室內多用戶(hù)MIMO系統下行鏈路空分多址算法研究

第30卷第2期南華大學(xué)學(xué)報(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:1673-0062(2016)02-0044-06室內多用戶(hù)MIMO系統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(xiàn)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(xiàn)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分布系統場(chǎng)景的多用戶(hù)MIMO下行鏈路空分多址算法.首先通過(guò)測量不同用戶(hù)在不同通道上的功率來(lái)計算空分多址用戶(hù)間的信號干擾比值,然后根據該信號干擾比值進(jìn)行初步的空分多址判決,最后對空分多址用戶(hù)進(jìn)行干擾補償仿真結果表明該空分多址算法可以大幅提升室內分布系統的容量.關(guān)鍵詞:多用戶(hù)MIMO;室內;空分多址中圖分類(lèi)號:TN929.5文獻標識碼: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基金項目:國家自然科學(xué)青年基金資助項目(6140193);湖南省教育廳科學(xué)研究基金資助項目(15C:195);南華大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金資助項目(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(xiàn)通信技術(shù)第30卷第2期王明華等:室內多用戶(hù)MIMo系統下行鏈路空分多址算法研究45前言絡(luò )的壓力隨著(zhù)移動(dòng)通信用戶(hù)數的快速增長(cháng)和移動(dòng)通信1室內空分多址基本原理業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展,現有的頻譜資源已經(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)分多址系統為例闡述室內分布系統下空分多址的物理模(TDMA)、碼分多址(CDMA)的容量也漸趨飽和,型在室內分布系統中,由于處于不同的樓層中的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )在系統容量、用戶(hù)通信質(zhì)量以及新用戶(hù)之間有理想的墻壁穿透隔離,這就允許不同通信業(yè)務(wù)的擴展等方面都已經(jīng)難以滿(mǎn)足需求如的用戶(hù)使用相同的下行資源進(jìn)行數據傳輸.比如何提升無(wú)線(xiàn)資源的利用率來(lái)滿(mǎn)足人類(lèi)日益增長(cháng)的假設基站總共有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假設目標用戶(hù)UE1( User Equipment1)重點(diǎn)13的服務(wù)通道為2,對目標用戶(hù)UE1產(chǎn)生SDMA同多輸入多輸出( Multiple Input Multiple Output,碼干擾的干擾用戶(hù)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(xiàn)資源的頻譜效率和大幅改善通信質(zhì)擾用戶(hù)UE2下發(fā)的信號穿透樓層2和3到達目量十幾年來(lái),大量的科研人員對MIMO理論進(jìn)行標用戶(hù)UE1時(shí),由于經(jīng)過(guò)了兩層樓層,信號的衰了研究,使其得到很好的發(fā)展同時(shí)隨著(zhù)陣列信號減很大,所以對目標用戶(hù)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(hù)可以空分多址復用同一個(gè)資中的應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)和4G(第四代移動(dòng)通信系統)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(xiàn)技術(shù)的基礎上,在3G中引入,是智能天線(xiàn)技術(shù)的集中體現空分多址方式將空間進(jìn)行通道卜E有用信號~,目標用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、相同擴頻碼下,根據信號在空間內傳播路徑不通道3樓層2同來(lái)區分不同的用戶(hù),實(shí)現不同用戶(hù)的空間復用UE2干擾信SDMA技術(shù)可使系統在有限的頻譜內支持更多的用戶(hù),成倍的提高頻譜效率,達到擴大移動(dòng)通信網(wǎng)干F狀用戶(hù)U2樓層絡(luò )系統容量,降低系統整體造價(jià)和改善系統管理等圖1室內空分多址的原理圖目的46Fig1 Schematic diagram of indoor space對于室內分布系統而言,需要重點(diǎn)關(guān)注和研division