第30卷第2期南華大學學報(自然科學版)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(nèi)多用戶MIMO系統(tǒng)下行鏈路空分多址算法研究王明華,鄧賢君(南華大學電氣工程學院,湖南衡陽421001)摘要:多天線技術(shù)可在不額外增加功率和帶寬的條件下成倍提升無線資源的頻譜效率,改善通信質(zhì)量.本文提出了一種適合于室內(nèi)分布系統(tǒng)場景的多用戶MIMO下行鏈路空分多址算法.首先通過測量不同用戶在不同通道上的功率來計算空分多址用戶間的信號干擾比值,然后根據(jù)該信號干擾比值進行初步的空分多址判決,最后對空分多址用戶進行干擾補償仿真結(jié)果表明該空分多址算法可以大幅提升室內(nèi)分布系統(tǒng)的容量.關(guān)鍵詞:多用戶MIMO;室內(nèi);空分多址中圖分類號: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:國家自然科學青年基金資助項目(6140193);湖南省教育廳科學研究基金資助項目(15C:195);南華大學博士科研啟動基金資助項目(2013XQDO3)作者簡介:王明華(1980-),男,湖南衡陽人,南華大學電氣工程學院講師,博士主要研究方向:移動無線通信技術(shù)第30卷第2期王明華等:室內(nèi)多用戶MIMo系統(tǒng)下行鏈路空分多址算法研究45前言絡的壓力隨著移動通信用戶數(shù)的快速增長和移動通信1室內(nèi)空分多址基本原理業(yè)務的迅猛發(fā)展,現(xiàn)有的頻譜資源已經(jīng)日趨緊張以TDD( Time Division Duplexing,時分雙工)加上通信技術(shù)頻分多址(FDMA)、時分多址系統(tǒng)為例闡述室內(nèi)分布系統(tǒng)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(nèi)分布系統(tǒng)中,由于處于不同的樓層中的移動通信網(wǎng)絡在系統(tǒng)容量、用戶通信質(zhì)量以及新用戶之間有理想的墻壁穿透隔離,這就允許不同通信業(yè)務的擴展等方面都已經(jīng)難以滿足需求如的用戶使用相同的下行資源進行數(shù)據(jù)傳輸.比如何提升無線資源的利用率來滿足人類日益增長的假設基站總共有4個通道,分別服務不同的樓層,移動通信的需求成為移動通信領(lǐng)域思考的參考圖1假設目標用戶UE1( User Equipment1)重點13的服務通道為2,對目標用戶UE1產(chǎn)生SDMA同多輸入多輸出( Multiple Input Multiple Output,碼干擾的干擾用戶UE2的服務通道為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為該干成倍提升無線資源的頻譜效率和大幅改善通信質(zhì)擾用戶UE2下發(fā)的信號穿透樓層2和3到達目量十幾年來,大量的科研人員對MIMO理論進行標用戶UE1時,由于經(jīng)過了兩層樓層,信號的衰了研究,使其得到很好的發(fā)展同時隨著陣列信號減很大,所以對目標用戶UE1帶來的同碼干擾比處理技術(shù)的快速發(fā)展,MIMO技術(shù)在移動通信領(lǐng)域較微弱,此時兩用戶可以空分多址復用同一個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(第三代移動通信系統(tǒng))和4G(第四代移動通信系統(tǒng))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在廣義的多天線技術(shù)的基礎上,在3G中引入,是智能天線技術(shù)的集中體現(xiàn)空分多址方式將空間進行通道卜E有用信號~,目標用PUE樓層3劃分,以取得更多的地址,在相同時間間隙、相同頻段、相同擴頻碼下,根據(jù)信號在空間內(nèi)傳播路徑不通道3樓層2同來區(qū)分不同的用戶,實現(xiàn)不同用戶的空間復用UE2干擾信SDMA技術(shù)可使系統(tǒng)在有限的頻譜內(nèi)支持更多的用戶,成倍的提高頻譜效率,達到擴大移動通信網(wǎng)干F狀用戶U2樓層絡系統(tǒng)容量,降低系統(tǒng)整體造價和改善系統(tǒng)管理等圖1室內(nèi)空分多址的原理圖目的46Fig1 Schematic diagram of indoor space對于室內(nèi)分布系統(tǒng)而言,需要重點關(guān)注和研division