CDMA专栏 多用户MIMO-CDMA系统下行 链路设计及MATLAB仿真 陈绪君 　 胡君红 　 湖北武汉华中师范大学电子与信息工程系 【摘要】MIMO（Multi-Input Multi-Output）技术是最可能应用到未来无线通信系统中的关键技术之一，多用户MIMO- CDMA是MIMO技术领域研究的最新发展。文章概述了多用户MIMO-CDMA下行链路的系统结构，提出了一种基于帧结构的 可供DSP实现的多用户MIMO-CDMA全系统的仿真模型，接收端采用MRC最大似然接收提高了系统的接收分集增益，最后 对不同用户数和不同PN长度条件下的多用户MIMO-CDMA系统进行了性能分析和评价。 【关键词】码分多址MIMO 　　 下行链路 　　最大比合并 在无线信道中随着高速无线数据接入业务与用户数 认为最有可能应用到未来无线通信的关键技术之一[1]。多用 量的迅速增长，需要更高速率、更大容量的无线链路的支 户MIMO是MIMO技术发展的一种趋势，可以认为是多用户 持。决定无线链路传输效能的最根本因素在于信道容量。 业务在MIMO系统的一种多址接入方式。目前多用户MIMO MIMO系统在无线通信链路的发射、接收两端都使用多个天 主要有MIMO-TDMA（时分多址多用户MIMO）和MIMO- 线，在发送端将用户的数据信息分成多路并行信号由多个 CDMA[2-3]（码分多址多用户MIMO），其中MIMO-CDMA 天线同时、同频段发送；接收方通过解码与信号处理算法 系统较MIMO-TDMA具有更高的系统容量，且具有抵抗多 实现对发送信息的恢复，理论上可以极大地提高系统容量 径干扰的能力，因此是目前学者着重研究的MIMO多用户方 和数据传输速率，通过编码技术和分集技术，还可以增强 案之一。 MIMO系统的抗干扰、抗衰落性能，MIMO技术正被广泛地 目前大多文献只对多用户MIMO-CDMA的相关理论进 收稿日期：2008年4月15日 责任编辑：熊柳潜　xliuqian＠mc21st.com 行了研究，研究可供DSP系统实现的基于帧结构的多用户 MIMO-CDMA全系统仿真平台还未见报道。论文研究的基 移 动 通 信 2008年6月（上） 37 

CDMA专栏 多用户MIMO-CDMA系统下行链路设计及MATLAB仿真 于帧结构的多用户MIMO-CDMA系统，采用的是基于DS- 先分别进行卷积编码，随后将卷积编码后的序列映射为复 CDMA的多用户接入方式。论文不仅从理论上给出了多用 QAM符号；QAM映射后的复数据经由用户PN序列进行DS 户MIMO-CDMA在不同的用户数和PN序列长度条件下的系 扩频，利用反馈信道的CSI信息进行功率分配并进行合并， 统性能分析，而且设计了涵盖包括位流产生、卷积编码、 随后将合并后的复数据进行Alamouti空时编码；在数据封装 QAM映射、扩频/解扩、插值/抽样、脉冲整形、载波调制、 成帧之前，插入导频，其作用是接收部分的同步检测和信道 空时编/解码、功率控制、同步、频偏估计、匹配滤波、信 估计；为便于检测，将基带信号进行8倍插值，并进行升余 道估计、信号检测等可供DSP实现的系统仿真平台，并为每 弦整形；最后整形后信号上搬移到高频窄带信号，并通过 个环节编写了相应的Matlab子函数。 Tx1和Tx2射频模块发送出去。 1 多用户MIMO下行链路系统结构 示。基站发射的信号经过频率选择性瑞利信道后经用户1的 多用户MIMO-CDMA下行链路分为两部分[4]：发送部 两接收天线Rx1和Rx2接收，并叠加高斯噪声，所以接收端 分和接收部分。 的信号实际上是发送信号幅度和相位发生歧变的信号。接收 发送部分如图1所示。基站发射的多用户二进制位流首 部分经过IQ相关解调后，经过低通和匹配滤波，输出为窄 以用户1为例（其他用户同理），接收部分如图2所 图1　多用户MIMO-CDMA系统下行链路发送部分 带信号，经过8倍抽取提取导频序列用于信道估 计，经过准确估计后的信道参数用于Alamouti 解码。Alamoti解码后的数据为信道补偿后的扩 频序列，经过用户1PN序列解扩后即为用户1的 QAM映射复数序列，进行QAM最大似然检测输 出为二进制序列，再经过解卷积编码后即为用 户1的数据位流。 2 多用户MIMO-CDMA 系统数据帧设计及 Matlab仿真 （1）发送帧结构设计 系统的帧结构包括两部分：同 步帧和数据帧，其帧结构如图3所 图2　　多用户MIMO-CDMA系统下行链路接收部分 示。 同 步 帧 和 数 据 帧 长 度 都 为 354。同步帧由两个监督码元、64码元 的同步序列、两个16码元的训练序列组 成，后面的数据为无用数据。两发送天 线的训练序列在时域正交。数据帧由两 个监督码元、两个8码元的训练序列组 成，后面的数据为空时编码后数据。两 责任编辑：熊柳潜　xliuqian＠mc21st.com 图3　系统同步帧和数据帧结构 移 动 通 信 38 2008年6月（上） 

