下行預(yù)編碼算法研究及仿真分析

1、. 下行預(yù)編碼算法研究 研究?jī)?nèi)容：ZF、MRT預(yù)編碼在單小區(qū)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)下的性能 影響因素：基站天線數(shù)M、基站發(fā)送功率Pd、信道模型、同時(shí)服務(wù)的單天線數(shù)K 性能指標(biāo)：遍歷容量、系統(tǒng)誤碼率BER仿真原理準(zhǔn)備下行預(yù)編碼算法介紹：大規(guī)模MIMO下行鏈路如圖一所示。圖一 大規(guī)模MIMO下行鏈路圖系統(tǒng)遍歷容量計(jì)算方法：兩種線性預(yù)編碼算法：ZF（迫零）預(yù)編碼、MRT（最大比值傳輸）預(yù)編碼表示預(yù)編碼矩陣，表示信道矩陣MRT ZF 使用預(yù)編碼算法以后的接收信號(hào)為：（仿真研究的系統(tǒng)模型）。第k個(gè)用戶的接收信號(hào)為：， （來源：Massive MU-MIMO Downlink TDD System with

2、Linear Precoding and Downlink Pilots ，這篇論文主要講述了一種信道估計(jì)的方法，得到CSIT后利用H進(jìn)行下行的線性預(yù)編碼，仿真采用的系統(tǒng)模型便借鑒了該篇論文，該模型的主要理解點(diǎn)在于歸一化問題，預(yù)編碼矩陣的歸一化，噪聲歸一化等，在利用其做延伸的系統(tǒng)BER研究時(shí)，信號(hào)的調(diào)制解調(diào)也需要解決歸一化問題。另外，在文章的Page296，有仿真的發(fā)送端SNR與基站天線數(shù)M對(duì)遍歷容量的影響，仿真結(jié)果是可以對(duì)應(yīng)上從而驗(yàn)證自己建立的仿真的準(zhǔn)確性的。）遍歷容量：，第k個(gè)用戶的容量：，第k個(gè)用戶的信干噪比：。（來源：PPTMassive MIMO ，該P(yáng)PT介紹了大規(guī)模MIMO的整體

3、概述以及關(guān)鍵技術(shù)的研究，主要參考了其Page22Page27的Massive MIMO Downlink Channel部分，該部分給出了上述系統(tǒng)遍歷容量的具體計(jì)算方法。另外，Page26和Page27分別給出了基站天線數(shù)M和同時(shí)服務(wù)的單天線用戶數(shù)K對(duì)系統(tǒng)遍歷容量影響的仿真圖，自己的仿真過程也對(duì)照了該仿真結(jié)果，從而驗(yàn)證的仿真的準(zhǔn)確性。）BER的仿真流程圖如圖二：圖二 誤碼率的仿真流程圖不同的信道模型：1） 瑞利衰落信道模型（最簡(jiǎn)單最理想的信道模型，PPT中的理想CSIT信道模型，便是應(yīng)用了瑞利衰落信道模型。）2） 空間相關(guān)性模型：為的空間自由度，由此可以建立一定空間自由度下大規(guī)模MIMO下行多

4、用戶信道的簡(jiǎn)化模型（）。特別地，若各用戶的發(fā)端相關(guān)矩陣相同，則，其中為任意酉矩陣的列。仿真時(shí)取一個(gè)M*M階的酉矩陣的前F列，F(xiàn)=M*（1-d），d是空間相關(guān)系數(shù)。（空間相關(guān)信道模型參考來源：吳雅穎師姐的畢業(yè)論文大規(guī)模 MIMO 容量?jī)?yōu)化算法 ，在第三章第一節(jié)（Page16）中，詳細(xì)介紹了該算法，并且也參考了師姐的仿真代碼得到了空間相關(guān)信道模型的建立代碼。 ）3） 非理想的CSIT模型：非理想CSIT下，利用MMSE信道估計(jì)得估計(jì)信道矩陣：其中，：信道估計(jì)的誤差矩陣CN（0,1），：信道估計(jì)的可靠性。（非理想CSIT信道模型來源：PPTMassive MIMO ，Page25給出了非理想信道模型

