MIMO BC中新的TH預(yù)編碼方法

劉金鋒,李安平,樊昌周,郭 英

（1.空軍工程大學(xué)理學(xué)院,西安 710051;2.空軍工程大學(xué) 電訊工程學(xué)院,西安 710077）

MIMO BC中新的TH預(yù)編碼方法

劉金鋒1,李安平1,樊昌周2,郭 英2

（1.空軍工程大學(xué)理學(xué)院,西安 710051;2.空軍工程大學(xué) 電訊工程學(xué)院,西安 710077）

針對(duì)多用戶MIMO廣播信道下預(yù)編碼技術(shù)提出了發(fā)射端配置兩根天線的改進(jìn)TH預(yù)編碼方案。該方法突破了傳統(tǒng)TH預(yù)編碼方案發(fā)射天線與接收天線數(shù)量的限制,并且得到了很好的分集和復(fù)用增益。仿真結(jié)果表明,所提算法在容量上接近理論容量界,且當(dāng)誤碼率為10-2時(shí),所提方案相比單天線THP有9 dB的增益。

多輸入多輸出;TH預(yù)編碼;信道協(xié)方差;有限反饋

1 引 言

MIMO技術(shù)有效提高了無(wú)線通信系統(tǒng)的傳輸效率,在不增加帶寬的條件下,所能達(dá)到的系統(tǒng)容量與收發(fā)天線數(shù)的最小值成正比[1]。隨著應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)用化,MIMO的研究熱點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向了多用戶多天線系統(tǒng)。由于多用戶MIMO廣播（MIMO BC）系統(tǒng)各個(gè)用戶彼此不能通信,相對(duì)于上行鏈路復(fù)雜度更高,所以以提高系統(tǒng)總?cè)萘繛槟繕?biāo)的多用戶MIMO下的預(yù)編碼技術(shù)成為了研究的熱點(diǎn)[2]。

文獻(xiàn)[3]從信息論的角度證明了多用戶MIMO BC系統(tǒng)采用臟紙編碼（DPC）可以達(dá)到系統(tǒng)的容量上界,然而其實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度非常高,無(wú)法在實(shí)際中應(yīng)用。文獻(xiàn)[4]采用THP預(yù)編碼方案,即將VBLAST技術(shù)搬移到發(fā)射端,從而獲得比VBLAST更好的符號(hào)檢測(cè)性能。但是,文獻(xiàn)[4]的預(yù)編碼方案對(duì)接收端天線數(shù)量有限制,即接收端天線數(shù)量總和不能大于發(fā)送端天線總數(shù)。本文在發(fā)射端配有兩天線的場(chǎng)景下,對(duì)THP方案進(jìn)行了改進(jìn),改進(jìn)后的THP方案使得接收端沒(méi)有天線數(shù)量的限制,且性能十分優(yōu)良。

2 系統(tǒng)模型

圖1 MIMO BC系統(tǒng)模型Fig.1 System model of MIMO BC

MIMO多用戶廣播通信系統(tǒng)模型如圖1所示。基站配有M根天線,每個(gè)用戶配置Nk根天線,接收用戶數(shù)為K個(gè)。假定信道為平坦瑞利衰落,基站和用戶均已知完整的信道狀態(tài)信息。通信系統(tǒng)接收到的信號(hào)可以表示為

3 傳統(tǒng)的TH預(yù)編碼方法

為了與傳統(tǒng)的TH預(yù)編碼算法對(duì)比,本文僅簡(jiǎn)單介紹接收端為單天線的TH預(yù)編碼算法。其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 接收端為單天線的TH預(yù)編碼模型Fig.2 TH precoding model with single antenna receiver

3.1 基于迫零準(zhǔn)則的TH預(yù)編碼

3.2 接收端為單天線的MMSE-TH預(yù)編碼

4 所提TH預(yù)編碼方法

由于發(fā)射端僅配有兩根天線,此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)最多可以同時(shí)支撐兩個(gè)用戶,且每個(gè)用戶獨(dú)立接收一路數(shù)據(jù)。此時(shí)收發(fā)之間的關(guān)系可以表示如下:至此,得到了全部處理矩陣。

該方案的最大優(yōu)點(diǎn)是可以十分簡(jiǎn)便地求得收發(fā)端聯(lián)合處理的矢量來(lái)使得整個(gè)系統(tǒng)的互相干擾為0,且每個(gè)接收端沒(méi)有天線數(shù)量的限制。但這個(gè)優(yōu)點(diǎn)僅在兩用戶的時(shí)候得以成立,因此,這種方案受到一定的應(yīng)用場(chǎng)景的限制。不過(guò)考慮到發(fā)射端配有兩根天線的場(chǎng)景符合多種規(guī)范,這使得該方案具有良好的實(shí)踐意義。

5 仿真結(jié)果分析

圖3仿真了所提出的THP方案在M=K=NK=2場(chǎng)景下所達(dá)到的系統(tǒng)容量同DPC容量的比較。從圖中可見,兩者在容量上十分接近,這說(shuō)明改進(jìn)方案幾乎達(dá)到了所應(yīng)用場(chǎng)景下的容量極限。

