第39卷第2期中閭苧孜術(shù)大每學(xué)旗Vol 39, No. 22009年2月 TY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA"Feb.2009文章編號(hào):0253-2778(2009)02012005多用戶MIMO塊對(duì)角化系統(tǒng)的差分酉空時(shí)調(diào)制朱有團(tuán),唐志華,朱近康,邱玲(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子工程與信息科學(xué)系,安徽合肥23002摘要:針對(duì)下行多用戶MIMO塊對(duì)角化系統(tǒng),用戶端的等效信道與其他用戶的零空間矩陣有關(guān)的問題,提出將塊對(duì)角化和差分酉空時(shí)調(diào)制相結(jié)合的系統(tǒng),該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)的塊對(duì)角化系統(tǒng)中基站需要準(zhǔn)確告知每個(gè)用戶各自接收矩陣或頻繁發(fā)送導(dǎo)頻的問題;基站得到零空間矩陣后,不需要對(duì)等效信道進(jìn)行奇異值分解、功率分配等復(fù)雜操作;同時(shí)用戶接收端也不需要估計(jì)信道.仿真給出了該系統(tǒng)與傳統(tǒng)塊對(duì)角化的收發(fā)結(jié)合系統(tǒng)在理想信道和瑞利信道下的性能比較.由于低的復(fù)雜度和較好的BER性能,所提系統(tǒng)適用于實(shí)際實(shí)施,尤其適用于多普勒頻偏較小的慢變信道關(guān)鍵詞:多用戶MIMO系統(tǒng);塊對(duì)角化;差分酉空時(shí)調(diào)制中圖分類號(hào):TN929.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AMultiuser MiMo block diagonalization system with differentialunitary space-time modulationZHU You-tuan, TANG Zhi-hua, ZHU Jin-kan, QIU Ling(Department of EEIS, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China)Abstract: In order to solve the problem that each user's equivalent channel relates to all other users'nullspace in the downlink multiuser MIMO system with block diagonalization, a system combining blockdiagonalization and differential unitary space-time modulation was proposed. In the proposed system, thebase station(BS) can avoid the accurate transmission of the receiving matrix or frequently transmittinglots in the traditional block diagonalization. Neither the singular value decomposition(SVD )of theequivalent channel nor the power allocation is needed in the bS, once it obtains the nulling matricesMoreover, users neednt estimate the channel. The performances of both our proposed system and thetraditional joint T:R system were simulated for comparison in the ideal channel, as well as the rayleighchannel with different doppler frequencies. For its low complexity and good BER performance, theproposed system is very suitable for implementation in practice especially in the slowly varying channel.Key Words: multiuser MIMO system; BD; DUSTM0引言的各個(gè)領(lǐng)域引起了廣泛的重視,塊對(duì)角化( blockdiagonalization,BD)是一個(gè)可以在實(shí)際多用戶MMO技術(shù)以其高頻譜效率已經(jīng)在無(wú)線通信MIM系統(tǒng)中采用的線性預(yù)編碼技術(shù)2.