5、的估計(jì)信道模型，且Page26有相應(yīng)的仿真結(jié)果可以用于驗(yàn)證自己仿真結(jié)果的準(zhǔn)確與否。）實(shí)驗(yàn)1：瑞利信道下基站天線數(shù)M對(duì)預(yù)編碼性能的影響實(shí)驗(yàn)?zāi)康模悍謩e遍歷容量和誤碼率性能上研究基站天線數(shù)M對(duì)ZF和MRT預(yù)編碼算法性能的影響。參數(shù)設(shè)置：見參數(shù)設(shè)置表格1.1 瑞利信道下M對(duì)遍歷容量的影響參數(shù)設(shè)置：表1.1 仿真參數(shù)設(shè)置考察算法影響因素參數(shù)設(shè)置case1ZFM（20:20:200）K=10Pd=0dBRayleigh信道case2MRT仿真結(jié)果：圖1.1 瑞利信道下M對(duì)遍歷容量的影響由仿真結(jié)果1.1可見，隨著基站天線數(shù)M的增多，系統(tǒng)的遍歷容量不斷增加；對(duì)于兩種預(yù)編碼算法，在M值較小的時(shí)候MRT性能優(yōu)于Z

6、F，但M值一增大，ZF性能明顯優(yōu)于MRT性能，這是因?yàn)橐孕诺谰仃嘓的偽逆矩陣作為預(yù)編碼矩陣比以信道矩陣H的共軛轉(zhuǎn)置矩陣作為預(yù)編碼矩陣更能消除用戶間的干擾，從而得到更好的系統(tǒng)遍歷容量性能。在計(jì)算復(fù)雜度上，ZF預(yù)編碼需要求信道矩陣H的偽逆，算法復(fù)雜度為O（K3+M*K），MRT只需計(jì)算H的共軛轉(zhuǎn)置，計(jì)算復(fù)雜度為O（M*K），可見ZF預(yù)編碼的計(jì)算復(fù)雜度明顯高于MRT預(yù)編碼；另外參數(shù)K的不同也會(huì)影響系統(tǒng)的遍歷容量，初步可以看出，當(dāng)同時(shí)服務(wù)的單天線用戶數(shù)K的增加時(shí)，系統(tǒng)的遍歷容量也隨之增加。1.2 瑞利信道下M對(duì)系統(tǒng)BER性能的影響：仿真參數(shù)：表1.3 仿真參數(shù)設(shè)置考察算法影響因素參數(shù)設(shè)置case1ZF

7、M（20:20:200）K=10Pd=0dBQPSK調(diào)制Rayleigh信道case2MRT仿真結(jié)果：圖1.2瑞利信道下M對(duì)系統(tǒng)BER的影響由仿真圖1.2可見，隨著基站天線數(shù)M的增加，兩種預(yù)編碼算法的系統(tǒng)誤碼率均不斷下降，且僅在M值較小的時(shí)候MRT誤碼率低于ZF，M值一增大，ZF預(yù)編碼的BER性能要明顯優(yōu)于MRT預(yù)編碼，這是因?yàn)椋琙F預(yù)編碼能夠更好地消除用戶間的干擾。實(shí)驗(yàn)2： 瑞利信道下基站發(fā)送功率Pd對(duì)預(yù)編碼性能的影響實(shí)驗(yàn)?zāi)康模悍謩e從容量和誤碼率性能上研究基站發(fā)送功率Pd對(duì)ZF和MRT預(yù)編碼算法性能的影響。2.1 瑞利信道下發(fā)送功率Pd對(duì)系統(tǒng)遍歷容量的影響仿真參數(shù)設(shè)置：表2.1 仿真參數(shù)設(shè)置

