MIMO-MAC中一種改進(jìn)的干擾消除方法

田心記，姜麗敏

(1. 河南理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河南 焦作 45 4000；2. 安陽(yáng)師范學(xué)院人文管理學(xué)院，河南 安陽(yáng) 45 5002)

MIMO-MAC中一種改進(jìn)的干擾消除方法

田心記1，姜麗敏2

(1. 河南理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河南 焦作 45 4000；2. 安陽(yáng)師范學(xué)院人文管理學(xué)院，河南 安陽(yáng) 45 5002)

針對(duì)兩用戶(hù)的多輸入多輸出多址接入信道(MIMO-MAC)中存在共道干擾的問(wèn)題，提出一種基于有限反饋的干擾消除方法，每個(gè)用戶(hù)根據(jù)反饋信息對(duì)將要發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行對(duì)角化處理。通過(guò)合理設(shè)計(jì)預(yù)處理矩陣，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行線(xiàn)性處理以消除共道干擾，從而提高系統(tǒng)的可靠性，使得接收端可以逐個(gè)符號(hào)地最大似然譯碼，降低譯碼復(fù)雜度。仿真結(jié)果表明，若接收端配置2根天線(xiàn)且系統(tǒng)采用4QAM調(diào)制，則當(dāng)誤比特率為10-3時(shí)，與已有基于有限反饋的干擾消除方案相比，該方案能獲得2 dB的增益。

多輸入多輸出；多址接入信道；共道干擾；有限反饋；最大似然；復(fù)雜度

1 概述

多輸入多輸出(Multi-Input Multi-Output, MIMO)技術(shù)具有空間復(fù)用和空間分集的特性，已被列為下一代無(wú)線(xiàn)通信的必選技術(shù)[1-2]。MIMO多址接入信道(Multiple Acce ss Channels, MAC)能成倍提高系統(tǒng)容量，受到廣泛的關(guān)注[3]。MIMO-MAC中多個(gè)用戶(hù)使用同一頻率同時(shí)傳輸信息，接收端存在嚴(yán)重的共道干擾，不但影響系統(tǒng)的可靠性，還增大了接收端的譯碼復(fù)雜度[4-5]。

針對(duì)MIMO-MAC中接收信號(hào)存在嚴(yán)重干擾的問(wèn)題，文獻(xiàn)[6]將單用戶(hù)的干擾抑制方法引入到接收端的譯碼中，文獻(xiàn)[7]提出了接收端的一種改進(jìn)的干擾消除方法，然而，這2種方案只是在接收端消除了部分共道干擾，都沒(méi)能消除傳輸過(guò)程中的共道干擾，其性能有待于提高。為此，學(xué)者們研究了基于有限反饋的MIMO-MAC傳輸方案，即在發(fā)送端利用反饋信息對(duì)用戶(hù)的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，達(dá)到消除部分共道干擾的目的[8-9]。文獻(xiàn)[10]提出了一種低反饋量的預(yù)編碼方案，其中的一個(gè)用戶(hù)調(diào)整天線(xiàn)的發(fā)射功率，該功率的設(shè)計(jì)目標(biāo)是最大化接收端的信噪比。然而，該方法只是消除了部分共道干擾，接收端不能采用單個(gè)符號(hào)的最大似然(Maximum Likelihood, ML)譯碼，其譯碼復(fù)雜度有待于降低。

為了消除MIMO-MAC中的共道干擾并且降低譯碼復(fù)雜度，本文提出了一種基于有限反饋的干擾消除方法，使接收端可以逐個(gè)符號(hào)地ML譯碼。

2 系統(tǒng)模型

圖1 本文系統(tǒng)模型

其中，n和w均是噪聲向量，其元素服從獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布；r1，r2，n和w的階數(shù)均為N×1。

3 預(yù)處理參數(shù)的計(jì)算

改寫(xiě)接收信號(hào)的形式，得到式(2)：

若ρ=ε=0，則式(4)中的F是一個(gè)對(duì)角矩陣，即si和xi在傳輸過(guò)程中保持正交。此時(shí)式(4)可以表示如下：

其中，i=1,2。由式(5)和式(6)可以看出，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理后分離了si和xi，即接收端可逐個(gè)符號(hào)譯碼si和xi。

由ρ=ε=0可以得到如下方程組：

4 譯碼方法

根據(jù)前面的分析可知，式(8)和式(9)成立時(shí)，可以分別譯碼si和xi( i=1,2)。具體譯碼步驟如下：

(1)接收端根據(jù)信道狀態(tài)信息計(jì)算H′，如式(3)所示。

(3)計(jì)算α，然后根據(jù)yi(i=1,2)和α得到用戶(hù)1的譯碼信號(hào)′，其表達(dá)式如下：

其中，C是調(diào)制星座圖上的點(diǎn)組成的集合。

5 復(fù)雜度分析與比較

在此計(jì)算本文方案及文獻(xiàn)[10]方案的譯碼復(fù)雜度，計(jì)算量的單位是每秒浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)(Floating-point Operations Per Second, FLOP)。

