论文研究-多用户MIMO-OFDM系统中最小化误码率的子载波和功率分配研究 .pdf

所需积分/C币:15 2019-08-24 12:02:34 252KB .PDF
收藏 收藏
举报

多用户MIMO-OFDM系统中最小化误码率的子载波和功率分配研究,毛静,陈晨,资源分配是提高大规模输入输出-正交频分复用(MIMO-OFDM)系统性能的重要研究课题之一,通常以最大化容量或速率为优化目标,但是考虑�
国利技记文在线 http://www.paper.edu.cn k 's data carrier S/F 2 scheme ky's data. P/S&CP P&FFT s channel to user k carrier e S/P&FFT 图1:下行多用户MIMO-OFDM系统框图 当使用迫零检测器时,用户k对发送信号ⅹn的估计值为 H kn yk,TL +HlVh 2 其中Hn为矩阵Hkn的伪逆。这样,可以得到在天线m上发送信号的信噪比为 ZE SNRZF defan..m Mo(H Hk,n)m,m Mo2 其中1/[(HnH)-1]m,m定义为kFm 当使用串行干扰消除检测器时,对信道矩阵Hn进行QR分解,即,Hk,= QkmRk,n,其 中Qk,为酉矩阵,Rk,为上三角矩阵。用Q是左乘接收信号,得到 Q足 yk=QH An(k,Tu M (4) R 其中1kn和Vk,a有相同的统计特性。由(4)可以进行串行干扰消除,首先检测第M个天线上 发送的信号,即(4)的最后一行,然后消除信号xn(M)对倒数第二行的影响,这样检测出信 号xn(M-1)。重复该操作,直到检测出第一个信号。当信噪比铰高时,由于上一步检测错误 导致的误差传递可忽略,此时第m个天线上发送信号的信噪比为 SNRSIC R Pn defPnk n m Mo 其中Rk,n]m,mP2定义为F.m 注意串行干扰消除检测器信噪比(⑤)和迫零检测器信噪比(3)具有相似的形式,用以下等式 统一表示迫零和串行干扰消除的信噪比 SNR Pn yk, n, m k n. n Mo2 (6) 国利技记文在线 http://www.paper.edu.cn 假设采用二进制相移键控(BPSK)调制,用户k在第m个子载波上的平均误码率为 M BERk M∑Q(y2m 本文在总功率的约束下,以最小化系统平均误码率为优化目标,对子载波分配{Pk,}和功 率分配{pn}进行优化。优化问题用以下数学公式进行描述: Q Pn. k n, m min Ipn)NM Me (8a) ∑ (8b) K ∑pn=,m, 其屮Pr表示总功率。(8b)为总功率约束,(8c)为用户不能共享子载波的约束。 2子载波和功率算法 显然,问题(8)是一个组合优化问题,可以穷举所有的子载波分配,然后对每一种子载波 分配方案进行功率优化,最后得到最优分配算法。当子载波分配确定后,即k*已知时,此时剩 下的问题为对功率分配进行优化 m∑(M ∑ 问题(9)为凸优化问题。该问题的拉格朗日函数为 n M L=∑∑Q pn k*, n, 7 M +p△∑pn-Pr) 其中μ为拉格朗日乘了。通过求解OL/0n=0可得到最优的功率分配: n.n Pnk+, n, m ×e m=1v Mopr Mo2 其屮μ=2√π的值需要满足总功率约束。可以采用二分法搜索得到μ,当∑,=1Pn>Pr时, 增大以减小pn;否则,减小以增大pn,直到功率约束满足设定容差。 对于最优子载波和功率分配方案,子载波分配的计算复杂度为(KN),而对每一种子载 波分配组合,都需要通过数值搜索才能得刭最优功率分配,因此复杂度非常高。下面提出低复 杂度的次优算法。 国利技记文在线 http://www.paper.edu.cn 2.1次优算法 从(7)可以得到误码率的一个上界: 2p,min Yk, 7, L BEBk,n≤Q M 根据该上界,可以得到以下子载波分配方案: 0,、Vk≠k,Vr 其中k*= arg max{min^kn,m},m。具体来说,对于迫零检测器,子载波n应分配给用户 n= arg min max(HH m,沉 (12) 对于串行干扰消除检测器,子载波n应分配给用户 argmax min IRK, m Im, mI i (13) JIL 当子载波分配{k,n}完成后,可以按照(10)进行功率分配。但是,由于参数需要通过数值 搜索得到,复杂度依旧比较高。使用(1)中的上界替换误码率BERk,,可以使用类似的准静 态最优功率分配算法210。定义平均SNR为P1/(NMa2),那么A=P1/2和平均SNR成正比。 定义功率分配系数为A4n=pn/Pr,定义参数An为2mink:n,m/M,这样问题(9)可以转化为下 列问题 Q(√ru 7=」 N (14) s:∑Hn=1 系数μn可以通过拉格朗日乘了法得到。