無人機群協(xié)同通信中的大規(guī)模MIMO預(yù)編碼方案研究

空軍工程大學(xué)　93159部隊　張銘宇

1.研究背景

無人機群協(xié)同作戰(zhàn)是未來空戰(zhàn)的一種新形態(tài)，可以大幅提高作戰(zhàn)效能。隨著協(xié)作機群數(shù)量和協(xié)作復(fù)雜度的提高，地面控制站或空中指揮平臺需要和無人機群進(jìn)行海量的信息交互，信息的傳輸速率成為進(jìn)一步提升作戰(zhàn)能力的瓶頸。

為滿足急劇增長的空地/空空協(xié)同無線通信數(shù)據(jù)速率的需求，下一代通信系統(tǒng)在傳輸速率、頻譜利用率效率、覆蓋概率等關(guān)鍵性能上必須有所突破。大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO，Multiple-Input Multiple-Output）技術(shù)作為5G移動通信關(guān)鍵方案之一，成為具有前途的研究方向。

大規(guī)模MIMO技術(shù)是指在基站側(cè)安裝大規(guī)模天線陣，其天線單元個數(shù)比現(xiàn)有典型配置增加一個量級以上，天線單元數(shù)一般遠(yuǎn)大于同一時頻資源上服務(wù)的用戶數(shù)。理論研究論證了適度規(guī)模系統(tǒng)的性能，顯示其現(xiàn)實可行性。大規(guī)模MIMO技術(shù)因其能顯著提高移動通信系統(tǒng)的功率和頻譜效率，成為理想的解決方案。

2.問題與研究內(nèi)容

由于大規(guī)模MIMO系統(tǒng)是的自我干擾，必需采用相關(guān)技術(shù)抑制干擾。由于基站天線規(guī)模大，而無人機功耗和計算能力小，無法應(yīng)用傳統(tǒng)的用戶檢測技術(shù)。大規(guī)模MIMO系統(tǒng)采用發(fā)射端預(yù)編碼技術(shù)來抑制系統(tǒng)自我干擾。本文主要研究大規(guī)模MIMO通信中的預(yù)編碼技術(shù)，包括基于最大比傳輸（MRT，Maximum Ratio Transmission）、迫零（ZF，Zero-forcing）和最小均方誤差（MMSE，Minimum Mean Square Error）的預(yù)編碼方案。

3.大規(guī)模MIMO系統(tǒng)模型

MIMO方案在發(fā)射端和接收端都選用多個天線陣列，根據(jù)無線信道的空間自由度，將數(shù)據(jù)里分解為多個并行數(shù)據(jù)流分配到不同發(fā)射天線端口，這些天線端口使用同一相時頻資源塊，接收端進(jìn)行信道估計對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測恢復(fù)。

圖1　MIMO系統(tǒng)簡化模型

4.大規(guī)模MIMO預(yù)編碼技術(shù)

預(yù)編碼的基本思路是基站根據(jù)先驗信道狀態(tài)信息，選擇合適的編碼矩陣對發(fā)送信號進(jìn)行預(yù)先加工，將多個用戶的數(shù)據(jù)分解為并行子數(shù)據(jù)流，從而一致用戶終端之間的干擾。接收端對接收信號進(jìn)行簡單的運算即可分解出用戶所需的信息。因此，預(yù)編碼的目的是對發(fā)送信號進(jìn)行預(yù)處理削弱用戶間的干擾。預(yù)編碼方案基本可分為線性預(yù)編碼和非線性預(yù)編碼。非線性預(yù)編碼中，發(fā)送端發(fā)送信號進(jìn)行非線性編碼操作，其效果逼比線性預(yù)編碼更好，但復(fù)雜度更高。

圖2　預(yù)編碼基本流程

預(yù)編碼基本流程如圖 2所示。考慮一個單小區(qū)多用戶的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，基站天線數(shù)為，用戶數(shù)為，并且滿足，每個用戶配置單根天線。則所有用戶接收的信號矩陣為

基站發(fā)送的預(yù)編碼信號為：

（1）MRT預(yù)編碼

MRT預(yù)編碼因良好的系統(tǒng)性能和較低計算復(fù)雜度成為在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中使用較多的算法。如若用戶之間不進(jìn)行協(xié)作，基站不能抑制用戶間的干擾，此時的最優(yōu)選擇是MRT發(fā)送預(yù)編碼方案。用戶j的預(yù)編碼向量可表示為：

此時，預(yù)編碼矩陣為：

（2）ZF預(yù)編碼

在多用戶系統(tǒng)中，用戶之間信道存在相互干擾，MRT預(yù)編碼方案不能抑制這些干擾，性能較差。ZF預(yù)編碼技術(shù)基本思路是將用戶之間干擾抵消，該算法求取信道矩陣廣義逆，從而去除用戶干擾，改善了系統(tǒng)性能。ZF預(yù)編碼矩陣為：

（3）MMSE預(yù)編碼

綜合考慮干擾和噪聲對系統(tǒng)性能的影響，MMSE預(yù)編碼方案要求所有用戶接收信號矩陣和基站發(fā)射信號矩陣均方誤差最小，即：

利用正交性推導(dǎo)得到MMSE預(yù)編碼矩陣為：

5.MATLAB的仿真

天線發(fā)送數(shù)據(jù)使用QPSK調(diào)制產(chǎn)生，用戶數(shù)為Nr= 4，信噪比范圍為-10～20dB。

圖3　預(yù)編碼誤比特率曲線，

圖4　預(yù)編碼誤比特率曲線，

圖5　預(yù)編碼頻譜效率曲線，

圖6　預(yù)編碼頻譜效率曲線，

6.總結(jié)

本文針對無人機群協(xié)同通信中大規(guī)模MIMO系統(tǒng)預(yù)編碼技術(shù)了初步的硏究,包括數(shù)學(xué)模型建立和MATLAB仿真，并對結(jié)果進(jìn)行了分析。仿真結(jié)果表明在低信噪比（SNR，signal-to-noise Ratio）條件下，MMSE預(yù)編碼方案效果更優(yōu)，在高信噪比條件下，ZF和MMSE性能接近。同時，隨著天線數(shù)目增加，兩中預(yù)編碼方案差距減小。

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