室内多用户MIMO系统下行链路空分多址算法研究

第30卷第2期南华大学学报(自然科学版)Vol 30 No. 22016年6月Journal of University of South China( Science and TechnologyJun.2016文章编号:1673-0062(2016)02-0044-06室内多用户MIMO系统下行链路空分多址算法研究王明华,邓贤君(南华大学电气工程学院,湖南衡阳421001)摘要:多天线技术可在不额外增加功率和带宽的条件下成倍提升无线资源的频谱效率,改善通信质量.本文提出了一种适合于室内分布系统场景的多用户MIMO下行链路空分多址算法.首先通过测量不同用户在不同通道上的功率来计算空分多址用户间的信号干扰比值,然后根据该信号干扰比值进行初步的空分多址判决,最后对空分多址用户进行干扰补偿仿真结果表明该空分多址算法可以大幅提升室内分布系统的容量.关键词:多用户MIMO;室内;空分多址中图分类号:TN929.5文献标识码: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基金项目:国家自然科学青年基金资助项目(6140193);湖南省教育厅科学研究基金资助项目(15C:195);南华大学博士科研启动基金资助项目(2013XQDO3)作者简介:王明华(1980-),男,湖南衡阳人,南华大学电气工程学院讲师,博士主要研究方向:移动无线通信技术第30卷第2期王明华等:室内多用户MIMo系统下行链路空分多址算法研究45前言络的压力随着移动通信用户数的快速增长和移动通信1室内空分多址基本原理业务的迅猛发展,现有的频谱资源已经日趋紧张以TDD( Time Division Duplexing,时分双工)加上通信技术频分多址(FDMA)、时分多址系统为例阐述室内分布系统下空分多址的物理模(TDMA)、码分多址(CDMA)的容量也渐趋饱和,型在室内分布系统中,由于处于不同的楼层中的移动通信网络在系统容量、用户通信质量以及新用户之间有理想的墙壁穿透隔离,这就允许不同通信业务的扩展等方面都已经难以满足需求如的用户使用相同的下行资源进行数据传输.比如何提升无线资源的利用率来满足人类日益增长的假设基站总共有4个通道,分别服务不同的楼层,移动通信的需求成为移动通信领域思考的参考图1假设目标用户UE1( User Equipment1)重点13的服务通道为2,对目标用户UE1产生SDMA同多输入多输出( Multiple Input Multiple Output,码干扰的干扰用户UE2的服务通道为4,UE1和MIMO)技术可在不额外增加功率和带宽的条件下UE2分别位于楼层3和楼层1由于通道4为该干成倍提升无线资源的频谱效率和大幅改善通信质扰用户UE2下发的信号穿透楼层2和3到达目量十几年来,大量的科研人员对MIMO理论进行标用户UE1时,由于经过了两层楼层,信号的衰了研究,使其得到很好的发展同时随着阵列信号减很大,所以对目标用户UE1带来的同码干扰比处理技术的快速发展,MIMO技术在移动通信领域较微弱,此时两用户可以空分多址复用同一个资中的应用也引起了人们的极大关注目前,MIMO技源,提高了资源利用率术已经成为3G(第三代移动通信系统)和4G(第四代移动通信系统)的关键技术之一.空分多址( Space Division Multiple Access,SDMA)技术建立通道1楼层4在广义的多天线技术的基础上,在3G中引入,是智能天线技术的集中体现空分多址方式将空间进行通道卜E有用信号~,目标用PUE楼层3划分,以取得更多的地址,在相同时间间隙、相同频段、相同扩频码下,根据信号在空间内传播路径不通道3楼层2同来区分不同的用户,实现不同用户的空间复用UE2干扰信SDMA技术可使系统在有限的频谱内支持更多的用户,成倍的提高频谱效率,达到扩大移动通信网干F状用户U2楼层络系统容量,降低系统整体造价和改善系统管理等图1室内空分多址的原理图目的46Fig1 Schematic diagram of indoor space对于室内分布系统而言,需要重点关注和研division