求解下列方程组: OL 0,n∈{1.2,,N (15) 其中L=∑1Q(nB)+X∑,1p42-1),为优化问题(14)拉格朗日函数,入为拉格朗日 乘了。从以上可得 Bn ,m2∈{1,2, (16) 2√2x4 从(16得到 Br exp(-kuunB,) B;eX(-k/3;) (17) 由(14)中约束得到 n exp(run. pn (18 B;exp(-3,) 国利技记文在线 http://www.paper.edu.cn 从两个相反方向考虑,当κ→0,即在低信噪比情况下;当→>∞,即在高信噪比情况下。 对于第一种情况,exp(-kμB)接近1,得到 lim bon E→0 N 对于第二种情况,考虑(18)的洛伦展开:pn=pno+1n1-1+pmn2k-2+…,其中n2是展开系 数。将n的洛伦展开带入(18) 1 An k Bn exp(Bnllno k- Bnun1-Bnaun,I (20) →=161eXp(-1106-B1-Bn42-1-…) →∞时,对于任意≥1,有-2→0在公式(20)右边的分子和分母同时乘以exp(n2), 得到 Bn, exp(Bn. Un,) lr N p Bruno)n-Bil (21 由于上式左边的n和右边的分子均和k无关,因此分母也应不含有k,即需满足 22 考虑到公式(14)中的约束,得到 (23) F→2 为了近似同时满足(19)和(23),可以找到以下n的近似解: (24) 其中(n=Bn。最终待到功率分配为 N pr 25 1+G; 1+ 其中<n=2r/(M2)min7k;,n,m 3仿真结果 仿真中基站处有M=2个发射天线,每个用户有Q=2个接收天线。假设信道矩阵Hkn的 每个元素为相互独立的零均值圆对称复髙斯变量,方差为1 为了硏究算法的性能,仿真比较了提岀的最优算法和次优算法的误码率性能。同时也描绘 了另外两种次优分配算法:一种为平均分配功率,然后计算平均误码率,选择最优的子载波分 国利技记文在线 http://www.paper.edu.cn 图2:当子载波N=8时,迫零检测器的平均误码率性能 图3:当子载波N=64时,迫零检测器的平均误码率性能 配;另一种为将子载波分配给具有最大特征值积的用户,该分配策略用来最大化容量11,然 后进行最优功率分配。这两种次优算法在图2-5中分别称为Optu和 Prod_opt。由于穷尽搜索导 致了最优算法具有高复杂度,在比较次优算法和最优算法时考率了N=8个子载波和K=4个 用户的情况。当比较所提出的次优算法和另外两种次优算法时,考虑一个较大的系统,此 时N=64且K∈{8,16} 图2-3为使用迫零检测器时的仿真结果。从图2可以看到,所提次优算法的误码率性能和最 优算法很相近,且优于使用最优功率分配的次优算法 Prod opt。图3比较了当有N=64个子 载波时,次优算法误码率性能。可以看到,在误码率为10-6时,当有K=16个用户时,相比 于Optu算法,所提次优算法有大概1.6dB的增益。 使用串行干扰消除检测器时的仿真结果如图4-5所示。从图4以看到,所提次优算法儿乎 可以取得和最优算法相同的误码率性能。总体来看,所提次优算法优于 Prod_opt和Optu这两 国利技记文在线 http://www.paper.edu.cn 图4:当子载波N=8时,串行干扰消除检测器的平均误码率性能 图5:当子载波N=64时,串行干扰消除检测器的平均误码率性能 种次优算法。 从图3和图5可见,随着用户数的增加,误码率更小,这是由于用户数越多,子载波分配到 的用户具有高信噪比的可能性越大 4结论 本文以最小化误码率为优化日标,研究了多用户MIMO-OFDM系统中的子载波和功率分 配。由于误码率和检测器有关,对两种非理想检测器(迫零和串行干扰消除),提出了统一的 最优化算法。考虑到最优算法需要穷尽搜索,提岀了低复杂度的次优算法。仿真结果显示,对 于迫零和串行干扰消除检测器,次优算法均可以取得和最优算法相近的误码率性能,并且优于 已有的两种传统次优算法。 国利技记文在线 http://www.paper.edu.cn 参考文献( References) 1 Starr T, Cioffi JM, and Silverman P J. Understanding digital subscriber line technolo- gyM. New Jersey: Prentice, 1999 2 LiG Q, and Liu H On the optimality of downlink ofdma mimo systems [ A. Matthews M B. Conference Record of The Thirty-Eighth Asilomar Conference on Signals, Systems CoInputers [C. California, USA: IEEE, 2004. 