??? 摘? 要: 研究利用基于信漏噪比（SLNR）的預(yù)編碼來(lái)減小多用戶(hù)MIMO-OFDM系統(tǒng)中的子載波間干擾（ICI）。給出了預(yù)編碼的多用戶(hù)MIMO-OFDM系統(tǒng)的鏈路模型, 在此基礎(chǔ)上得出了相應(yīng)的預(yù)編碼矩陣算法，利用建立的鏈路模型進(jìn)行性能仿真。仿真結(jié)果表明，采用SLNR預(yù)編碼方案后的MIMO-OFDM系統(tǒng)中ICI干擾明顯減少,誤碼率有很大的降低，同時(shí)該方法還降低了接收機(jī)的復(fù)雜性，因此特別適合下行鏈路。?

??? 關(guān)鍵詞： 信漏噪比； 預(yù)編碼；? MIMO-OFDM；? 子載波間干擾

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??? MIMO利用多個(gè)天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收，在不增加帶寬和發(fā)送功率的情況下，可以成倍地提高信道容量。OFDM技術(shù)可以高效地利用頻譜資源并有效地對(duì)抗頻率選擇性衰落，它實(shí)質(zhì)上是一種多載波窄帶調(diào)制，可以將寬帶信道轉(zhuǎn)化成若干個(gè)平坦的窄帶子信道，每個(gè)子信道上的信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，所以可以將每個(gè)子信道上的頻率選擇性衰落看作是平坦性衰落。MIMO和OFDM結(jié)合可以克服無(wú)線(xiàn)信道頻率選擇性衰落、增加系統(tǒng)容量、提高頻譜利用率，成為4 G中的關(guān)鍵技術(shù)之一，是當(dāng)今移動(dòng)通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。OFDM系統(tǒng)中各個(gè)子信道的相互正交，使頻譜利用率極大提高,然而子載波之間的相互正交使得它對(duì)載波頻率的偏移更為敏感。而頻率偏移會(huì)導(dǎo)致子信道之間產(chǎn)生干擾（ICI），因此對(duì)頻率偏差敏感是OFDM系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)之一，如果不采取措施對(duì)這種信道間干擾加以克服，則會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能帶來(lái)非常嚴(yán)重的影響。?

??? 參考文獻(xiàn)[1-3]對(duì)MIMO-OFDM無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的技術(shù)及性能進(jìn)行了詳細(xì)的分析，但是都沒(méi)有考慮預(yù)編碼技術(shù)。預(yù)編碼技術(shù)是一種面向接收端的技術(shù)^[4]，即以簡(jiǎn)化接收端的計(jì)算復(fù)雜度和提高接收設(shè)備的使用性能為目的，利用預(yù)編碼可以預(yù)先消除信道干擾(ISI和MAI)。?

??? 目前降低ICI的方法主要有頻域均衡法^[5]、時(shí)域均衡法^[6]、時(shí)域加窗法^[7]、ICI自消除法^[8～9]、編碼/變換法^[10]等。頻域均衡法是利用導(dǎo)頻信號(hào)和訓(xùn)練序列，它能夠很好地估計(jì)出系統(tǒng)的頻率偏差，從而消除ICI，但是其實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，并且需要多余的信息開(kāi)銷(xiāo)。當(dāng)信道的沖擊響應(yīng)長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，僅僅依靠延長(zhǎng)循環(huán)前綴的長(zhǎng)度來(lái)消除前后OFDM符號(hào)間的干擾將使系統(tǒng)的效率有較大降低，此時(shí)可以在接收端采用時(shí)域均衡器減少解調(diào)器輸入端信號(hào)拖尾長(zhǎng)度，但必須與頻域均衡法結(jié)合才能有效地消除ICI。通過(guò)對(duì)OFDM符號(hào)進(jìn)行加窗改善頻率偏移問(wèn)題，這意味著令符號(hào)周期邊緣的幅值逐漸過(guò)渡到零，窗函數(shù)的長(zhǎng)度越大，使帶外輻射功率下降得越快，但也會(huì)同時(shí)降低OFDM符號(hào)對(duì)時(shí)延擴(kuò)展的容忍程度。ICI自消除法是一種效果明顯的ICI消除方法，但是這種方法降低了頻率利用率和帶寬。編碼/變換法通過(guò)代數(shù)方法設(shè)計(jì)一個(gè)矩陣/變換使信號(hào)獲得較大的編碼增益與分集增益，從而可以容忍部分由于多徑衰落導(dǎo)致的干擾，但在接收端接收機(jī)變得相當(dāng)復(fù)雜。其后，參考文獻(xiàn)[11]利用預(yù)編碼來(lái)消除降低ICI，但沒(méi)有涉及MIMO-OFDM和多用戶(hù)情況，且采用的迫零（ZF）法對(duì)天線(xiàn)配置有嚴(yán)格的限制。?