假設(shè)基收稿日期:200704-16;修回日期:2007-0830基金項(xiàng)目:國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展(863)計(jì)劃(2006AA01A266)資助作者簡(jiǎn)介:朱有團(tuán)男,1979年生,博土生。研究方向:通信信號(hào)處理.E-mail;ythu@mail.ustc.edu.cn通訊作者:朱近康教投, E-mailt jkzhut@ use. edu c第2期多用戶MM塊對(duì)角化系統(tǒng)的差分酉空時(shí)調(diào)制121站知道所有用戶的信道信息,每個(gè)用戶的預(yù)編碼矩 information,CSI,這在TDD系統(tǒng)中可以通過(guò)用戶陣可以被設(shè)計(jì)成落在其他用戶的零空間內(nèi)發(fā)給每發(fā)送導(dǎo)頻來(lái)實(shí)現(xiàn)H是基站和用戶j間的MIMO信個(gè)用戶的信號(hào)乘以相應(yīng)的預(yù)編矩陣后再發(fā)送,所有道預(yù)編碼矩陣產(chǎn)生器根據(jù)各個(gè)用戶信道信息生成的用戶間干擾就可以被去除,因此塊對(duì)角系統(tǒng)在實(shí)預(yù)編碼矩陣設(shè)b是發(fā)送給用戶j的數(shù)據(jù)符號(hào)向量,現(xiàn)空分多址的同時(shí)獲得了MIMO的高頻譜效率由V,是用戶j的預(yù)編碼矩陣于當(dāng)前研究的MMo塊對(duì)角化系統(tǒng)通常假設(shè)用戶端已經(jīng)知道其他用戶的零空間矩陣,這在實(shí)際系統(tǒng)中需要大量實(shí)時(shí)的信道信息廣播或者需要頻ou繁插入導(dǎo)頻因此限制了塊對(duì)角化系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)有的多數(shù)MMO系統(tǒng)的研究大多是基于準(zhǔn)2∞片、確的信道估計(jì),系統(tǒng)容量的需求使得天線數(shù)增加,信道估計(jì)的實(shí)現(xiàn)難度也會(huì)相應(yīng)增加,而且在MMO復(fù)用系統(tǒng)中信道估計(jì)的誤差會(huì)造成系統(tǒng)性能的明顯下B↑一降.特別是用戶終端,考慮到成本和功耗等因素,進(jìn)行復(fù)雜的信道估計(jì)和檢測(cè)不現(xiàn)實(shí),因此如何在多天圖1下行多用戶MMO塊對(duì)角化系統(tǒng)模型線系統(tǒng)中避免信道估計(jì)的問題引起廣泛的研究興Fig 1 Module of the downlink multiuser MIMO趣.差分酉空時(shí)調(diào)制( differential unitary space-system with block diagonalizationtime modulation, DUSTM)是一種矩陣調(diào)制技術(shù)不同于通常的星座圖調(diào)制,它通過(guò)信息比特選擇西用戶j的接收信號(hào)為陣集合中的酉陣,然后乘以上一次已經(jīng)發(fā)送的酉陣,y=H∑vb;+n(1)最后將結(jié)果在空時(shí)域上發(fā)送出去.差分酉空時(shí)調(diào)制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)非相干解調(diào)不需要進(jìn)行信道估計(jì).差i計(jì)差式中,m是加性高斯白噪聲向量其每個(gè)元素是獨(dú)復(fù)高斯隨機(jī)變量分酉空時(shí)調(diào)制系統(tǒng)中的發(fā)射信號(hào)稱為酉空時(shí)信號(hào),MM塊對(duì)角化系統(tǒng)就是通過(guò)尋找預(yù)編碼矩陣文獻(xiàn)[8指出只要發(fā)射天線數(shù)足夠大,這些信號(hào)能在信道相干時(shí)間段內(nèi)獲得任意低的誤碼率v}(i=1,…,K)使得Hv=0(Vj≠i),即多用戶本文針對(duì)下行多用戶MIMO塊對(duì)角化系統(tǒng)中,間零干擾.