根據(jù)譯碼過(guò)程，本文方案的譯碼需要(72N+12M-8)flop，M為調(diào)制階數(shù)。

文獻(xiàn)[10]采用最小均方誤差-連續(xù)干擾取消(Minimum Mean S quared Error-Successive Interfere nce C ancellation, MMSE-SIC)譯碼方法。MMSE-SIC有多種不同的算法，本文假定文獻(xiàn)[10]采用文獻(xiàn)[12]提出的低復(fù)雜度MMSE-SIC。分析得到文獻(xiàn)[10]的譯碼復(fù)雜度為(432N+244) flop。

比較可得，當(dāng)調(diào)制階數(shù)為4時(shí)，本文方案的譯碼復(fù)雜度不到文獻(xiàn)[10]方案的1/5，當(dāng)調(diào)制階數(shù)為16時(shí)，所提方案的譯碼復(fù)雜度不到文獻(xiàn)[10]方案的1/3。

6 仿真結(jié)果

圖2和圖3分別給出了N=2和N=3時(shí)2種方案的誤碼率(BER)曲線(xiàn)，調(diào)制方式分別為4QAM和16QAM。系統(tǒng)模型及信道條件如前所述，仿真中沒(méi)有采用任何信道編碼，圖中的橫坐標(biāo)表示2個(gè)用戶(hù)發(fā)送信號(hào)的信噪比。

圖2 N=2時(shí)2種方案的BER曲線(xiàn)

圖3 N=3時(shí)2種方案的BER曲線(xiàn)

從圖2和圖3中可以看出，本文方案的誤碼率曲線(xiàn)明顯低于文獻(xiàn)[10]方案，即其可靠性高于文獻(xiàn)[10]方案，這是因?yàn)楸疚姆桨赶怂泄驳栏蓴_，而文獻(xiàn)[10]方案只消除了部分共道干擾。若N=2，BER為10-3時(shí)，本文方案獲得了大約2 dB的增益，若N=3，BER為10-3時(shí)，本文方案獲得了大約3 dB的增益。因此，接收天線(xiàn)的個(gè)數(shù)越多，本文方案的增益越高。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了MIMO-MAC中一種基于有限反饋的干擾消除方法，通過(guò)在發(fā)送端對(duì)編碼矩陣進(jìn)行對(duì)角化處理使得對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行線(xiàn)性處理后消除了多用戶(hù)干擾，從而接收端可以逐個(gè)符號(hào)地ML譯碼，降低了譯碼復(fù)雜度。本文方案僅限于2個(gè)用戶(hù)且每個(gè)用戶(hù)配置2根天線(xiàn)的MIMO系統(tǒng)，如何將該方法擴(kuò)展到多個(gè)用戶(hù)并且每個(gè)用戶(hù)配置多根天線(xiàn)的系統(tǒng)還需要進(jìn)一步的研究。

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編輯 任吉慧

An Improved Interference Cancellation Method in MIMO-MAC

TIAN Xin-ji1, JIANG Li-min2

(1. School of Computer Science and Technology, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China; 2. Humanistic Management College, Anyang Normal University, Anyang 455002, China)

For the problem of co-channel interference ov er Multi-Input Multi-Output(MIMO) Multiple Access Channels(MAC) for two-user, an interference cancella tion scheme is p roposed, in which the transmitted signals are diagonalization processed according to feedback information. Through proper design of pretreatment matrices, the co-channel interference is eliminated after the linear processing of received sign als. Not only th e reliability is i mproved, but also each signal can be Maximum Likelihood(ML) decoded se parately. Simulation results show that, with two antennas at the receiver and 4QAM adopted, the gain of the proposed scheme is 2 dB at the Bit Error Rate(BER) of 10-3compared with the existing interference cancellation scheme.

Multi-Input Multi-Output(MIMO); Multiple Access Channel(MAC); co-channel interference; limited feedback; Maximu m Likelihood(ML); complexity

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.05.018

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目“基于非線(xiàn)性度量的復(fù)雜工業(yè)過(guò)程多模型分解及一體化控制方法研究”(61104079)。

田心記(1983－)，女，講師、博士，主研方向：MIMO技術(shù)及空時(shí)編碼；姜麗敏，講師、碩士。

2013-03-14

2013-05-21E-mail：tianxinji.world@aliyun.com

1000-3428(2014)05-0086-03

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TP393.03