张公泉，邹明荃，张培源，李晓辉＊，张红伟

随着人们对移动通信业务种类及通信质量要求的不断提升，无线通信网络架构已经开始从简单的单输入单输出（single input single output，简称SISO）逐步向多输入多输出（multiple input multiple output，简称MI MO）转变.MI MO技术能够利用多个并行的空间子信道实现空分复用、提升数据传输能力，并能借助于分集技术提高数据通信的可靠性，引起了国内外科研工作者的普遍重视［1－2］.多用户MI MO技术能够在多个用户间挖掘更大的空分复用潜力，有利于进一步增加整个无线网络的频谱效率和系统容量，但同时也带来了一系列亟待解决的难题，如用户间采取何种有效的干扰对齐和干扰抑制方式？如何降低整个系统实现的复杂度等［3－6］？为解决上述难题，Shi等［7］基于联合编码技术研究了在发射端用户不知道任何信道状态信息（channel state inf or mation，简称CSI）前提下，获得了空间分集及能够在接收端部分抑制用户间干扰的编码传输方案，但在其检测过程中却难以做到完全消除用户间干扰，因而在一定程度上限制了整体误码性能的提升.Li等［8］基于波束成型技术，能在接收端完全消除用户间干扰并获得全空间分集性能，但其研究工作仅考虑了每个用户装配两根天线的简单情况，没有推广到更为复杂的多用户MI MO环境中.为此，作者拟基于联合编码方法及分集设计原则［9］，研究在多天线多用户MI MO系统中获得全分集增益性能的有效传输方案.

1 系统模型

图1为两用户、四天线通信系统模型.图1中，该无线通信网络具有两对用户，每个用户均装配四根天线.发射端两个用户和接收端两个用户之间的信道矩阵分别用H、F和G、C表示，每对天线间的无线信道可采用均值为0、方差为1的独立同分布复高斯变量建模.假设所有信道均为准静态衰落信道，每个发射用户仅知道其与两个接收用户之间的信道状态信息.

为了在接收端完成对用户间干扰的完全分离，要分别对两个发射用户的待传输调制符号进行编码（编码使用Alamouti结构），并满足16／3的全速率传输要求［10］.编码时要采用下式

其中：各波束成型矩阵应满足功率约束要求，即tr（VijVij＊）＝1.

2 编码传输方案

在接收端实现干扰完全分离的同时，为了能够获得多用户MI MO系统内每个用户的全空间分集增益性能，需要对式（1）中各编码矩阵内合适位置处的调制符号进行合理的联合编码，具体编码如下

其中：Skij＝.整个多用户MI MO无线通信网络的传输模型如下

其中：Y1，Y2分别为两个接收端对应的接收信号矩阵；w1，w2分别为加在两个接收端上均值为0、方差为1的复加性高斯白噪声.由于接收端1，2处的结构一致，因此可只以接收端1为例，研究接收端的干扰消除及检测方法.将式（2）、（4）代入式（5）中并整理可得

其 中：～Sk＝；～H＝V11H；～G＝V21G.通过（6）式可以看出，接收端1处的干扰项S12和S22就以的形式被分离了出来.

为了将分离出的干扰项消除，对Y1的第1行和第5行进行共轭变换，并将变换后的矩阵向量化，得到下式

其中：Sij＝［si1jsi2j… si8j］T.又由于Hij与Gij结构相同，在此仅写出Hij的结构，其结构如下

其中：hij为H 中第i行、第j列的元素.

（7）式中的M表达式如下

观察M1到M4的结构不难发现，若用～yi表示～Y1的第i个元素，则可以通过～y2＋～y9，～y5＋～y12，～y8－～y3，～y11－～y6，～y14＋～y21，～y17＋～y24，～y20－～y15，～y23－～y18将干扰项全部消除，消除干扰项以后的（7）式变为

至此，对于接收端1来说，收到的干扰信号S12和S22已经完全消除了.

将式（3）代入式（8），可得最终用于检测的发送端调制符号矩阵如下

作者提出的方法在相关信道下仍然适用，如果部分信道矩阵为奇异矩阵，可以通过求其伪逆矩阵的方法实现干扰对齐.另外，虽然只研究了两用户四天线的情况，但可以基于作者提出的思路，进一步将其拓展到多用户多天线的情况.

