改進(jìn)的MU-MIMO線性預(yù)編碼算法

張繼榮, 劉亞麗, 江 馳

(西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院, 陜西 西安 710121)

改進(jìn)的MU-MIMO線性預(yù)編碼算法

張繼榮, 劉亞麗, 江 馳

(西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院, 陜西 西安 710121)

針對(duì)MU-MIMO系統(tǒng)中多用戶天線之間存在的干擾問題，提出一種塊狀對(duì)角化-最小均方誤差(BD-MMSE)算法。該算法是在信噪比一定的情況下，先用BD預(yù)編碼算法在發(fā)送端消除多用戶之間的干擾，然后在接收端使用MMSE信號(hào)檢測(cè)技術(shù)對(duì)每個(gè)用戶多個(gè)天線之間的干擾進(jìn)行消除，最終使誤比特率達(dá)到最小。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)的預(yù)編碼算法比單一的預(yù)編碼算法的BER性能有顯著提高。

IEEE802.11ac協(xié)議； MU-MIMO 空間調(diào)度算法； 最小均方誤差檢測(cè)； 塊狀對(duì)角化算法

隨著人們對(duì)于高畫質(zhì)和高保真音質(zhì)的追求，利用高速無線網(wǎng)絡(luò)播放高清影音的需求越來越大。推動(dòng)了無線網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)換代。傳統(tǒng)的802.11ag甚至802.11n無線網(wǎng)絡(luò)都已經(jīng)無法滿足這一需求。因此只能將希望寄予下一代無線網(wǎng)絡(luò)——IEEE 802.11ac無線網(wǎng)絡(luò)[1]。

IEEE 802.11ac作為下一代無線wifi的標(biāo)準(zhǔn)并不是現(xiàn)在才提出的。其實(shí)早在2008年上半年IEEE802.11ac項(xiàng)目就已經(jīng)開始著手準(zhǔn)備了，當(dāng)時(shí)被稱為超高吞吐量(Very High Throughput)，其目標(biāo)是提供至少1Gbps帶寬進(jìn)行多站式無線局域網(wǎng)通信，或最少500Mbps的單一連接傳輸帶寬。

從核心技術(shù)來看，802.11ac將繼續(xù)沿用802.11n的MIMO技術(shù)，為它的傳輸速率達(dá)到Gbps量級(jí)打下基礎(chǔ)，第一階段的目標(biāo)是傳輸速率達(dá)到1Gbps。802.11ac每個(gè)通道的工作頻寬將由802.11n的40MHz提升到80MHz甚至是160MHz?？臻g流數(shù)目由11n的4*4MIMO發(fā)展為11ac的8*8MIMO。調(diào)制技術(shù)由802.11n的64QAM提升至高達(dá)802.11ac的256-QAM。再加上大約10%的實(shí)際頻率調(diào)制效率的提升，最終理論傳輸速率將由802.11n中最高的600Mbps躍升至1Gbps。而MU-MIMO作為802.11ac的新技術(shù)可以在多個(gè)終端設(shè)備同時(shí)連接AP，每個(gè)裝置可以獨(dú)立使用不同的空間流傳輸數(shù)據(jù)，進(jìn)而減少競(jìng)爭(zhēng)。但是它需要知道發(fā)射端的信道狀態(tài)信息來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，來消除各用戶之間的干擾。MU-MIMO系統(tǒng)通過把SDMA技術(shù)與MIMO處理相結(jié)合，來獲得更高的系統(tǒng)容量。但由于處理能力和標(biāo)準(zhǔn)QoS的限制，只有有限的用戶數(shù)量可以同時(shí)得到服務(wù)。因此對(duì)于一個(gè)具有大量用戶的MIMO系統(tǒng)而言，合理的分配用戶組就顯得尤為重要。

預(yù)編碼技術(shù)是一種用在發(fā)射端來抑制多用戶間干擾的預(yù)均衡方法。MIMO預(yù)編碼技術(shù)可以有效的防止誤碼擴(kuò)散，降低接收端的復(fù)雜度，提高M(jìn)U-MIMO的傳輸性能。目前下行 MU-MIMO 系統(tǒng)的預(yù)編碼技術(shù)主要分為線性和非線性兩大類。非線性預(yù)編碼技術(shù)[2-3]主要有臟紙編碼(Dirty Paper Coding, DPC)和 THP (Tomlinson- Harashima Precoding)算法等。線性預(yù)編碼技術(shù)[4-5]主要包括迫零信道反轉(zhuǎn)(Zero-Forcing Channel Inversion，ZF-CI)算法、塊對(duì)角化(Block Diagonalization，BD)算法等。由于非線性預(yù)編碼技術(shù)運(yùn)算復(fù)雜度比較高，很難在實(shí)際系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，所以線性預(yù)編碼技術(shù)在實(shí)際通信系統(tǒng)中獲得廣泛的使用。然而目前的預(yù)編碼算法[6]只考慮到多用戶間的干擾而沒有考慮用戶多天線間的干擾。因此本文提出BD-MMSE算法來消除用戶間以及多天線間的干擾。

