TDD大规模MIMO系统中两种新的下行预编码方案

针对时分双工大规模MIMO系统,该文提出两种新的下行链路预编码方案,即新最大比合并(NMRC)和新迫零(NZF)方案,通过理论分析得到两种新预编码方案下目标用户和非目标用户的下行链路信干噪比和频谱效率的表达式,并与传统的迫零(ZF)和最大比合并(MRC)预编码的下行链路信干噪比、频谱效率和误码率性能进行比较.仿真结果表明,所提出的NMRC和NZF预编码与传统的MRC和ZF预编码相比,在不增加运算复杂度的前提下可以获得更好的性能,而且新的预编码方案在提高目标用户性能的同时,对其他非目标用户的性能也有一定的改善.     

单中继多用户MIMO系统中继预编码新方案

针对单中继多用户多输入多输出(MIMO)通信系统中用户间干扰问题,提出了一种可以有效抑制用户间干扰的中继接收和预编码方案。该方案在中继端对信号进行迫零(ZF)接收,利用最大化信漏噪比(SLNR)准则设计中继端预编码向量,并针对难以获得最优解的情况,利用迭代解出次优解。仿真结果表明,与中继端ZF预编码相比,SLNR预编码更好地抑制了用户间干扰,相同和速率性能下,基站发送端功率比ZF预编码减少4 dB,具有实用价值。     

基于SLNR准则的MU-MIMO下行链路的预编码与用户调度

在多用户MIMO（MU-MIMO）系统的下行链路中,为了降低用户端的处理复杂度,发射端预编码的设计对多用户MIMO系统的性能非常重要,基于信漏噪比（SLNR）准则的预编码技术由于同时考虑了共信道干扰（CCI）和噪声,提高了系统的性能,但基站同时服务的用户有限,基于信漏噪比最大的用户调度能够合理地选择用户,提高了多用户分级增益,使系统获得更高的系统容量和系统性能。仿真结果表明,基于SLNR准则的多用户预编码在系统容量和误码率方面要优于单一考虑CCI的迫零预编码（ZF）和单一考虑噪声的最大化每个用户接收到信号的信噪比预编码（MRT）。在采用SLNR预编码的条件下,信漏噪比最大的用户调度系统性比轮询调度和最大信道增益调度好,并且随着待选用户数的增多,不会给系统的调度策略带来很大的影响。     

一种改进的MRT预编码方案

最大比传输(Maximum Ratio Transmission,MRT)预编码是以最大化期望信号的输出信干噪比为设计原则得到的预编码方案。它通过对信道矩阵求共轭转置来获取发送预编码矩阵,计算复杂度低,频谱效率低。通过增加MRT预编码的期望用户的信道增益,改善MRT预编码的性能,引出了一种改进的MRT预编码方案(Improved Maximum Ratio Transmission,Improved-MRT),并根据MRT预编码在瑞利衰落信道下的闭式表达式得到Improved-MRT的频谱效率、中断概率、中断容量的近似闭式表达式。     

单载波大规模MIMO频域预均衡与波束成型的联合设计

本文考虑了单载波频域预处理技术作为多用户大规模MIMO下行链路通信的传输方案。首先,根据系统模型推导出宽带多用户大规模MIMO下行链路预编码的形式,其中包括匹配滤波(MF)和迫零(ZF)预编码方案。随后,通过理论推导和仿真验证得到两种预编码方案下OFDM与SC-FDP的用户和速率表达式,结果显示SC-FDP在大规模MIMO场景下拥有与OFDM相似的用户和速率。然后,通过仿真实验对比OFDM与SC-FDP的峰均比(PAPR),结果表明在用户数目较少的情况下,SC-FDP相对于OFDM具有更小的PAPR,随着用户数增加,两者之间差异逐渐减小。最后,对多用户MIMO下行链路中OFDM与SC-FDP的运算复杂度进行比较,二者系统复杂度相当,而SC-FDP主要运算任务在基站端完成。基于以上比较分析,SC-FDP在宽带多用户大规模MIMO下行链路中是一种很有潜力的传输方案。      

