多用户MIMO块对角化系统的差分酉空时调制

第39卷第2期中闾苧孜术大每学旗Vol 39, No. 22009年2月 TY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA"Feb.2009文章编号:0253-2778(2009)02012005多用户MIMO块对角化系统的差分酉空时调制朱有团,唐志华,朱近康,邱玲(中国科学技术大学电子工程与信息科学系,安徽合肥23002摘要:针对下行多用户MIMO块对角化系统,用户端的等效信道与其他用户的零空间矩阵有关的问题,提出将块对角化和差分酉空时调制相结合的系统,该系统克服了传统的块对角化系统中基站需要准确告知每个用户各自接收矩阵或频繁发送导频的问题;基站得到零空间矩阵后,不需要对等效信道进行奇异值分解、功率分配等复杂操作;同时用户接收端也不需要估计信道.仿真给出了该系统与传统块对角化的收发结合系统在理想信道和瑞利信道下的性能比較.由于低的复杂度和较好的BER性能,所提系统适用于实际实施,尤其适用于多普勒频偏较小的慢变信道关键词:多用户MIMO系统;块对角化;差分酉空时调制中图分类号:TN929.5文献标识码: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引言的各个领域引起了广泛的重视,块对角化( blockdiagonalization,BD)是一个可以在实际多用户MMO技术以其高频谱效率已经在无线通信MIM系统中采用的线性预编码技术2.假设基收稿日期:200704-16;修回日期:2007-0830基金项目:国家高技术研究发展(863)计划(2006AA01A266)资助作者简介:朱有团男,1979年生,博土生。研究方向:通信信号处理.E-mail;ythu@mail.ustc.edu.cn通讯作者:朱近康教投, E-mailt jkzhut@ use. edu c第2期多用户MM块对角化系统的差分酉空时调制121站知道所有用户的信道信息,每个用户的预编码矩 information,CSI,这在TDD系统中可以通过用户阵可以被设计成落在其他用户的零空间内发给每发送导频来实现H是基站和用户j间的MIMO信个用户的信号乘以相应的预编矩阵后再发送,所有道预编码矩阵产生器根据各个用户信道信息生成的用户间干扰就可以被去除,因此块对角系统在实预编码矩阵设b是发送给用户j的数据符号向量,现空分多址的同时获得了MIMO的高频谱效率由V,是用户j的预编码矩阵于当前研究的MMo块对角化系统通常假设用户端已经知道其他用户的零空间矩阵,这在实际系统中需要大量实时的信道信息广播或者需要频ou繁插入导频因此限制了块对角化系统的实际应用现有的多数MMO系统的研究大多是基于准2∞片、确的信道估计,系统容量的需求使得天线数增加,信道估计的实现难度也会相应增加,而且在MMO复用系统中信道估计的误差会造成系统性能的明显下B↑一降.特别是用户终端,考虑到成本和功耗等因素,进行复杂的信道估计和检测不现实,因此如何在多天图1下行多用户MMO块对角化系统模型线系统中避免信道估计的问题引起广泛的研究兴Fig 1 Module of the downlink multiuser MIMO趣.差分酉空时调制( differential unitary space-system with block diagonalizationtime modulation, DUSTM)是一种矩阵调制技术不同于通常的星座图调制,它通过信息比特选择西用户j的接收信号为阵集合中的酉阵,然后乘以上一次已经发送的酉阵,y=H∑vb;+n(1)最后将结果在空时域上发送出去.差分酉空时调制系统可以实现非相干解调不需要进行信道估计.差i计差式中,m是加性高斯白噪声向量其每个元素是独复高斯随机变量分酉空时调制系统中的发射信号称为酉空时信号,MM块对角化系统就是通过寻找预编码矩阵文献[8指出只要发射天线数足够大,这些信号能在信道相干时间段内获得任意低的误码率v}(i=1,…,K)使得Hv=0(Vj≠i),即多用户本文针对下行多用户MIMO块对角化系统中,间零干扰.记H=[H…班1班+1…H],则零用户端的等效信道与其他用户的零空间矩阵有关的千扰的约束条件变为Hv,=0,Vj=1,…,K(2)问题提出了将块对角化和差分酉空时调制相结合的系统该系统克服了传统的块对角化系统中基站对H进行奇异值分解,得需要准确告知每个用户各自的接收矩阵或频繁发送H; =U,(VV)H00导频的问题;基站得到零空间矩阵后,不需要对等效信道进行奇异值分解、功率分配等复杂操作:同时用式中,v=(v)是NXN的矩阵石是B,的户接收端也不需要估计信道.