基于迫整檢測(cè)的全分集多用戶空時(shí)分組編碼設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

李國(guó)權(quán)，周湘云，林金朝，徐勇軍，龐宇，王家城

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基于迫整檢測(cè)的全分集多用戶空時(shí)分組編碼設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

李國(guó)權(quán)1,2，周湘云1,2，林金朝1,2，徐勇軍1，龐宇2，王家城2

（1. 重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065；2. 重慶郵電大學(xué)光電信息感測(cè)與傳輸技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065）

多用戶空時(shí)分組編碼系統(tǒng)存在譯碼復(fù)雜度高的問(wèn)題。為了降低系統(tǒng)譯碼復(fù)雜度并保證較好的系統(tǒng)性能，將低復(fù)雜度的迫整檢測(cè)算法用于多用戶空時(shí)分組編碼中，并基于等效噪聲功率最小化原則獲取了迫整檢測(cè)的差錯(cuò)概率上界。為了解決迫整檢測(cè)的多用戶空時(shí)分組編碼設(shè)計(jì)問(wèn)題，提出了基于迫整檢測(cè)的全分集多用戶空時(shí)分組編碼設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，證明只要每個(gè)用戶的空時(shí)分組編碼方案均滿足非零奇異值特性，則多用戶空時(shí)分組編碼可獲得滿分集增益，且其編碼增益與最小奇異值有關(guān)。仿真結(jié)果表明，滿足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的空時(shí)分組編碼方案能夠獲得滿分集增益。

MIMO系統(tǒng)；迫整檢測(cè)；多用戶空時(shí)分組編碼；設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；全分集

1 引言

為了使多輸入多輸出（MIMO, multiple-input multiple-output）系統(tǒng)能同時(shí)獲得良好的分集增益和較高的傳輸速率，可將發(fā)送天線分成多個(gè)組（用戶），每組（用戶）獨(dú)立進(jìn)行空時(shí)分組編碼（STBC, space time block code），即多用戶空時(shí)分組編碼[1-3]。

多用戶空時(shí)分組編碼若采用最大似然（ML, maximum likelihood）檢測(cè)，則隨著用戶數(shù)的增多以及調(diào)制階數(shù)的增加，譯碼復(fù)雜度將呈指數(shù)級(jí)遞增。因此研究者們?cè)O(shè)計(jì)了次優(yōu)的線性檢測(cè)算法，如迫零（ZF, zero forcing）檢測(cè)、最小均方誤差（MMSE, minimum mean square error）檢測(cè)等相匹配的滿分集STBC設(shè)計(jì)[4-5]。文獻(xiàn)[6]提出了針對(duì)兩用戶MIMO干擾信道的STBC，利用此STBC，接收端采用分組ZF算法可獲得滿分集。在文獻(xiàn)[7]中，針對(duì)接收端采用PIC-SIC分組譯碼設(shè)計(jì)了可獲得滿分集的兩用戶STBC。該類(lèi)算法具有較低的復(fù)雜度，但在獲得全分集增益的同時(shí)，存在噪聲增強(qiáng)的問(wèn)題，影響了系統(tǒng)性能。

迫整（IF, integer-forcing）檢測(cè)[8-9]是近年來(lái)提出的一種新的線性檢測(cè)算法，具有較低的復(fù)雜度，接近于ML檢測(cè)算法的性能，優(yōu)于ZF算法和MMSE算法。IF檢測(cè)利用接收天線生成一個(gè)有效整數(shù)信道矩陣來(lái)恢復(fù)出碼字的線性組合，而不像傳統(tǒng)的線性檢測(cè)那樣直接恢復(fù)出發(fā)送碼字，相比于傳統(tǒng)的線性檢測(cè)極大地減少了噪聲增強(qiáng)的問(wèn)題。文獻(xiàn)[10]針對(duì)采用IF檢測(cè)算法的單用戶MIMO系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了滿分集增益的STBC方案，但仍未對(duì)基于IF檢測(cè)多用戶空時(shí)分組編碼系統(tǒng)開(kāi)展空時(shí)分組編碼及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的研究。

為了解決多用戶系統(tǒng)的空時(shí)分組編碼設(shè)計(jì)問(wèn)題，本文提出了基于IF檢測(cè)的多用戶空時(shí)分組編碼設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，以尋求譯碼復(fù)雜度和系統(tǒng)性能的折中。首先建立了IF檢測(cè)的多用戶空時(shí)分組編碼系統(tǒng)等效信道模型，研究了IF檢測(cè)時(shí)的具體譯碼步驟，將系統(tǒng)信道模型等效為發(fā)送碼字矢量的信道模型；然后根據(jù)IF檢測(cè)中每層的錯(cuò)誤概率上界和非零奇異值準(zhǔn)則，證明了當(dāng)所有用戶的STBC碼塊均滿足非零奇異值準(zhǔn)則時(shí)，接收端采用IF檢測(cè)可獲得滿分集；最后通過(guò)實(shí)例分析和仿真驗(yàn)證了滿足非零奇異值準(zhǔn)則的多用戶空時(shí)分組編碼系統(tǒng)采用IF檢測(cè)可獲得滿分集。

2 系統(tǒng)模型

圖1 多用戶分層空時(shí)分組編碼系統(tǒng)