324-328 3 Maung SM, and Iwao S Efficient resource allocation for multiuser mimo-ofdm uplink sys- tem to guarantee the proportional data rate fairness among users in a system A. Kouhei o Proceedings of 2011 Ist International Symposium on Access Spaces[C]. Yokohama, Japan IEEE.2011.132137. 4 Moretti M, and Perez-Neira A I Efficient Margin Adaptive Scheduling for MIMO-OFDMA System J]. IEEE Transaction on Wiress Communications, 2013, 12(1):278-287 5 Moretti, M, Sanguinetti L, and Wang X Resource allocation for power minimization in the downlink of thp-based spatial multiplexing mimo-ofdma systems J. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2015, 64(1):405-411 6 Goldfeld L, Lyandres V, and Wulich D Minimum ber power loading for ofdm in fading channel J. IEEE Transactions on Communications, 2002, 50(11): 1729 1733 7 Wang N, and Blostein. S. Approximate minimum ber power allocation for mimo spatial multiplexing systems [J. IEEE Transactions on Communications, 2007, 55(1): 180-187 8 Lan V, Liu Y, and Chen T A On the design of mimo blockfading channels with feedback- link capacity constraint J. IEEE Transactions on Communications, 2004, 52(1): : 62-70 9 Tse D. Fundamentals of wireless communication [M]. England: CaInbridge UNiversity P 2005. 10 Juang M A, and Pursley M B Power loading for ofdm in tactical packet radio systems A Wilson D MILITARY COMMUNICATIONS CONFERENCE, 2011- MILCOM 2011 C Maryland, USA: IEEE, 2011.572-577 11 Xu J. Lee SJ, Kang WS, et al. Adaptive resource allocation for mimo-ofdm based wireless multicast systems [J]. IEEE Transactions on Broadcasting, 2010, 56(1) : 98-102

...展开详情
试读 9P 论文研究-多用户MIMO-OFDM系统中最小化误码率的子载波和功率分配研究 .pdf
立即下载 低至0.43元/次 身份认证VIP会员低至7折
    抢沙发
    一个资源只可评论一次,评论内容不能少于5个字
    img
    • 至尊王者

      成功上传501个资源即可获取

    关注 私信 TA的资源

    上传资源赚积分,得勋章
    最新推荐
    论文研究-多用户MIMO-OFDM系统中最小化误码率的子载波和功率分配研究 .pdf 15积分/C币 立即下载
    1/9
    论文研究-多用户MIMO-OFDM系统中最小化误码率的子载波和功率分配研究 .pdf第1页
    论文研究-多用户MIMO-OFDM系统中最小化误码率的子载波和功率分配研究 .pdf第2页
    论文研究-多用户MIMO-OFDM系统中最小化误码率的子载波和功率分配研究 .pdf第3页

    试读已结束,剩余6页未读...

    15积分/C币 立即下载 >