一种多用户多天线的无线网络传输方案

张公泉;邹明荃;张培源;李晓辉;张红伟

【摘 要】In multi‐user MIMO wireless network communication

system ,how to achieve high rate and highly reliable data transfer between each pair of users is a key communication technology .In this paper ,a coding scheme based on the network model which could achieve full‐rate transmission and full diversity BER performance was proposed . The proposed scheme had two pairs of users and each user was fitted to four antennas .The simulation results confirmed the validity and correctness of the proposed coding transmission scheme . The scheme could be further extended to multi‐user multi antenna case .%在多用户多输入多输出无线通信系统网络中，如何实现各对用户间的高速率、高可靠数据传输是目前国内外重点关注的一项关键通信技术。针对具有两对用户且每个用户均装配四根天线的网络模型，提出了一种能够实现全速率传输并能获得全分集误码性能的编码传输方案。仿真结果表明所提编码传输方案具有有效性。该方案可以进一步拓展到多用户多天线的情况。

【期刊名称】《安徽大学学报（自然科学版）》 【年(卷),期】2015(000)004 【总页数】5页(P67-71)

【关键词】多用户M IM O系统;干扰消除;联合编码;全速率传输 【作 者】张公泉;邹明荃;张培源;李晓辉;张红伟

【作者单位】安徽大学电子信息工程学院，安徽合肥 230039;安徽大学电子信息工程学院，安徽合肥 230039;南京航空航天大学航天学院，江苏南京 211106;安徽大学电子信息工程学院，安徽合肥 230039;安徽大学电子信息工程学院，安徽合肥 230039 【正文语种】中 文 【中图分类】TN92

随着人们对移动通信业务种类及通信质量要求的不断提升，无线通信网络架构已经开始从简单的单输入单输出（single input single output，简称SISO）逐步向多输入多输出（multiple input multiple output，简称MI MO）转变.MI MO技术能够利用多个并行的空间子信道实现空分复用、提升数据传输能力，并能借助于分集技术提高数据通信的可靠性，引起了国内外科研工作者的普遍重视［1－2］.多用户MI MO技术能够在多个用户间挖掘更大的空分复用潜力，有利于进一步增加整个无线网络的频谱效率和系统容量，但同时也带来了一系列亟待解决的难题，如用户间采取何种有效的干扰对齐和干扰抑制方式？如何降低整个系统实现的复杂度等［3－6］？为解决上述难题，Shi等［7］基于联合编码技术研究了在发射端用户不知道任何信道状态信息（channel state inf or mation，简称CSI）前提下，获得了空间分集及能够在接收端部分抑制用户间干扰的编码传输方案，但在其检测过程中却难以做到完全消除用户间干扰，因而在一定程度上限制了整体误码性能的提升.Li等［8］基于波束成型技术，能在接收端完全消除用户间干扰并获得全空间分集性能，但其研究工作仅考虑了每个用户装配两根天线的简单情况，没有推广到更为复杂的多用户MI MO环境中.为此，作者拟基于联合编码方法及分集设计原则［9］，研究在多天线多用户MI MO系统中获得全分集增益性能的有效传输方

案. 1 系统模型

图1为两用户、四天线通信系统模型.图1中，该无线通信网络具有两对用户，每个用户均装配四根天线.发射端两个用户和接收端两个用户之间的信道矩阵分别用H、F和G、C表示，每对天线间的无线信道可采用均值为0、方差为1的独立同分布复高斯变量建模.假设所有信道均为准静态衰落信道，每个发射用户仅知道其与两个接收用户之间的信道状态信息.

图1 两用户四天线通信系统模型Fig.1 The communication system model of t wo users with four antenna

为了在接收端完成对用户间干扰的完全分离，要分别对两个发射用户的待传输调制符号进行编码（编码使用Alamouti结构），并满足16／3的全速率传输要求［10］.编码时要采用下式

其中：为发送端i发送给接收端j的第k（k＝1，2，…，8）个符号；V ij为用于预处理的第i个发送端发送给第j个接收端数据的波束成型矩阵，该矩阵使得B k11和B k21在接收端2处被完全消除，使得B k12和B k22在接收端1处被完全消除.采用文献［4］中的方法构造的V ij如下

