《電子技術(shù)應(yīng)用》
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MIMO系統(tǒng)的正則塊對(duì)角化迫零矢量預(yù)編碼設(shè)計(jì)
2015年微型機(jī)與應(yīng)用第10期
劉國(guó)華1,黃洪瓊1,,吳 程2
(1.上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院,,上海 201306,; 2.江蘇省江陰中等專業(yè)學(xué)校,,江蘇 無錫 214433)
摘要: 為了進(jìn)一步減少多用戶MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)下行傳輸系統(tǒng)的誤碼率,,提出了正則塊對(duì)角化迫零矢量預(yù)編碼設(shè)計(jì)(RBD-ZF-VP),。該方法利用正則塊對(duì)角化預(yù)編碼(RBD)和矢量預(yù)編碼(VP)的優(yōu)點(diǎn),,在原有MIMO系統(tǒng)RBD預(yù)編碼的基礎(chǔ)上,,將RBD預(yù)編碼的矩陣轉(zhuǎn)變成信道等價(jià)矩陣,,然后利用迫零(ZF)準(zhǔn)則求出VP的擾動(dòng)矢量,再將擾動(dòng)矢量加到原有信號(hào)上構(gòu)成新信號(hào)向量,,接著對(duì)新信號(hào)向量進(jìn)行處理,。仿真結(jié)果表明,該方案支持多用戶多天線MIMO傳輸系統(tǒng),,與傳統(tǒng)的塊對(duì)角化(BD)預(yù)編碼和RBD預(yù)編碼相比,,有效地提升了系統(tǒng)性能,具有顯著的系統(tǒng)誤碼率性能優(yōu)勢(shì),。
Abstract:
Key words :

  摘  要: 為了進(jìn)一步減少多用戶MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)下行傳輸系統(tǒng)的誤碼率,,提出了正則塊對(duì)角化迫零矢量預(yù)編碼設(shè)計(jì)(RBD-ZF-VP)。該方法利用正則塊對(duì)角化預(yù)編碼(RBD)和矢量預(yù)編碼(VP)的優(yōu)點(diǎn),,在原有MIMO系統(tǒng)RBD預(yù)編碼的基礎(chǔ)上,,將RBD預(yù)編碼的矩陣轉(zhuǎn)變成信道等價(jià)矩陣,然后利用迫零(ZF)準(zhǔn)則求出VP的擾動(dòng)矢量,,再將擾動(dòng)矢量加到原有信號(hào)上構(gòu)成新信號(hào)向量,,接著對(duì)新信號(hào)向量進(jìn)行處理,。仿真結(jié)果表明,該方案支持多用戶多天線MIMO傳輸系統(tǒng),,與傳統(tǒng)的塊對(duì)角化(BD)預(yù)編碼和RBD預(yù)編碼相比,,有效地提升了系統(tǒng)性能,具有顯著的系統(tǒng)誤碼率性能優(yōu)勢(shì),。

  關(guān)鍵詞: MIMO系統(tǒng),;多用戶MIMO;預(yù)編碼

0 引言

  MIMO技術(shù)是未來無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),。當(dāng)發(fā)射端已知準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息時(shí),,預(yù)編碼處理的目的是改善性能和提高系統(tǒng)容量,可以分為線性預(yù)編碼和非線性預(yù)編碼,。對(duì)于線性預(yù)編碼,,常用ZF[1]和BD方法,參考文獻(xiàn)[2]中BD方法通過尋找使等價(jià)信道塊對(duì)角化的預(yù)編碼矩陣,,形成等價(jià)的并行單用戶多天線信道,,各用戶間的干擾為零。此時(shí),,每個(gè)用戶可視為獨(dú)立的MIMO信道,,然后采用單用戶的信號(hào)處理方法。然而,,BD技術(shù)需要每個(gè)接收用戶的信道狀態(tài)信息,,在完全消除多用戶干擾的同時(shí)沒有考慮噪聲的影響,在中低信噪比區(qū)域的系統(tǒng)性能較差,。參考文獻(xiàn)[3]中RBD算法在抑制多用戶干擾的同時(shí)考慮噪聲的影響,,首先均衡噪聲與多用戶干擾,將多用戶MIMO信道分解為單用戶MIMO信道,,然后對(duì)每個(gè)子單用戶信道做進(jìn)一步優(yōu)化處理以獲得更優(yōu)的系統(tǒng)性能,,但是在噪聲較高的情況下系統(tǒng)預(yù)編碼的誤碼率性能較差。非線性預(yù)編碼主要包括臟紙編碼,、湯姆林森-哈拉?,旑A(yù)編碼(THP)、VP預(yù)編碼,。參考文獻(xiàn)[4]首先提出了基于ZF準(zhǔn)則和正則化的VP方法,。參考文獻(xiàn)[5]針對(duì)參考文獻(xiàn)[4]中的問題進(jìn)行了改進(jìn),求解了最優(yōu)的正則化系數(shù),,并利用擾動(dòng)矢量的統(tǒng)計(jì)特性重新構(gòu)造了接收端的信號(hào)處理,,獲得了1.5 dB的性能增益。