multipleccess究的问题有两个,即如何解决高速数据与多媒体业务对系统容量的要求以及室内分布系统覆盖的由图1还可以看出,由于TDD系统具有信道可靠性问题MIMO技术理论上都可以解决这两互易的特点0,用户在上行各通道的功率关系个问题,采用空分多址技术可以实现容量的翻倍,可以用来衡量各通道等功率发射时终端用户从各采用发射分集技术可以提升覆盖的可靠性目前通道收到功率的关系比如,在图1中,假设通道2关于MIMO技术在室内分布系统中的应用研究主和通道4收到的目标用户UE1上行发来信号的要集中的在如何解决室内分布的覆盖问题以及系功率分别为Pm2和P叫,对应的功率比值为=统室内方案演进及改造上,而关于室内分布系统下的空分多址技术研究相对较少79p,则当通道2和通道4同时以相同功率P对各本文重点研究室内分布系统下如何采用自的服务用户下行发射时,目标用户UE从通道MMO技术来提升系统容量,提出了一种基于2收到的有用信号功率P与从通道4收到的干TDD( Time Division Duplexing,时分双工)系统特征的下行链路空分多址算法,提升室内分布系统扰用户UE2的扰功率Pn2的比值为=p=的容量,缓解室内环境下高速数据业务对通信网南华大学学报(自然科学版)2016年6月基于此,可以利用上行控制信道信息来获取下行他非核心算法流程非常简单明确,本文不做详细发送时目标用户和干扰用户间的干扰比.说明.图中的Ω为根据上行接收功率判决是否可2室内空分多址算法流程设计以采用空分多址的门限值.21非空分下的SINR和SE计算对于蜂窝移动通信系统,比如3G或者4G系不管是3G移动通信系统还是4G移动通信统,无线资源管理的调度模玦会在每一个调度时系统,下行链路的信道质量状态是依靠终端反馈刻选择出一个当前需要调度的目标用户如果不给基站的为了节约上行信道反馈下行信道质量考虑空分多址,则直接完成该用户的调度及资源的数据量,提升上行控制信道数据反馈的可靠性分配如果采用空分多址,则需要为目标用户选择终端需要把测量的信道质量信息,即信噪比SNR,个可以进行空分的用户,不仅需要确保空分之映射为用少量比特信息可以表征的信道质量指示后的系统总容量不小于非空分时的系统容量,而( channel quality indication,CQI).与此同时,SE也且空分之后系统的容量越大越好针对于调度的与CQ1和SNR一一对应CQI、SE和SNR的映射目标用户,室内空分多址的调度流程如图2所示关系一般在高斯白噪声下仿真得到本文仿真采用的CQI、SE和SNR的映射关系如表1所示表开始中 COI Index和SE是LTE标准协议定义的,本文直接采用关于不同的 CQI Index与SNR阈值的非空分下的SNR和SE计算关系由仿真得到仿真信道条件为高斯白噪声信道仿真思路为:仿真不同的数据包大小(对应不调度用户集为空同的码率)在不同的信噪比SNR下的误码率曲否线,得到 CQI Index对应码率下BLER=10%选择一个用户为待空分用户的SSNR信号功率与干扰功率比值β计算表1CQI、SE和SNR映射表格>干扰判决门限9Table 1 CQl, sE and SNR mapping tableCOI IndexSE SNR阈值(BLER=10空分下的SINR和SE计算0( Out of range)6.71瞳分的$E空分的0.23445.11该待空分用户适合空分,进入0.377-3.15待调度空分用户集合0.60l6从空分用户集合中选择空分吞50.8770.71上量最大的用户进行空分调度61.17581.476691416.431图2室内空分多址算法设计流程图92.40638.326Fig2 Algorithm flow chart of indoor space2.7305ision multiple access3.9023室内空分多址算法流程中涉及以下几个核心算法:目标用户在非空分下的信干噪比( Signal to4.523415.81Interference Plus Noise Ratio,SINR)和传输频谱效5.115217.68率( spectrum efficiency,SE)计算;目标用户和待空5.5547分用户的信号功率与干扰功率比值β计算;目标用户和待空分用户空分下的SINR和SE计算.