其中：各波束成型矩阵应满足功率约束要求，即tr（V ij Vij＊）＝1. 2 编码传输方案

在接收端实现干扰完全分离的同时，为了能够获得多用户MI MO系统内每个用户的全空间分集增益性能，需要对式（1）中各编码矩阵内合适位置处的调制符号进行合理的联合编码，具体编码如下

其中：，R 2，R 1 均为联合编码矩阵（可以证明，该联合编码能够在接收端获得全空间分集增益性能［11－12］）；s kij为经过联合编码后发送端i发送给接收端j的第k（k＝1，2，…，8）个传输符号.经联合编码后的传输矩阵如下

其中：S kij＝.整个多用户MI MO无线通信网络的传输模型如下

其中：Y 1，Y 2分别为两个接收端对应的接收信号矩阵；w 1，w 2分别为加在两个接收端上均值为0、方差为1的复加性高斯白噪声.由于接收端1，2处的结构一致，因此可只以接收端1为例，研究接收端的干扰消除及检测方法.将式（2）、（4）代入式（5）中并整理可得

其 中：～S k＝；～H＝V 11 H；～G＝V 21 G.通过（6）式可以看出，接收端1处的干扰项S 12和S 22就以的形式被分离了出来.

为了将分离出的干扰项消除，对Y 1的第1行和第5行进行共轭变换，并将变换后的矩阵向量化，得到下式

其中：S ij＝［si1j si2j … si8j］T.又由于H ij与G ij结构相同，在此仅写出H ij的结构，其结构如下

其中：h ij为H 中第i行、第j列的元素. （7）式中的M表达式如下

观察M 1到M 4的结构不难发现，若用～y i表示～Y 1的第i个元素，则可以通过～y 2＋～y 9，～y 5＋～y 12，～y 8－～y 3，～y 11－～y 6，～y 14＋～y

21，～y 17＋～y 24，～y 20－～y 15，～y 23－～y 18将干扰项全部消除，消除干扰项以后的（7）式变为

其中，矩阵分别为H ij与G ij消除其各自第3行和第6行后得到的矩阵. 至此，对于接收端1来说，收到的干扰信号S 12和S 22已经完全消除了. 将式（3）代入式（8），可得最终用于检测的发送端调制符号矩阵如下

其中＝［H 1 H 7 H 3 H 5 H 2 H 8 H 4 H 6 H 9 H 15 H 11 H 13 H 10 H 16 H 12 H14 ］，H i 表示的第i列＝；发送端的原始调制符号矩阵B 11，B 21可使用最大似然检测方法获得.

作者提出的方法在相关信道下仍然适用，如果部分信道矩阵为奇异矩阵，可以通过求其伪逆矩阵的方法实现干扰对齐.另外，虽然只研究了两用户四天线的情况，但可以基于作者提出的思路，进一步将其拓展到多用户多天线的情况. 3 仿真结果

为验证作者针对两用户四天线通信网络提出的全分集编码传输方案的有效性，可采用Matlab软件对多种编码传输方案的误比特率（bit error rate，简称BER）性能进行测试.所有用户间的无线信道均采用瑞利衰落信道，且假设信道呈现平坦衰落特性，采用BPSK方式对原始比特率进行基带调制，噪声为加性复高斯噪声.采用发射信号能量和噪声能量之间归一化的E b／N 0作为衡量系统信噪比的标准，其中Eb是发射端发送1 bit数据需要的平均能量.

图2为两用户四天线通信网络中几种编码传输方案误码性能的对比. 图2 两用户四天线通信网络中两种编码传输方案误码性能的对比Fig.2

Comparison of t wo coding schemes’BER perfor mance in t wo users four antenna communication net wor ks

由图2可知，对比与两用户两天线通信网络，作者提出的两用户四天线通信网络获得了更低的误码率和更快的误码率下降速度.这是由于四天线通信网络其本身蕴藏了更大的信道容量，并且作者采用了有效的编码方案，在传输中使用联合编码技术，获得了全空间分集增益，进一步降低了误码率，提高了通信传输的可靠性.? 4 结束语

作者基于联合编码方法及分集设计原则，使用Alamouti结构和波束成型技术，在两用户两天线通信网络的基础上，提出了两用户四天线的系统中消除用户间干扰并能实现全速率传输、获得全分集增益性能的有效方案.仿真结果证实了所提传输方案的有效性.该传输方案很好地挖掘了系统的速率和误码性能优势，同时该方案可以拓展到多用户多天线的情况，具有潜在的应用价值. 参考文献：

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