記H=[H…班1班+1…H],則零用戶端的等效信道與其他用戶的零空間矩陣有關(guān)的千擾的約束條件變?yōu)镠v,=0,Vj=1,…,K(2)問題提出了將塊對(duì)角化和差分酉空時(shí)調(diào)制相結(jié)合的系統(tǒng)該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)的塊對(duì)角化系統(tǒng)中基站對(duì)H進(jìn)行奇異值分解,得需要準(zhǔn)確告知每個(gè)用戶各自的接收矩陣或頻繁發(fā)送H; =U,(VV)H00導(dǎo)頻的問題;基站得到零空間矩陣后,不需要對(duì)等效信道進(jìn)行奇異值分解、功率分配等復(fù)雜操作:同時(shí)用式中,v=(v)是NXN的矩陣石是B,的戶接收端也不需要估計(jì)信道.文中通過(guò)仿真給出了非零奇異值組成的對(duì)角陣v對(duì)應(yīng)奇異值為零的奇所提系統(tǒng)與傳統(tǒng)塊對(duì)角化的收發(fā)結(jié)合系統(tǒng)在理想信異值向量這樣W張成了H,的零空間通過(guò)選取道和瑞利信道下的性能比較用戶的預(yù)編碼矩陣v為v的N,列(N,≤NN,為基站發(fā)送給用戶j的子流數(shù)),就可以滿足1MIMo塊對(duì)角化系統(tǒng)模型Hv=0(Vj≠j)的條件實(shí)現(xiàn)用戶間無(wú)干擾的并圖1是有K個(gè)用戶的下行多用戶MMO塊對(duì)行傳輸用戶j的接收信號(hào)變?yōu)榻腔到y(tǒng)框圖基站(BS)有N個(gè)發(fā)送天線,用戶jy=HⅤb+m(4)有N,個(gè)接收天線G=1,…,K),且所有用戶總的這里,Hm,=HV可以看成是用戶j經(jīng)過(guò)預(yù)編碼后的等效信道,其大小是NXN,收發(fā)結(jié)合方天線數(shù)不大于基站的天線數(shù)即N≥∑N假設(shè)法進(jìn)一步對(duì)等效信道進(jìn)行奇異值分解得基站知道完全的瞬時(shí)信道狀態(tài)信息( channel state(5)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)第39卷在用戶j的發(fā)送端預(yù)編碼矩陣右乘V,在用Y,=Hm,1,+N,n=0,1,2,…(9)戶j的接收端左乘對(duì)應(yīng)的接收矩陣U,,這樣就可式中,Y,大小為NXT;S,n是基站發(fā)送給用戶j以實(shí)現(xiàn)子流間的無(wú)十?dāng)_傳輸則最后用戶j的接收的第n個(gè)連續(xù)T符號(hào)的發(fā)送信號(hào)矩陣,大小為信號(hào)可以表示為N,XT;N,=[n,1,m,…,n,r是N,XT的噪聲y= HIVVEu. P b十n=Hs,VE,Pb,+n,=矩陣為了簡(jiǎn)化,假設(shè)每個(gè)用戶有相同的接收天線數(shù)UEqu AEau. VEq. VEu. P, b, +n;=N,且N,=N,=T(j=1,…,K).設(shè)有L個(gè)酉陣UEqu, EQu P,b, +n,(6)的酉空時(shí)調(diào)制的酉陣集合為={0,,式中P是一個(gè)對(duì)角陣,是用戶j各子流的功率分-1}.傳輸時(shí)先將數(shù)據(jù)比特轉(zhuǎn)換為整數(shù)dn從酉陣配矩陣在用戶j的接收端乘以接收矩陣U灬,即集合中選擇對(duì)應(yīng)的酉陣ψ,進(jìn)行傳輸因此一次傳輸可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各子流的檢測(cè)的比特?cái)?shù)是logL比特,其頻譜效率是R=logL/T.b=Uy=U(UmAm,Pb+m)=在差分酉空時(shí)調(diào)制中發(fā)送的信號(hào)矩陣表示為ArPb;十U,n;(7)如果沒有對(duì)子流的功率進(jìn)行分配(P=D),這時(shí)S(10)In=0由于奇異值間的差異較大,較小的奇異值對(duì)應(yīng)子流進(jìn)一步假設(shè)前后兩個(gè)T符號(hào)的等效信道保持的SNR較小,會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)性能為平衡所有用不變即Hmn~Hm…-,在用戶j的接收端,最戶子流的BER性能,采用的功率分配矩陣為大似然檢測(cè)可以表示為P=diag{P1,…,PklY:-Y.