8、考察算法影響因素參數(shù)設(shè)置case1ZFPd=（-5:2:15）dBM=128K=10Rayleigh信道case2MRT 仿真結(jié)果：圖2.1 瑞利信道下發(fā)送功率Pd對(duì)遍歷容量的影響由仿真圖2.1可見，隨著發(fā)送功率增大，系統(tǒng)的遍歷容量不斷增大，尤其是對(duì)于ZF檢測(cè)算法。因?yàn)橄啾扔贛RT預(yù)編碼，ZF預(yù)編碼能夠更好地消除用戶間的干擾，Pd的增大對(duì)其影響也更加明顯。2.2 瑞利信道下平均發(fā)送功率Pd對(duì)系統(tǒng)BER的影響參數(shù)設(shè)置：表2.2 仿真參數(shù)設(shè)置考察算法影響因素參數(shù)設(shè)置case1ZFPd=（-5:2:15）dBM=128QPSK調(diào)制K=10Rayleigh信道case2MRT仿真結(jié)果：圖2.2 瑞利信

9、道下發(fā)送功率Pd對(duì)系統(tǒng)BER的影響由仿真結(jié)果2.2可見，隨著發(fā)送功率的增加，系統(tǒng)BER不斷減小，且發(fā)送功率相同時(shí)，ZF預(yù)編碼的BER性能要明顯優(yōu)于MRT預(yù)編碼。實(shí)驗(yàn)3： 瑞利信道下用戶數(shù)K對(duì)預(yù)編碼性能的影響實(shí)驗(yàn)?zāi)康模悍謩e從容量和誤碼率性能上研究用戶數(shù)對(duì)ZF和MRT預(yù)編碼算法性能的影響3.1 瑞利信道下用戶數(shù)K對(duì)系統(tǒng)遍歷容量的影響（使用QPSK調(diào)制）參數(shù)設(shè)置：表3.1 仿真參數(shù)設(shè)置考察算法影響因素參數(shù)設(shè)置case1ZFK（4:4:28）Pd=0dBM=128Rayleigh信道case2MRT 仿真結(jié)果：圖3.1 瑞利信道下K對(duì)系統(tǒng)遍歷容量的影響 由仿真圖3.1可見，MRT預(yù)編碼隨著同時(shí)服務(wù)的單

10、天線用戶數(shù)K的增加系統(tǒng)遍歷容量不斷增加，但ZF預(yù)編碼隨著K的增加，遍歷容量先增加后減小，而且可以得到一個(gè)最優(yōu)的K值。這是因?yàn)?，隨著K的增加ZF預(yù)編碼算法的分集度（M-K）/K不斷減小，所以會(huì)在K增加到一定程度后反而使得系統(tǒng)的遍歷容量減小。3.2瑞利信道下用戶數(shù)K對(duì)系統(tǒng)BER的影響（使用QPSK調(diào)制）仿真參數(shù)設(shè)置：表4.3 仿真參數(shù)設(shè)置考察算法影響因素參數(shù)設(shè)置case1ZFK（4:4:28）Pd=0dBM=128QPSK調(diào)制Rayleigh信道case2MRT仿真結(jié)果：圖4.2 瑞利信道下K對(duì)系統(tǒng)BER的影響由圖4.2可以看出，隨著同時(shí)服務(wù)的用戶數(shù)K的增加，兩種預(yù)編碼算法的系統(tǒng)BER均不斷增加，

11、系統(tǒng)性能變差。這是因?yàn)殡S著K增加，同時(shí)發(fā)送的數(shù)據(jù)流數(shù)增多，在接收端進(jìn)行信號(hào)接收時(shí)受到的干擾也越多，故而性能變差。該仿真實(shí)驗(yàn)說明，在考慮基站可以服務(wù)的用戶數(shù)時(shí)除了考慮遍歷容量的增加也需要考慮系統(tǒng)的BER性能，一般來講，同時(shí)服務(wù)的單天線用戶數(shù)通常取10。實(shí)驗(yàn)4： 信道模型對(duì)ZF、MRT預(yù)編碼算法性能的影響實(shí)驗(yàn)?zāi)康模悍謩e從容量和誤碼率性能上研究信道模型對(duì)ZF和MRT預(yù)編碼算法性能的影響。信道類型：瑞利信道信道、空間相關(guān)性信道、非理想CSIT信道4.1 不同信道下基站天線數(shù)M對(duì)遍歷容量的影響 4.1.1 空間相干信道下M對(duì)系統(tǒng)遍歷容量的影響 參數(shù)設(shè)置：（d為相關(guān)系數(shù)，在01之間取值）表4.1 仿真參數(shù)