multipleccess究的問題有兩個,即如何解決高速數(shù)據(jù)與多媒體業(yè)務對系統(tǒng)容量的要求以及室內(nèi)分布系統(tǒng)覆蓋的由圖1還可以看出,由于TDD系統(tǒng)具有信道可靠性問題MIMO技術(shù)理論上都可以解決這兩互易的特點0,用戶在上行各通道的功率關(guān)系個問題,采用空分多址技術(shù)可以實現(xiàn)容量的翻倍,可以用來衡量各通道等功率發(fā)射時終端用戶從各采用發(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(nèi)分布系統(tǒng)中的應用研究主和通道4收到的目標用戶UE1上行發(fā)來信號的要集中的在如何解決室內(nèi)分布的覆蓋問題以及系功率分別為Pm2和P叫,對應的功率比值為=統(tǒng)室內(nèi)方案演進及改造上,而關(guān)于室內(nèi)分布系統(tǒng)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同時以相同功率P對各本文重點研究室內(nèi)分布系統(tǒng)下如何采用自的服務用戶下行發(fā)射時,目標用戶UE從通道MMO技術(shù)來提升系統(tǒng)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,時分雙工)系統(tǒng)特征的下行鏈路空分多址算法,提升室內(nèi)分布系統(tǒng)擾用戶UE2的擾功率Pn2的比值為=p=的容量,緩解室內(nèi)環(huán)境下高速數(shù)據(jù)業(yè)務對通信網(wǎng)南華大學學報(自然科學版)2016年6月基于此,可以利用上行控制信道信息來獲取下行他非核心算法流程非常簡單明確,本文不做詳細發(fā)送時目標用戶和干擾用戶間的干擾比.說明.圖中的Ω為根據(jù)上行接收功率判決是否可2室內(nèi)空分多址算法流程設計以采用空分多址的門限值.21非空分下的SINR和SE計算對于蜂窩移動通信系統(tǒng),比如3G或者4G系不管是3G移動通信系統(tǒng)還是4G移動通信統(tǒng),無線資源管理的調(diào)度模玦會在每一個調(diào)度時系統(tǒng),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當前需要調(diào)度的目標用戶如果不給基站的為了節(jié)約上行信道反饋下行信道質(zhì)量考慮空分多址,則直接完成該用戶的調(diào)度及資源的數(shù)據(jù)量,提升上行控制信道數(shù)據(jù)反饋的可靠性分配如果采用空分多址,則需要為目標用戶選擇終端需要把測量的信道質(zhì)量信息,即信噪比SNR,個可以進行空分的用戶,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(tǒng)總?cè)萘坎恍∮诜强辗謺r的系統(tǒng)容量,而( channel quality indication,CQI).與此同時,SE也且空分之后系統(tǒng)的容量越大越好針對于調(diào)度的與CQ1和SNR一一對應CQI、SE和SNR的映射目標用戶,室內(nèi)空分多址的調(diào)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(shù)據(jù)包大小(對應不調(diào)度用戶集為空同的碼率)在不同的信噪比SNR下的誤碼率曲否線,得到 CQI Index對應碼率下BLER=10%選擇一個用戶為待空分用戶的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該待空分用戶適合空分,進入0.377-3.15待調(diào)度空分用戶集合0.60l6從空分用戶集合中選擇空分吞50.8770.71上量最大的用戶進行空分調(diào)度61.17581.476691416.431圖2室內(nèi)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(nèi)空分多址算法流程中涉及以下幾個核心算法:目標用戶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;目標用戶和待空5.5547分用戶的信號功率與干擾功率比值β計算;目標用戶和待空分用戶空分下的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(nèi)多用戶MIMo系統(tǒng)下行鏈路空分多址算法研究則可以根據(jù)表1映射得到上報的CQl對應的非假設目標用戶UE1和干擾用戶UE2在非空空分時的 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UE1和干擾用戶UE2在空分狀態(tài)下的為了初步判決目標用戶UE1和干擾用戶信干噪比SNRm1,和SINR2,可以計算為UE2是否可以采用空分多址方式進行傳輸,需要SINR計算得到兩個用戶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和干擾用戶是否可以空分,而且可以用于空分用戶間的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(jù)SNR和SNR,查找表1分別得到目免明顯不可空分的用戶仍然進行后續(xù)的計算,降標用戶UEl和干擾用戶UE2空分多址下的頻率效低算法實現(xiàn)的復雜度率SE,和SE2,根據(jù)SN1,查找表1得到目標假設UE為調(diào)度的目標用戶,UE2為UE1的用戶UE1在非空分下的頻率效率SEm,如果干擾用戶(或者待空分用戶).根據(jù)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頻譜效率用戶UE1上行發(fā)來信號的功率分別為Pm和的提升,優(yōu)先采用空分多址方式進行數(shù)據(jù)傳輸;否P1,通道2和通道4收到的干擾用戶UE2上行則目標用戶UE采用非空分多址方式單獨進行發(fā)來信號的功率分別為Pm2和Pm2數(shù)據(jù)傳輸.