multipleccess究的問(wèn)題有兩個(gè),即如何解決高速數據與多媒體業(yè)務(wù)對系統容量的要求以及室內分布系統覆蓋的由圖1還可以看出,由于TDD系統具有信道可靠性問(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(hù)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(hù)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,假設通道2關(guān)于MIMO技術(shù)在室內分布系統中的應用研究主和通道4收到的目標用戶(hù)UE1上行發(fā)來(lái)信號的要集中的在如何解決室內分布的覆蓋問(wèn)題以及系功率分別為Pm2和P叫,對應的功率比值為=統室內方案演進(jìn)及改造上,而關(guān)于室內分布系統下的空分多址技術(shù)研究相對較少79p,則當通道2和通道4同時(shí)以相同功率P對各本文重點(diǎn)研究室內分布系統下如何采用自的服務(wù)用戶(hù)下行發(fā)射時(shí),目標用戶(hù)UE從通道MMO技術(shù)來(lái)提升系統容量,提出了一種基于2收到的有用信號功率P與從通道4收到的干TDD( Time Division Duplexing,時(shí)分雙工)系統特征的下行鏈路空分多址算法,提升室內分布系統擾用戶(hù)UE2的擾功率Pn2的比值為=p=的容量,緩解室內環(huán)境下高速數據業(yè)務(wù)對通信網(wǎng)南華大學(xué)學(xué)報(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,本文不做詳細發(fā)送時(shí)目標用戶(hù)和干擾用戶(hù)間的干擾比.說(shuō)明.圖中的Ω為根據上行接收功率判決是否可2室內空分多址算法流程設計以采用空分多址的門(mén)限值.21非空分下的SINR和SE計算對于蜂窩移動(dòng)通信系統,比如3G或者4G系不管是3G移動(dòng)通信系統還是4G移動(dòng)通信統,無(wú)線(xiàn)資源管理的調度模玦會(huì )在每一個(gè)調度時(shí)系統,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)當前需要調度的目標用戶(hù)如果不給基站的為了節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(hù)的調度及資源的數據量,提升上行控制信道數據反饋的可靠性分配如果采用空分多址,則需要為目標用戶(hù)選擇終端需要把測量的信道質(zhì)量信息,即信噪比SNR,個(gè)可以進(jìn)行空分的用戶(hù),不僅需要確?？辗种成錇橛蒙倭勘忍匦畔⒖梢员碚鞯男诺蕾|(zhì)量指示后的系統總容量不小于非空分時(shí)的系統容量,而( channel quality indication,CQI).與此同時(shí),SE也且空分之后系統的容量越大越好針對于調度的與CQ1和SNR一一對應CQI、SE和SNR的映射目標用戶(hù),室內空分多址的調度流程如圖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標準協(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:仿真不同的數據包大小(對應不調度用戶(hù)集為空同的碼率)在不同的信噪比SNR下的誤碼率曲否線(xiàn),得到 CQI Index對應碼率下BLER=10%選擇一個(gè)用戶(hù)為待空分用戶(hù)的SSNR信號功率與干擾功率比值β計算表1CQI、SE和SNR映射表格>干擾判決門(mén)限9Table 1 CQl, sE and SNR mapping tableCOI IndexSE SNR閾值(BLER=10空分下的SINR和SE計算0( Out of range)6.71瞳分的$E空分的0.23445.11該待空分用戶(hù)適合空分,進(jìn)入0.377-3.15待調度空分用戶(hù)集合0.60l6從空分用戶(hù)集合中選擇空分吞50.8770.71上量最大的用戶(hù)進(jìn)行空分調度61.17581.476691416.431圖2室內空分多址算法設計流程圖92.40638.326Fig2 Algorithm flow chart of indoor space2.7305ision multiple access3.9023室內空分多址算法流程中涉及以下幾個(gè)核心算法:目標用戶(hù)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)計算;目標用戶(hù)和待空5.5547分用戶(hù)的信號功率與干擾功率比值β計算;目標用戶(hù)和待空分用戶(hù)空分下的SINR和SE計算.其假設終端上行信道反饋的CQI索引為CQl第30卷第2期王明華等:室內多用戶(hù)MIMo系統下行鏈路空分多址算法研究則可以根據表1映射得到上報的CQl對應的非假設目標用戶(hù)UE1和干擾用戶(hù)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信號功率與干擾功率比值β計算目標用戶(hù)UE1和干擾用戶(hù)UE2在空分狀態(tài)下的為了初步判決目標用戶(hù)UE1和干擾用戶(hù)信干噪比SNRm1,和SINR2,可以計算為UE2是否可以采用空分多址方式進(jìn)行傳輸,需要SINR計算得到兩個(gè)用戶(hù)間的干擾功率與信號功率的比B(uel, ue2)X S/NRnel. (4)β(uel,ue2)+S/NR,值β.當然,B不僅可以初步判決目標用戶(hù)和干擾用戶(hù)是否可以空分,而且可以用于空分用戶(hù)間的s1NR,2(e2,l)+S/NR(5)干擾折算與補償初步空分判決的目的是為了避根據SNR和SNR,查找表1分別得到目免明顯不可空分的用戶(hù)仍然進(jìn)行后續的計算,降標用戶(hù)UEl和干擾用戶(hù)UE2空分多址下的頻率效低算法實(shí)現的復雜度率SE,和SE2,根據SN1,查找表1得到目標假設UE為調度的目標用戶(hù),UE2為UE1的用戶(hù)UE1在非空分下的頻率效率SEm,如果干擾用戶(hù)(或者待空分用戶(hù)).