為了便于分析迫整檢測(cè)的MIMO系統(tǒng)的錯(cuò)誤概率，本文將系統(tǒng)信道模型等效為發(fā)送碼字矢量的實(shí)數(shù)信道模型，即

將式(4)中的線性模型量化后，可以等效地寫(xiě)成

圖2 IF檢測(cè)結(jié)構(gòu)框架

采用IF檢測(cè)譯出STBC的步驟如下。

3 基于IF的多用戶STBC設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

對(duì)式(23)取期望，得出迫整譯碼步驟3中的平均錯(cuò)誤概率為

使用上述結(jié)構(gòu)的線性設(shè)計(jì)，可計(jì)算出奇異值為

4 仿真結(jié)果

圖3 2用戶Alamouti空時(shí)分組編碼誤碼率性能

Alamouti的碼字為

其最小奇異值的平方可表示為 ，滿足非零奇異值準(zhǔn)則，仿真結(jié)果與理論分析一致，從圖3中也可看出，2用戶Alamouti采用IF檢測(cè)可獲得滿分集。當(dāng)用戶數(shù)，且每用戶均采用Alamouti編碼，接收天線時(shí)，在接收端分別用ML和IF檢測(cè)的性能對(duì)比如圖4所示。從圖4可以看出，3用戶Alamouti編碼也可獲得滿分集。

圖5 2用戶旋轉(zhuǎn)準(zhǔn)與未旋轉(zhuǎn)正交空時(shí)分組編碼誤碼率性能

圖6 不同旋轉(zhuǎn)角度的2用戶正交空時(shí)分組編碼誤碼率性能

5 結(jié)束語(yǔ)

多用戶空時(shí)分組編碼能使系統(tǒng)獲得良好的分集增益效果和較高的傳輸速率，而IF檢測(cè)具有優(yōu)越的檢測(cè)性能和較低的檢測(cè)復(fù)雜度。本文主要研究了多用戶MIMO系統(tǒng)中基于IF檢測(cè)的空時(shí)分組編碼設(shè)計(jì)問(wèn)題。首先將系統(tǒng)信道模型等效為發(fā)送碼字矢量的信道模型，然后譯碼出發(fā)送碼字的線性組合，最后依據(jù)線性方程求解恢復(fù)出發(fā)送碼字。同時(shí)根據(jù)IF檢測(cè)的差錯(cuò)概率上界，提出了全分集多用戶空時(shí)碼的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，證明當(dāng)每個(gè)用戶的STBC碼塊滿足非零奇異值特性時(shí)，采用迫整檢測(cè)可獲得滿分集增益。此外，對(duì)不同用戶數(shù)量和天線數(shù)量時(shí)多用戶Alamouti編碼以及正交空時(shí)分組編碼的性能進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果與理論分析相符。

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Full-diversity design criterion for multi-user STBC based on integer-forcing detection

LI Guoquan1,2, ZHOU Xiangyun1,2, LIN Jinzhao1,2, XU Yongjun1, PANG Yu2, WANG Jiacheng2

1. School of Communication and Information Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China 2. Chongqing Key Laboratory of Photoelectronic Information Sensing and Transmitting Technology, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China

Multi-user space time block code systems have the problem of high decoding complexity. To ensure good system performance with low decoding complexity at the same time, low complexity integer-forcing (IF) detection algorithm was applied to multi-user space time block code. Then the upper bound of error probability for IF detection was derived by minimizing the equivalent noise power. To obtain good multi-user space time block code when decoded with IF detection, a full-diversity design criterion was proposed. It was proved that full diversity could be achieved if every user’s space time block code had property of non-vanishing singular value. Simulation result shows that the code gain is found related to the minimum singular value.

MIMO system, integer-forcing detection, multi-user space time block code, design criterion, full diversity

TP302

A

10.11959/j.issn.1000?436x.2019063

2018?05?08；

2018?07?14

王家城，jiacheng.wang@icloud.com

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.61301124, No.61671091）

The National Natural Science Foundation of China (No.61301124, No.61671091)

李國(guó)權(quán)（1980? ），男，河南方城人，博士，重慶郵電大學(xué)副教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)镸IMO無(wú)線通信傳輸技術(shù)、異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)等。

周湘云（1994? ），女，湖南永州人，重慶郵電大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)镸IMO無(wú)線通信傳輸技術(shù)。

林金朝（1966? ），男，四川蓬溪人，博士，重慶郵電大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信傳輸技術(shù)、BAN網(wǎng)絡(luò)與信息處理技術(shù)等。

徐勇軍（1986? ），男，湖北赤壁人，博士，重慶郵電大學(xué)講師，主要研究方向?yàn)檎J(rèn)知無(wú)線電、異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源配算法與性能分析等。

龐宇（1978? ），男，浙江寧波人，博士，重慶郵電大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橥ㄐ偶呻娐吩O(shè)計(jì)、邏輯綜合、無(wú)線通信等。

王家城（1972? ），男，四川達(dá)縣人，重慶郵電大學(xué)特聘教授，主要研究方向?yàn)槎叹嚯x無(wú)線通信技術(shù)、BAN網(wǎng)絡(luò)與信息處理技術(shù)等。