牛蘭奇，張?zhí)?，孫建成,3

(1．西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 西安 710049; 2. 西安理工大學(xué)自動化與信息工程學(xué)院 西安 710048;3. 江西財經(jīng)大學(xué)電子學(xué)院 南昌 330013)

在無線通信系統(tǒng)中，使用MIMO技術(shù)可以實現(xiàn)空分多址(space division multiple access，SDMA)，提高頻譜重用效率。空分多址允許小區(qū)內(nèi)的用戶實現(xiàn)頻率復(fù)用，在有限的帶寬內(nèi)提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量[1-4]。對于多用戶MIMO系統(tǒng)下行鏈路，空分多址將導(dǎo)致共信道干擾(CCI)。當(dāng)發(fā)射機(jī)具有完備的信道狀態(tài)信息(channel state information，CSI)時，基站發(fā)射機(jī)可以利用預(yù)編碼技術(shù)消除CCI，減輕移動終端接收機(jī)在信號處理方面的壓力。發(fā)射機(jī)可以采用不同方法獲取CSI。對于時分雙工(TDD)系統(tǒng)，可以利用上行信道和下行信道的互易性由發(fā)射機(jī)直接獲得CSI；對于頻分雙工(FDD)系統(tǒng)，可以利用反饋信道將接收機(jī)估計的CSI反饋給發(fā)射機(jī)。

一類基于迫零和奇異值分解(SVD)的預(yù)編碼技術(shù)[5-6]可以完全消除MIMO系統(tǒng)的CCI，但這類預(yù)編碼方法的缺點是系統(tǒng)的天線配置受到限制。文獻(xiàn)[6]提出的預(yù)編碼方案對發(fā)射機(jī)預(yù)編碼器和接收機(jī)譯碼器進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計，與文獻(xiàn)[5]的預(yù)編碼方案相比，可以獲得更好的誤比特率性能。基于最大化信擾噪聲比(signal to jamming and noise ratio，SJNR)[7]和基于最大化信漏噪聲比(signal to interfevence ratio，SLNR)[8]的預(yù)編碼方案沒有天線配置的限制，但是它們不能完全消除CCI。文獻(xiàn)[9-10]研究了基于最小均方誤差(MMSE)準(zhǔn)則的MIMO系統(tǒng)預(yù)編碼問題。文獻(xiàn)[11]利用MMSE準(zhǔn)則研究了多用戶MIMO下行鏈路預(yù)編碼器和譯碼器的聯(lián)合設(shè)計問題，該聯(lián)合設(shè)計方案顯示出更好的誤比特率性能。

雖然將發(fā)射機(jī)預(yù)編碼器和接收機(jī)譯碼器進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計可以獲得更好的誤比特率性能，但是聯(lián)合設(shè)計方案都需要迭代操作，具有較高的計算復(fù)雜度。本文開發(fā)一種非迭代的聯(lián)合預(yù)編碼設(shè)計方案，與非迭代SVD方案相比可以獲得更好的性能。該聯(lián)合設(shè)計方案假定接收機(jī)譯碼器為匹配濾波器，利用MMSE準(zhǔn)則進(jìn)行預(yù)編碼時不需要迭代操作。另外，將迫零方法引入MMSE準(zhǔn)則，可以完全消除共信道干擾；為了進(jìn)一步簡化預(yù)編碼設(shè)計問題，對等價信道矩陣進(jìn)行奇異值分解可以將向量優(yōu)化設(shè)計問題簡化為標(biāo)量優(yōu)化設(shè)計問題。

1 系統(tǒng)方案

圖1 多用戶MIMO下行鏈路系統(tǒng)框圖

2 預(yù)編碼設(shè)計

2.1 問題描述

假定接收機(jī)譯碼器為匹配濾波器時，用戶k的均方誤差(MSE)[10]為：

考慮兩個約束條件：一是基站的總發(fā)送功率約束；二是考慮迫零約束。因此預(yù)編碼器的設(shè)計問題可以表示為：

式中P為基站的總發(fā)送功率。

2.2 設(shè)計方案

通過對總MSE進(jìn)行迫零處理消除CCI。

3 仿真結(jié)果

作為一個性能基準(zhǔn)，文獻(xiàn)[5]提出的非迭代SVD方案表示為SVDTr，文獻(xiàn)[11]提出的迭代MMSE方案表示為Iter-MMSE，本文提出的預(yù)編碼方案表示為ZF-MMSE。仿真過程中，假定Iter-MMSE方案的迭代次數(shù)為20。

圖4研究了本文所提出的預(yù)編碼方案對多用戶MIMO下行鏈路總?cè)萘康挠绊?。與非迭代的SVD方案相比，對于給定的總?cè)萘恐?，新方案可以獲得2 dB的增益，而且，該改進(jìn)不受發(fā)送天線數(shù)目的影響。

圖2 不同預(yù)編碼方案的誤比特率性能比較

圖3 發(fā)送分集對新預(yù)編碼方案誤比特率性能的影響

圖4 不同預(yù)編碼方案的總?cè)萘啃阅鼙容^

4 結(jié) 論

本文提出了一種發(fā)射機(jī)與接收機(jī)聯(lián)合預(yù)編碼設(shè)計方案。該方案不需要迭代操作，可以給出閉式解。仿真結(jié)果表明，該方案可以獲得更好的性能，與非迭代的SVD方案相比，當(dāng)誤比特率為10?4時，該方案可以獲得3 dB的增益；對于給定的系統(tǒng)總?cè)萘浚路桨缚梢垣@得2 dB的增益。此外，發(fā)送分集對系統(tǒng)性能有重要的影響。

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