3 仿真结果

为验证作者针对两用户四天线通信网络提出的全分集编码传输方案的有效性，可采用Matlab软件对多种编码传输方案的误比特率（bit error rate，简称BER）性能进行测试.所有用户间的无线信道均采用瑞利衰落信道，且假设信道呈现平坦衰落特性，采用BPSK方式对原始比特率进行基带调制，噪声为加性复高斯噪声.采用发射信号能量和噪声能量之间归一化的Eb／N0作为衡量系统信噪比的标准，其中Eb是发射端发送1 bit数据需要的平均能量.

图2为两用户四天线通信网络中几种编码传输方案误码性能的对比.

由图2可知，对比与两用户两天线通信网络，作者提出的两用户四天线通信网络获得了更低的误码率和更快的误码率下降速度.这是由于四天线通信网络其本身蕴藏了更大的信道容量，并且作者采用了有效的编码方案，在传输中使用联合编码技术，获得了全空间分集增益，进一步降低了误码率，提高了通信传输的可靠性.?

4 结束语

作者基于联合编码方法及分集设计原则，使用Alamouti结构和波束成型技术，在两用户两天线通信网络的基础上，提出了两用户四天线的系统中消除用户间干扰并能实现全速率传输、获得全分集增益性能的有效方案.仿真结果证实了所提传输方案的有效性.该传输方案很好地挖掘了系统的速率和误码性能优势，同时该方案可以拓展到多用户多天线的情况，具有潜在的应用价值.

［1］ Larsson E，Edfors O，Tufvesson F，et al.Massive MI MO f or next generation wireless systems［J］.IEEE Co mmunications Magazine，2014，52（2）：186－195.

［2］ Younsun K，Hyoungju J，Juho L，et al.Full dimension MI MO （FD－MI MO）the next evolution of MI MO in LTE systems［J］.IEEE Wireless Co mmunications，2014，21（2）：92－100.

［3］ Lu Y，Zhang W，Letaief K B.Blind interference align ment with diversity in K－user interference channels［J］.IEEE Transactions on Co mmunications，2014，62（8）：2850－2859.

［4］ Zhang S，Zhou Q，Kai C，et al.Full diversity physical－layer net work coding in t wo－way relay channels with multiple antennas［J］.IEEE Transactions on Wireless Co mmunications，2014，13（8）：4273－4282.

［5］ Yang L，Zhang W.Interference align ment with asy mmetric co mplex signaling on MI MO X channels［J］.IEEE Transactions on Co mmunications，2014，62（10）：3560－3570.

［6］ Lu Y，Zhang W，Letaief L B.Blind interference align ment with diversity in K－user interference channels［J］.IEEE Transactions on Communications，2014，62（8）：2850－2859.

［7］ Long S，Wei Z，Xiang G X.On designs of f ull diversity space－ti me block codes for t wo－user mi mo interference channels［J］.IEEE Transactions on Wireless Communications，2012，11（11）：4184－4191.

［8］ Liang B L，Hamid J，Syed A J.When Alamouti codes meet interference align ment：trans mission schemes f or t wo－user X channel［J］.IEEE Inter national Sy mposiu m on Infor mation Theor y Proceedings，2001 （5）：2577－2581.

［9］ Zhang H W，Zhang H B，Song W T，et al.An i mpr oved group space－ti me block code t hrough constellation rotation［J］.Journal of Shanghai Jiaotong University：Science，2005，10（4）：349－353（in Chinese）.

［10］ Jafar S，Shamai S.Degrees of freedo m region for t he mi mo x channel［J］.IEEE Transactions on Inf or mation Theory，2008，54（1）：151－170.

［11］ Ma M，Giannakis G B.Full－diversity f ull－rate co mplex－field space－ti me coding［J］.IEEE Transactions on Signal Processing，2003，51（11）：2917－2930.

［12］ Damen M O，Tewfik A，Belflore J C.A constr uction of a space－ti me code based on nu mber theory［J］.IEEE Trans Infor m Theory，2002，48（3）：753－760.