  本文提出RBD-ZF-VP預(yù)編碼設(shè)計(jì),,這種預(yù)編碼算法首先設(shè)計(jì)RBD預(yù)編碼,,接著提出等價(jià)信道,,再利用迫零準(zhǔn)則設(shè)計(jì)新方案的預(yù)編碼矩陣,最后進(jìn)行矢量預(yù)編碼設(shè)計(jì),。在考慮多用戶干擾的同時(shí)考慮噪聲的影響,,在發(fā)射信號(hào)向量調(diào)制后,通過ZF準(zhǔn)則求出RBD-ZF-VP算法預(yù)編碼矩陣,,接著最小化功率歸一化縮放因子ZF計(jì)算出用戶k的最優(yōu)擾動(dòng)矢量,,將其線性相加到原始信號(hào)上,構(gòu)成新的信號(hào)向量,,然后與由ZF準(zhǔn)則求得的預(yù)編碼矩陣相乘獲得發(fā)射信號(hào),。在接收端,通過接收矩陣來均衡接收信號(hào),,再使用模運(yùn)算來消除擾動(dòng)矢量的作用,,最后得到原始信號(hào)的估計(jì)值。這種算法支持多數(shù)據(jù)流傳輸,,與傳統(tǒng)的BD和RBD預(yù)編碼算法相比,,取得了較好的多樣性性能,進(jìn)一步降低了系統(tǒng)誤碼率,。

1 系統(tǒng)模型

001.jpg

  MIMO下行多用戶鏈路系統(tǒng)的模型如圖1所示。假設(shè)基站發(fā)射天線數(shù)為NT,,用戶k(k=1,,2,3,,…,,K)的接收天線數(shù)為NRk,在系統(tǒng)接收端共有K個(gè)用戶,,所有用戶的總接收天線數(shù)為:

  N9S9)M~{8K]{]`}GQ@KU2ZF.png

  發(fā)射信號(hào)向量為:

  x=[x1H,,x2H,…,,xKH]H∈Cr×1,,xk∈Crk×1

  發(fā)射天線到所有接收天線的信道矩陣為:

  H=[H1H,H2H,,…,,HKH]H∈CNR×NT,Hk∈CNRk×NT(2)

  所有用戶接收的加性噪聲為n=[n1H,,n2H,,…,nkH]H∈CNR×1,。每個(gè)元素是獨(dú)立同分布的,,服從均值為零,,方差為n2的復(fù)高斯分布。

  本文研究的系統(tǒng)為下行多用戶鏈路系統(tǒng),,所有用戶的接收信號(hào)為:

  y=G(HFx+n)(3)

  其中,,y=[y1H,y2H,,…,,ykH]H∈Cr×1。

  發(fā)射預(yù)編碼矩陣為:

  F=[F1,,F(xiàn)2,,…,F(xiàn)K]∈CNT×r

  接收均衡矩陣為:

  G=diag(G1,,G2,,…,GK)∈Cr×NR

2 RBD-ZF-BD預(yù)編碼設(shè)計(jì)

  引用參考文獻(xiàn)[3]與參考文獻(xiàn)[6],,在RBD設(shè)計(jì)方案中,,預(yù)編碼矩陣可以表示為:

  4.png

  其中,F(xiàn)a=[Fa1,,F(xiàn)a2,,…,F(xiàn)aK]∈CNT×Nx,,F(xiàn)b=diag(Fb1,,F(xiàn)b2,…,,F(xiàn)bK)∈CNx×r,。

  參數(shù)4+.jpg滿足的功率約束條件為:4++.jpg,PT為總發(fā)射功率,。

  5.jpg

  優(yōu)化準(zhǔn)則為:

  6.png

  每個(gè)用戶k的預(yù)編碼矩陣為:

  Fak=Nak·Dak(7)

  7.pngDak∈RNT×NT分別為酉矩陣和主對(duì)角線大于等于零的功率負(fù)載對(duì)角矩陣,。

  3HDBTV}UPC}78J(YX8DU5WF.jpg

  在RBD預(yù)編碼設(shè)計(jì)后,接著進(jìn)行矢量預(yù)編碼設(shè)計(jì),。在矢量預(yù)編碼中,,使用當(dāng)前用戶k的信道和用戶k的預(yù)編碼矩陣根據(jù)ZF準(zhǔn)則和功率歸一化條件計(jì)算出擾動(dòng)矢量,將其線性相加到原始信號(hào)上去,,構(gòu)成新的信號(hào)向量,,然后對(duì)其進(jìn)行預(yù)編碼,獲得發(fā)射信號(hào),。圖2給出了包含矢量預(yù)編碼的系統(tǒng)傳輸模型,。