根據圖1所示,假設SE + se(6)各通道等功率發(fā)射,通道2和通道4收到的目標則表示采用空分多址方式可以帶來(lái)頻譜效率用戶(hù)UE1上行發(fā)來(lái)信號的功率分別為Pm和的提升,優(yōu)先采用空分多址方式進(jìn)行數據傳輸;否P1,通道2和通道4收到的干擾用戶(hù)UE2上行則目標用戶(hù)UE采用非空分多址方式單獨進(jìn)行發(fā)來(lái)信號的功率分別為Pm2和Pm2數據傳輸.對于目標用戶(hù)UE而言,可以計算得到信號最后,根據確定調度的用戶(hù)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仿真驗證及參數優(yōu)化對于干擾用戶(hù)UF2而言,可以計算得到信號對于室內分布系統,仿真建模相對比較簡(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)行系統性能驗證仿真系統為 TD-SCDMA平臺,主要參數如果為:通道數2個(gè);用戶(hù)數2個(gè);頻率為2010~20202且(3)MHz;調制方式為QPSK/16QAM自適應其他參β(uel,ue2)β(ue2,uel)數(包括室內信道建模相關(guān)參數)較多,采用行業(yè)即,待空分用戶(hù)UE2對目標用戶(hù)UE1的干擾功率典型參數配置,不一一注明相對于UE的信號功率小于設定的門(mén)限值且目3.1性能增益仿真驗證標用戶(hù)UE1對待空分用戶(hù)UE2的干擾功率相對圖3為兩個(gè)空分用戶(hù)處于不同距離間隔下的于UE2的信號功率也小于設定的門(mén)限值,說(shuō)明兩小區吞吐量曲線(xiàn)在非空分場(chǎng)景下,小區的極限吞個(gè)用戶(hù)間的干擾功率相對于信號功率都可以忽略吐量為468.1kbps,見(jiàn)圖3中的粗線(xiàn)采用空分多不計,或者說(shuō)影響有限,則初步判決可以采用空分址方式,小區吞吐量隨著(zhù)兩個(gè)用戶(hù)的距離不斷增多址的方式進(jìn)行數據傳輸式(3)中的Ω為空分大而增大,即小區吞吐量隨著(zhù)兩個(gè)用戶(hù)間的干擾多址判決門(mén)限值,取值范圍(0,1)不斷減少而增大空分多址的極限小區吞吐量為23空分下的SINR和SE計算861.6kbps,是非空分多址時(shí)的1.84倍,體現了室對于根據信號功率與干擾功率比值B初步判內空分多址的巨大優(yōu)勢決可以采用空分多址進(jìn)行傳輸的兩個(gè)用戶(hù),需要從圖3中也可以看出,如果兩個(gè)用戶(hù)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折算補償的能反而差與非空分多址,也就是說(shuō)空分多址反而信噪比計算得到空分后的頻率效率,判斷相比于會(huì )因為用戶(hù)間干擾的增加而導致小區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.數進(jìn)行優(yōu)化48南華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2016年6月小區吞吐量VS空分用戶(hù)間距3.2干擾判決門(mén)限參數優(yōu)化最優(yōu)的干擾判決門(mén)限值應該保證空分的效果優(yōu)于非空分的效果,主要的體現方式就是吞吐量,也就說(shuō)干擾判決門(mén)限值應該保證空分時(shí)平均吞吐量大于非空分時(shí)的平均吞吐量為了確?？辗侄嘀穲?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然后在該臨界點(diǎn),統計空分用戶(hù)間干擾比值的概率分布;根據干擾比值的概率分布可以得到最優(yōu)的參數值.分用戶(hù)間距/m圖4為臨界點(diǎn)下兩個(gè)用戶(hù)的干擾功率比值的圖3小區吞吐量隨用戶(hù)間距的變化曲線(xiàn)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(hù)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(hù)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(mén)限下的非空分多址概率顯然,門(mén)限取值越越高表2臨界點(diǎn)時(shí)不同空分干擾判決門(mén)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的數據分析結果看,最優(yōu)干擾注本文設計提出的針對于室內分布系統的多用判決門(mén)限參數應取值應小于等于0.35戶(hù)MIMO下行鏈路的室內空分多址算法可以大幅4結論提升室內分布系統的小區容量,改善用戶(hù)的通信質(zhì)量雖然本文重點(diǎn)研究的是兩用戶(hù)下的室內空隨著(zhù)室內分布系統通信需求的不斷增加,室分多址的判決準則和參數優(yōu)化,但該判決準則和內分布系統的小區容量提升將會(huì )越來(lái)越受到關(guān)參數完全適合多用戶(hù)場(chǎng)景,而且多用戶(hù)下的性能第30卷第2期王明華等:室內多用戶(hù)MIMo系統下行鏈路空分多址算法研究會(huì )更優(yōu),因為適合采用空分多址的用戶(hù)數更多當Computing and Systems ICMCS ) 2014 International然,隨著(zhù)室內通信業(yè)務(wù)需求和用戶(hù)數的增加,我們Conference on Marrakech. 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