文中通过仿真给出了非零奇异值组成的对角阵v对应奇异值为零的奇所提系统与传统块对角化的收发结合系统在理想信异值向量这样W张成了H,的零空间通过选取道和瑞利信道下的性能比较用户的预编码矩阵v为v的N,列(N,≤NN,为基站发送给用户j的子流数),就可以满足1MIMo块对角化系统模型Hv=0(Vj≠j)的条件实现用户间无干扰的并图1是有K个用户的下行多用户MMO块对行传输用户j的接收信号变为角化系统框图基站(BS)有N个发送天线,用户jy=HⅤb+m(4)有N,个接收天线G=1,…,K),且所有用户总的这里,Hm,=HV可以看成是用户j经过预编码后的等效信道,其大小是NXN,收发结合方天线数不大于基站的天线数即N≥∑N假设法进一步对等效信道进行奇异值分解得基站知道完全的瞬时信道状态信息( channel state(5)中国科学技术大学学报第39卷在用户j的发送端预编码矩阵右乘V,在用Y,=Hm,1,+N,n=0,1,2,…(9)户j的接收端左乘对应的接收矩阵U,,这样就可式中,Y,大小为NXT;S,n是基站发送给用户j以实现子流间的无十扰传输则最后用户j的接收的第n个连续T符号的发送信号矩阵,大小为信号可以表示为N,XT;N,=[n,1,m,…,n,r是N,XT的噪声y= HIVVEu. P b十n=Hs,VE,Pb,+n,=矩阵为了简化,假设每个用户有相同的接收天线数UEqu AEau. VEq. VEu. P, b, +n;=N,且N,=N,=T(j=1,…,K).设有L个酉阵UEqu, EQu P,b, +n,(6)的酉空时调制的酉阵集合为={0,,式中P是一个对角阵,是用户j各子流的功率分-1}.传输时先将数据比特转换为整数dn从酉阵配矩阵在用户j的接收端乘以接收矩阵U灬,即集合中选择对应的酉阵ψ,进行传输因此一次传输可以实现对各子流的检测的比特数是logL比特,其频谱效率是R=logL/T.b=Uy=U(UmAm,Pb+m)=在差分酉空时调制中发送的信号矩阵表示为ArPb;十U,n;(7)如果没有对子流的功率进行分配(P=D),这时S(10)In=0由于奇异值间的差异较大,较小的奇异值对应子流进一步假设前后两个T符号的等效信道保持的SNR较小,会影响整个系统性能为平衡所有用不变即Hmn~Hm…-,在用户j的接收端,最户子流的BER性能,采用的功率分配矩阵为大似然检测可以表示为P=diag{P1,…,PklY:-Y.‖(1)p·dag{1/△E1,…,1/△En1,…,1/△Bm1N.,…1|△卿Ax)(8)冉将整数d转换为数据比特,就可以实现检测式中,p满足发射功率的限制条件,2.2差分酉空时调制矩阵的生成p2=P/(4/4e)2…+(1/△En)2…+差分酉空时调制的酉阵集合的性能决定了系统(1/BN,)2…+(1/△ Eau KN)2)的性能,本文采用文献[7]产生酉阵的方法,即这里,P为总的发送功率2块对角化和差分酉空时调制的结合上述块对角化系统的收发结合方法,由于每个[J,(k1a)]·[J2,(k2B)…用户的接收矩阵U形,(j=1,…,K)与该用户的信(12)道及其他用户的零空间矩阵有关为了实现检测,基式中,a=2x/L(=0,…,L-1),=[,p站需要准确告知每个用户各自的接收矩阵;或者是r是酉阵的T个相位角k=[,k2,…,kr1]是频繁内插导频使于用户估计出等效信道,进而得到T-1个旋转角,并且接收矩阵U这在实际系统中很大程度上降低了0有效的信息传递速率使得MIMO块对角化系统变0 cos 0 -sin 6 0得难以实现针对这个问题,本文在基站获得零空间0 sin 0 cos 80/(13)矩阵(式4)后,采用差分酉空时调制技术,这样用户0 IT端就不需要估计等效信道,也不需要基站知道用户当T=2时,通过遍历搜索的方法得到最优的各自的接收矩阵因此用户终端可以获得块对角化酉空时调制码本如表1所示技术带来的用户间无干扰传输,省去信道矩阵估计和矩阵求逆等复杂运算3仿真结果和性能分析2.1差分酉空时调制为了比较所提系统和块对角化系统中收发结合根据式(4),考虑用户j的第n个连续T符号方法的性能,下面给出了理想信道和不同多普勒频的接收信号矩阵Y,=[y1,…,yrm.假设T个偏的瑞利衰落信道下的性能比较这电的理想信道符号内等效信道保持不变,则接收矩阵为采用块衰落信道代替,同时假定差分酉空时调制的第2期多用户MMO块对角化系统的差分西空时调制123表1不同L对应的生成参数和性能Bb. I Generation parameters and perfomance with different LLk最小欣氏距离频谱效率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个符号的信道是不变的,这样做可以更好地比较产生的西空时调制的码本性能仿真结果都图3理想信道下L=128,256时所提系统与是基于400000个不同的衰落信道实现下获得的其收发结合系统的BER性能比较中块对角化系统中收发结合方法的每个子流均采用Fig 3 BEr performance comparison betweenQPSK调制,则在T=N=2时收发结合方法和the proposed system with L 128, 256 anL=256的差分西空时调制有相同的频谱效率.joint T-R, system in ideal channel图2给出了发送天线是6,每个用户的接收天功率分配方法( Bd joint Tr-R, with power线是2,有3个用户的下行MMO系统,在理想信allocation)在子流间取得了平衡,但是功率分配的道条件下,所提系统( BD DUSTM不同L对应的性能曲线随着L增大频谱效率提高但是BER性平均功率水平p受限于较小的奇异值因此整体性能变差这是因为随着L的增大,酉阵集合中的酉能受限L=256时所提系统在较高SNR时有比功率分配的收发结合方法更好的BER性能这是由于阵间距离变小抗噪声的能力变弱因此可以根据信采用的酉空时调制是矩阵调制,可以获得整体上的道SNR的变化选择不同的L进行自适应调制,以空间分集增益,整体性能不受较小奇异值对应子流进一步降低误码率提高传输效率的限制图4给出了L=256时(N=6,N-=3,N=T=2),所提系统在不同多普勒频偏的瑞利衰落信道的BER性能FT,是多普勒频偏和采样时间的乘积由图4可以看到随着多普勒频偏的增大,系统性能下降较快,而且FT较大时在高SNR下出现了误码平台.