對于目標用戶UE而言,可以計算得到信號最后,根據(jù)確定調(diào)度的用戶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(shù)優(yōu)化對于干擾用戶UF2而言,可以計算得到信號對于室內(nèi)分布系統(tǒng),仿真建模相對比較簡單,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模型進行系統(tǒng)性能驗證仿真系統(tǒng)為 TD-SCDMA平臺,主要參數(shù)如果為:通道數(shù)2個;用戶數(shù)2個;頻率為2010~20202且(3)MHz;調(diào)制方式為QPSK/16QAM自適應其他參β(uel,ue2)β(ue2,uel)數(shù)(包括室內(nèi)信道建模相關(guān)參數(shù))較多,采用行業(yè)即,待空分用戶UE2對目標用戶UE1的干擾功率典型參數(shù)配置,不一一注明相對于UE的信號功率小于設定的門限值且目3.1性能增益仿真驗證標用戶UE1對待空分用戶UE2的干擾功率相對圖3為兩個空分用戶處于不同距離間隔下的于UE2的信號功率也小于設定的門限值,說明兩小區(qū)吞吐量曲線在非空分場景下,小區(qū)的極限吞個用戶間的干擾功率相對于信號功率都可以忽略吐量為468.1kbps,見圖3中的粗線采用空分多不計,或者說影響有限,則初步判決可以采用空分址方式,小區(qū)吞吐量隨著兩個用戶的距離不斷增多址的方式進行數(shù)據(jù)傳輸式(3)中的Ω為空分大而增大,即小區(qū)吞吐量隨著兩個用戶間的干擾多址判決門限值,取值范圍(0,1)不斷減少而增大空分多址的極限小區(qū)吞吐量為23空分下的SINR和SE計算861.6kbps,是非空分多址時的1.84倍,體現(xiàn)了室對于根據(jù)信號功率與干擾功率比值B初步判內(nèi)空分多址的巨大優(yōu)勢決可以采用空分多址進行傳輸?shù)膬蓚€用戶,需要從圖3中也可以看出,如果兩個用戶的距離把干擾折算到實際的信噪比中,否則實際信道質(zhì)非常近時,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(jù)折算補償?shù)哪芊炊钆c非空分多址,也就是說空分多址反而信噪比計算得到空分后的頻率效率,判斷相比于會因為用戶間干擾的增加而導致小區(qū)吞吐量下非空分傳輸是否能夠帶來頻率效率的增益,如果降所以,有必要對空分多址的判決條件和相關(guān)參帶來增益則表示可以進行空分.數(shù)進行優(yōu)化48南華大學學報(自然科學版)2016年6月小區(qū)吞吐量VS空分用戶間距3.2干擾判決門限參數(shù)優(yōu)化最優(yōu)的干擾判決門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(xiàn)方式就是吞吐量,也就說干擾判決門限值應該保證空分時平均吞吐量大于非空分時的平均吞吐量為了確?？辗侄嘀穲鼍跋滦阅懿徊钣诜强辗侄?500址下的性能,我們需要先找到空分和非空分的臨界點,即空分多址和非空分多址下的性能相當然后在該臨界點,統(tǒng)計空分用戶間干擾比值的概率分布;根據(jù)干擾比值的概率分布可以得到最優(yōu)的參數(shù)值.分用戶間距/m圖4為臨界點下兩個用戶的干擾功率比值的圖3小區(qū)吞吐量隨用戶間距的變化曲線概率分布從圖中可以看出,臨界點的空分干擾比Fig 3 The curve of cell throughput with the值絕大部分都小于0.35.如果兩個用戶的距離更distance between users近,則干擾會更小,干擾比值會低于臨界點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臨界點時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為臨界點時兩個用戶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限下的非空分多址概率顯然,門限取值越越高表2臨界點時不同空分干擾判決門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(shù)據(jù)分析結(jié)果看,最優(yōu)干擾注本文設計提出的針對于室內(nèi)分布系統(tǒng)的多用判決門限參數(shù)應取值應小于等于0.35戶MIMO下行鏈路的室內(nèi)空分多址算法可以大幅4結(jié)論提升室內(nèi)分布系統(tǒng)的小區(qū)容量,改善用戶的通信質(zhì)量雖然本文重點研究的是兩用戶下的室內(nèi)空隨著室內(nèi)分布系統(tǒng)通信需求的不斷增加,室分多址的判決準則和參數(shù)優(yōu)化,但該判決準則和內(nèi)分布系統(tǒng)的小區(qū)容量提升將會越來越受到關(guān)參數(shù)完全適合多用戶場景,而且多用戶下的性能第30卷第2期王明華等:室內(nèi)多用戶MIMo系統(tǒng)下行鏈路空分多址算法研究會更優(yōu),因為適合采用空分多址的用戶數(shù)更多當Computing