MIMO-MAC中一种改进的干扰消除方法

田心记，姜丽敏

(1. 河南理工大学计算机科学与技术学院，河南 焦作 45 4000；2. 安阳师范学院人文管理学院，河南 安阳 45 5002)

MIMO-MAC中一种改进的干扰消除方法

田心记1，姜丽敏2

(1. 河南理工大学计算机科学与技术学院，河南 焦作 45 4000；2. 安阳师范学院人文管理学院，河南 安阳 45 5002)

针对两用户的多输入多输出多址接入信道(MIMO-MAC)中存在共道干扰的问题，提出一种基于有限反馈的干扰消除方法，每个用户根据反馈信息对将要发送的信号进行对角化处理。通过合理设计预处理矩阵，对接收信号进行线性处理以消除共道干扰，从而提高系统的可靠性，使得接收端可以逐个符号地最大似然译码，降低译码复杂度。仿真结果表明，若接收端配置2根天线且系统采用4QAM调制，则当误比特率为10-3时，与已有基于有限反馈的干扰消除方案相比，该方案能获得2 dB的增益。

多输入多输出；多址接入信道；共道干扰；有限反馈；最大似然；复杂度

1 概述

多输入多输出(Multi-Input Multi-Output, MIMO)技术具有空间复用和空间分集的特性，已被列为下一代无线通信的必选技术[1-2]。MIMO多址接入信道(Multiple Acce ss Channels, MAC)能成倍提高系统容量，受到广泛的关注[3]。MIMO-MAC中多个用户使用同一频率同时传输信息，接收端存在严重的共道干扰，不但影响系统的可靠性，还增大了接收端的译码复杂度[4-5]。

针对MIMO-MAC中接收信号存在严重干扰的问题，文献[6]将单用户的干扰抑制方法引入到接收端的译码中，文献[7]提出了接收端的一种改进的干扰消除方法，然而，这2种方案只是在接收端消除了部分共道干扰，都没能消除传输过程中的共道干扰，其性能有待于提高。为此，学者们研究了基于有限反馈的MIMO-MAC传输方案，即在发送端利用反馈信息对用户的信号进行预处理，达到消除部分共道干扰的目的[8-9]。文献[10]提出了一种低反馈量的预编码方案，其中的一个用户调整天线的发射功率，该功率的设计目标是最大化接收端的信噪比。然而，该方法只是消除了部分共道干扰，接收端不能采用单个符号的最大似然(Maximum Likelihood, ML)译码，其译码复杂度有待于降低。

为了消除MIMO-MAC中的共道干扰并且降低译码复杂度，本文提出了一种基于有限反馈的干扰消除方法，使接收端可以逐个符号地ML译码。

2 系统模型

图1 本文系统模型

其中，n和w均是噪声向量，其元素服从独立的标准正态分布；r1，r2，n和w的阶数均为N×1。

3 预处理参数的计算

改写接收信号的形式，得到式(2)：

若ρ=ε=0，则式(4)中的F是一个对角矩阵，即si和xi在传输过程中保持正交。此时式(4)可以表示如下：

其中，i=1,2。由式(5)和式(6)可以看出，对接收信号进行处理后分离了si和xi，即接收端可逐个符号译码si和xi。

由ρ=ε=0可以得到如下方程组：

4 译码方法

根据前面的分析可知，式(8)和式(9)成立时，可以分别译码si和xi( i=1,2)。具体译码步骤如下：

(1)接收端根据信道状态信息计算H′，如式(3)所示。

(3)计算α，然后根据yi(i=1,2)和α得到用户1的译码信号′，其表达式如下：

其中，C是调制星座图上的点组成的集合。

5 复杂度分析与比较

在此计算本文方案及文献[10]方案的译码复杂度，计算量的单位是每秒浮点运算次数(Floating-point Operations Per Second, FLOP)。

根据译码过程，本文方案的译码需要(72N+12M-8)flop，M为调制阶数。

文献[10]采用最小均方误差-连续干扰取消(Minimum Mean S quared Error-Successive Interfere nce C ancellation, MMSE-SIC)译码方法。MMSE-SIC有多种不同的算法，本文假定文献[10]采用文献[12]提出的低复杂度MMSE-SIC。分析得到文献[10]的译码复杂度为(432N+244) flop。

比较可得，当调制阶数为4时，本文方案的译码复杂度不到文献[10]方案的1/5，当调制阶数为16时，所提方案的译码复杂度不到文献[10]方案的1/3。

6 仿真结果

图2和图3分别给出了N=2和N=3时2种方案的误码率(BER)曲线，调制方式分别为4QAM和16QAM。系统模型及信道条件如前所述，仿真中没有采用任何信道编码，图中的横坐标表示2个用户发送信号的信噪比。

图2 N=2时2种方案的BER曲线

图3 N=3时2种方案的BER曲线

从图2和图3中可以看出，本文方案的误码率曲线明显低于文献[10]方案，即其可靠性高于文献[10]方案，这是因为本文方案消除了所有共道干扰，而文献[10]方案只消除了部分共道干扰。若N=2，BER为10-3时，本文方案获得了大约2 dB的增益，若N=3，BER为10-3时，本文方案获得了大约3 dB的增益。因此，接收天线的个数越多，本文方案的增益越高。

7 结束语

本文提出了MIMO-MAC中一种基于有限反馈的干扰消除方法，通过在发送端对编码矩阵进行对角化处理使得对接收信号进行线性处理后消除了多用户干扰，从而接收端可以逐个符号地ML译码，降低了译码复杂度。本文方案仅限于2个用户且每个用户配置2根天线的MIMO系统，如何将该方法扩展到多个用户并且每个用户配置多根天线的系统还需要进一步的研究。

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编辑 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

国家自然科学基金资助项目“基于非线性度量的复杂工业过程多模型分解及一体化控制方法研究”(61104079)。

田心记(1983－)，女，讲师、博士，主研方向：MIMO技术及空时编码；姜丽敏，讲师、硕士。

2013-03-14

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

1000-3428(2014)05-0086-03

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TP393.03