多用户MIMO-CDMA系统下行链路设计及MATLAB仿真 CDMA专栏 个长度为8的发送天线的训练序列在时域也彼此正交，因此 数据帧的编码效率为336/354。系统每发送一同步帧将发送 两数据帧，同步帧主要用于同步和信道估计，数据帧插入训 练序列目的是对接收数据的过程中信道的变化进行修正，即 更准确地估计信道。 （2）Alamouti的MRC接收 多 用 户 M I M O 系 统 中 ， 单 个 用 户 的 接 收 模 型 为 R=C·H+N，其中， R的第1下标为时间序列，第2下标为接收天线；H的第 1下标为发送天线，第2下标为接收天线；C的第一行表示天 线在t时刻发送的码字，第二行表示天线在t+1时刻发送的码 字；N表示不同时刻、接收天线的加性噪声。以接收天线1 为例，t时刻为r11，t+1时刻为r21，则： （1） 根据最大似然接收准则，等价于最小化 联合（1）式和（2）式，得 （2） 图4 接收端星座图 （3） 为107的随机位流，调制方式为QAM16，分别选取不同用 ，多径为两路。数据长度 则按照MRC（Maximum ratio combining，最大比合 并）准则[5] 的估计应是各接收天线估计的加权和，所以 户数和PN序列长度做了如下仿真。 ◆选 取 用 户 数 为 1 ， 5 ， 1 0 ， 做 了 不 同 用 户 数 条 件 下 的 系 统 B E R 分 析 。 从 图 5 （ a ） 的 仿 真 结 果 分 析 ， 当 用 户 数 为 5 ， 系 统 S N R 为 8 d B 时 ， 系 统 的 性 能 已 达 到 （4） 1 0 - 5； 当 用 户 数 为 1 0 时 ， 系 统 S N R 只 需 1 0 d B ， 系 统 数据块接收和信道补偿后的星座图如图4所示。 的 性 能 已 达 到 1 0 - 5。 但 随 着 用 户 数 的 增 加 ， 系 统 性 能 （3）系统性能分析 下 降 ； 因 为 由 于 m 序 列 不 完 全 正 交 ， 随 着 用 户 数 的 增 系 统 仿 真 模 型 选 取 频 率 选 择 性 的 瑞 利 信 道 ， 其 中 加，多址干扰加强，导致信噪比下降。 责任编辑：熊柳潜　xliuqian＠mc21st.com 移 动 通 信 2008年6月（上） 39 

CDMA专栏 多用户MIMO-CDMA系统下行链路设计及MATLAB仿真 ◆选取PN长度为8，16，32，从图5（b）仿真分析， 作为DSP系统的设计参考方案和算法论证的仿真平台，可以 扩频码越长，扩频增益大，系统性能越好。从图（a）和 大 大 缩 短 多 用 户 M I M O - C D M A 接 收 机 设 计 和 开 发 的 时 间 周 （ b ） 分 析 可 知 ， M I M O - C D M A 较 C D M A 系 统 具 有 更 好 的 系 期。论文中的全系统仿真实现了包括位流产生、卷积编码、 统性能。 QAM映射、扩频/解扩、插值/抽样、脉冲整形、载波调制、 空时编/解码、功率控制、同步、频偏估计、匹配滤波、信 道估计、信号检测等子模块，也可以为相应的理论开发者的 算法仿真提供一个有效的验证平台。另外，我们也正在积极 搭建基于TMS320C6713 DSK的DSP接收机的研发工作，通 过实际运行系统来验证我们的仿真模型。 参考文献 [1]苏昕. MIMO无线通信系统中若干问题的研究[D]. 西安电子科技大学.2006. [2]Ngajikin N, Malik N N,Nik Abdul. Performance Analysis of MIMO-CDMA System[C]. RF and M i c r o w a v e C o n f e r e n c e , 2 0 0 6 . R F M 2 0 0 6 . International 12-14 Sep 2006:85-87. [ 3 ] A l J e r j a w i M o h a m e d , H a m o u d a , W a l a a . Performance Analysis of Multiuser MIMO CDMA Systems in Fast-Fading Channels[C]. Global Telecommunications Conference,2006. GLOBECOM '06. IEEE,Nov 2006:1-6. [4]Visoz R,Berthet A O,Gresset N. Advanced Transceiver Architectures for Downlink MIMO CDMA Evolution[J]. Wireless Communications, IEEE Transactions on Volume 6,Issue 8,Aug 2007:3016-3027. [5]宿淑春,程型清,李道本. Maximal Ratio Combined with Correlated Rayleigh Channels[J].北京电 子科技学院学报,2003(2). ★ 图5 系统性能分析 3 结论 从 分 析 结 果 看 ， 论 文 设 计 的 基 于 帧 结 构 的 多 用 户 M I M O - C D M A 系 统 下 行 链 路 结 构 模 型 较 C D M A 系 统 具 有 更 好的系统性能，完全能够满足实际系统的通信要求，可以 40 移 动 通 信 2008年6月（上） 责任编辑：熊柳潜　xliuqian＠mc21st.com