严重中上的积极影响-米高选择增益多用户TAS/MRC系统性能的衰落

摘要

本文探讨了严重中上-的积极影响米对高选择增益的多用户发射天线选择/最大比合并(TAS/MRC)系统性能的影响。的衰落量(AF)和符号误码率(SER)米-QAM派生为整数的闭形式表达式米。对于任意的米， AF和SER分别可表示为Gamma函数和高斯超几何函数的单个无穷级数。分析结果导致以下观察结果。首先，SER表现可以证明严重中上-的积极作用米高选择增益的多用户TAS/MRC系统的衰落。其次，在高选择增益的情况下，对焦性能仅表现出严重衰落的负面影响。最后，在高信噪比(SNR)条件下，严重衰落对系统性能的影响减弱。

1.介绍

多输入多输出(MIMO)通信被认为是提高无线通信性能的合适方法。各种MIMO传输方案已经被开发出来，通过承诺的分集增益和/或通过空间复用(SM)的高速率传输来获得高可靠性[1- - - - - -6]。矩形正交幅度调制(QAM)是一种通用的调制技术，它包括一些特殊情况下的重要调制方案，如二进制相移键控(BPSK)、脉冲幅度调制(PAM)或方形QAM。虽然在过去的几年里，人们对不同条件下的MIMO最大比组合(MRC)系统进行了研究，但对于矩形QAM在噪声受限环境下的平均符号误码率(SER)似乎没有结果。在[7，推导了矩形QAM误码率(BER)的表达式，但结果仅对Gray码映射有效，没有提供平均SER的表达式。

具体来说，根据组合信号的相位和幅值的具体处理，发展了不同的相干信号合并技术，分别是选择合并(SC)、阈值合并(EGC)、等增益合并(EGC)和MRC。8，9]。选择一个发射天线，最大限度地提高接收机接收信号的总功率，可以大大降低发射机的硬件和软件复杂性。因此，发射天线选择(TAS)在当今通信研究中占据了相当大的一部分[10]。MRC是一种具有最大信噪比准则的最优分集技术。为了保持TAS和MRC的优势，提出了一个在接收端有MRC的综合TAS方案，标记为TAS/MRC [11]。除了天线分集，多用户分集(MUD)也被用来提高点对多点通信的性能[12]。在多用户系统中，合理的调度算法是获取MUD的关键。12]。此外，多用户MIMO系统最近引起了广泛关注，因为该技术通过在基站和多个终端站之间生成虚拟的大型MIMO信道来提高系统的总容量[13]。在[14，推导了瑞利衰落信道下多用户MIMO系统中断性能的紧密封闭表达式。分析结果表明，用户可以视为等同的。虚拟"传送天线[15]。已发表的论文主要集中在平面瑞利通道[11，14，15]。推导了在瑞利衰落信道下MIMO MRC系统中一般矩形QAM的平均符号误码率的闭合表达式[16]。

通过米参数时，Nakagami模型可以同时考虑严重衰落和弱衰落，其中包括瑞利衰落(米= 1)作为一个特殊情况。Nakagami -米也可以近似于霍伊特分布和米斯分布[17]。因此,Nakagami -米信道通常用于模拟地面移动、室内移动多径传播以及闪烁电离层无线电链路[17]。衰落的严重程度可以用衰落量(AF)来量化[17]。在[18，在Nakagami-的空时分组编码(STBC) MIMO分集系统中，推导出了对焦的闭合表达式米衰落通道。在本文中，我们导出了独立同分布(i.i.d)下的多用户TAS/MRC系统的AF的封闭形式。Nakagami -米正整数通道米。对于任意的米， AF可表示为函数的单个无穷级数。分析结果表明，多用户TAS/MRC系统的AF值减小为米按预期增加。然而，从AF的角度无法观察到严重衰落的积极作用。

在Nakagami-对TAS/MRC系统进行了性能分析，包括中断概率、容量和符号错误率(SER)米在[19- - - - - -21]。性能随着值的增加而提高米，即在弱衰落信道中[19- - - - - -21]。然而，趋势变得完全不同，因为这篇论文[22提出更高的米对多用户MIMO系统的容量造成负面影响。本文介绍了在Nakagami-米分析了衰落信道。给出了多用户TAS/MRC系统中断概率的一个简单的封闭表达式。的封闭SER多状态正交调幅(米-QAM)也派生于when米是一个整数。对于任意的米的SER米-QAM可表示为高斯超几何函数的单个无穷级数。分析结果表明，严重衰落对性能的影响在高选择增益时变得有利，因为更散射的衰落环境使选择调度程序能够在更高的信道衰落峰值安排传输。因此，具有高选择增益的系统在严重衰落时比在弱衰落时性能更好。但由于信噪比高，可能会削弱发射机选择调度的功能。通过蒙特卡罗仿真验证了所推导的表达式。

