田心記，姜麗敏

(1. 河南理工大學計算機科學與技術學院，河南 焦作 45 4000；2. 安陽師范學院人文管理學院，河南 安陽 45 5002)

MIMO-MAC中一種改進的干擾消除方法

田心記1，姜麗敏2

(1. 河南理工大學計算機科學與技術學院，河南 焦作 45 4000；2. 安陽師范學院人文管理學院，河南 安陽 45 5002)

針對兩用戶的多輸入多輸出多址接入信道(MIMO-MAC)中存在共道干擾的問題，提出一種基于有限反饋的干擾消除方法，每個用戶根據(jù)反饋信息對將要發(fā)送的信號進行對角化處理。通過合理設計預處理矩陣，對接收信號進行線性處理以消除共道干擾，從而提高系統(tǒng)的可靠性，使得接收端可以逐個符號地最大似然譯碼，降低譯碼復雜度。仿真結(jié)果表明，若接收端配置2根天線且系統(tǒng)采用4QAM調(diào)制，則當誤比特率為10-3時，與已有基于有限反饋的干擾消除方案相比，該方案能獲得2 dB的增益。

多輸入多輸出；多址接入信道；共道干擾；有限反饋；最大似然；復雜度

1 概述

多輸入多輸出(Multi-Input Multi-Output, MIMO)技術具有空間復用和空間分集的特性，已被列為下一代無線通信的必選技術[1-2]。MIMO多址接入信道(Multiple Acce ss Channels, MAC)能成倍提高系統(tǒng)容量，受到廣泛的關注[3]。MIMO-MAC中多個用戶使用同一頻率同時傳輸信息，接收端存在嚴重的共道干擾，不但影響系統(tǒng)的可靠性，還增大了接收端的譯碼復雜度[4-5]。

針對MIMO-MAC中接收信號存在嚴重干擾的問題，文獻[6]將單用戶的干擾抑制方法引入到接收端的譯碼中，文獻[7]提出了接收端的一種改進的干擾消除方法，然而，這2種方案只是在接收端消除了部分共道干擾，都沒能消除傳輸過程中的共道干擾，其性能有待于提高。為此，學者們研究了基于有限反饋的MIMO-MAC傳輸方案，即在發(fā)送端利用反饋信息對用戶的信號進行預處理，達到消除部分共道干擾的目的[8-9]。文獻[10]提出了一種低反饋量的預編碼方案，其中的一個用戶調(diào)整天線的發(fā)射功率，該功率的設計目標是最大化接收端的信噪比。然而，該方法只是消除了部分共道干擾，接收端不能采用單個符號的最大似然(Maximum Likelihood, ML)譯碼，其譯碼復雜度有待于降低。

為了消除MIMO-MAC中的共道干擾并且降低譯碼復雜度，本文提出了一種基于有限反饋的干擾消除方法，使接收端可以逐個符號地ML譯碼。

2 系統(tǒng)模型

圖1 本文系統(tǒng)模型

其中，n和w均是噪聲向量，其元素服從獨立的標準正態(tài)分布；r1，r2，n和w的階數(shù)均為N×1。

3 預處理參數(shù)的計算

改寫接收信號的形式，得到式(2)：

若ρ=ε=0，則式(4)中的F是一個對角矩陣，即si和xi在傳輸過程中保持正交。此時式(4)可以表示如下：

其中，i=1,2。由式(5)和式(6)可以看出，對接收信號進行處理后分離了si和xi，即接收端可逐個符號譯碼si和xi。

由ρ=ε=0可以得到如下方程組：

4 譯碼方法

根據(jù)前面的分析可知，式(8)和式(9)成立時，可以分別譯碼si和xi( i=1,2)。具體譯碼步驟如下：

(1)接收端根據(jù)信道狀態(tài)信息計算H′，如式(3)所示。

(3)計算α，然后根據(jù)yi(i=1,2)和α得到用戶1的譯碼信號′，其表達式如下：

其中，C是調(diào)制星座圖上的點組成的集合。

5 復雜度分析與比較

在此計算本文方案及文獻[10]方案的譯碼復雜度，計算量的單位是每秒浮點運算次數(shù)(Floating-point Operations Per Second, FLOP)。

根據(jù)譯碼過程，本文方案的譯碼需要(72N+12M-8)flop，M為調(diào)制階數(shù)。

文獻[10]采用最小均方誤差-連續(xù)干擾取消(Minimum Mean S quared Error-Successive Interfere nce C ancellation, MMSE-SIC)譯碼方法。MMSE-SIC有多種不同的算法，本文假定文獻[10]采用文獻[12]提出的低復雜度MMSE-SIC。分析得到文獻[10]的譯碼復雜度為(432N+244) flop。

