yR 2xTy yT, R , 則 , :(1 秩準則 :, 使其 B 矩陣的秩為最大秩 r , r =min (L , z , z 表示 B 矩陣的非 0行數(shù) ;(2 行列式準則 :對于所有具有秩 r 的所有不同

10、碼字對 , 使矩陣 A 最小非 0特征值的乘積 ri =1i , i =1, , r 最大 , i 為矩陣 A 的非零特征值。 3 接收機設計3. 1 ML 接收機 (最大似然檢測法 假設接收端已知 CSI , 假定調制星座圖中信號等概 率 , 對所有可能的信號值 , 從調制星座圖中選擇一個碼字 信號 , 使接收信號與估計的接收信號間的距離度量最小 :d =arg min d |r -Hd |2 ML 檢測的復雜度與幀長度 L 和用戶數(shù) N 呈指數(shù)關 系 , 因此當用戶數(shù) N 和 L 很大時 , 其復雜度太高 , 為了降低 復雜度 , 本文引入了一種折中的檢測 MMSE 分組檢測法。 3. 2

11、 MMSE 分組接收機在接收端將 N 用戶分成 N g 組 , 每組 G 個用戶 , 首先用MMSE 檢測法估計出單個組的信號 , 然后在各組內用 ML法檢測各用戶的信號。將信號分組 , 第 i 組的碼字 d i =c i 11, c i 21, , c iG 1, ,c iGL T不失一般性 , 令第 1組為期望的組 , 接收信號可表示為 :r =H 1d 1+ N gi =2H idi+n其 中 , H i =diag H i (1 , H i (2 , , H i (L , H i (t =h i 111h i 211 h iG11h i 112h i 212 h iG12hi 11M

12、Rh i 21MR hiG 1M , 第 1組為期望信號 , 而其他信號看作干擾 , 由 MMSE 檢測 , 滿足 : min W 1r -c 1 2=min tr(W 1r -c 1 (W 1r -c 1 H得 :W opt ,1=H T1R -1corr , R corr = N g i =1H i H Ti +N 0I由 W opt1, 可得到第 1組的估計值 , 在第 1組內用 ML檢測 :d 1=arg min (W opt ,1r -W opt , 1H 1d 1TQ -1(W opt ,1r -W opt ,1H 1d 1Q 1=W opt ,1( N gi =2HiH T i

13、0I W Topt ,14, 對 2個用戶乘了旋轉矩陣的情況 , 其條件為 :ML 檢測 , 用戶數(shù)N =2, L =2, 發(fā)射天線數(shù) M T =1, 接收天線數(shù) M R =1; 結果見圖 1, 結果表明在高信噪比條件下 , 乘旋轉矩陣的要 比沒乘的誤碼率明顯降低 , 性能升高 , 在信噪比達 22左右 可達到單用戶的性能 , 大大降低了用戶間干擾。圖 1 2用戶情況仿真結果對于 4用戶情況 , 為降低復雜度 , 應用了 MMSE 檢測 法 , 用戶數(shù) N =4, L =2, 發(fā)射天線數(shù) M T =1, 接收天線數(shù)M R =3 , 仿真結果見圖 2, 結果表明 , MMSE 檢測是一種次優(yōu)方法

14、 , 但可滿足要求 , 用 MMSE 在高信噪比條件下旋 轉矩陣仍具有降低干擾的作用。圖 2 4用戶分組仿真結果(下轉第 17頁 41無 線 通 信 孫東升等 :旋轉矩陣法抗多用戶間干擾添加一個倍頻器 , 就能實現(xiàn)全頻段范圍內對本振信號的設 計要求。 利用 AD9858強大的 DDS 功能 , 配合單片機靈活 的控制手段 , 設計了一款可編程控制的本振信號源 , 其工 作原理框圖如圖 2 所示。圖 2 本振源工作原理框圖(3 精確設計帶通濾波器電路 。由于對頻段進行了分割 , 所以為了確保每個小頻段交界處的信號既不互相干 擾 , , 濾波器的相對帶寬 , f 0=(+L /2=2f L +-f