12、設(shè)置case3ZFd=0K=10Pd=0dBM(20：20：200)空間相關(guān)性信道case4MRTCase5ZFd=0.2Case6MRTCase7ZFd=0.4Case8MRT仿真結(jié)果：圖3.1.1 空間相干信道下M對(duì)系統(tǒng)遍歷容量的影響4.1.2非理想CSIT信道下M對(duì)遍歷容量的影響參數(shù)設(shè)置：（sigma2為信道可信度系數(shù)，在01之間取值）表4.2 仿真參數(shù)設(shè)置case3ZFsigma2=1K=10Pd=0dBM(20：20：200)非理想CSIT信道case4MRTCase5ZFsigma2=0.75Case6MRTCase7ZFsigma2=0.5Case8MRT 仿真結(jié)果：圖4.1.2

13、 非理想CSIT信道下M對(duì)遍歷容量的影響 由仿真圖4.1.1可以看出，信道相關(guān)性越強(qiáng)，同一預(yù)編碼算法的遍歷容量越差，這是因?yàn)樾诺老嚓P(guān)性使得信道矩陣的自由度降低，從而使得性能變差；圖4.1.2可以看出，加入了信道估計(jì)誤差，同一預(yù)編碼的性能變差，這是因?yàn)樾诺拦烙?jì)時(shí)存在的誤差會(huì)使得預(yù)編碼矩陣不能很好的消除用戶之間的干擾，從而使得系統(tǒng)的性能變差。4.2 不同信道下基站天線數(shù)M對(duì)系統(tǒng)BER的影響4.2.1 不同相干信道下M對(duì)系統(tǒng)BER性能的影響 仿真參數(shù)設(shè)置：表4.3 仿真參數(shù)設(shè)置case3ZFd=0K=10Pd=0dBM(20：20：200)空間相關(guān)性信道case4MRTCase5ZFd=0.2Cas

14、e6MRTCase7ZFd=0.4Case8MRT仿真結(jié)果：圖3.2.1 不同相干信道下M對(duì)系統(tǒng)BER性能的影響4.2.2非理想CSIT信道下M對(duì)系統(tǒng)BER的影響仿真參數(shù)設(shè)置：表4.4 仿真參數(shù)設(shè)置case3ZFsigma2=0.5K=10M(20：20：200)Rayleigh信道+誤差估計(jì)case4MRTCase5ZFsigma2=0.75Case6MRTCase7ZFsigma2=1Case8MRT仿真結(jié)果：圖4.2.2 不同非理想CSIT信道下M對(duì)系統(tǒng)BER的影響由仿真圖4.2.1可以看出，信道相關(guān)性越強(qiáng)，同一預(yù)編碼算法的BER性能越差，這是因?yàn)樾诺老嚓P(guān)性使得信道矩陣的自由度降低，從而

15、使得BER性能變差；圖4.2.2可以看出，加入了信道估計(jì)誤差，同一預(yù)編碼的BER性能變差，這是因?yàn)樾诺拦烙?jì)時(shí)存在的誤差會(huì)使得預(yù)編碼矩陣不能很好的消除用戶之間的干擾，從而使得系統(tǒng)的性能變差。4.3 不同信道下平均發(fā)送功率Pd對(duì)遍歷容量的影響 4.3.1 空間相關(guān)信道下Pd對(duì)遍歷容量的影響仿真參數(shù)：表4.3 仿真參數(shù)設(shè)置case3ZFd=0K=10M=128Pd(-5：2：15)空間相關(guān)性信道case4MRTCase5ZFd=0.2Case6MRTCase7ZFd=0.4Case8MRT仿真結(jié)果：圖4.3.1 空間相關(guān)信道下Pd對(duì)遍歷容量的影響4.3.2非理想CSIT下Pd對(duì)遍歷容量的影響仿真參數(shù)

