??? 摘? 要: 研究利用基于信漏噪比（SLNR）的預(yù)編碼來減小多用戶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
?
??? MIMO利用多個(gè)天線實(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)合可以克服無線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，如果不采取措施對這種信道間干擾加以克服，則會(huì)對系統(tǒng)性能帶來非常嚴(yán)重的影響。?
??? 參考文獻(xiàn)[1-3]對MIMO-OFDM無線通信系統(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銷。當(dāng)信道的沖擊響應(yīng)長度較長時(shí)，僅僅依靠延長循環(huán)前綴的長度來消除前后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)拖尾長度，但必須與頻域均衡法結(jié)合才能有效地消除ICI。通過對OFDM符號(hào)進(jìn)行加窗改善頻率偏移問題，這意味著令符號(hào)周期邊緣的幅值逐漸過渡到零，窗函數(shù)的長度越大，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)編碼來消除降低ICI，但沒有涉及MIMO-OFDM和多用戶情況，且采用的迫零（ZF）法對天線配置有嚴(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)，通過每用戶、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MIMO系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為并行的單用戶MIMO系統(tǒng)，確保每個(gè)終端用戶同頻干擾（CCI）的良好去除，并對噪聲有很好的抑制作用。在此基礎(chǔ)上，終端用戶基于簡單線性解碼獲得最大信噪比，從而蕕得該用戶發(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，移動(dòng)終端k采用M個(gè)接收天線，子載波數(shù)為L。用戶k的調(diào)制符號(hào)首先被分成N個(gè)并行數(shù)據(jù)流dk,i(i=1,2,…，N)，然后分別送至發(fā)射預(yù)處理模塊處理，Mk,i表示用戶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。?
?
?
??? 在接收端，接收到的OFDM數(shù)據(jù)流首先要經(jīng)過一個(gè)去循環(huán)前綴的處理，把OFDM符號(hào)的有用部分提取出來用于FFT，然后基于子載波信道解碼即可得到用戶k的發(fā)射符號(hào)估計(jì)值，解碼矩陣用Dk表示。?
??? 不考慮IFFT和FTT變換,接收端用戶k子載波信道l上的接收信號(hào)為：?
????
?
其中,Hk,l是終端用戶k同基站天線、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，dk,l是用戶k在第l個(gè)子載波頻率上的發(fā)送符號(hào)，nk,l表示用戶k在子載波為l時(shí)，M根接收天線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:?
????
??
??? 式(2)中第2項(xiàng)表示用戶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)對期望信號(hào)的干擾，現(xiàn)在考慮期望信號(hào)對其他所有信號(hào)的干擾，即泄漏，用戶k子載波l上的泄漏為：?
????
?
??? 要獲得最優(yōu)預(yù)編碼矩陣Mk,l,也就是使SLNRk,l最大，這樣對最優(yōu)預(yù)編碼適量的求解就轉(zhuǎn)換為廣義的瑞利商問題，最優(yōu)解對應(yīng)于矩陣對
的最大廣義特征值所對應(yīng)的特征向量，當(dāng)
可逆時(shí)，可以表示為:?
?
??? 如果用F表示FFT變換矩陣，發(fā)送端的IFFT可以表示為FH，則可以把FH、H、F看成一個(gè)等效信道，即:?
??? H′=FHHF????????????????????????????????????????????? ???? (9)?
??? 這樣圖1的等效下行單用戶MIMO系統(tǒng)可以表示為圖2。?
?
?
??? 所以把式(7)中的Hk,l用FHHi,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)用戶使用，每個(gè)用戶15個(gè)數(shù)據(jù)子載波)，OFDM符號(hào)周期長度為160 μs，循環(huán)前綴長度為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，每個(gè)用戶2個(gè)接收天線的情況下，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。?
?
?
?
??? 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)低于沒有預(yù)編碼的MIMO-OFDM系統(tǒng)，系統(tǒng)性能有明顯的改善，說明子載波間干擾(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2個(gè)接收天線，基站天線數(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，無論是COST 207 RA還是IMT－2000的3 A信道，發(fā)射天線數(shù)越多,系統(tǒng)性能越好。?
?
?
?
??? 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。?
參考文獻(xiàn)?
[1] GORDON L, ST?譈BER,JOHN R, et al. Broadband MIMOOFDM wireless communications. Proceedings of the IEEE, February, 2004,92(2).?
[2] TANG Tai Wen, ROBERT W H， MEMBER J, et al.Space-time interference cancellation in MIMO-OFDM?systems. IEEE Transactions on Vehicular Technology,September 2005,54(5).?
[3] TORABI M，AISSA S, SOLEYMANI M R. MIMO-OFDM?systems with imperfect channel information: capacity,outage?and BER performance. IEEE ICC 2006.?
[4] 謝顯中.基于TDD的第四代移動(dòng)通信技術(shù).北京：電子工業(yè)出版社，2005.?
[5] XING Hong Nian, JARSKE P. Frequency domain equalization for the multicarrier spread spectrum system in?multipath fading channel.Tampere University of Technoligy,Digtial Media Institute，1994.?
[6] 邵懷宗.時(shí)變色散信道中OFDM系統(tǒng)的信道估計(jì)與均衡方法的研究.電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文，2004.?
[7] ZHANG R, TJHUNG T T, MEMBER S, et al. Window?function and interpolation algorithm for OFDM frequencyoffset correction, IEEE Transacition on Communications.2003,52(3).?
[8] ZHAO Yu Ping, LECLERCQ J D,HAGGMAN S G. Intercarrier interference compression in OFDM communication?systems by using correlative coding, IEEE Communications?Letters, 1998,2(8).?
[9] SEYEDI A, SAULNIER G J. General ICI self-cancellation scheme for OFDM systems, IEEE Transactions on Signal?Processing. 2005,54(1).?
[10] LIU Zhi Qiang, XIN Yan, GIANNAKIS G B. Linear?constellation precoding for OFDM with maximum multipath?diversity and coding gains, IEEE Transactions of Communications, 2003,51(3).?
[11] JIANG Lin Lin, XIE Xian Zhong. A new way to reduce?ICI of OFDM system with precoding, IEEE ICCAS 2007:288-291.?
[12] SADEK M, TARIGHAT A, SAYED A H. A leakagebased precoding scheme for downlink multi-user MIMO?channels, IEEE Transactions on? Wireless Communications,2007.?
[13] SADEK M, TARIGHAT A, SAYED A H. Active antenna?selection in multiuser MIMO communications, IEEE Transactions on Signal Processing, 2007,55(4).