??? 本文將OFDM和MIMO系統(tǒng)相結(jié)合，提出了一種新的適合多用戶(hù)MIMO-OFDM下行鏈路的基于SLNR預(yù)處理的傳輸方案。該方案的主要思想是：基站端預(yù)處理矢量基于子載波信道設(shè)計(jì)，通過(guò)每用戶(hù)、每子載波信道上發(fā)射預(yù)處理矢量的良好設(shè)計(jì)，將其下行多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為并行的單用戶(hù)MIMO系統(tǒng)，確保每個(gè)終端用戶(hù)同頻干擾（CCI）的良好去除，并對(duì)噪聲有很好的抑制作用。在此基礎(chǔ)上，終端用戶(hù)基于簡(jiǎn)單線(xiàn)性解碼獲得最大信噪比，從而蕕得該用戶(hù)發(fā)射符號(hào)的最小誤碼率，同時(shí)還降低了接收機(jī)的復(fù)雜性。?

1 多用戶(hù)預(yù)編碼MIMO-OFDM方案?

1.1 系統(tǒng)模型?

??? 圖1描述了下行多用戶(hù)預(yù)編碼MIMO-OFDM系統(tǒng)模型，假定一個(gè)基站服務(wù)k個(gè)移動(dòng)終端，基站采用N個(gè)發(fā)射天線(xiàn)，移動(dòng)終端k采用M個(gè)接收天線(xiàn)，子載波數(shù)為L(zhǎng)。用戶(hù)k的調(diào)制符號(hào)首先被分成N個(gè)并行數(shù)據(jù)流d_k,i(i=1,2,…，N)，然后分別送至發(fā)射預(yù)處理模塊處理，M_k,i表示用戶(hù)k第i個(gè)數(shù)據(jù)流的預(yù)編碼矩陣，本文中的預(yù)處理模塊采用基于SLNR的預(yù)編碼設(shè)計(jì)，在用戶(hù)間干擾和噪聲間取得良好的折中，很好地提高了系統(tǒng)性能；每個(gè)數(shù)據(jù)流變化后分別映射成L個(gè)并行數(shù)據(jù)流，對(duì)應(yīng)L個(gè)子載波，將這L個(gè)并行數(shù)據(jù)流進(jìn)行IFFT變換，將信號(hào)從頻域轉(zhuǎn)換到時(shí)域，最后添加循環(huán)前綴后從第n(n∈[1,N]個(gè)天線(xiàn)上發(fā)送出去，在這里加入循環(huán)前綴的目的是為了在每個(gè)OFDM的符號(hào)間加上保護(hù)間隔，減小OFDM的符號(hào)間的干擾。?

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??? 在接收端，接收到的OFDM數(shù)據(jù)流首先要經(jīng)過(guò)一個(gè)去循環(huán)前綴的處理，把OFDM符號(hào)的有用部分提取出來(lái)用于FFT，然后基于子載波信道解碼即可得到用戶(hù)k的發(fā)射符號(hào)估計(jì)值，解碼矩陣用D_k表示。?

??? 不考慮IFFT和FTT變換,接收端用戶(hù)k子載波信道l上的接收信號(hào)為：?

?????

其中,H_k,l是終端用戶(hù)k同基站天線(xiàn)、子載波l上的信道矩陣，并且假定該信道矩陣在接收端是已知的，d_k,l是用戶(hù)k在第l個(gè)子載波頻率上的發(fā)送符號(hào)，n_k,l表示用戶(hù)k在子載波為l時(shí)，M根接收天線(xiàn)上的疊加的加性噪聲。?

1.2 預(yù)編碼設(shè)計(jì)?

