维普资讯 http://www.cqvip.com Compu ̄r Engineering and Applications计算机工程与应用 2007,43(21) 147 多输入多输出系统中多用户的最大可达速率研究 吴靖巍。王翔宇 WU Jing—wei.WANG Xiang—yu 北京理工大学信息科学技术学院,北京100081 School of Information Science&Technology,Beijing Institute of Technoloy,gBeijing 10008 1,China E—mail:wujingweibit@163.com WU Jing—wei,WANG Xiang-yu.Achievable rates in multiuser MIMO system non—rayleigh clutter.Computer Engineering and Applications,2007,43(21):147-149. Abstract:It is theoretically analyzed that achievable rates in multiuser Mulitple-Input Mulitple—Output(MIMO)Systems.The achievable rate in uplink and downlink channel will be obtained.Time Division Mulitple-Access(TDMA)is compared with the MIMO ena ̄e system in uplink and downlink. Key words:Mulitple-Input Multiple一0utput(MIMO);uplink and downlink channel;Time division Multiple—Access(TDMA) 摘 要:理论地分析计算了多输入多输出(MIMO)系统中多用户的最大可达传输速率,其中分别包括上行和下行速率。在MIMO系 统中分析比较了时分多址(TDMA)的多用户实际可达的传输速率。 关键词:多输入多输出(MIMO);上行和下行信道;时分多址 文章编号:1002—8331(2007)21—0147—03 文献标识码:A 中图分类号:TN957 1 引言 在有限的系统带宽和能量的限制下,随着无线通信系统不 断向高速传输率方向的发展需求,一些有效的技术也不断得到 改进。例如:通过在接收和放射方使用多天线的多输人多输出 (MIMO)技术,不但可以有效地增加信道容量,同时还能够较好 地抑制信道衰落。MIM0系统可以给每一对发射接收天线都提 供独立的传输信道。显然,MIMO系统的信道容量跟天线的相 干性和统计特性有着密切关系。在文中,所有的信道将假设为 非相干时不变的,且信道干扰噪声满足高斯分布,信道的信息 对发射和接收方是透明的。根据香农信息理论对单用户时不变 信道的容量的定义,为输入和输出的最大交互信息量}l_。对于 MIMO系统中的多用户而言,信道容量即为每个单用户可能达 到最大容量的总和。 无线通信中,也可以称为上行信道。图1所示的就是MAC的一 般结构图。 . 图1 多址信道(MAC) 对于单一用户。MIMO系统采用对输入能量的最优分配的 方法来得到最大可达速率。通常运用“注水”的方法求得能量的 最优分配。而对于多用户,最大可达速率是每个单用户速率的 总和,这时就需要采用“重复注水”的方法来最优分配能量,显 然,这种算法比较复杂。这里,首先介绍一下“注水”的方法。 “注水”法原理如图2所示。能量首先分配到噪声水平最低 的发射天线的信道 中。分配给 的能量值不断增加,当与噪 2 MIM0系统中多用户的最大可达传输速率的理论 计算 通常在MIM0系统中的多用户可达到的最大速率受系统 可提供的能量限制,在上行信道(多址信道(MAC))中,每个用 户都带有自身的能量限制,而在下行信道(广播信道(BC))中, 一声水平第二低的发射天线信道Pl的噪声值相同时,系统便开 始同时向 和Pl两个信道“注入”能量,以此类推,直至将所有 能量完全分配。0为最终能量分配的水平值。 在多用户MIMO系统中,最大可达速率的计算比较复杂, wei yu[21等提出了“重复注水”的方法12]。图3给出了2用户的 MAC的速率区域,其中每个用户拥有4个发射天线和4个接 收天线,能量限制为1O dB。其中A点为用户1可能达到的最 般只提供一个对所有用户能量的总限制。下面就分别介绍上 行信道和下行信道在这两种能量限制的条件下的最大可达传 输速率 2.1 上行信道 在通信系统中,多个独立发射端分别独立的发送消息到一 个共同的接收端。这种信道模型被称之为多址信道(MAC)。在 大速率,,点为用户2可能达到的最大速率,直线CD为系统 作者简介:吴靖巍(1980一),女,北京理工大学电子工程系在读博士研究生;王翔宇(1980一),男,北京理工大学电子工程系在读硕士研究生。 维普资讯 http://www.cqvip.com 148 2007,43(21) Computer Engineering and Applications计算机工程与应用 rs--u n^ O _ I/A1 I/A2 I/A4 I/A5 图2“注水”法原理图 0 Rl—’ 图4 DPC速率域,H。=【1,0.4],HM0.4,1],P=10dB 互信道的模型(如图5所示)。在这个信道模型中,广播信道拥 有 个接收机,每个接收机都含有Ⅳ个发射天线M个接收天 线;而上行信道相应的拥有K个用户,基站含有Ⅳ个发射天线 M个接收天线。输入和输出的关系式为: yi=H ̄x+nl (2) :∑ u (3) Rl—’ 图3 MAC的速率域 可达到的最大速率的集合。 