目前關(guān)于802.11ac標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的研究還處于初級(jí)階段，相關(guān)的文獻(xiàn)不是很多。本文只是針對(duì)在下行MU-MIMO系統(tǒng)中的預(yù)編碼技術(shù)進(jìn)行研究。通過文獻(xiàn)[7]可知比例公平調(diào)度算法(PFS)既考慮了系統(tǒng)吞吐率的同時(shí)也考慮了多用戶之間的公平，所以首先選用PFS算法來選取用戶組。選定服務(wù)用戶組以后再采用線性預(yù)編碼算法來抑制多用戶間干擾(MUI)并調(diào)整每一個(gè)單用戶的傳輸。當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)接收端以后，采用最小均方誤差(MMSE)檢測(cè)技術(shù)來消除用戶多天線之間的干擾，從而提高系統(tǒng)的BER性能。

1 系統(tǒng)模型

yi=Hix+zi(i=1,2,…,k),

其中zi∈MR×1為第i個(gè)用戶的加性噪聲。

圖1 系統(tǒng)模型

根據(jù)系統(tǒng)模型，在下行鏈路中，用戶是獨(dú)立分散的，因此接收天線之間無法進(jìn)行協(xié)同工作。而基站在同時(shí)向多個(gè)用戶發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，每個(gè)用戶都會(huì)接收到其他所有用戶的信號(hào)。這樣就會(huì)產(chǎn)生多用戶間的干擾，且受制于用戶端成本等因素的考慮，無法通過接收端的均衡來消除，因此需要在發(fā)送端采用預(yù)編碼技術(shù)來消除端用戶之間的干擾。

2 空間調(diào)度算法

在進(jìn)行預(yù)編碼之前，首先通過比例公平調(diào)度算法[8-9](PFS)對(duì)用戶進(jìn)行分組。

假設(shè)在時(shí)隙n第i個(gè)用戶的支持速率為Ri[n]。使用比例公平調(diào)度算法后，基站選取在當(dāng)前時(shí)刻n上支持速率Ri[n]與其平均速率Ti[n]之比最大的用戶i*[n] 進(jìn)行資源分配和數(shù)據(jù)傳輸。即

其中用戶i的平均速率Ti[n]更新如下

3 線性預(yù)編碼算法

3.1 塊狀對(duì)角化算法

在線性鏈路中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕獑栴}[10]是不能在接收機(jī)之間直接進(jìn)行協(xié)同檢測(cè)，因此需要在基站側(cè)使用預(yù)編碼來消除數(shù)據(jù)之間的干擾，傳統(tǒng)的BD算法[11]只是對(duì)發(fā)送端的干擾進(jìn)行處理而沒有考慮接收端的干擾。

其中Hi∈MR,i×MT為BS和第i個(gè)用戶之間的信道矩陣，Wi∈MT×MR,i為第i個(gè)用戶的預(yù)編碼矩陣，zi是噪聲向量。

要想使上式的有效信道矩陣能夠被塊狀對(duì)角化，則需要滿足如下關(guān)系式

HiWk=0 (i≠k),

也就是要求預(yù)編碼矩陣Wi∈Mt×MR,i必須落在除第i個(gè)用戶外的其他所有用戶的信道矩陣i的零空間中。

表示對(duì)第i個(gè)用戶的預(yù)編碼矩陣。

3.2 迫零檢測(cè)算法

預(yù)編碼技術(shù)只能消除多用戶間的干擾，而對(duì)于每個(gè)用戶的天線間干擾需要用信號(hào)檢測(cè)方法[12]來消除。信號(hào)檢測(cè)是將來自目標(biāo)發(fā)射天線的期望信息流當(dāng)做有用信息，同時(shí)把其他的發(fā)射信號(hào)當(dāng)做干擾。為了檢測(cè)來自每根天線的期望信號(hào)，需要利用一個(gè)加權(quán)矩陣W實(shí)現(xiàn)信道逆轉(zhuǎn)，即

