MIMO系統的正則塊對角化迫零矢量預編碼設計*

劉國華，黃洪瓊，吳　程（.上海海事大學　信息工程學院，上海　0306；.江蘇省江陰中等專業學校，江蘇　無錫　4433）

MIMO系統的正則塊對角化迫零矢量預編碼設計*

劉國華1，黃洪瓊1，吳程2
（1.上海海事大學信息工程學院，上海201306；2.江蘇省江陰中等專業學校，江蘇無錫214433）

為了進一步減少多用戶MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）下行傳輸系統的誤碼率，提出了正則塊對角化迫零矢量預編碼設計（RBD-ZF-VP）。該方法利用正則塊對角化預編碼（RBD）和矢量預編碼（VP）的優點，在原有MIMO系統RBD預編碼的基礎上，將RBD預編碼的矩陣轉變成信道等價矩陣，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成新信號向量，接著對新信號向量進行處理。仿真結果表明，該方案支持多用戶多天線MIMO傳輸系統，與傳統的塊對角化（BD）預編碼和RBD預編碼相比，有效地提升了系統性能，具有顯著的系統誤碼率性能優勢。

MIMO系統；多用戶MIMO；預編碼

0　引言

MIMO技術是未來無線通信系統的關鍵技術。當發射端已知準確的信道狀態信息時，預編碼處理的目的是改善性能和提高系統容量，可以分為線性預編碼和非線性預編碼。對于線性預編碼，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技術需要每個接收用戶的信道狀態信息，在完全消除多用戶干擾的同時沒有考慮噪聲的影響，在中低信噪比區域的系統性能較差。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化處理以獲得更優的系統性能，但是在噪聲較高的情況下系統預編碼的誤碼率性能較差。非線性預編碼主要包括臟紙編碼、湯姆林森-哈拉?，旑A編碼（THP）、VP預編碼。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，求解了最優的正則化系數，并利用擾動矢量的統計特性重新構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預編碼設計，這種預編碼算法首先設計RBD預編碼，接著提出等價信道，再利用迫零準則設計新方案的預編碼矩陣，最后進行矢量預編碼設計。在考慮多用戶干擾的同時考慮噪聲的影響，在發射信號向量調制后，通過ZF準則求出RBD-ZF-VP算法預編碼矩陣，接著最小化功率歸一化縮放因子γZF計算出用戶k的最優擾動矢量，將其線性相加到原始信號上，構成新的信號向量，然后與由ZF準則求得的預編碼矩陣相乘獲得發射信號。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。這種算法支持多數據流傳輸，與傳統的BD和RBD預編碼算法相比，取得了較好的多樣性性能，進一步降低了系統誤碼率。

1　系統模型

MIMO下行多用戶鏈路系統的模型如圖1所示。假設基站發射天線數為NT，用戶k（k=1，2，3，…，K）的接收天線數為NRk，在系統接收端共有K個用戶，所有用戶的總接收天線數為：

發射信號向量為：

發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的復高斯分布。

圖1　多用戶MIMO下行鏈路系統模型

本文研究的系統為下行多用戶鏈路系統，所有用戶的接收信號為：

發射預編碼矩陣為：

F=［F1，F2，…，FK］∈CNT×r

接收均衡矩陣為：

G=diag（G1，G2，…，GK）∈Cr×NR

2　RBD-ZF-BD預編碼設計

引用參考文獻［3］與參考文獻［6］，在RBD設計方案中，預編碼矩陣可以表示為：

其中，Fa=［Fa1，Fa2，…，FaK］∈CNT×Nx，Fb=diag（Fb1，Fb2，…，FbK）∈CNx×r。

參數β滿足的功率約束條件為：β2‖FaFbx‖2≤PT，PT為總發射功率。

優化準則為：

每個用戶k的預編碼矩陣為：

在RBD預編碼設計后，接著進行矢量預編碼設計。在矢量預編碼中，使用當前用戶k的信道和用戶k的預編碼矩陣根據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，構成新的信號向量，然后對其進行預編碼，獲得發射信號。圖2給出了包含矢量預編碼的系統傳輸模型。

圖2　矢量預編碼框圖

在發送端分別對每個用戶的數據流進行編碼，用戶k的預編碼矩陣為：

基于這個預編碼矩陣，本文提出新算法的等價信道為：

3　仿真結果分析

對提出的RBD-ZF-VP預編碼與其他預編碼方法進行比較，采用多用戶多天線下行鏈路系統，使用符號｛Nr，1，Nr，2…Nr，K｝×Nt對用戶數目和收發天線進行描述，采用4QAM的調制。信道模型采用平坦衰落信道，平坦衰落系數服從均值為0、方差為1的復高斯分布。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分別為對收發天線結構為｛2，2｝×4、｛2，4｝×6、｛3，3｝×6的系統進行了比較，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。

格規約算法顯著地提高了MIMO系統的分集增益，在下面的仿真圖中，新提出的RBD-ZF-BD預編碼的誤碼率性能優勢明顯，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的系統的誤碼率性能優于｛2，2｝×4系統誤碼率性能，在接收天線數目增多時，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預編碼相比傳統的BD預編碼信噪比降低了近8dB；在誤碼率為10-3時，RBD-ZF-VP預編碼比BD-ZF-VP預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準則設計的RBD算法，部分在于矢量預編碼本身較大的分集增益。

4　結論

本文提出了RBD-ZF-VP預編碼算法，該算法支持多用戶MIMO系統中多數據流傳輸，不需要額外的信息交互，相比于BD預編碼、RBD預編碼、BDZF-VP預編碼方案，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的有效算法。

圖3?。?，2｝×4系統中不同算法誤碼率比較

圖4　｛2，4｝×6系統中不同算法誤碼率比較

圖5?。?，3｝×6系統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：智能信息處理及應用。

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

吳程（1972-），男，本科，高級講師，主要研究方向：電工電子技術教學及產品開發。

上海海事大學校基金（20130470）