‖(1)p·dag{1/△E1,…,1/△En1,…,1/△Bm1N.,…1|△卿Ax)(8)冉將整數(shù)d轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)比特,就可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)式中,p滿足發(fā)射功率的限制條件,2.2差分酉空時(shí)調(diào)制矩陣的生成p2=P/(4/4e)2…+(1/△En)2…+差分酉空時(shí)調(diào)制的酉陣集合的性能決定了系統(tǒng)(1/BN,)2…+(1/△ Eau KN)2)的性能,本文采用文獻(xiàn)[7]產(chǎn)生酉陣的方法,即這里,P為總的發(fā)送功率2塊對(duì)角化和差分酉空時(shí)調(diào)制的結(jié)合上述塊對(duì)角化系統(tǒng)的收發(fā)結(jié)合方法,由于每個(gè)[J,(k1a)]·[J2,(k2B)…用戶的接收矩陣U形,(j=1,…,K)與該用戶的信(12)道及其他用戶的零空間矩陣有關(guān)為了實(shí)現(xiàn)檢測(cè),基式中,a=2x/L(=0,…,L-1),=[,p站需要準(zhǔn)確告知每個(gè)用戶各自的接收矩陣;或者是r是酉陣的T個(gè)相位角k=[,k2,…,kr1]是頻繁內(nèi)插導(dǎo)頻使于用戶估計(jì)出等效信道,進(jìn)而得到T-1個(gè)旋轉(zhuǎn)角,并且接收矩陣U這在實(shí)際系統(tǒng)中很大程度上降低了0有效的信息傳遞速率使得MIMO塊對(duì)角化系統(tǒng)變0 cos 0 -sin 6 0得難以實(shí)現(xiàn)針對(duì)這個(gè)問題,本文在基站獲得零空間0 sin 0 cos 80/(13)矩陣(式4)后,采用差分酉空時(shí)調(diào)制技術(shù),這樣用戶0 IT端就不需要估計(jì)等效信道,也不需要基站知道用戶當(dāng)T=2時(shí),通過(guò)遍歷搜索的方法得到最優(yōu)的各自的接收矩陣因此用戶終端可以獲得塊對(duì)角化酉空時(shí)調(diào)制碼本如表1所示技術(shù)帶來(lái)的用戶間無(wú)干擾傳輸,省去信道矩陣估計(jì)和矩陣求逆等復(fù)雜運(yùn)算3仿真結(jié)果和性能分析2.1差分酉空時(shí)調(diào)制為了比較所提系統(tǒng)和塊對(duì)角化系統(tǒng)中收發(fā)結(jié)合根據(jù)式(4),考慮用戶j的第n個(gè)連續(xù)T符號(hào)方法的性能,下面給出了理想信道和不同多普勒頻的接收信號(hào)矩陣Y,=[y1,…,yrm.假設(shè)T個(gè)偏的瑞利衰落信道下的性能比較這電的理想信道符號(hào)內(nèi)等效信道保持不變,則接收矩陣為采用塊衰落信道代替,同時(shí)假定差分酉空時(shí)調(diào)制的第2期多用戶MMO塊對(duì)角化系統(tǒng)的差分西空時(shí)調(diào)制123表1不同L對(duì)應(yīng)的生成參數(shù)和性能Bb. I Generation parameters and perfomance with different LLk最小欣氏距離頻譜效率16[15,13][12]2[62,39][3]1.372461128[115,80]1E-4256[21,248][16109178864IE-SBD joint T-R, with power aillocto[38,353][503]0.737826OBD DUS TML前后2T個(gè)符號(hào)的信道是不變的,這樣做可以更好地比較產(chǎn)生的西空時(shí)調(diào)制的碼本性能仿真結(jié)果都圖3理想信道下L=128,256時(shí)所提系統(tǒng)與是基于400000個(gè)不同的衰落信道實(shí)現(xiàn)下獲得的其收發(fā)結(jié)合系統(tǒng)的BER性能比較中塊對(duì)角化系統(tǒng)中收發(fā)結(jié)合方法的每個(gè)子流均采用Fig 3 BEr performance comparison betweenQPSK調(diào)制,則在T=N=2時(shí)收發(fā)結(jié)合方法和the proposed system with L 128, 256 anL=256的差分西空時(shí)調(diào)制有相同的頻譜效率.joint T-R, system in ideal