大规模MU-MIMO系统归一化预编码算法

针对大规模MU-MIMO系统中预编码技术性能不佳的问题,在不完善信道状态信息(CSI)的情况下,对迫零(ZF)和最大比发射(MRT)预编码技术提出了两种归一化算法：向量归一化与矩阵归一化。首先基站通过上行导频序列估计CSI,并在下行链路中用所提的算法对预编码矩阵进行归一化处理,然后将其与发送信号以及信道进行匹配。仿真结果表明,在高信噪比时,ZF预编码使用向量归一化算法实现了更好的系统性能;而在低信噪比时,MRT预编码使用矩阵归一化算法使系统性能得到了良好改善。     

基于遗传算法的毫米波大规模MIMO系统混合预编码

目前混合预编码方案中,大多采取高精度的移相器作为模拟预编码的设计基础,使得系统成本增加。针对这一问题,探讨了有限精度射频前端的混合预编码设计。为了实现更高的频谱利用率,考虑到天线权值的最优组合为一NP（Non-deterministic Polynomial）问题,受机器学习启发,采用遗传算法对阵列中阵元的相位取值进行建模设计模拟预编码。通过信道矩阵与模拟预编码矩阵的乘积引入等效信道矩阵,考虑用户间干扰,以最大信干噪比准则进行数字预编码设计。仿真结果表明,该方案得到的混合预编码矩阵其系统性能可逼近全数字预编码矩阵的性能。     

基于最大化信干噪比的多用户MIMO下行预编码

研究多用户MIMO系统下行链路的容量，以及如何达到该容量是最近几年研究的热点．基于各用户之间干扰为零的BD（Block Diagona Jjzation）算法，由于各用户信道空间的交叠，会造成多用户MIMO系统容量较大的损失，同时BD算法要求接入点的发射天线数不能小于空间复用用户的接收天线数之和．本文提出了基于最大化信干噪比准则下的线性预编码，和减少容量损失的次优线性预编码两种方案，避免了上述两个缺点，推导出基于最大化邬恹准则的线性预编码就是各用户采用单数据流传输的方案，同时通过容量分析和误码率仿真证明，这两种算法都优于传统的BD算法。     

抑制小区间干扰的改进信漏噪比预编码方法

针对下行多用户MIMO系统在多小区环境中系统性能下降的问题,在传统信漏噪比(SLNR)预编码基础上,提出在接收端采用白化滤波器抑制干扰,发射端考虑邻小区干扰加噪声协方差矩阵的预编码方法,消除用户间干扰的同时能很好地抑制小区间干扰,改善系统性能.仿真结果表明,改进算法在最大化新定义的等效信漏噪比的过程中,由于引入的等效信道考虑了小区间干扰,相对于传统算法,可明显提高系统容量.     

基于大规模天线的多用户 MISO 下行链路频谱效率分析简

在大规模天线时分双工通信系统中,分析了多用户MISO下行链路的频谱效率。假定用户数固定且基站天线数M无限增大,通过理论推导分析发现,当基站发送功率减小到单天线基站的1/M时,随着M的增加系统频谱效率趋于一个恒值;并且简单的预处理即可消除用户间干扰和快衰落的影响。虽然多小区系统会受导频污染的影响,致使小区间干扰不能被完全消除,但是降低后的发送功率可使系统由干扰受限转变为噪声受限。采用迫零单位预编码与采用最大比发送单位预编码的系统频谱效率极限表达式相同。最后给出采用空时分组码的多用户下行链路的频谱效率下限值,并通过仿真分析证实了以上结论的正确性。     

大规模MIMO下最优预编码选择策略研究

大规模多入多出(Massive MIMO)系统中,随着天线数的增加,线性预编码算法的性能逐渐趋于最优,选择合适的线性预编码对系统性能具有重要的意义.针对发射端信道状态信息(Channel State Information at Transmitter,CSIT)不完美的Massive MIMO系统,推导出了迫零(Zero-Forcing,ZF)和最大比传输(Maximum Ratio Transmission,MRT)这两种常见预编码方案在向量归一化方式下的下行可达和速率下界,并给出了证明.随后对两种下界进行了分析,提出了一个关于系统用户数的阈值,当系统用户数和阈值的大小关系不同时,两种预编码性能的优劣关系也不相同.根据分析结果,文章进一步提出了一种以系统中用户数为参量的预编码选择策略,可以保证不论用户数如何变化,系统都能选择出更优的那一个预编码算法来对信号进行预处理.分析的有效性和方案的可靠性通过仿真得到了验证.     

