《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種新的基于泄漏的多用戶MIMO預(yù)編碼
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2014年第5期
王 麗1,2， 羅 輝2， 張劍慶2， 胡捍英1
(1. 信息工程大學(xué)，河南 鄭州 450002； 2. 信息工程大學(xué) 昆明分院，云南 昆明, 650
摘要： 針對多用戶MIMO基本SLNR預(yù)編碼算法在發(fā)送天線數(shù)小于接收天線數(shù)之和時性能惡化的情況，考慮到接收濾波矩陣對泄漏功率的抑制作用，定義了一種新的信漏噪比形式，并基于信漏噪比最大準(zhǔn)則，建立了一種最優(yōu)發(fā)送預(yù)編碼矩陣和接收濾波矩陣的聯(lián)合設(shè)計方案。與基本SLNR算法相比，所給出的算法可以充分利用接收方的富?？臻g進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能，增加系統(tǒng)支持的用戶數(shù)目。仿真結(jié)果表明，當(dāng)接收天線總數(shù)大于發(fā)送天線數(shù)時，只要子流數(shù)之和小于發(fā)送天線數(shù)，所給出的新算法依然具有非常優(yōu)良的平均誤比特率性能以及系統(tǒng)的和容量性能。
中圖分類號： TN911.22
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
文章編號： 0258-7998(2014)05-0118-04
A new leakage based multiuser MIMO precoding algorithm
Wang Li1,2， Luo Hui2， Zhang Jianqing2， Hu Hanying1
1. Information Engineering University, Zhengzhou 450002, China；2. Kunming School，Information Engineering University, Kunming 650500, China
Abstract： When the total number of receive antennas is large than the number of transmit antennas, the multiuser MIMO SLNR precoding algorithm's performance would degrade significantly. To solve this problem, a new joint precoding and receive filter matrix design scheme is proposed based on maximum SLNR criterion. Considered the restrain ability of the receive filter matrix against the leakaged power, the proposed scheme defines a new form of signal-to-leakage-and-noise ratio. Compared with the basic SLNR algorithm, the proposed method can take full advantage of the margin space of the receiver, increase supported user numbers. Simulation results indicate that as long as the sum of the substream number is smaller than the number of the receive antennas, this method have very good average BER performance and system sum-capacity, even when the total number of receive antennas is more than the transmit antennas.
Key words : multiuser MIMO; precoding; signal-to-leakage-and-noise ratio; SLNR

    多用戶MIMO可以大大提高系統(tǒng)的和容量，有效改善系統(tǒng)平均吞吐量和小區(qū)邊緣的吞吐量，已經(jīng)被納入LTE-Advanced協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[1]。多用戶MIMO在相同的物理資源上同時與多個用戶進(jìn)行通信，存在共信道干擾，需要采用預(yù)編碼技術(shù)消除或者抑制掉這些干擾。根據(jù)共信道干擾是否完全消除，預(yù)編碼算法可以分為干擾消除類和干擾抑制類兩大類。其中，干擾消除類的典型預(yù)編碼算法有ZF預(yù)編碼、塊對角化BD[2]等，此類算法可以完全消除共信道干擾，但算法要求天線數(shù)目必需嚴(yán)格滿足發(fā)送天線數(shù)不少于接收天線數(shù)之和這一條件。干擾抑制類算法，例如Sum-MSE的算法[3-4]、基于信漏噪比SLNR(Signal-to-Leakage-and-Noise Ratio)最大的算法[5-9]，在滿足相應(yīng)的準(zhǔn)則條件下，盡可能抑制共信道干擾。此類算法對天線數(shù)目沒有嚴(yán)格的要求，得到了廣泛關(guān)注。
    基于SLNR的預(yù)編碼方法由SADEK M于2007年提出[5-6]。該方法將某一用戶的泄漏(leakage)定義為該用戶信號泄漏給其他用戶的總功率，將SLNR定義為期望用戶的接收信號功率與其泄漏加噪聲功率之比。SLNR方法將耦合的最優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為K個獨立的問題，存在閉式解，獲得了廣泛的研究應(yīng)用。參考文獻(xiàn)[7-9]證明了SLNR算法與RMD算法[10]具有等價性。參考文獻(xiàn)[9]對SLNR算法進(jìn)行等價變換，對其性能進(jìn)行了理論分析，并指出當(dāng)發(fā)送天線數(shù)小于接收天線數(shù)之和時，基本SLNR算法在高信噪比情況下性能惡劣，不能有效抑制共信道干擾。
    針對發(fā)送天線數(shù)小于接收天線數(shù)之和時，基本SLNR算法不能有效抑制共信道干擾的問題，本文利用用戶接收濾波矩陣對泄露功率的抑制作用，重新定義信漏噪比，設(shè)計基于信漏噪比最大準(zhǔn)則的預(yù)編碼矩陣，本文稱之為Post-SLNR。仿真結(jié)果表明，Post-SLNR方法在發(fā)送天線數(shù)小于接收天線數(shù)之和的條件下，系統(tǒng)平均誤比特率(BER)及和容量在高信噪比時的性能較基本SLNR有非常顯著的改善。



