第11卷第1期 2010年2月 信息工程大学学报 Journal of Information Engineering University VoI.11 NO.1 Feb.2010 基于BD的改进多用户MIMO预编码算法 祝锴,王 丽,胡捍英 (信息工程大学信息工程学院,河南郑州450002) 摘要:块对角化(BD,Block diagonalization)预编码算法可以全部消除多用户MIMO的共信道干 扰(CCI,Co—Channel Interference),但其子流之间强弱差别很大。提出了一种低复杂度的子流 选择算法以及基于用户公平性的功率分配方案。前者在容量损失不多的前提下,提升了系统 的误码性能和功率利用效率;后者使系统各子流接收信噪比相同,各个用户的误码性能一致, 且计算复杂度低,不需要复杂的数值优化。 关键词:MIMO;预编码;块对角化;子流选择;公平性 中图分类号:TN929.5 文献标识码:A 文章编号:1671—0673(2010)01—0007—04 Improved BD Precoding Algorithms for Multi-User MIMO Systems ZHU Kai,WANG Li,HU Han—ying (Institute of Information Engineering,Information Engineering University,Zhengzhou 450002,China) Abstract:The Block diagonalization(BD)precoding algorithm of multi—user MIMO systems elimi— nates the CO—channel interference(C CI),but great differences of intensity still exist in its substre・ ams.This paper proposes a low complexity substreams selection algorithm and a power allocation scheme based on the fairness between users:The former improves the BER performance and the effi— ciency in power utilization with a bearable capacity loss.The later makes all the substreams have the same SNR and all the users have the same BER performance.It also reduces the computational com- plexity by saving the necessity in conducting numerical optimization. Key words:MIMO;precoding;block diagonalization;substreams selection;fairness 目前多用户MIMO(Multi—Input Multi—Output)是MIMO技术研究中的热点。在多用户MIMO下行链路 中,基站在相同频率和时隙同多个用户进行通信,用户之间存在共信道干扰(CCI)。发送预编码技术是抑 制CCI的主要手段之一,基于脏纸编码(DPC,Dirty Paper Coding)的多用户预编码方法可以达到MIMO信 道容量的上限…,然而由于非线性处理的高复杂度,脏纸编码并不实用。现有的线性算法根据对CCI的 处理不同,可以分为干扰抑制和干扰消除两类。随着用户数的增加,利用多用户分集,线性预编码能获得 与最优的脏纸编码渐进相同的系统容量。 干扰抑制算法允许一部分干扰存在,如最大化接收信干噪比 、最大化接收信漏噪比算法 、Sum— MMSE算法 、基于上行虚拟链路的MMSE迭代算法 等。干扰抑制算法综合考虑用户的干扰和噪声, 鲁棒性较强,但一般需要各用户的预编码矩阵联合优化。干扰消除算法将用户之间的CCI全部消除。。 , 这类算法的优点是物理概念清晰、应用灵活,缺点是由于零空间自由度的,往往对天线数目有一定的 要求。当不满足条件时,可以利用用户调度的办法来解决问题¨ 。 收稿日期:2009—04—16;修回日期:2009—10—20 基金项目:国家863计划资助项目(2009AA011504) 作者简介:祝王锴(1984一),男,硕士生,主要研究方向为MIMO.OFDM技术; 丽(1982一),女,博士生,主要研究方向为多用户MIMO技术; 胡捍英(1961一),男,教授、博士生导师,主要研究方向为无线与移动通信,第三代移动通信系统。 8 信息工程大学学报 干扰消除算法中最有代表性的是Q.H.Spencer等人提出的块对角化(BD)迫零算法 。BD算法将 信道矩阵块对角化,利用用户多天线的联合处理能力。然而,BD算法并没有对得到的并行子流进行选 择,功率利用率不高;同时,BD算法没有考虑用户的公平接收问题。本文针对BD算法上述问题,提出了 子流选择算法,相对于BD算法获得了更优的误码性能;提出了用户等误码率的公平接收方案,解决了不 同用户的公平接收问题。 1 多用户MIM0下行链路模型 多用户MIMO下行链路如图1所示。假设系统共有K个用户,基站的天线数记为n ,用户_『的天线数 记为nq,用(n ,…,nRk)× 表示这样的信道。设基站到各用户的信道为Rayleigh平坦衰落,基站到用 户 的信道可表示为n ×nr维信道矩阵 ,其元素为的CⅣ(0,1)随机变量。用户 的发送信号为 维向量 ,对应n ×1i维预编码矩阵 。 这样用户_『的接收信号为 k ri= Hi1 I MIdi+n|=H|M Jdi+H J 1 I.1 一1 M dt+n J 1、) 从式中可以看出,用户 的接收信号包括有用信号、 共信道干扰以及噪声。 2基于BD的2种改进算法 :● ^ 算法1 子流选择预编码算法 令jjr,=[日 …日I1日I1…日:] ,j弓r,为除用户 图 多用户M Mo下行链路模型 本身外,其他用户的信道矩阵组成的联合矩阵。为了使用户的CCI完全消除,要求 落在jjr 的零空间 里,使日 :0,V i≠ 。