其假设终端上行信道反馈的CQI索引为CQl第30卷第2期王明华等:室内多用户MIMo系统下行链路空分多址算法研究则可以根据表1映射得到上报的CQl对应的非假设目标用户UE1和干扰用户UE2在非空空分时的 SIRE和SEc分状态下的信噪比分别为SNR1和SNR2,则22信号功率与干扰功率比值β计算目标用户UE1和干扰用户UE2在空分状态下的为了初步判决目标用户UE1和干扰用户信干噪比SNRm1,和SINR2,可以计算为UE2是否可以采用空分多址方式进行传输,需要SINR计算得到两个用户间的干扰功率与信号功率的比B(uel, ue2)X S/NRnel. (4)β(uel,ue2)+S/NR,值β.当然,B不仅可以初步判决目标用户和干扰用户是否可以空分,而且可以用于空分用户间的s1NR,2(e2,l)+S/NR(5)干扰折算与补偿初步空分判决的目的是为了避根据SNR和SNR,查找表1分别得到目免明显不可空分的用户仍然进行后续的计算,降标用户UEl和干扰用户UE2空分多址下的频率效低算法实现的复杂度率SE,和SE2,根据SN1,查找表1得到目标假设UE为调度的目标用户,UE2为UE1的用户UE1在非空分下的频率效率SEm,如果干扰用户(或者待空分用户).根据图1所示,假设SE + se(6)各通道等功率发射,通道2和通道4收到的目标则表示采用空分多址方式可以带来频谱效率用户UE1上行发来信号的功率分别为Pm和的提升,优先采用空分多址方式进行数据传输;否P1,通道2和通道4收到的干扰用户UE2上行则目标用户UE采用非空分多址方式单独进行发来信号的功率分别为Pm2和Pm2数据传输.对于目标用户UE而言,可以计算得到信号最后,根据确定调度的用户的信干噪比查找功率与干扰功率的比值为表1确定最终的CQ索引B(uel, ue2)=pwe(1)3仿真验证及参数优化对于干扰用户UF2而言,可以计算得到信号对于室内分布系统,仿真建模相对比较简单,功率与干扰功率的比值为主要考虑路径传播损耗和阴影衰落即可.本文采β(ue2,uel)=(2)用已经非常成熟的 Keenan- Motley模型进行系统性能验证仿真系统为 TD-SCDMA平台,主要参数如果为:通道数2个;用户数2个;频率为2010~20202且(3)MHz;调制方式为QPSK/16QAM自适应其他参β(uel,ue2)β(ue2,uel)数(包括室内信道建模相关参数)较多,采用行业即,待空分用户UE2对目标用户UE1的干扰功率典型参数配置,不一一注明相对于UE的信号功率小于设定的门限值且目3.1性能增益仿真验证标用户UE1对待空分用户UE2的干扰功率相对图3为两个空分用户处于不同距离间隔下的于UE2的信号功率也小于设定的门限值,说明两小区吞吐量曲线在非空分场景下,小区的极限吞个用户间的干扰功率相对于信号功率都可以忽略吐量为468.1kbps,见图3中的粗线采用空分多不计,或者说影响有限,则初步判决可以采用空分址方式,小区吞吐量随着两个用户的距离不断增多址的方式进行数据传输式(3)中的Ω为空分大而增大,即小区吞吐量随着两个用户间的干扰多址判决门限值,取值范围(0,1)不断减少而增大空分多址的极限小区吞吐量为23空分下的SINR和SE计算861.6kbps,是非空分多址时的1.84倍,体现了室对于根据信号功率与干扰功率比值B初步判内空分多址的巨大优势决可以采用空分多址进行传输的两个用户,需要从图3中也可以看出,如果两个用户的距离把干扰折算到实际的信噪比中,否则实际信道质非常近时,如图3中的3m间距,空分多址下的性量与传输速率不匹配然后需要根据折算补偿的能反而差与非空分多址,也就是说空分多址反而信噪比计算得到空分后的频率效率,判断相比于会因为用户间干扰的增加而导致小区吞吐量下非空分传输是否能够带来频率效率的增益,如果降所以,有必要对空分多址的判决条件和相关参带来增益则表示可以进行空分.