and Systems ICMCS ) 2014 International然,隨著室內(nèi)通信業(yè)務需求和用戶數(shù)的增加,我們Conference on Marrakech. IEEE 2014: 1453-1456將進一步研究室內(nèi)分布系統(tǒng)場景下多小區(qū)多用戶[6 Liu L J, Chen r h, Geirhofer S, et al. Downlink MImo inMIMO的性能LTE-advanced SU-MIMO vs MU-MIMO J.IEEE Communications Magazine, 2012, 50(2): 140-147參考文獻7]王陽洋,劉海林,肖恒輝,等.基于MIMO雙流的TDLTE室內(nèi)分布覆蓋系統(tǒng)的設計[J].廣東工業(yè)大學學I 1] Sampath H, Talwar S, Tellado J, et al.A fourth-generation報,2015,32(2):74-78MIMO-OFDM broadband wireless system design,per[8]王玉磊. TD-LTE網(wǎng)絡MMO雙通道室內(nèi)分布系統(tǒng)的formance, and field trial results[J. IEEE Communication設計研究[J].中國新通信,2016,18(2):161-162.Magazine,2002,40(9):143-149[9]林華蓉LTE室內(nèi)分布系統(tǒng)分場景建設方案研究[J[2 van Zelst A, van Nee R, Awater G ASpace Division Multi郵電設計技術(shù),2014(12):24-27plexing(SDM)for OFDM Systems[C]// Vehicular Tech-10 Shi J, Luo Q L, You M L. An efficient method for enhan-nology Conference Proceedings: Tokyo, 2000: 1070-1074cing TDd over the air reciprocity calibration[C]//2011[3]田金鳳,鄭小盈,胡宏林,等中國下一代移動通信研Ieee the Wireless Communications and Networking究[J].科學通報,2012,57(5):299-313.4] Lee S B, Pefkianakis 1, Choudhury S, et al. ExploitingConference( WCNC'11), Cancun, Quintana Roo, IEEE2011:339-344spatial, frequency, and multiuser diversity in 3GPP LTE[I]孫德春,劉祖軍,易克初使用變換域預測的TDcellular networks[J].IEEE Transactions on Mobile ComMIMO-OFDM信道互易性補償方法[J].西安電子科puting,2012,11(11):1652-1665技大學學報(自然科學版),2012,39(6):27-32[5 Hefnawi M, Abubaker A Channel capacity maximization inMIMO-SDMA based cognitive networks[ C ]//Multimedia(上接第43頁[6]趙偉,韋永斌基于 Zigbee技術(shù)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)9]代忠,基于射頻芯片CC2420的 Zigbee無線通信節(jié)點的設計[J]智能建筑與城市信息,2013(9):62-65設計[D]西安:空軍工程大學,2012[7] Heinzelman w, Chandrakasan a, Balakrishnan H Energy[1o]陳至坤溫度檢測技術(shù)及相關(guān)儀器的發(fā)展現(xiàn)狀[D]fficient communication protocol for wireless microsensor唐山:河北聯(lián)合大學,2011networks[C]// Proceedings of the 33rd Hawaii Interna- [11 Behdani B, Yun Y S, Smith J C, et al. Decomposition al-tional Conference on System Sciences. IEEE, 2000gorithms for maximizing the lifetime ofwireless sensor10-16networks with mobile sinks[ J]. Computers and[8]雷巧玲基于無線傳感器網(wǎng)絡的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的Operation Research, 2012, 39(5): 1054-1061研究[D].秦皇島市:燕山大學,2012.