2.2下行信道 对于下行信道中仅有单一接收天线的情况,Caire和 \ Shanmai首先提出了系统可达速率域的计算方法。而后,Yu和 Ciotti又利用“污纸编码(DPC)”}3J的方法,进行了多发射多接收 天线情况下的计算,获得了基站与移动用户间最高传输速率的 图5系统模型 理论值。DPC算法的主导思想就是:当已知信道的附加高斯干 扰分布时,信道容量与没有附加干扰时的值相等。具体计算过 信道的传输函数是一个MxN矩阵,n 均为复高斯噪声 程如下: 且其协方差矩阵为f,假设S 为第i个用户的输入协方差矩阵, 假设一个MIMO系统中有2个接收者(用户),发射端首先 所有用户的输入能量限制为P。由于引入了交互信道.因此利 向用户1发送代码,然后再选择另一代码发给用户2。此时的 用DPC方法可以计算出MIMO系统中广播信道的速率,它等 用户2完全已知用户1的代码。这样用户2就可以剔除这部分 于在相同功率限制下该系统相应的交互信道的速率C: 已知代码。显然用户2可以不必把系统发给用户1的代码当作 (日I,…, ,P)= c(日 一, ,P)= 干扰来处理。依据此方法得出 个用户下(假定每个用户都有 IK I 个发射天线和Ⅳ个接收天线)的理论计算公式为: Si90,∑tr(S,)《P IInl n∑ s Hi l0 (4) Il ,+日 ( ) l日I 这里,最大可达速率可以通过前面介绍的“重复注水”的方法得到。 R,=log2_}_—— — =1,…, (1) TDMA中的速率域C舢可以定义为在各个单一用户中通 l I,+日 ( Q』过时间分配得到的一族平均速率[61。 l>i ) lI 其中QJ为用户Z接收到的代码的协方差矩阵。在【4】,[5]oe作者 指出.当给上行信道和下行信道设置相同的能量限制时,可以 Cr ̄(Hn一一, ,P) {( …,凰): ≤1}(5) 得出下行可达的最大DPC速率区域。如图4给出了两个用户 其中C嗍(凰,P)表示第i个用户在能量P限制下的单一速率。 (M=2,N=I)时的DPC速率域。在区域边缘形成的两条线代表 单用户速率表示为: 两种不同的编码顺序。 C(H,P)= max In lI+HSHH l (6) s≥0.∑ (s)《P 3 MIMO系统中TDMA用户的最大可达传输速率与 其中的最大速率值可以通过单用户“注水”的方法得到。图6显 DPC理论计算的比较 示的是2个用户在广播信道中使用DPC和TDMA的速率域, 目前大多数MIMO系统中都应用了较为简单的TDMA技 条件为输入能量限制P=-10 dB,且每个用户均含有2个发射和 术,即在同一时间内只允许单一用户传输。在实际的通信系统 1个接收天线。 中,上述的DPC方法在实现上是比较复杂的,所以在下行信道 显然,使用TDMA时,C 即为任意时刻单用户的最大速 中比较Ⅱ)MA和理论的DPC方法具有一定的工程意义。在这 率。因此,TDMA的最大速率为: 里,为了确保在同等条件下的广播信道中比较,我们利用了交 C (日 一, ,P)=max C(冠,P) (7) 维普资讯 http://www.cqvip.com 墨兰 :——————— 垩 兰 至 中多用户的最/大可达速率研究 _'…~ J 还平计咒 一 2007,43(21)149 = 一一 —_一, —. / !; : / :M=2 1 。: —一 _●—— ! ! M--4 : i . 图6性1。肥2图8肚4,K:10。 肚2时。。 值不同时,DPC速率相对于 。T。MA的速率域 TDMA的速率增益 DPc的理论速率相对于TDMA的最大可达速率的增益义为口 ~一’ 定 脏 : P=30dB P=-20 dB … 10 dB … .1 …P=O dB …… I 图9 1, _4,不同输入功率限制时.DPc 速率相对于TDMA的速率增益 懵 度增耋 薹限制的增用户且每个用户都拥有1益趋近于发射天线的个数Ⅳ 加K相 个接收天线 …~… 叫 对于TDMA的速率增益 p/dB : ̄MI MO (b)DPC速率相对于TDMA的速率增益 缸曲 阳 。要。 的最大中,采用“图7最大可达速率和速率增益 可达速率的计 重复注水”的方法可以有效地 。 很复杂的,理论上采用“ ” 磊 通信系统中,这种编码方 I文 2釜 查篓率与分析比较了在广播信 ;集 理论最大 ,随着输入功率的升高置 . .竺 苎量兰D射天线个数与接收天线个 接收天线的情况T, , ̄:ffJ Pc的理论速率趋于相同茹 较低的输入功率下 ,或者仅增加移动用户 基 。: 维普资讯 http://www.cqvip.com 152 2007,43(21) Computer Engineering and Applwaions计算机工程与应用 步骤5重复以上步骤,直到满足设定的条件为止退出循环。 算法,因为IDANS算法采取了动态更新优化检测器集合的策 (2)检测阶段 略和协同信号机制,在进化过程中,检测器检测异常的能力也 步骤1待检数据送检,如果不匹配则判断为正常数据:否 随之不断提高,进化到1 000代以后11P几乎接近100%.FP几 则,考察是否收到协同刺激信号。 乎为0。 步骤2若收到协调刺激信号,则向控制台报警并记录异常 实验2:实验数据使用1999年DARPA的入侵检测评估数 数据;否则,考察是否收到协同抑制信号。 据[司。本文采用了其中第一周和第五周的数据:第一周数据不包 步骤3若收到协同抑制信号,则认为是虚警;否则,考察等 括攻击,用作训练数据;第五周数据包含攻击并有标注.提取其 待时间是否到达。 中1 000条数据作测试数据。文中采用的基因来自数据报头。 步骤4若等待时间到达,则向控制台报警并记录异常数 提取的测试数据包含12种不同类型,共l13个入侵(覆盖了 据;否则,进入步骤2。 