002.jpg

  在發(fā)送端分別對(duì)每個(gè)用戶的數(shù)據(jù)流進(jìn)行編碼,用戶k的預(yù)編碼矩陣為:

  8.png

  基于這個(gè)預(yù)編碼矩陣,,本文提出新算法的等價(jià)信道為:

  9.png

  根據(jù)這個(gè)等價(jià)信道,,本文利用ZF準(zhǔn)則,,發(fā)射預(yù)編碼矩陣和等價(jià)信道矩陣滿足Heff,kF=I,,因此預(yù)編碼矩陣FZF=H,,接著使用功率歸一化條件,歸一化縮放因子為:

  10.png

  由于H增強(qiáng)了發(fā)送功率,,為了減少每個(gè)用戶預(yù)編碼信號(hào)矢量的標(biāo)準(zhǔn),,提出了發(fā)送端應(yīng)用一個(gè)矢量給空間發(fā)送多路傳輸信號(hào)矢量,通過最小化?酌ZF,,用戶k最優(yōu)擾動(dòng)矢量為:

  11.jpg

  在這里k=sk+τllk,,sk是在求解擾動(dòng)矢量前QAM調(diào)制后第k個(gè)用戶的發(fā)送信號(hào)矢量,lk是第k個(gè)用戶的擾動(dòng)矢量,,在間隔為τ的整數(shù)格τZ2Lk中選取,,τ是正整數(shù),τ=(M-QAM星座圖),,等價(jià)于以τ為間隔單位擴(kuò)展了原始信號(hào)的星座圖,,擴(kuò)大了發(fā)射信號(hào)的自由度,降低了發(fā)射信號(hào)的功率,。lk通過最小化功率歸一化縮放因子?酌ZF得到,。在接收端通過模操作將τlk去除,不影響原始信號(hào)的量化解調(diào),。由于發(fā)送端發(fā)送了由于擾動(dòng)干擾的錯(cuò)誤符號(hào),,接收到的信號(hào)yk=k+nk,k=mod(yk),。

3 仿真結(jié)果分析

  對(duì)提出的RBD-ZF-VP預(yù)編碼與其他預(yù)編碼方法進(jìn)行比較,采用多用戶多天線下行鏈路系統(tǒng),,使用符號(hào){Nr,,1,Nr,,2…Nr,,K}×Nt對(duì)用戶數(shù)目和收發(fā)天線進(jìn)行描述,采用4QAM的調(diào)制,。信道模型采用平坦衰落信道,,平坦衰落系數(shù)服從均值為0、方差為1的復(fù)高斯分布,。通過仿真將本文算法與BD,、RBD和BD-ZF-VP算法對(duì)誤碼率性能進(jìn)行比較。圖3~圖5分別為對(duì)收發(fā)天線結(jié)構(gòu)為{2,,2}×4,、{2,,4}×6、{3,,3}×6的系統(tǒng)進(jìn)行了比較,,分別表示了不同用戶接收天線相等、不同用戶接收天線不相等的兩種情況,。

004.jpg

  格規(guī)約算法顯著地提高了MIMO系統(tǒng)的分集增益,,在下面的仿真圖中,新提出的RBD-ZF-BD預(yù)編碼的誤碼率性能優(yōu)勢(shì)明顯,,尤其是高信噪比時(shí),。在圖3和圖5中,不同用戶接收天線相等時(shí),,新算法{3,,3}×6的系統(tǒng)的誤碼率性能優(yōu)于{2,2}×4系統(tǒng)誤碼率性能,,在接收天線數(shù)目增多時(shí),,新算法的誤碼率性能提高顯著。在圖5中,,在誤碼率為10-2時(shí),,RBD-ZF-VP預(yù)編碼相比傳統(tǒng)的BD預(yù)編碼信噪比降低了近8 dB;在誤碼率為10-3時(shí),,RBD-ZF-VP預(yù)編碼比BD-ZF-VP預(yù)編碼信噪比降低了約2 dB,,并且隨著信噪比的提高,誤碼率性能越明顯,。顯然,,RBD-ZF-VP預(yù)編碼算法的誤碼率性能好于其他3種算法,性能較好的原因部分在于基于MMSE準(zhǔn)則設(shè)計(jì)的RBD算法,,部分在于矢量預(yù)編碼本身較大的分集增益,。

4 結(jié)論

  本文提出了RBD-ZF-VP預(yù)編碼算法,該算法支持多用戶MIMO系統(tǒng)中多數(shù)據(jù)流傳輸,,不需要額外的信息交互,,相比于BD預(yù)編碼、RBD預(yù)編碼,、BD-ZF-VP預(yù)編碼方案,,誤碼率性能顯著降低,具有較好的實(shí)用價(jià)值,,是一種適用于多用戶多天線下行鏈路系統(tǒng)的有效算法,。

  參考文獻(xiàn)

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