这是因为差分系统假设前后的信道HBD DUSTM L-64IE5h→ BD DUSTM4-32202530IE-1SNR/dB图2理想信道下不同L所提系统的BER性能E-2Fig 2 BER performance of the proposed systemFT00010F000151E-3图3给出了在理想信道条件下,N=6,N-=FT=0.01003,T=N=2的块对角化系统中,L分别为128256时所提系统和收发结合方法的BER性能比较snR /dB图中的收发结合( bd joint T,Rx)的子流图4L=256所提系统在不同多普勒频( substream)1和2对应未进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异值差异较大由图3可以看到奇p4 Performance of the proposed system with L=256异值小的子流性能较差收发结合方法通过式(8)的in Rayleigh channel with different doppler frequency124中国科学技术大学学报第39卷不变随着多普勒频偏的增大,信道变化加快从而合的系统,克服了传统的块对角化系统中基站需要导致BER增大;而且信道的变化在差分检测中相准确告知每个用户各自接收矩阵或频繁发送导频的当于多了一个干扰项信道变化越快,这个干扰项越问题;同时基站的发送端和用户的接收端都得到了大,从而出现了误码平台.与其他差分系统一样,本实际可行的简化仿真结果和性能分析表明所提系文提出的块对角化和差分酉空时调制结合的系统适统在慢变信道下能获得较好的性能由于低的复杂合于多普勒频偏较小的慢变信道环境.度和较好的BER性能,所提系统适用于实际实施,为了更好地比较所提系统与对角化系统中收发尤其适用于多普勒频偏较小的慢变信道.结合化方法的性能,根据实际假定基站告知用户或者用户通过信道估计得到的接收矩阵UE;是有噪参考文献( References声的,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是估计误差矩阵,其每个元素是独立同Signal Processing, 2004, 52(2):461-471分布的复高斯随机变量CN(O,G2).图5给出了在[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时,所提系统与接收矩阵UEm是有decomposition approach [J]. IEEE Transactions onWireless Communication, 2004, 3(1):20-24较由图5可以看到,收发结合方法对接收矩阵[31cmR, Heath R W.AwJ. TransmitU的误差很敏感,用户接收端需要得到信噪比较spatial multiplexing systems with linear receivers [J].高的接收矩阵,才能得到较好的性能.当FT,=IEEE Transaction on Signal processing, 2007, 55(3):0.0015时,所提系统在低接收信号SNR下性能较l159-1171差;而在较高的接收信号SNR下,收发结合方法得[4 I Shen Z, Chen r, Andrews JG, et al. Low complexity到信噪比大于16dB的接收矩阵UE,才能得到相user selection algorithms for multiuser MIMO systems同的BER性能;对于高信噪比的接收矩阵UE,只with block diagonalization [J]. IEEE Transactions on能通过基站增加广播比特数,或者频繁地内插导频Signal Processing, 2006, 54(9):3 658-3 663得到,这样就严重限制了系统的有效传输速率[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图5L=256时所提系统在瑞利衰落信道下性能与Theory,2001,47(7):2761-2781.接收矩阵有噪声的收发结合系统性能比较[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结论本文提出的将块对角化和差分酉空时调制相结