比較可得，當調(diào)制階數(shù)為4時，本文方案的譯碼復雜度不到文獻[10]方案的1/5，當調(diào)制階數(shù)為16時，所提方案的譯碼復雜度不到文獻[10]方案的1/3。

6 仿真結(jié)果

圖2和圖3分別給出了N=2和N=3時2種方案的誤碼率(BER)曲線，調(diào)制方式分別為4QAM和16QAM。系統(tǒng)模型及信道條件如前所述，仿真中沒有采用任何信道編碼，圖中的橫坐標表示2個用戶發(fā)送信號的信噪比。

圖2 N=2時2種方案的BER曲線

圖3 N=3時2種方案的BER曲線

從圖2和圖3中可以看出，本文方案的誤碼率曲線明顯低于文獻[10]方案，即其可靠性高于文獻[10]方案，這是因為本文方案消除了所有共道干擾，而文獻[10]方案只消除了部分共道干擾。若N=2，BER為10-3時，本文方案獲得了大約2 dB的增益，若N=3，BER為10-3時，本文方案獲得了大約3 dB的增益。因此，接收天線的個數(shù)越多，本文方案的增益越高。

7 結(jié)束語

本文提出了MIMO-MAC中一種基于有限反饋的干擾消除方法，通過在發(fā)送端對編碼矩陣進行對角化處理使得對接收信號進行線性處理后消除了多用戶干擾，從而接收端可以逐個符號地ML譯碼，降低了譯碼復雜度。本文方案僅限于2個用戶且每個用戶配置2根天線的MIMO系統(tǒng)，如何將該方法擴展到多個用戶并且每個用戶配置多根天線的系統(tǒng)還需要進一步的研究。

[1] Gesbert D, Shafi M. From Theory to Practice: An Overview of MIMO Space-time Coded Wireless Systems[J]. IEEE Journal on Selected Areas Communications, 2003, 21(3): 281-302.

[2] 楊 遠, 張海林, 胡軍峰. MIMO系統(tǒng)信道容量公式及漸進界[J]. 北京郵電大學學報, 2009, 32(2): 47-51.

[3] Kumar K R, Caire G. Channel S tate Feedback Over the MIMO-MAC[J]. IEEE Transactions on Information Theory, 2011, 57(12): 7787-7797.

[4] Li Feng, Jafarkhani H. Interference Cancellation and Detection for More Than T wo Users[J]. IEEE Transactions on Communications, 2011, 59(3): 901-910.

[5] Kazemitabar J, Jafarkhani H. Multiuser Interf erence C ancellation and Detection for Users with More Than Two Transmit Antennas[J]. IE EE Transactions o n Communications, 2008, 56(4): 574-583.

[6] Tan Chewei. Multiuser Detection of Alamouti Signals[J]. IEEE Transactions on Communications, 2009, 57(7): 2080-2089.

[7] Bhatnagar M R. Improved Interference Cancellation Scheme for T wo-user De tection of Alamouti Cod e[J]. IE EE T ransactions on Signal Processing, 2010, 58(8): 4459-4465.

[8] Li Feng. Multiple-antenna Interference Cancellation and Detection for Two Users Using Precoders[J]. IEEE Journal of Selected Topic in Signals Processing, 2009, 3(6): 1066-1078.

[9] Wang Juiteng. Joint MMS E Equalization and Power Control for MIMO Syst em U nder Multi-user Interference[J]. IEEE Communications on letters, 2012, 16(1): 54-56.

[10] Kim Y J, Choi C H, Im G H. Spac e-time Block Code d Transmission with Phase Feedback for T wo-user MIMOMAC[C]//Proc. of IEEE International Conference on Communications. Kyoto, Japan: IEEE Press, 2011: 1-5.

[11] A lamouti S M. A Simple T ransmit D iversity Technique for Wireless Communications[J]. IEEE Journal on Selected Areas Communications, 1998, 16(8): 1451-1458.

[12] Tsung H L, Liu Yulin. Modified Fast Recursive Algorithm for Efficient MMSE-SIC Detection of the V-BLAST System[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2008, 7(10): 3713-3717.

編輯 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

國家自然科學基金資助項目“基于非線性度量的復雜工業(yè)過程多模型分解及一體化控制方法研究”(61104079)。

田心記(1983－)，女，講師、博士，主研方向：MIMO技術及空時編碼；姜麗敏，講師、碩士。

2013-03-14

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

1000-3428(2014)05-0086-03

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TP393.03