MIMO系統(tǒng)的正則塊對角化迫零矢量預(yù)編碼設(shè)計*

劉國華，黃洪瓊，吳　程（.上海海事大學(xué)　信息工程學(xué)院，上?！?306；.江蘇省江陰中等專業(yè)學(xué)校，江蘇　無錫　4433）

MIMO系統(tǒng)的正則塊對角化迫零矢量預(yù)編碼設(shè)計*

劉國華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）

為了進一步減少多用戶MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）下行傳輸系統(tǒng)的誤碼率，提出了正則塊對角化迫零矢量預(yù)編碼設(shè)計（RBD-ZF-VP）。該方法利用正則塊對角化預(yù)編碼（RBD）和矢量預(yù)編碼（VP）的優(yōu)點，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)變成信道等價矩陣，然后利用迫零（ZF）準則求出VP的擾動矢量，再將擾動矢量加到原有信號上構(gòu)成新信號向量，接著對新信號向量進行處理。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。

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)射端已知準確的信道狀態(tài)信息時，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。對于線性預(yù)編碼，常用ZF［1］和BD方法，參考文獻［2］中BD方法通過尋找使等價信道塊對角化的預(yù)編碼矩陣，形成等價的并行單用戶多天線信道，各用戶間的干擾為零。此時，每個用戶可視為獨立的MIMO信道，然后采用單用戶的信號處理方法。然而，BD技術(shù)需要每個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［3］中RBD算法在抑制多用戶干擾的同時考慮噪聲的影響，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，然后對每個子單用戶信道做進一步優(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［4］首先提出了基于ZF準則和正則化的VP方法。參考文獻［5］針對參考文獻［4］中的問題進行了改進，求解了最優(yōu)的正則化系數(shù)，并利用擾動矢量的統(tǒng)計特性重新構(gòu)造了接收端的信號處理，獲得了1.5dB的性能增益。

本文提出RBD-ZF-VP預(yù)編碼設(shè)計，這種預(yù)編碼算法首先設(shè)計RBD預(yù)編碼，接著提出等價信道，再利用迫零準則設(shè)計新方案的預(yù)編碼矩陣，最后進行矢量預(yù)編碼設(shè)計。在考慮多用戶干擾的同時考慮噪聲的影響，在發(fā)射信號向量調(diào)制后，通過ZF準則求出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γZF計算出用戶k的最優(yōu)擾動矢量，將其線性相加到原始信號上，構(gòu)成新的信號向量，然后與由ZF準則求得的預(yù)編碼矩陣相乘獲得發(fā)射信號。在接收端，通過接收矩陣來均衡接收信號，再使用模運算來消除擾動矢量的作用，最后得到原始信號的估計值。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，進一步降低了系統(tǒng)誤碼率。

1　系統(tǒng)模型

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個用戶，所有用戶的總接收天線數(shù)為：

發(fā)射信號向量為：

發(fā)射天線到所有接收天線的信道矩陣為：

CNR×1。每個元素是獨立同分布的，服從均值為零，方差為σ的復(fù)高斯分布。

圖1　多用戶MIMO下行鏈路系統(tǒng)模型

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為：

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

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

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)β滿足的功率約束條件為：β2‖F(xiàn)aFbx‖2≤PT，PT為總發(fā)射功率。

優(yōu)化準則為：

每個用戶k的預(yù)編碼矩陣為：

在RBD預(yù)編碼設(shè)計后，接著進行矢量預(yù)編碼設(shè)計。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準則和功率歸一化條件計算出擾動矢量，將其線性相加到原始信號上去，構(gòu)成新的信號向量，然后對其進行預(yù)編碼，獲得發(fā)射信號。圖2給出了包含矢量預(yù)編碼的系統(tǒng)傳輸模型。