Secrecy sum-rate analysis of massive MIMO systems under dual-threat attacks using normalization methods

Massive Multiple Input Multiple Output (MIMO) has been considered as an emerging technology to enhance the spectral and energy efficiency for the upcoming wireless communication systems. This paper derives a closed-form approximation for the Ergodic Achievable Secrecy Sum-Rate (EASSR) by considering the joint impact of eavesdroppers and jammers. Two widely used linear precoding techniques, Zero-Forcing (ZF) and Maximum Ratio Transmission (MRT), were used in conjunction with matrix and vector normalization to analyze the secrecy performance. Closed-form expressions are used to explain how the secrecy performance is affected when using the ZF and MRT precoding in the eavesdropping and jamming attack models. We also analyze and compare the performances of different combinations of normalization method and precoding technique in various scenarios. From the analytical expressions and simulation results, we observe that the vector and matrix normalization perform better for the ZF precoding than for the MRT precoding in high Signal-to-Noise Ratio (SNR) scenarios. However, in low SNR, the MRT with matrix normalization outperforms the ZF with vector normalization regardless of the number of users in the system. Further, we observe that the MRT fails to serve more than two users in high SNR scenario. Numerical results obtained from Monte Carlo simulation are used to corroborate the accuracy of the asymptotic secrecy analysis.     

大规模MIMO时分双工系统的鲁棒预编码设计

对于采用大规模MIMO技术的时分双工系统,天线互易误差会破坏上下行信道互易特性,大幅降低预编码算法下行传输性能。由于实际系统难以完全消除天线互易误差,该文以最大化各用户平均信泄噪比为目标,根据天线互易误差的统计特性,设计了对该误差具有鲁棒性的线性预编码算法。同时为了进一步降低用户接收端的等效噪声功率,该文还将该线性鲁棒预编码算法扩展为基于矢量扰动的非线性鲁棒预编码算法,并通过减格辅助技术降低其扰动矢量求解复杂度,使其更适用于大规模MIMO系统应用。计算机仿真结果表明在存在基站天线互易误差条件下,该文所提出的线性与非线性鲁棒性预编码算法的性能均优于传统预编码算法的性能。     

大规模MIMO多小区TDD系统中的预编码策略和导频调度

上行导频污染是大规模MIMO多小区多用户TDD系统的主要性能瓶颈。本文推导了下行链路中MF,ZF单小区预编码,基于MMSE的多小区预编码以及基于最大化SLNR准则的预编码策略在有导频污染的大规模MIMO下的系统可达和速率渐近性能,发现当基站天线数趋向无穷时,各个策略的等效信干比均收敛到仅与大尺度衰落因子相关的一个比值,由此可以得到一个系统可达和速率的渐近结果。基于此渐近结果,以最大化系统可达和速率为目标,获得了一个导频调度方案,即使得小区间相互干扰较小的用户采用相同的导频而相互干扰较大的用户采用正交的导频,从而在存在导频污染的情况下,可以提升系统的整体性能。理论分析和数值仿真结果都验证了以上结论。      

BER analysis using zero-forcing linear precoding scheme for massive MIMO under imperfect channel state information

ABSTRACT

In massive MIMO systems, inter-user interference has effect on the transmitted signals, so linear precoding techniques are employed for multiuser transmission channels to remove this inter-user interference. It is very complicated to design a suitable linear precoding technique having low computational complexity, which will give an excellent Bit Error Rate (BER) performance. In this paper, we analyse BER under imperfect Channel-State-Information (CSI) using Zero-Forcing (ZF) linear precoding scheme in the downlink, massive MIMO in Time-Division-Duplex (TDD) mode. We derive the closed-form expressions for BER that are obtained from the new expressions derived for Signal-Interference-Noise Ratio (SINR), and then analysis with different parameters using numerical and Monte Carlo simulated results is carried out in MATLAB under imperfect CSI. It was found that our theoretical analysis agrees well with the simulated results. In our analysis, BER was observed in most cases to be good when the number of Base Station (BS) antennas is large enough to accommodate the served users, but when the number of users grows up, the BER performance degrades depending on how many BS antennas are capable of handling the additional users. Also, increasing the downlink transmit power was found to improve the performance, but it is not an energy-efficient way for massive MIMO.     