使用迫零檢測(cè)算法進(jìn)行多天線間干擾的消除，它所使用的加權(quán)矩陣為

WZF=(HHH)-1HH，

其中(·)H表示轉(zhuǎn)置操作。由此可以得到檢測(cè)信號(hào)

其中

3.3 MMSE信號(hào)檢測(cè)

MMSE判決的信號(hào)檢測(cè)方法[13]是在有背景噪聲環(huán)境中的最佳檢測(cè)方案，可以使每個(gè)用戶都能達(dá)到最小的誤碼率。

首先令MMSE中的加權(quán)矩陣

4 系統(tǒng)性能評(píng)估

在802.11ac系統(tǒng)模型中,對(duì)4×4的MU-MIMO系統(tǒng)用Matlab仿真的方法分析所提出的BD-MMSE檢測(cè)算法。

仿真過程中的參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 空間信道模型的參數(shù)

圖2為線性預(yù)編碼算法的平均誤比特率曲線，可以看出，迫零檢測(cè)算法(ZF)的BER性能最差，原因是迫零檢測(cè)算法(ZF)是利用信道矩陣H的偽逆H+作為波束成型矩陣，可以完全消除用戶端的干擾，但是它在干擾消除的過程中，也大大的消減了信號(hào)的有用成分。而MMSE檢測(cè)算法的BER性能優(yōu)于ZF算法，其原因是它允許存在小部分的同信道干擾殘留，能最大程度地減小預(yù)編碼過程中對(duì)有用信號(hào)所造成的衰減。至于最大似然(ML)算法，雖然它能獲得很好的BER性能，但是由于它的復(fù)雜度比較高，所以很少使用。

圖2 線性編碼的平均誤比特率曲線

從仿真結(jié)果圖3中可以看出，使用MMSE檢測(cè)的塊狀對(duì)角化算法的BER性能優(yōu)于使用迫零檢測(cè)的塊狀對(duì)角化算法的BER性能。MMSE檢測(cè)可以將實(shí)際傳輸?shù)男盘?hào)和檢測(cè)出來的信號(hào)之間的均方誤差保持最小。它是在噪聲放大和干擾抑制之間權(quán)衡的結(jié)果。

圖3 BD-ZF與BD-MMSE算法誤比特率的比較

圖4對(duì)比了采用MMSE檢測(cè)算法的軟判決和MMSE檢測(cè)算法硬判決?？梢园l(fā)現(xiàn)軟判決比硬判決更能給系統(tǒng)帶來性能的提升。所以采用BD預(yù)編碼消除用戶間干擾以后，再使用MMSE軟判決在接收端進(jìn)行多天線干擾消除，即可提高用戶的BER性能。

圖4 MMSE線性檢測(cè)的軟判決與

5 結(jié)論

目前的線性預(yù)編碼算法有很多種，本文就MU-MIMO系統(tǒng)中用戶干擾問題提出了一種將塊狀對(duì)角化算法與MMSE檢測(cè)算法相結(jié)合的方法，也就是BD-MMSE算法，這種方法不僅消除了多用戶之間產(chǎn)生的干擾，同時(shí)也消除了用戶上多天線之間的干擾。從仿真結(jié)果可以看出，所提方法可以提高用戶的BER性能。

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[責(zé)任編輯:孫書娜]

Improved MU-MIMO linear precoding algorithm

ZHANG Jirong, LIU Yali, JIANG Chi

(School of Communication and Information Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China)

In order to solve the problem of interference existing between multi-user antennas at MU-MIMO system, a BD-MMSE precoding algorithm is proposed in this paper. Under certain SNR conditions, a BD precoding algorithm is used to eliminate interference between multiple users at the sender, the MMSE detection technique is then used for each of the plurality of antennas between users to eliminate the interference at the receiver, and finally the bit error rate is minimized. Simulation experiments show that the improved pre-coding algorithm can significantly improve BER performance than the single pre-coding algorithm.

IEEE802.11ac standard, MU-MIMO, the minimum mean square error detection, block diagonalization precoding algorithm(BD).

10.13682/j.issn.2095-6533.2014.06.011

2014-09-05

張繼榮(1963-)，女，博士，教授，從事現(xiàn)代通信網(wǎng)研究。E-mail:comnet@xupt.edu.cn 劉亞麗(1989-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代通信網(wǎng)。E-mail:xuptliuyali@163.com

TN914.3

A

2095-6533(2014)06-0058-04