圖2　矢量預(yù)編碼框圖

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

基于這個預(yù)編碼矩陣，本文提出新算法的等價信道為：

3　仿真結(jié)果分析

對提出的RBD-ZF-VP預(yù)編碼與其他預(yù)編碼方法進行比較，采用多用戶多天線下行鏈路系統(tǒng)，使用符號｛Nr，1，Nr，2…Nr，K｝×Nt對用戶數(shù)目和收發(fā)天線進行描述，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算法對誤碼率性能進行比較。圖3～圖5分別為對收發(fā)天線結(jié)構(gòu)為｛2，2｝×4、｛2，4｝×6、｛3，3｝×6的系統(tǒng)進行了比較，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。

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)勢明顯，尤其是高信噪比時。在圖3和圖5中，不同用戶接收天線相等時，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，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，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8dB；在誤碼率為10-3時，RBD-ZF-VP預(yù)編碼比BD-ZF-VP預(yù)編碼信噪比降低了約2dB，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準則設(shè)計的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、BDZF-VP預(yù)編碼方案，誤碼率性能顯著降低，具有較好的實用價值，是一種適用于多用戶多天線下行鏈路系統(tǒng)的有效算法。

圖3　｛2，2｝×4系統(tǒng)中不同算法誤碼率比較

圖4?。?，4｝×6系統(tǒng)中不同算法誤碼率比較

圖5?。?，3｝×6系統(tǒng)中不同算法誤碼率比較

［1］PEEL C B，HOCHWALD B M，SWINDLEHURST A L.A vector-perturbation technique for near-capa-city multiantenna multiuser communication-part I：channel inversion and regularization［J］.IEEE Transactions on Communication，2005，53（1）：195-202.

［2］SPENCER Q H，SWINDLEHURST A L，HAARDT M.Zero-forcingmethodsfordownlink spatialm-ultiplexingin multiuser MIMO channels［J］.IEEE Transactions on Signal Processing，2004，52（2）：461-471.

［3］STANKOVIC V，HAARDT M.Generalized design of multiuser MIMO precoding matrices［J］.IEEE Transactions on Wireless Communications，2008，7（3）：953-961.

［4］HOCHWALD B M，PEEL C B，SWINDLEHURST A L.A vector-perturbation technique for near-capa-city multiantenna multiuser communication.Part II：perturbation［J］.IEEE Transactions on Communications，2005，53（3）：537-544.

［5］YUEN C，HOCHWALD B M.How to gain 1.5 dB in vectorprecoding［C］.IEEE Global Te-lecommunications Conference，San Francisco，USA，2006：1-5.

［6］CHAE C，SHIM S，HEATH R W Jr.Block diag-onalized vector perturbation for multiuser MIMO systems［J］.IEEE Transactions on Wireless Com-munication，2008，7（11）：4051-4057.

RBD-ZF-VP precoding design for the MIMO system

Liu Guohua1，Huang Hongqiong1，Wu Cheng2
（1.College of Information Engineering，Shanghai Maritime University，Shanghai 201306，China；2.Jiangyin Secondary Vocational School of Jiangsu Province，Wuxi 214433，China）

In order to further reduce the BER of multi-user MIMO（MU-MIMO）downlink transmission system，a RBD-ZF-VP precoding design is proposed.Utilizing the advantages of RBD precoding and VP precoding，the method transforms the RBD precoding matrix into the equivalent channel matrix on the basis of the RBD precoding of the original MIMO system，and then calculates the disturbance vector of VP by utilizing ZF criteria.Finally，a new signal vector will be formed with the disturbance vector added to the original signal vector and then the new signal vector will be processed.The simulation results show that the scheme can be used in multi-user and multi-antenna MIMO transmission system.Compared with the traditional BD precoding and RBD precoding，it improves the performance of the system effectively，which shows that the system has obvious advantages.

MIMO systems；multi-user MIMO；precoding

TN919.3

A

1674-7720（2015）10-0064-03

2014-12-18）

劉國華（1989-），男，碩士，主要研究方向：智能信息處理及應(yīng)用。

黃洪瓊（1973-），女，博士，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：智能信息處理及應(yīng)用。

吳程（1972-），男，本科，高級講師，主要研究方向：電工電子技術(shù)教學(xué)及產(chǎn)品開發(fā)。

上海海事大學(xué)?；穑?0130470）