15、 LfL+2+f L=40%(7如此大的相對帶寬 , 普通的晶體濾波器和陶瓷濾波器是難 以達到的 , 因此選用聲表面波濾波器作為帶通濾波器的設 計原型。 聲表面波濾波器不僅選頻特性好 , 而且性能穩(wěn) 定、 溫度系數(shù)小 , 相對帶寬更可達到 50%。在設計中采用REMEZ 交換算法進行優(yōu)化 , 可以使矩形系數(shù)達到 111, 甚至更低 , 從而使兩相鄰頻段交界處的互擾降到最低 。(4 作為陷波環(huán)節(jié) , 還需設計一組高 Q 值的帶阻濾波器。 基本可以考慮使用單片晶體濾波器 , 但晶體的最高工 作頻率為 200M Hz , 因此第 8、 第 9頻段帶阻濾波器的設 計需要用到聲表面波諧振器 , 并在此基

16、礎上設計出分立式帶阻濾波器 , 以滿足這兩個頻段的設計要求。(5 在連接各個部分電路時 , 精確計算電路之間的匹配關系 , 以保證整體電路達到設計要求。 4 結 語從理論上講 , 利用頻段分割技術 , “ 間接可編程陷波 法” 幾乎可以運用于任何波段 , 尤其是對于高頻信號 , 因為 阻帶中心頻率越高 , 其覆蓋的可陷波工作頻帶就會越寬。 獨厚的優(yōu)勢 , 又能為自己 , 從而 的困擾。在實驗中也發(fā)現(xiàn)了一些問題 , 最重要的問題出現(xiàn)在兩 相鄰頻段交界處 , 該處信號失真較大 , 基本無法實現(xiàn)陷波。 解決的辦法有兩種 :第一種是設計出一款矩形系數(shù)為 1的 帶通濾波器 , 以減少頻段間的干擾 ; 第

17、二種是同時使用兩 套系統(tǒng) , 每套系統(tǒng)只處理相隔頻段的信號 , 以消除相鄰頻段信號的干擾。這兩種方法都能解決頻段交界處信號失 真的問題 , 但第一種方法在實現(xiàn)上有困難 , 第二種方法又 無形中會增加產(chǎn)品成本。因此 , 在設計之初應該詳細分析 陷波頻帶 , 盡量將其分配在所分割頻段的中部 , 這是最經(jīng) 濟實用的一種解決辦法。參 考 文 獻1陶軍生 . 特種警用裝備 Z.北京 :公安部科學技術信息研究所 ,2003.2廖 惜 春 . 高 頻 電 子 線 路 M .廣 州 :華 南 理 工 大 學 出 版社 ,2001.3盛亦軍 , 劉娟 . 一種適用于高頻信號的間接可編程陷波技術J.電子工程師 ,

18、2005,31(9 :2931.(上接第 14頁 5 結 語多用戶情況下 , 用文中的旋轉矩陣法 , 在不用編碼 , 也 不用提供正交信號條件下 , 可以降低用戶間干擾 , 從而保 證了頻 帶 利 用 率。仿 真 結 果 表 明 , 在 SNR =22時 , 有213dB 的增 益 ; 另 外 , 文 中 對 多 用 戶 情 況 應 用 了 分 組 MMSE 檢測法 , 降低了計算復雜度 。參 考 文 獻1 Branka Vucetic ,Jinhong Yuan. Spacetime CodingM .王曉海譯 . 北京 :機械工業(yè)出版社 ,2004.2 DaSilva V ,Sousa E. Fadingresistant Modulation UsingSeveral Transmitter Antennas J.IEEE Trans. on Com 2mun. ,1997,45(10 :12361244.3 G iallorenzi T R ,Wilson S G. Multiuser ML Sequence Esti 2mator for Convolutional Coded A