MIMO BC中新的TH预编码方法

刘金锋,李安平,樊昌周,郭 英

（1.空军工程大学理学院,西安 710051;2.空军工程大学 电讯工程学院,西安 710077）

MIMO BC中新的TH预编码方法

刘金锋1,李安平1,樊昌周2,郭 英2

（1.空军工程大学理学院,西安 710051;2.空军工程大学 电讯工程学院,西安 710077）

针对多用户MIMO广播信道下预编码技术提出了发射端配置两根天线的改进TH预编码方案。该方法突破了传统TH预编码方案发射天线与接收天线数量的限制,并且得到了很好的分集和复用增益。仿真结果表明,所提算法在容量上接近理论容量界,且当误码率为10-2时,所提方案相比单天线THP有9 dB的增益。

多输入多输出;TH预编码;信道协方差;有限反馈

1 引 言

MIMO技术有效提高了无线通信系统的传输效率,在不增加带宽的条件下,所能达到的系统容量与收发天线数的最小值成正比[1]。随着应用场景的实用化,MIMO的研究热点逐渐转向了多用户多天线系统。由于多用户MIMO广播（MIMO BC）系统各个用户彼此不能通信,相对于上行链路复杂度更高,所以以提高系统总容量为目标的多用户MIMO下的预编码技术成为了研究的热点[2]。

文献[3]从信息论的角度证明了多用户MIMO BC系统采用脏纸编码（DPC）可以达到系统的容量上界,然而其实现的复杂度非常高,无法在实际中应用。文献[4]采用THP预编码方案,即将VBLAST技术搬移到发射端,从而获得比VBLAST更好的符号检测性能。但是,文献[4]的预编码方案对接收端天线数量有限制,即接收端天线数量总和不能大于发送端天线总数。本文在发射端配有两天线的场景下,对THP方案进行了改进,改进后的THP方案使得接收端没有天线数量的限制,且性能十分优良。

2 系统模型

图1 MIMO BC系统模型Fig.1 System model of MIMO BC

MIMO多用户广播通信系统模型如图1所示。基站配有M根天线,每个用户配置Nk根天线,接收用户数为K个。假定信道为平坦瑞利衰落,基站和用户均已知完整的信道状态信息。通信系统接收到的信号可以表示为

3 传统的TH预编码方法

为了与传统的TH预编码算法对比,本文仅简单介绍接收端为单天线的TH预编码算法。其基本结构如图2所示。

图2 接收端为单天线的TH预编码模型Fig.2 TH precoding model with single antenna receiver

3.1 基于迫零准则的TH预编码

3.2 接收端为单天线的MMSE-TH预编码

4 所提TH预编码方法

由于发射端仅配有两根天线,此时整个系统最多可以同时支撑两个用户,且每个用户独立接收一路数据。此时收发之间的关系可以表示如下:至此,得到了全部处理矩阵。

该方案的最大优点是可以十分简便地求得收发端联合处理的矢量来使得整个系统的互相干扰为0,且每个接收端没有天线数量的限制。但这个优点仅在两用户的时候得以成立,因此,这种方案受到一定的应用场景的限制。不过考虑到发射端配有两根天线的场景符合多种规范,这使得该方案具有良好的实践意义。

5 仿真结果分析

图3仿真了所提出的THP方案在M=K=NK=2场景下所达到的系统容量同DPC容量的比较。从图中可见,两者在容量上十分接近,这说明改进方案几乎达到了所应用场景下的容量极限。

图3 所提方案与DPC容量比较Fig.3 Capacity comparison between the p roposed algorithm and DPC

图4仿真了当采用QPSK调制时,所提方案同接收端配有单天线的ZF-THP方案性能的比较。当BER=10-2时,所提方案相比单天线THP有9 dB的增益。这表明,所提方案仅通过在每个接收端增加一根天线,就带来了整个系统误比特性能的显著提高,这主要是因为接收端多出的天线可以提供额外的分集来确保可靠的接收。值得注意的是,此时SNR定义为SNR=P/（σ2lbD）,由于采用QPSK,故D=4。

图4 所提方案与ZF-THP的误比特率比较Fig.4 Bit error comparison between the p roposed algorithm and ZF-THP

6 结 论

本文分析了传统预编码方案的原理,并在此基础上提出了基于发射端配置两天线的一种改进的TH预编码方案。该方案不仅克服了传统预编码方案对接收端接收天线限制的缺陷,还提高了多用户M IMO广播信道的容量,使其接近理论容量界,且在相同条件下,误码特性明显低于ZF-THP方案。

[1] 罗振东,高宏,刘元安.MIMO信道容量公式及渐近界[J].北京邮电大学学报,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

陕西省自然科学基金资助项目（SJ08F11）

刘金锋（1984-）,男,北京人,硕士研究生,主要研究方向为MIMO预编码的关键技术;

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,陕西周至人,教授、硕士生导师,主要研究方向为MIMO预编码的关键技术;

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,河北赵县人,讲师,主要研究方向为宽带无线通信;

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,山西临汾人,教授、博士生导师,主要研究方向为通信信号处理。

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.