3 仿真結(jié)果分析
    為了充分驗證該算法的性能,對其進(jìn)行Monte Carlo仿真?？紤]無編碼多天線系統(tǒng)，采用QPSK調(diào)制，總發(fā)送功率為1。信噪比SNR定義為每用戶發(fā)送功率與每根接收天線上的噪聲功率的比值1/?滓2。信道采用準(zhǔn)靜態(tài)平坦塊衰落瑞利信道，假設(shè)塊長度為n=200。信道矩陣各元素服從獨立同分布的NC(0,1)，收發(fā)雙方均及時準(zhǔn)確獲知信道矩陣。假設(shè)每個用戶具有相同的天線數(shù)Nk=NR、相同的子流數(shù)Lk=L。仿真得到的性能曲線為對5 000次信道實現(xiàn)的結(jié)果取平均得到。將SLNR算法與本文的改進(jìn)算法進(jìn)行比較，提出的算法記為POST。仿真選取具有4組不同參數(shù)的MIMO系統(tǒng)場景進(jìn)行仿真，分別表示為S1~S4。根據(jù)其發(fā)送天線個數(shù)、接收天線個數(shù)、子流個數(shù)以及用戶數(shù)將系統(tǒng)分別記為8×[2(1)×3]、8×[4(2)×2]、8×[4(2)×4]、8×[4(1)×8]。
    圖1、圖2給出了這4種情況下算法的平均誤比特率性能以及系統(tǒng)平均和容量性能。從圖1、圖2可以看出，本文所給出的方法性能在幾種系統(tǒng)設(shè)置下平均誤比特率性能、系統(tǒng)平均和容量均顯著優(yōu)于基本SLNR方法[9]。由S3、S4對應(yīng)的曲線可以看出，在接收天線之和大于發(fā)送天線的條件下，SLNR算法的平均誤比特率性能曲線不能隨著信噪比的增大而降低，相應(yīng)地其系統(tǒng)容量也不能隨著信噪比的增大而增加，而提出的Post-SLNR算法在該條件下，依然具有很好的性能。在S4場景下，Post-SLNR算法在到8個用戶的條件下依然具有較好的性能。而從S1、S2對應(yīng)的曲線可以看出，在相應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)條件下，SLNR也具有良好的性能，但Post-SLNR較SLNR有所提升，表明在接收天線之和不大于發(fā)送天線數(shù)時，在子流數(shù)較小的情況下，提出的Post-SLNR算法性能同樣優(yōu)于SLNR。

 

 

    圖3、圖4比較了系統(tǒng)為4×[2(1)×4]時，Post-SLNR算法的平均誤比特率以及系統(tǒng)平均和容量的收斂性能。在該系統(tǒng)參數(shù)條件下，SLNR算法性能較差，而Post-SLNR算法隨著迭代次數(shù)的增加，平均誤比特率以及系統(tǒng)平均和容量的性能逐漸提升。在高信噪比下，當(dāng)?shù)螖?shù)較少時，Post-SLNR算法平均誤比特率曲線也存在不能隨信噪比增加而下降的問題，而迭代次數(shù)增加后，誤比特率曲線快速下降。從圖中可以看出，在信噪比較低的情況下，Post-SLNR算法在經(jīng)過大約10~20次迭代后達(dá)到較為理想的性能；而在高信噪比條件下，Post-SLNR算法要經(jīng)過更多的迭代才可以達(dá)到理想性能。

    圖5給出在該系統(tǒng)下,在0 dB和20 dB時,Post-SLNR算法隨著迭代次數(shù)的增加，得到的系統(tǒng)平均和容量變化曲線。在0 dB時，該算法大約經(jīng)過5次迭代，得到系統(tǒng)平均和容量已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定的數(shù)值；而在20 dB時,算法得到系統(tǒng)平均和容量則需要大概10次迭代才能穩(wěn)定。可以看出，與低信噪比時相比， Post-SLNR算法在高信噪比條件下的收斂速度有所變慢。

    本文提出了一種新的基于信漏噪比的發(fā)送預(yù)編碼矩陣和接收濾波矩陣的聯(lián)合設(shè)計方案。該方法綜合考慮了接受濾波矩陣對泄露的抑制作用，可有效利用子流數(shù)小于接收天線個數(shù)時系統(tǒng)的富?？臻g進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能。相比于基本SLNR算法，本文所提出的Post-SLNR算法在接收天線數(shù)之和大于發(fā)送天線數(shù)時，具有更優(yōu)的系統(tǒng)平均誤比特率及系統(tǒng)平均和容量性能，從而可以支持更多的用戶數(shù)目。
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