圖3 所提方案與DPC容量比較Fig.3 Capacity comparison between the p roposed algorithm and DPC

圖4仿真了當(dāng)采用QPSK調(diào)制時(shí),所提方案同接收端配有單天線的ZF-THP方案性能的比較。當(dāng)BER=10-2時(shí),所提方案相比單天線THP有9 dB的增益。這表明,所提方案僅通過(guò)在每個(gè)接收端增加一根天線,就帶來(lái)了整個(gè)系統(tǒng)誤比特性能的顯著提高,這主要是因?yàn)榻邮斩硕喑龅奶炀€可以提供額外的分集來(lái)確保可靠的接收。值得注意的是,此時(shí)SNR定義為SNR=P/（σ2lbD）,由于采用QPSK,故D=4。

圖4 所提方案與ZF-THP的誤比特率比較Fig.4 Bit error comparison between the p roposed algorithm and ZF-THP

6 結(jié) 論

本文分析了傳統(tǒng)預(yù)編碼方案的原理,并在此基礎(chǔ)上提出了基于發(fā)射端配置兩天線的一種改進(jìn)的TH預(yù)編碼方案。該方案不僅克服了傳統(tǒng)預(yù)編碼方案對(duì)接收端接收天線限制的缺陷,還提高了多用戶M IMO廣播信道的容量,使其接近理論容量界,且在相同條件下,誤碼特性明顯低于ZF-THP方案。

[1] 羅振東,高宏,劉元安.MIMO信道容量公式及漸近界[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào),2006,29（6）:72-76.

LUO Zhen-dong,GAO Hong,LIU Yuan-an.Formula and asymptopic bound of MIMO channel capcity[J].Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications,2006,29（6）:72-76.（in Chinese）

[2] Weingarten H,Steinberg Y,Shamai（Shitz）S.The capacity region of the Gaussian multiple-input multiple-output broadcast channel[J].IEEE Transactions on Information Theory,2006,52（9）:3936-3964.

[3] Gesbert D,Kountouris M,Heath R W,et a1.Shifting the MIMO paradigm[J].IEEE Signal Processing Magazine,2007,24（5）:36-46.

[4] Wei Guan,Hanwen Luo.Joint MMSE Transceiver Design in Non-regenerative MIMO Relay Systems[J].IEEE Communications Letters,2008,12（7）:517-519.

[5] Chae C B,Mazzarese D,Jindal N,et al.Coordinated beamforming with limited feedback in the MIMO broadcast channel[J].IEEE Journal of Select Areas Communications,2008,26（8）:1505-1515.

A Novel TH Precoding Method for M IMO BC

LIU Jin-feng1,LI An-ping1,FAN Chang-zhou2,G UO Ying2
（1.Institute of Science,Air Force Engineering University,Xi′an 710051,China;2.The Telecommunication Engineering Institute,Air Force Engineering University,Xi′an 710077,China）

Aiming at the precoding technique for multiuser MIMO broadcasting channel,an improved precoding algorithm is proposed by installing two antennas at the transmitter terminal.This method breaks through the restriction of the amounts of transmitting antenna and receiving antenna in traditional Tom linson-Harashima precoding（THP）algorithms,and obtainshigher diversity and multip lex gains.According to the simulation results,the capacity of the proposed algorithm is close to the theoretical capacity bound.Besides,it has 9dB gain compared with the single antenna THP when the bit error rate（BER）is 10-2.

multiple-input multiple-output（M IMO）;Tomlinson-Harashima precoding（THP）;channel covariance;limited feedback

The Natural Science Foundation of Shaanxi Province（No.SJ08F11）

TN929.5

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2010.11.011

1001-893X（2010）11-0049-04

2010-06-03;

2010-07-26

陜西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（SJ08F11）

劉金鋒（1984-）,男,北京人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)镸IMO預(yù)編碼的關(guān)鍵技術(shù);

LIU Jin-feng was born in Beijing,in 1984.He is now a graduate student at Air Force Engineering University.His research direction is p recoding technique of MIMO.

Email:liujinfeng112@126.com

李安平（1961-）,男,陜西周至人,教授、碩士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)镸IMO預(yù)編碼的關(guān)鍵技術(shù);

LI An-ping was born in Zhouzhi,Shaanxi Province,in 1961.He is now a professor and also the graduate student advisor at Air Force Engineering University.H is research direction is precoding technique ofM IMO.

樊昌周（1977-）,男,河北趙縣人,講師,主要研究方向?yàn)閷拵o(wú)線通信;

FAN Chang-zhou was born in Zhao County,Hebei Province,in 1977.He is now a lecturer at Air Force Engineering University.His research direction is wideband wireless communication.

郭 英（1961-）,女,山西臨汾人,教授、博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)橥ㄐ判盘?hào)處理。

GUO Ying was born in Linfen,Shanxi Province,in 1961.She is now a professor and also the Ph.D.supervisor at Air Force Engineering University.Her research direction is communication signal processing.