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基于智能天线的多用户MIMO-OFDM联合发送技术研究
来源:电子技术应用2010年第10期
徐晓国1, 辛洪亮2, 程 欢1
1.西安北方捷瑞光电科技有限公司, 陕西 西安 710111；2.中国石油吉林石化炼油厂 仪表车间, 吉林 吉林 132022
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。
中圖分類號： TN914
文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2010)10-0089-03
Multi-user MIMO-OFDM joint transmission technology research based on smart antennas
XU Xiao Guo1, XIN Hong Liang2, CHENG Huan1
1.Xi′an North Jie Rui Opti-Electronic Technology Ltd, Xi′an, 710111, China;2.Instrument Department Petrochina Jilin Petrochemical company Refinery, Jilin 132022, China
Abstract： A scheme of multi-user MIMO-OFDM joint transmission(JT) based on smart antennas(SA) is proposed in this paper. The weight vectors are derived.The system model and algorithm of the data transmission and detection are developed. The results of the simulation and analysis in the TD-SCDMA system are presented, which indicate the bit error rate(BER) of the multi-user JT-SA MIMO-OFDM is less than that of the multi-user JT-SA.
Key words : smart antennas(SA); joint transmission(JT); multi-user MIMO-OFDM; TD-SCDMA

    采用智能天線(SA) [1-3]波束形成技術可以增加TD-SCDMA系統小區(qū)的覆蓋范圍，改善鏈路質量。但是在智能天線主波束覆蓋范圍內往往有多個用戶存在，并導致多址干擾(MAI)和多用戶干擾。由BAIER P W等人提出的聯合發(fā)送技術(JT)[1-3]能有效降低MAI和多徑干擾，提高系統容量，降低移動終端的數據檢測復雜度，使移動終端的微型化、低功耗成為可能。
　將MIMO技術與OFDM技術相結合的MIMO-OFDM系統能有效克服多徑效應和頻率選擇性衰落帶來的不良影響，實現信號傳輸的高度可靠性，增加系統容量，提高頻譜利用率。
　本文深入研究了基于智能天線的多用戶MIMO-OFDM系統下的JT技術(簡稱JT-SA MIMO-OFDM)。通過在TD-SCDMA系統應用環(huán)境中的仿真，驗證了JT-SA MIMO-OFDM方案比JT MIMO方案[4-5]在系統誤比特率方面具有更優(yōu)越的性能。
1 系統模型及數據發(fā)送算法
　圖1給出了JT-SA MIMO-OFDM系統模型?；诖讼到y模型的數據發(fā)送及檢測算法的原理是首先在基站將發(fā)送給移動終端的數據串并變換后進行OFDM調制，然后進行聯合發(fā)送，基站發(fā)送天線采用智能天線下行波束形成技術，移動終端將經過匹配濾波后的數據進行OFDM解調后再進行并串變換即可得到檢測后的數據。

　　假定一個基站服務K個移動終端，每個移動終端采用KM元天線陣列，基站采用KB元天線陣列，基站為每個移動終端發(fā)送L個數據符號：



2 權向量的確定
    由于TD-SCDMA是時分雙工的移動通信系統，其上行信道與下行非常接近，因此可以用上行時隙訓練序列估計得到的信道沖激響應作為下行鏈路的預計值，由此得到天線權值。
    本文智能天線下行波束形成準則采用最小均方誤差準則(MMSE)，要求輸出信號y(k)與本地期望信號b(k)的均方誤差最小，尋求最佳權亦即解如下優(yōu)化問題：


        C(k)=C■…C■■       (12)

4 仿真結果與結論
　本文對上述模型就TD-SCDMA系統環(huán)境進行了Monte Carlo仿真。仿真所用的系統參數如下：碼片速率1.28 Mchip/s，載波頻率2 GHz，采樣頻率8 000 Hz。擴頻碼為OVSF碼，擴頻因子Q=16，基站發(fā)送天線數為KB，用戶數為K,每用戶的接收天線數為KM，FFT的長度是256點，信號映射采用QPSK調制。信道為基于Clarke模型的四徑Rayleigh衰落信道，信道沖激響應有效長度W=4，基站采用最大似然算法估計信道沖激響應，并作為下行發(fā)送的信道矩陣。信道模型采用3GPP中TD-SCDMA的多徑衰落信道情況3的參數[6]：速度120 km/h，相對時延[0 781 1 563 2 344] ns，平均功率[0 -3 -6 -9] dB。
　圖2給出了當基站發(fā)送天線數和每用戶的接收天線數都為2且用戶數為16時，JT MIMO與JT-SA MIMO-OFDM誤比特率性能仿真結果。從仿真圖上可以看出，JT-SA MIMO-OFDM方案比JT-SA方案在系統誤比特率性能上有明顯的改善。如誤比特率為10-2時，JT-SA MIMO-OFDM相比JT MIMO有近1.5 dB的增益。隨著信噪比的增大，系統誤比特率性能改善更為顯著。

　圖3給出了用戶數不同對多用戶MIMO-OFDM下行鏈路JT-SA技術性能的影響?？梢钥闯?，隨著用戶數的增加，多用戶MIMO-OFDM下行鏈路JT-SA技術的系統性能有所下降。

　本文成功地將傳統JT技術和SA技術擴展到多用戶MIMO-OFDM系統中。給出了多用戶MIMO-OFDM下行鏈路模型，研究了數據發(fā)送及檢測算法。通過在TD-SCDMA系統應用環(huán)境中的仿真表明多用戶MIMO-OFDM的JT-SA技術可以獲得比多用戶MIMO的JT技術更好的系統誤比特率性能。說明多用戶MIMO-OFDM系統下的智能天線聯合發(fā)送方案具有良好的應用價值。
參考文獻
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[3]  梁奐暉,肖明明.OFDM系統智能天線設計中的波束綜合算法[J].現代電子技術,2005,17(208):5-8.
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[5]  王麗秋,申敏,楊陶.TDD系統中MIMO信道的線性傳輸技術[J].微計算機信息,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.

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