channel圖2給出了發(fā)送天線是6,每個(gè)用戶的接收天功率分配方法( Bd joint Tr-R, with power線是2,有3個(gè)用戶的下行MMO系統(tǒng),在理想信allocation)在子流間取得了平衡,但是功率分配的道條件下,所提系統(tǒng)( BD DUSTM不同L對(duì)應(yīng)的性能曲線隨著L增大頻譜效率提高但是BER性平均功率水平p受限于較小的奇異值因此整體性能變差這是因?yàn)殡S著L的增大,酉陣集合中的酉能受限L=256時(shí)所提系統(tǒng)在較高SNR時(shí)有比功率分配的收發(fā)結(jié)合方法更好的BER性能這是由于陣間距離變小抗噪聲的能力變?nèi)跻虼丝梢愿鶕?jù)信采用的酉空時(shí)調(diào)制是矩陣調(diào)制,可以獲得整體上的道SNR的變化選擇不同的L進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)制,以空間分集增益,整體性能不受較小奇異值對(duì)應(yīng)子流進(jìn)一步降低誤碼率提高傳輸效率的限制圖4給出了L=256時(shí)(N=6,N-=3,N=T=2),所提系統(tǒng)在不同多普勒頻偏的瑞利衰落信道的BER性能FT,是多普勒頻偏和采樣時(shí)間的乘積由圖4可以看到隨著多普勒頻偏的增大,系統(tǒng)性能下降較快,而且FT較大時(shí)在高SNR下出現(xiàn)了誤碼平臺(tái).這是因?yàn)椴罘窒到y(tǒng)假設(shè)前后的信道HBD DUSTM L-64IE5h→ BD DUSTM4-32202530IE-1SNR/dB圖2理想信道下不同L所提系統(tǒng)的BER性能E-2Fig 2 BER performance of the proposed systemFT00010F000151E-3圖3給出了在理想信道條件下,N=6,N-=FT=0.01003,T=N=2的塊對(duì)角化系統(tǒng)中,L分別為128256時(shí)所提系統(tǒng)和收發(fā)結(jié)合方法的BER性能比較snR /dB圖中的收發(fā)結(jié)合( bd joint T,Rx)的子流圖4L=256所提系統(tǒng)在不同多普勒頻( substream)1和2對(duì)應(yīng)未進(jìn)行功率分配的性能由偏的瑞利衰落信道下的性能于等效信道的奇異值差異較大由圖3可以看到奇p4 Performance of the proposed system with L=256異值小的子流性能較差收發(fā)結(jié)合方法通過(guò)式(8)的in Rayleigh channel with different doppler frequency124中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)第39卷不變隨著多普勒頻偏的增大,信道變化加快從而合的系統(tǒng),克服了傳統(tǒng)的塊對(duì)角化系統(tǒng)中基站需要導(dǎo)致BER增大;而且信道的變化在差分檢測(cè)中相準(zhǔn)確告知每個(gè)用戶各自接收矩陣或頻繁發(fā)送導(dǎo)頻的當(dāng)于多了一個(gè)干擾項(xiàng)信道變化越快,這個(gè)干擾項(xiàng)越問題;同時(shí)基站的發(fā)送端和用戶的接收端都得到了大,從而出現(xiàn)了誤碼平臺(tái).與其他差分系統(tǒng)一樣,本實(shí)際可行的簡(jiǎn)化仿真結(jié)果和性能分析表明所提系文提出的塊對(duì)角化和差分酉空時(shí)調(diào)制結(jié)合的系統(tǒng)適統(tǒng)在慢變信道下能獲得較好的性能由于低的復(fù)雜合于多普勒頻偏較小的慢變信道環(huán)境.度和較好的BER性能,所提系統(tǒng)適用于實(shí)際實(shí)施,為了更好地比較所提系統(tǒng)與對(duì)角化系統(tǒng)中收發(fā)尤其適用于多普勒頻偏較小的慢變信道.結(jié)合化方法的性能,根據(jù)實(shí)際假定基站告知用戶或者用戶通過(guò)信道估計(jì)得到的接收矩陣UE;是有噪?yún)⒖嘉墨I(xiàn)( References聲的,即[1] Spencer Q H, Swindlehurst A L, Haardt M. zeroU,=Up;+NE;j=1,…,K(14)forcing methods for downlink spatial multiplexing inmultiuser MIMO channels [J]. IEEE Transactions on式中,N是估計(jì)誤差矩陣,其每個(gè)元素是獨(dú)立同Signal Processing, 2004, 52(2):461-471分布的復(fù)高斯隨機(jī)變量CN(O,G2).