多用户多天线FDD下行系统中空时码研究

戴谭明 王海泉 李国彬 郑思思

摘 要：针对基站端配置M根发送天線，而用户端只有一根接收天线的多用户多天线频分双工（frequency division duplex，FDD）下行系统，结合预编码与空时码技术，提出一种新的传输方案及相应解码方法，将用户间干扰转化为信道增益且保持线性解码复杂度。即当用户数[K=2]时，采用Alamouti正交空时码传送方案，而在[K2]的情况下，采用循环矩阵形式的传送方案，并与预编码技术相结合采用新的传输方案。相较于传统传送方案，该方案能有效将用户间的干扰信道信息转化为对主用户有益的信息，与此同时保持线性解码的复杂度。数值仿真结果表明，该传送方案比传统传送方案在误码率和容量上均有所提升。

关键词：多用户多天线;FDD下行系统;预编码技术;正交空时码;循环矩阵;解码复杂度

DOI：10. 11907/rjdk. 182058

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1672-7800（2019）003-0173-05

0 引言

在无线通信领域，多项研究表明多用户多天线系统能明显提高频谱效率，实现高容量的最佳接收。从信息论的观点看，单用户信道容量的研究已趋于成熟，其中包括单天线系统以及多天线的多输入多输出（Multiple input Multiple output， MIMO）系统。多用户多天线系统因其信道复杂性，容量分析具有重要研究价值。在文献[1-2]中，针对多用户信道容量方向的研究有较为全面的综述。实际上在收发双方均知道信道状态信息的情况下，能使用脏纸编码技术达到其容量域[3]。文献[4]给出了在两个用户的场景下，脏纸编码技术能达到的容量域就是下行多用户MIMO信道的容量域证明。然而，脏纸编码算法具有较高的复杂度，故实用性不高。另一方面，要使发送端和接收端完全知道信道状态信息是难以实现的。所以，普遍的做法是通过有限反馈技术[5-9]使发送端获得不完善的信道状态信息实现预编码技术。其中，预编码码本的设计基于最小化最大码本矢量距离，这在文献[10-11]中有所涉及。

在多用户[12]多天线FDD下行系统中，由于基站端包含了所有用户信息，因此必然会产生多用户干扰（Multiple User Interference，MUI）。通过基站发送训练序列，假设在用户端接收到训练序列后，用户经下行信道能准确估计出该信道状态信息，再通过上行信道反馈回基站，基站利用接收端信道状态信息，使用相应的预编码方式进行传输。然而，在反馈过程中，由于误差的存在，比如信道量化、信道反馈产生的误差，系统得到的用户信道状态信息是不完善的，即使经过预编码处理，用户间的干扰也难以完全消除，并且随着用户数的增加，用户间的干扰也会增大，导致系统误码率增大以及容量降低。为了克服这一缺陷，本文结合预编码和空时编码技术[13-16]提出了新的发送方式，即在相干时间内通过多次发送，使得同一信号通过不同的信道抵达接收端。为了达到系统容量，在发送方式上提供完全增益的空时码，即Alamouti正交空时码[17-18]，能有效处理用户间干扰且能达到系统容量。在基站端，各用户经预编码选择准则选出各自对应的预编码向量。在基站获取用户的预编码向量后，需在基站端广播一次，使得所有用户的预编码向量对各用户均是透明的。在接收方利用最大似然（Maximum Likelihood，ML）解码方式，而当发送的信号具有正交性时[19]，可通过转化以降低解码复杂度。

1 系统模型

系统模型见图1。假定系统基站端发送天线数为M，用户数为K，且均为单天线用户。假设基站端到用户端之间是平坦瑞利慢衰落信道，相干时间不小于T，用户[i]接收信号可表示为：

式（3）右边第一项是用户[i]需要的信息，第二项是用户间的干扰，第三项是噪声。

2 有限反馈预编码及解码

传统传输方案往往把其它用户的信息当成干扰处理，这样随着用户数的增加干扰也会加大，导致系统性能下降。本文结合预编码技术与空时码技术，提出了一种能充分利用其他用户信息进行传输的方式。

2.1 预编码码本设计及预编码选择

3 仿真分析

为验证本文方案性能，对预编码技术和空时码发送方式进行仿真，在多用户多天线FDD下行系统中，每个用户的反馈比特数均为B=4bits，以系统的容量及误码率为指标评价方案的优劣。

仿真一 图2显示了用户均为单天线的情况下K=2、3，M=4的容量，从图中可以看出，传统的发送方式下随着信噪比不断增大，信号和干扰的能量同时增大，故容量先增大然后趋于平稳。而在本文提出的发送方案1和方案2的情况下，随着信噪比增大，容量也增大。

仿真二 图3显示在用户均为单天线的情况下K=2、3，M=4的误码率仿真曲线。在传统的发送方式下，为保证比特速率相同，即发送1次时采用4-QAM传送2bits，在发送方案一中，利用Alamouti正交空时码发送2次，采用16-QAM传送了4bits;在发送方案二中，利用循环矩阵发送3次，采用64-QAM传送了6bits。在这几种不同的发送方式下，传送率均为2比特pcu（每使用一次信道所能传送的比特数）。从仿真图可以看出，基于传统的传输方案因用户间干扰的存在，随着信噪比的增大其误码率难以下降，但在本文发送方案一和方案二的情况下，随着信噪比的增大，码率减小。

仿真三 图4在用户数一定的情况下进行，用户数K=3。该仿真分为三组，第一组是在反馈比特数相同的情况下改变基站端的天线数。仿真结果表明，随着基站端天线数的增加，误码率反而越大。第二组是在基站端天线数相同的情况下改变反馈比特数。仿真结果表明，随着反馈比特数的增大误码率越小。第三组是在基站端天线数和反馈比特数比值一定的情况下进行仿真，结果表明在比值一定时，基站端天线数越大误码率越小。并且这个比值越大，误码率就越小，这个比值越小，误码率反而越大。