2.Nakagami的衰落量米模型

我们考虑一个带有基站服务的TAS/MRC系统K下行链路的用户。最好的发射天线，最大限度地提高MRC输出的后处理信噪比接收天线，为相应的用户选择传输数据。发射天线和用户之间的信道经历的衰落路径被建模为i.i.d. Nakagami-米衰落通道。给出了MRC组合器输出瞬时后处理信噪比的概率密度函数(PDF)k用户对我发射天线由 在哪里为函数和为每个分支每个符号的平均信噪比。然后，对应的累积分布函数(CDF)表示为导致 在哪里为不完全函数[23方程(8.350.1)]。对于TAS/MRC方案中的MUD，表示为a在多用户TAS/MRC系统中，BS调度器采集所有用户的MRC输出信噪比，并根据该标准选择目标用户 然后，得到有效后处理信噪比在(3.)可以表示为[19方程(4)] 积分(4)，我们可以得到CDF为 从(3.) - (5)，可以看出天线的有效选择增益为，因为用户可视为等效的虚拟发射天线[15]。给出了(中的不完全函数的展开式4)由一系列发展为,即: 接下来,使用(6)，我们可以推断出幂级数的幂[23，式(0.314)]: 在哪里为的系数在扩张中 和[19方程(6)) 在(7为的系数在扩张中, (19方程(9)) 因此,用(7)(4)，我们可以重写多用户TAS/MRC系统的PDF为 类似于(11)、(5)可以扩展为 在哪里 从(11)，可以得到期望和有效信噪比的二阶矩通过下列表达式[20.，式(7)，(8)]: 使用(14个), (14 b), (15一个)和(15 b)得到有效系统信噪比的方差: 因此,从(14个) - (16)时，可计算多用户TAS/MRC系统的AF数量

3.性能分析:中断概率和SER

中断概率定义为瞬时容量小于给定容量的概率C(19),即: 那么，鉴于(5)，则多用户TAS/MRC系统的中断概率为 另一方面，SER表示米-QAM由[24,方程(31)] 在哪里是高斯问函数,＝,,。则，(20.) (24方程(32)) 在哪里是合流超几何函数[23方程(9.210.2)]。

利用分部积分法，给出了衰落信道的平均误码率 用(12)和(21)(22)，我们获得SER米-QAM真的作为 我们使用了关系[23方程(7.621.4)) 和为高斯超几何函数[23方程(9.14.1)]。同样的，当衰落参数米是正整数，我们得到封闭形式为

4.数值模拟结果

在本节中，我们使用MATLAB软件给出性能的数值和仿真结果。Nakagami -米的平方根分布样本(即MATLAB函数)(25]。采用时的比值对中断概率和SER进行了仿真中断和分别发生了符号错误。所有的模拟，标记为符号，与解析曲线紧密一致，验证了理论推导。接收天线数在所有情况下都被选为2。

数字1描述了多用户TAS/MRC系统在选择增益下的对焦情况在各种Nakagami -米衰落通道。的曲线绘制，使用(14个)和(15一个)通过将无穷级数截断为50项。可以看出，AF降低为米增加;甚至选择增益也从4增加到16。也就是说，衰落指标AF可以量化信道衰落的严重程度。但是对于高选择增益，严重衰落的好处不能从AF的趋势中体现出来2表示的中断概率针对低和高选择增益的容量。低选择增益下的中断概率()的值越大，表现越好米，除了中断的概率已经超过50%。另一方面，严重衰落对性能的积极影响在高选择增益()．值得注意的是，严重衰落的优势发生在实际感兴趣的中断范围内。例如，中断概率超过大约当容量需求大于1.7 bps/Hz时。PDF值使用(11)当在图3.。当选择增益从2增加到16时，向右偏移的次数要比向右偏移的次数多得多。在严重衰落信道中，选择增益确实提高了PDF值分布在较高瞬时信噪比区域的概率，从而显示了积极的效果。

在图4，绘制了不同衰落信道下16-QAM系统的SERs曲线。SER的是由(23)与截断(50项)的无穷级数。如预期的那样，在低选择增益的弱衰落信道中，SER性能更好。而在高选择增益时，SERs增强谱的变化趋势则相反。可以看出，对于表现最好的,直到大于15db左右，SER小于。显然，高信噪比的信号即使在高选择增益的情况下也会淡化严重衰落的特性。

5.结论

总体而言，系统在弱衰落信道下的性能优于在严重衰落信道下的性能。本文提出了中上严重地震的积极影响米对高选择增益多用户TAS/MRC系统性能的影响。高选择增益的调度器是在散射度较高的信道中安排高峰值传输的关键。的两个性能指标，AF和SER米-QAM，导出为整数的封闭形式表达式米。对于任意的米， AF和SER分别可表示为Gamma函数和高斯超几何函数的单个无穷级数。虽然AF不能说明严重衰落的好处，但从分析和数值结果，我们验证了PDF、中断概率和SER结果的良好效果，发生在实际利益的范围内。

承认

作者感谢匿名推荐人提供的有用意见。本研究由仪器技术研究中心、国家应用研究实验室和NSC 100-2221-E-251-004资助。

参考文献

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