圖5給出了在[2] Choil u, Murch R D. A transmit preprocessingF4T,=0.0015和0.0050(N=6,N=3,N=technique for multiuser MIMo systems using aT=2),L=256時(shí),所提系統(tǒng)與接收矩陣UEm是有decomposition approach [J]. IEEE Transactions onWireless Communication, 2004, 3(1):20-24較由圖5可以看到,收發(fā)結(jié)合方法對(duì)接收矩陣[31cmR, Heath R W.AwJ. TransmitU的誤差很敏感,用戶接收端需要得到信噪比較spatial multiplexing systems with linear receivers [J].高的接收矩陣,才能得到較好的性能.當(dāng)FT,=IEEE Transaction on Signal processing, 2007, 55(3):0.0015時(shí),所提系統(tǒng)在低接收信號(hào)SNR下性能較l159-1171差;而在較高的接收信號(hào)SNR下,收發(fā)結(jié)合方法得[4 I Shen Z, Chen r, Andrews JG, et al. Low complexity到信噪比大于16dB的接收矩陣UE,才能得到相user selection algorithms for multiuser MIMO systems同的BER性能;對(duì)于高信噪比的接收矩陣UE,只with block diagonalization [J]. IEEE Transactions on能通過(guò)基站增加廣播比特?cái)?shù),或者頻繁地內(nèi)插導(dǎo)頻Signal Processing, 2006, 54(9):3 658-3 663得到,這樣就嚴(yán)重限制了系統(tǒng)的有效傳輸速率[5] Hochwald B M, Marzetta T L. Unitary space-timemodulation for multiple-antenna communication inRayleigh flat fading [J]. IEEE Transactions onInformation Theory, 2000, 46(2):543-564E-1[6] Hochwald B M, Sweldens W. Differential unitaryspace-time modulation [J]. IEEE Transactions onCommunication,2000,48(12):2041-2052.E-2[7J Hajiaghayi M, Tellambura C. Unitary signalconstellations for differential space-time modulationHDUS TM FT-OD050[J]. IEEE Communication Letters, 2007, 24(3)R. without Cl[8] Hochwald B M, Marzetta T L, Babak H. Space-timeSNR/dBautocoding [J]. IEEE Transactions on Information圖5L=256時(shí)所提系統(tǒng)在瑞利衰落信道下性能與Theory,2001,47(7):2761-2781.接收矩陣有噪聲的收發(fā)結(jié)合系統(tǒng)性能比較[9] Liang X B, Xia X G. Unitary signal constellations fordifferential space-time modulation with two transmitsystem with L= 256 in Rayleigh channel andantennas: parametric codes, optimal designs, andbounds [J]. IEEE Transaction on Information Theoryint T-R, system with noised receiving matrix2002,48(8):229123224結(jié)論本文提出的將塊對(duì)角化和差分酉空時(shí)調(diào)制相結(jié)