??? 可以把式(1)擴(kuò)展為:?

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??? 式(2)中第2項(xiàng)表示用戶(hù)k在子載波l上接收信號(hào)中的共信道干擾(CCI)，若用迫零(ZF)預(yù)編碼消除CCI，則有：?

?????

??? 由于CCI為其他信號(hào)對(duì)期望信號(hào)的干擾，現(xiàn)在考慮期望信號(hào)對(duì)其他所有信號(hào)的干擾，即泄漏，用戶(hù)k子載波l上的泄漏為：?

?????

??? 要獲得最優(yōu)預(yù)編碼矩陣M_k,l,也就是使SLNR_k,l最大，這樣對(duì)最優(yōu)預(yù)編碼適量的求解就轉(zhuǎn)換為廣義的瑞利商問(wèn)題，最優(yōu)解對(duì)應(yīng)于矩陣對(duì)的最大廣義特征值所對(duì)應(yīng)的特征向量，當(dāng)可逆時(shí)，可以表示為:?

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??? 如果用F表示FFT變換矩陣，發(fā)送端的IFFT可以表示為F^H，則可以把F^H、H、F看成一個(gè)等效信道，即:?

??? H′=F^HHF????????????????????????????????????????????? ???? (9)?

??? 這樣圖1的等效下行單用戶(hù)MIMO系統(tǒng)可以表示為圖2。?

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??? 所以把式(7)中的H_k,l用F^HH_i,lF替換，則有:?

???

2 仿真結(jié)果?

??? 利用MATLAB仿真TDD模式的MIMO-OFDM系統(tǒng)環(huán)境，并且假設(shè)信道估計(jì)為理想信道估計(jì)，各個(gè)天線(xiàn)之間是獨(dú)立不相關(guān)的。采樣頻率為1.6 MHz，256子載波，子載波間隔6.25 kHz，實(shí)際使用載波數(shù)240(供16個(gè)用戶(hù)使用，每個(gè)用戶(hù)15個(gè)數(shù)據(jù)子載波)，OFDM符號(hào)周期長(zhǎng)度為160 μs，循環(huán)前綴長(zhǎng)度為8.75 μs。在COST 207 RA和IMT－2000的3 A兩種典型信道下,分別仿真了基于迫零算法預(yù)編碼方案(ZF-MIMO-OFDM)和基于SLNR預(yù)編碼MIMO-OFDM方案(SLNR-MIMO-OFDM)的性能。?

??? 在基站有2個(gè)發(fā)射天線(xiàn)，每個(gè)用戶(hù)2個(gè)接收天線(xiàn)的情況下，圖3和圖4給出了兩種信道模型下采用SLNR預(yù)編碼MIMO-OFDM系統(tǒng)與迫零算法預(yù)編碼方案、不采用預(yù)編碼的MIMO-OFDM系統(tǒng)的性能比較。?

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??? 從圖中不難看出,帶有預(yù)編碼的MIMO-OFDM系統(tǒng)的誤碼率要遠(yuǎn)低于沒(méi)有預(yù)編碼的MIMO-OFDM系統(tǒng)，系統(tǒng)性能有明顯的改善，說(shuō)明子載波間干擾(ICI)得到很好的消除，而且基于SLNR的預(yù)編碼比基于ZF的預(yù)編碼性能更好。?

??? 圖5和圖6給出了用戶(hù)2個(gè)接收天線(xiàn)，基站天線(xiàn)數(shù)分別為2、4、6時(shí)采用SLNR預(yù)編碼的MIMO-OFDM系統(tǒng)性能。從圖中可以看出，無(wú)論是COST 207 RA還是IMT－2000的3 A信道，發(fā)射天線(xiàn)數(shù)越多,系統(tǒng)性能越好。?

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??? 在MIMO-OFDM系統(tǒng)中采用基于SLNR的預(yù)編碼，能有效抑制OFDM中的ICI，使系統(tǒng)性能進(jìn)一步提高。實(shí)際上，通過(guò)選取合適的預(yù)編碼矩陣并結(jié)合一定的均衡技術(shù)，能充分獲得信道的頻率分集增益和Dopper分集增益，并可以增強(qiáng)信號(hào)能量，以達(dá)到抑制OFDM中ICI的目的。?

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