数进行优化48南华大学学报(自然科学版)2016年6月小区吞吐量VS空分用户间距3.2干扰判决门限参数优化最优的干扰判决门限值应该保证空分的效果优于非空分的效果,主要的体现方式就是吞吐量,也就说干扰判决门限值应该保证空分时平均吞吐量大于非空分时的平均吞吐量为了确保空分多址场景下性能不差于非空分多3500址下的性能,我们需要先找到空分和非空分的临界点,即空分多址和非空分多址下的性能相当然后在该临界点,统计空分用户间干扰比值的概率分布;根据干扰比值的概率分布可以得到最优的参数值.分用户间距/m图4为临界点下两个用户的干扰功率比值的图3小区吞吐量随用户间距的变化曲线概率分布从图中可以看出,临界点的空分干扰比Fig 3 The curve of cell throughput with the值绝大部分都小于0.35.如果两个用户的距离更distance between users近,则干扰会更小,干扰比值会低于临界点UEIUE20.30.070.250.050.040.150.030.020.010.0.20.3040060:02030.403-06"07-080空分干扰比空分干扰比图4临界点时干扰信号功率比值概率分布Fig 4 Probability distribution of ratio of the interference power to signal power at the critical point表2为临界点时两个用户在不同空分干扰判低,空分多址的概率越低,即非空分多址的概率决门限下的非空分多址概率显然,门限取值越越高表2临界点时不同空分干扰判决门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从图4和表2的数据分析结果看,最优干扰注本文设计提出的针对于室内分布系统的多用判决门限参数应取值应小于等于0.35户MIMO下行链路的室内空分多址算法可以大幅4结论提升室内分布系统的小区容量,改善用户的通信质量虽然本文重点研究的是两用户下的室内空随着室内分布系统通信需求的不断增加,室分多址的判决准则和参数优化,但该判决准则和内分布系统的小区容量提升将会越来越受到关参数完全适合多用户场景,而且多用户下的性能第30卷第2期王明华等:室内多用户MIMo系统下行链路空分多址算法研究会更优,因为适合采用空分多址的用户数更多当Computing and Systems ICMCS ) 2014 International然,随着室内通信业务需求和用户数的增加,我们Conference on Marrakech. IEEE 2014: 1453-1456将进一步研究室内分布系统场景下多小区多用户[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): 140-147参考文献7]王阳洋,刘海林,肖恒辉,等.基于MIMO双流的TDLTE室内分布覆盖系统的设计[J].广东工业大学学I 1] Sampath H, Talwar S, Tellado J, et al.A fourth-generation报,2015,32(2):74-78MIMO-OFDM broadband wireless system design,per[8]王玉磊. TD-LTE网络MMO双通道室内分布系统的formance, and field trial results[J. IEEE Communication设计研究[J].中国新通信,2016,18(2):161-162.Magazine,2002,40(9):143-149[9]林华蓉LTE室内分布系统分场景建设方案研究[J[2 van Zelst A, van Nee R, Awater G ASpace Division Multi邮电设计技术,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]田金凤,郑小盈,胡宏林,等中国下一代移动通信研Ieee the Wireless Communications and Networking究[J].科学通报,2012,57(5):299-313.4] Lee S B, Pefkianakis 1, Choudhury S, et al. 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