16、：表4.4 仿真參數(shù)設(shè)置case3ZFsigma2=0.5K=10M=128Pd(-5:2:15)非理想CSIT信道case4MRTCase5ZFsigma2=0.75Case6MRTCase7ZFsigma2=1Case8MRT仿真結(jié)果：圖4.3.2 非理想CSIT下Pd對(duì)遍歷容量的影響由仿真圖4.3.1可以看出，在空間相干信道下，隨著相干系數(shù)的增大，系統(tǒng)的遍歷容量不斷降低，圖4.3.2可以看出，CSIT也影響系統(tǒng)的遍歷容量，信道狀態(tài)信息可信度sigma2越大，遍歷容量越大，系統(tǒng)性能越好。4.4 不同信道下平均發(fā)送功率Pd對(duì)系統(tǒng)BER的影響 4.4.1 空間相關(guān)信道下Pd對(duì)系統(tǒng)BER的影響仿

17、真參數(shù)設(shè)置：表4.5 仿真參數(shù)設(shè)置case3ZFd=0K=10M=128Pd(-5：2：15)空間相關(guān)性信道case4MRTCase5ZFd=0.2Case6MRTCase7ZFd=0.4Case8MRT仿真結(jié)果：圖4.4.1 空間相關(guān)信道下Pd對(duì)系統(tǒng)BER的影響4.4.2 非理想CSIT下Pd對(duì)系統(tǒng)BER的影響表4.6 仿真參數(shù)設(shè)置case3ZFsigma2=0.5K=10M=128Pd(-5:2:15)非理想CSIT信道case4MRTCase5ZFsigma2=0.75Case6MRTCase7ZFsigma2=1Case8MRT仿真結(jié)果：圖4.4.2 非理想CSIT下Pd對(duì)系統(tǒng)BER的

18、影響由仿真圖4.4.1可以看出，在空間相干信道下，隨著相干系數(shù)的增大，系統(tǒng)的遍歷容量不斷降低，圖4.4.2可以看出，CSIT也影響系統(tǒng)的遍歷容量，信道狀態(tài)信息可信度sigma2越大，遍歷容量越大，系統(tǒng)性能越好。4.5 不同信道下用戶數(shù)K對(duì)系統(tǒng)遍歷容量的影響 4.5.1 空間相干信道下K對(duì)系統(tǒng)遍歷容量的影響表4.7 仿真參數(shù)設(shè)置case3ZFd=0M=128Pd=0dBK(5：5：70)空間相關(guān)性信道case4MRTCase5ZFd=0.2Case6MRTCase7ZFd=0.4Case8MRT仿真結(jié)果：4.5.2 非理想CSIT信道下K對(duì)遍歷容量的影響仿真參數(shù)：表4.8 仿真參數(shù)設(shè)置case3

19、ZFsigma2=0.5M=128Pd=0dBK(5:5:70)非理想CSIT信道case4MRTCase5ZFsigma2=0.75Case6MRTCase7ZFsigma2=1Case8MRT仿真結(jié)果：圖4.5.2 非理想CSIT信道下K對(duì)遍歷容量的影響由仿真圖4.5.1可以看出，在空間相干信道下，隨著相干系數(shù)的增大，系統(tǒng)的BER不斷降低，圖4.5.2可以看出，CSIT也影響系統(tǒng)的BER，信道狀態(tài)信息可信度sigma2越大，系統(tǒng)BER小，系統(tǒng)性能越好。4.6不同信道下用戶數(shù)K對(duì)系統(tǒng)BER的影響 4.6.1 空間相干信道下K對(duì)系統(tǒng)BER的影響仿真參數(shù)：表4.9 仿真參數(shù)設(shè)置case3ZFd=0M=128Pd=0dBK(5：5：30)空間相關(guān)性信道case4MRTCa