Spectral efficiency evaluation of full‐duplex mode of communications based on SLNR approach

Full‐duplex (FD) mode of communication with efficient transmission scheme is a promising approach for 5G wireless systems by improving the spectral efficiency. This can be attained by making use of various precoding approaches. We propose a new co‐channel interference (CCI)‐aware improvement to signal‐to‐leakage‐and‐noise ratio (SLNR) technique and a suppression filter at the receiver to whiten the interference for the downlink channel. As well, for the uplink (UL) communication, we propose a self‐interference (SI)‐aware enhancement to SLNR scheme and designing a precoder using self‐interference plus noise covariance matrix. The total spectral efficiency is obtained from the sum‐rates of both downlink and uplink communication systems. Simulation results verify that the spectral efficiency (SE) of FD using the proposed scheme performs well relative to the half‐duplex system for all Rician factor and for small powers at the base station (BS) and UL communication channel users. Moreover, as the number of users grows, which entails that as the number of receiving antennas greater than the number of antennas at the BS the SLNR scheme still works, nonetheless, zero‐forcing (ZF) and block‐diagonalization (BD) precoding schemes failed. This is due to the fact that designing a precoder based on SLNR scheme supports multiple numbers of antennas at the base station and users compared with ZF and BD by compromising the interference and noise. However, for the cases of ZF and BD approaches failed due to both schemes require the number of transmit antennas at the BS to be larger than the sum of the receiving antennas at all users.     

A novel zero-forcing precoding method for multi-cell MIMO systems

Precoding methods at the Base Station (BS) can be used to deal with the inter-cell interference and improve the signal quality of the user especially at the cell edge. In this paper, a novel Zero-Forcing (ZF) precoding method is proposed and investigated for multi-cell Multi-Input Multi-Output (MIMO) systems. We propose a relaxed ZF precoding method by relaxing the ZF criterion to some degree so that the inter-cell interference may not be zero. Complexity analysis shows that compared with the conventional ZF method, the additional computation complexity for the proposed method is trivial. Simulation results show that the proposed relaxed ZF method has better performance than the conventional ZF method in terms of the sum-rate, especially at low Signal to Noise Ratio (SNR).     

两种典型中继处理策略环境下天线选择性能比较

考虑到天线选择(AS)具有实现简单和性能好等优点,通过仿真评估在不同中继策略场景下天线选择的性能。评估方法如下：中继站第1时隙采用最大比合并算法(MRC),第2时隙选择中继处理后具有最大信道增益的单天线进行信号传输。仿真结果表明：与现有的分布式空时码(DSTBC)和最大比合并、最大比合并和匹配滤波(MF)算法相比,最大比合并加天线选择混合方案在转发重传(AF)和译码重传(DF)策略下都能够提供更优的合速率与误码性能;并且在中继站采用译码转发策略时,该方案表现出优于采用放大转发策略的情形。例如,当误码率(SER)等于10-3时,译码转发策略具有1 dB的信噪比(SNR)增益。     

毫米波下行多用户系统安全混合波束成形算法

毫米波混合波束成形结构受到日益广泛的认可,但缺乏以安全性为着眼点的混合波束成形算法研究,特别是当窃听者具有多用户译码能力时,系统安全性能无法得到保障。针对上述问题,该文基于人工噪声辅助的思想提出一种毫米波下行多用户系统安全混合波束成形算法。首先,将混合波束成形矩阵的模拟部分和数字部分解耦合独立求解,在充分考虑信道特性的基础上,通过最大化用户接收信号能量和迫零思想分别设计有用信号的模拟和数字波束成形矩阵;然后,通过SVD分解设计人工噪声的基带数字预编码矩阵,将人工噪声置于合法用户零空间。仿真结果表明,人工噪声辅助的安全混合波束成形算法有效解决了存在具有多用户译码能力窃听者时系统的安全问题。