对jjr,进行奇异值分解 jjr= ,,∑ ” ] (2) 令 =,ank( ), ∞为 的后几,一 个右奇异向量,构成 的零空间正交基。 = 就是用户_『 消除CCI之后的n ×(n,一Z,)维等效信道,n ,和n 一己,分别为等效的接收和发送天线的数目。对其奇异 值分解有 = [毛 (3) 其中,∑ =diag(g1 , ,…, )对角元素为每个子流的对应奇异值, 为并行子流个数。 ”为 的前 个右奇异向量,构成等效信道 的预编码矩阵。系统和容量表示为 c:l0g l(4) fj+ I J其中,∑=diag(∑ 一,∑ ),A=diag(A 一,A )是给每个子信道分配的功率构成的对角矩阵。or:为接 收噪声功率。 考虑(4,4)×8系统,经过上述处理后,用户4个子流奇异值g。至g 的概率密度分布如图2所示。从 图中可以看到,4个子流的奇异值分布区域有明显差别,选择强奇异值子流传输数据,可以有效地提高系 统误码性能和功率利用效率。 下面从三 中选择 个强子信道,关闭其余子信道。设用户 的发送符号 经过等效信道下的预编码 矩阵y 后的符号为(c。,c:,…,c— .) ,那么发送符号经过预编码矩阵后表示为 d ● : d (5) × 第1期 祝 锴等:基于BD的改进多用户MIMO预编码算法 9 (x)代表舍弃的子信道,发送符号不再经过这些子信道。 y(I)(:,1:B)和 ,(:,1:B)表示y ”和 的前B列。这样发送向量 估计a af=[u (:,1:B)][(日, 叭・ ”(:,1:B)・以 1/2)d,+,l 码矩阵和解码矩阵选择了较少的特征向量,相比于BD算法降低了收发两端的计算复杂度。 算法2基于多用户公平接收的功率分配方案 (6) 子流选择预编码算法使得有限的功率分配到条件好的子流上,充分利用了发送功率资源。由于预编 在多用户通信系统中,用户之间的公平性十分重要。针对用户获得相同误码性能的公平服务,提出了 基于多用户公平接收的功率分配方案。此方案的目标是每个用户有相同的误码性能,这可以通过使每个 用户的接收信噪比相同来实现,而用户接收信噪比相同又通过使每个子流的接收信噪比相同来实现。设 g Aji为用户J的第 个子流的对应奇异值和分配的功率,这样用户 第i个子流的接收信噪比 为 : (7) or 使各个子流具有相同的接收信噪比,有如下关系 g2Al1=g2Al2=…=g2 A z, l112。∑K∑LiA ^:P.P , L )(8 A >10, =1…K,i=1… 。 其中,P为总发送功率。由(8)式可以看出,此方案约束条件很强,求解(8)式的过程实际是一个解方程的 问题,计算复杂度明显低于注水算法。 3 仿真分析 仿真环境设置:考虑无编码系统,采用QPSK调制,发送信号总功率归一化为1,信噪比SNR定义为发 送总功率与每根接收天线上的噪声功率的比值。结果经过10 000次不同的信道实现得到,误码率仿真每 次数据长度为3 600bits。天线设置分别考虑4根发送天线,两用户每用户2根接收天线和8根发送天线 两用户每用户4根接收天线的情况。 考虑(2,2)X4系统,图3、图4分别给出了本文提出的两种算法与BD算法的误码性能以及系统和容 量性能比较;图5为采用算法2时系统中两个用户的误码率比较。可以看出,算法1在容量损失并不严重 的情况下,相比于BD算法明显提升了误码性能,算法2使得系统中的2个用户获得了完全相同的误码 率。算法2的误码性能与BD算法相当,但是容量性能在整个信噪比区域内有明显的下降。这是因为算 法2采用了基于用户公平性的功率分配策略,与容量优化相反,给弱子信道分配了更强的功率,给强子信 道分配了较少功率,造成了较大的容量损失,这是追求用户误码率的绝对公平而付出的容量代价。算法1 在容量与误码性能上取得折中;算法2在对系统中各个用户之间的公平性有较高要求时有一定的应用 价值。 稍 甜 图2(4,g)×8系统,各子流 奇异值概率密度 图3(2,2)×4系统,本文算法与 BD算法误码性能比较 图4(2,2)×4系统,本文算法与 BD算法系统和容量比较 10 信息工程大学学报 2010正 釜 逦 馋 垛 10 10 10 0 2 4 6 8 l0 12 l4 l6 l8 2O 信噪比(dB) 图5(2,2)×4系统,算法2 两个用户的误码率 留嗤 信噪比(dB) 图6(4,4)×8系统,算法l与 BD算法误码率比较 信噪比(dB) 图7(4,4)×8系统,算法1与 BD算法系统和容量比较 针对算法1,考虑(4,4)X 8系统,每个用户存在4个子流。从图6、图7的仿真结果可以看出,当用户 把全部功率集中到唯一最强子流时可以得到最佳的误码性能,但由于这样做没有利用MIMO复用增益的 优势,容量损失明显。选择3个子流时几乎不损失容量,且提高了误码性能。选择2个子流时,容量损失 有限,亦获得了可观的误码性能增益。实际应用中可以针对不同的容量、误码需求和信道状况,选择合适 的传输子流数。 4结论 本文在BD算法的基础上,提出了子流选择预编码算法,在容量损失有限的前提下提高了传统BD算 法的功率利用效率和误码性能;提出了多用户公平接收的功率分配方案,一定程度上解决了BD算法的多 用户公平接收问题,并且此方案不需要进行复杂的数值优化,便于实现。 参考文献 [1] Weingarten H,Steinberg Y,Shamai S.The capacity region of the Gaussian MIMO broadcast channel[C]//Proceedings of In— ternational Symposium on information Theory.2004:1 74. ar S A,Vishwanath S,Glodsmith A J.Channel capacity and beamforming for multiple transmit and receive antennas with CO— [2] Jafvariance feedback[C]//IEEE International Conferenee on Commanications.2001.7:2266—2270. 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