DoS以及Probes两类攻击)。检测结果如表2所示: 步骤5重复以上步骤,直到待检数据检测完毕。 表2两种算法检测性能对比 3.3 IDANS与阴性选择算法的比较 与阴性选择算法相比较,IDANS算法有如下几个特点: (1)将已知病毒进行编码并变异添加候选检测器集合中。 检测器集合对于已知病毒具有先天抗体。从而避免了产生大量 无效检测器。 (2)候选检测器与自体耐受之前先与已有的检测器集合进 由表2的检测结果可见,对标准测试数据,IDANS算法在 行耐受,可以使有效检测器的覆盖空间互不相交,有效地去除 检测率、误检率等检测性方面仍优于NSA算法。 冗余检测器,提高检测器的生成效率。 (3)对基因库进行优化,有利于生成的检测器集合检测到 5 结论 曾经识别过的病毒。 本文提出了一种改进的基于朋性选择的网络入侵检测器 (4)协同信号的引入增加了检测系统对系统正常变化的耐 生成算法IDANS,该算法有效地去除了冗余检测器,提高了检 受,从而有效减少虚警的发生。 测器集合的有效性,并大大减少了虚警的发生,通过实验证明 了IDANS算法在检测性能方面优于NSA算法。 4仿真试验与结果 (收稿日期:2006年11月) 实验1:实验数据来自某大学教研室局域网的网络通信数 据。从中选取10000条记录作为检测数据,其中包括18种类 参考文献: 型的1 280条攻击数据,8 720条正常网络数据。 【11 Forrest S,Perelson A S.Self—nonself discrimination in a computer 假设实验进行的总代数为1 000,分10组将10 000条检 [J】.IEEE Computer Society Symposium on Research in Security 测数据输送到系统进行检测,每组包含攻击数据128条.正常 and Privacy,Proceedings,16—18 May 1994:202—212. 网络数据872条。检测结果如表1所示。 [2】D’haeseleer P,Forrest S,Helman P.An irnmunological approach to 表1 两种算法检测性能的比较结果 change detection:algorithms,naalysis and implications【C]//Prco of IEEE Symposium on Security and Privacy,1996,5(6):1 10-1 19. 【31 Zhang Ya—Jing,Hou Chao-Zhen,Wang Fang,et a1.A niching nega— tire selective genetic algorithm for self-nonself discrimination in a computer【C]//International Conference on Machine Learning and Cybernetics,2002,11(1):276-280. 【41李涛.计算机免疫学【M1●E京:电子工业出版社,2004. [5】张著洪,黄席樾.一种新的免疫算法及其在多模态函数优化中的应 用叨.控制理论与应用,2003,1(21):17—21. 实验1的结果表明。IDANS算法在检测率方面优于NSA [6】http:#www.11.mit.edu/lST/ideval/data/1 99911 999_data_index.htm1. (上接149页) 【31 Yu W,Cio J.Trellis precoding for the broadcast channel[C]//Prco 系统中TDMA与DPC的理论速率没有明显的差距.这种情况 G1obal Communcations Conf.2oo1—10:1344—1348. 下DPC不存在实际的应用价值。使用简单的TDMA技术就可 【41 Vishwanath S,Jindal N,Goldsmith A.Duality achievable rates,and 以达到很好的传输速率。(收稿日期:2006年l1月) sum-rate capacity of MIMO broadcast channels叨.IEEE Trans Inform Theory,2003,49(10):2658—2668. 参考文献: [5】Jindal N,Vishwanath S,Goldsmith A.On the duality of multiple— 【11 Weingarten H,Steinberg Y,Shami S.Capacity region of the degraded access and broadcast channels[C]//Proc A1Inon Conf Communicatons, MIMO broadcast channel[J]JEEE Trans Inform Theory,2004. Contorl,and Computing,2001. 【2】Yu Wei,Rhee Wonjong,Boyd S,et a1.Iterative water-filling for 【61 Jiudal N,Goldsmith AX)irty paper coding vs.TDMA f0r MIMO Gaussina vector multiple access channels叨.IEEE Trnasactions on broadcast channels[C]//IEEE International Conf On Communications, Ifnormation Theory,2004,50(1):145—151. 2()o4-o6