Applying Opportunistic Medium Access and Multiuser MIMO Techniques in Multi-channel Multi-radio WLANs

Opportunistic medium access (i.e., multiuser diversity) and MIMO techniques (i.e., multiple-antenna techniques) are two effective ways to achieve a substantial throughput gain in a multiuser wireless system. In this paper, we propose a medium access control (MAC) protocol with opportunistic medium access and multiuser MIMO techniques (MAC-OMA/MM) in Multi-channel Multi-radio Wireless Local Area Networks (WLANs) to explore the utility of the joint design of these two techniques for the challenging MAC design. Specifically, in addition to utilizing multiple channels simultaneously and assigning multiple radio transceivers dynamically, multiuser MIMO technique is applied on each frequency channel to enhance the data rates. The key ideas of MAC-OMA/MM can be summarized as follows. By utilizing ATIM (Ad-hoc Traffic Indication Message) windows as in IEEE 802.11 power saving mechanism (PSM), user selection and channel negotiation are conducted between the access point (AP) and multiple users via ATIM messages on a common channel. Multiuser diversity are employed to opportunistically schedule among multiple candidate users to optimize data transmission in each negotiation. During data exchange, on each frequency channel, the AP is capable to communicate with two distinct users simultaneously both for the downlink and uplink data transmissions with the help of multiuser MIMO technique, which creates an extra dimension in spatial domain to further leverage the effect of multiuser diversity and multi-channel gains. Another contribution of this paper is to provide an analytical model to characterize the impact of our protocol on the system throughput and energy efficiency performance. Extensive simulations have been conducted and the results demonstrate that our protocol outperforms existing multi-channel MAC protocols with only minimal additional overhead and minor enhancements to the IEEE 802.11 PSM.

Novel angle estimation for bistatic MIMO radar using an improved MUSIC

In this article, we study the problem of angle estimation for bistatic multiple-input multiple-output (MIMO) radar and propose an improved multiple signal classification (MUSIC) algorithm for joint direction of departure (DOD) and direction of arrival (DOA) estimation. The proposed algorithm obtains initial estimations of angles obtained from the signal subspace and uses the local one-dimensional peak searches to achieve the joint estimations of DOD and DOA. The angle estimation performance of the proposed algorithm is better than that of estimation of signal parameters via rotational invariance techniques (ESPRIT) algorithm, and is almost the same as that of two-dimensional MUSIC. Furthermore, the proposed algorithm can be suitable for irregular array geometry, obtain automatically paired DOD and DOA estimations, and avoid two-dimensional peak searching. The simulation results verify the effectiveness and improvement of the algorithm.     

大规模MIMO系统中动态导频分配

针对大规模多输入多输出(MIMO)系统中存在的导频污染问题,该文提出一种动态导频分配方案。所提方案利用目标小区与干扰小区用户之间的信号干扰强度差将干扰小区分为Uin和Uout两类,并对Uin中的用户进行最优导频分配,Uout中的用户进行随机导频分配来提升系统的平均下行可达和速率。同时,在存在额外正交导频组的情况下对所提方案做了进一步优化。仿真结果表明,所提的动态导频分配方案能够有效地提升大规模MIMO系统的性能。     

Superimposed Pilot Aided Multiuser Channel Estimation for MIMO‐OFDM Uplinks

This letter addresses the superimposed pilot aided multiuser channel estimation for the uplinks of multi‐input multi‐output orthogonal frequency‐division multiplexing systems. To mitigate the embedded‐data effects on the performance of channel estimation, a novel combining algorithm is proposed. Optimal pilot symbols are developed with respect to the least square channel estimate's mean square error. The averaged sum‐capacity lower bound is derived and simulated. Simulation results show that on a low signal‐to‐noise ratio regime, our proposed scheme achieves better performance and higher capacity than the conventional pilot aided approach.     

基于MIMO的可见光通信中的信道均衡

针对基于多输入多输出(MIMO)的室内可见光通信(Visible-Light Communication,VLC)系统中存在的码间串扰(ISI)问题进行了分析,并提出了适用于MIMO可见光通信系统的信道均衡方案及实现方法.仿真实验结果表明,该方法可以有效降低MIMO可见光通信系统中的码间串扰的影响.     

大规模MIMO系统上行链路时间-空间结构信道估计算法

针对大规模多入多出(MIMO)系统上行链路非平稳空间相关信道的估计问题,该文利用信道的时间-空间2维稀疏结构信息,应用狄利克雷过程(DP)和变分贝叶斯推理(VBI),设计了一种低导频开销和计算复杂度的信道估计迭代算法,提高了信道估计精度。由于平稳空间相关信道难以适用于大规模MIMO系统,该文借助于狄利克雷过程构建了非平稳空间相关信道先验模型,可将具有空间关联的多个物理信道映射为具有相同时延结构的概率信道,并应用变分贝叶斯推理设计了低导频开销和计算复杂度的信道估计迭代算法。实验结果验证了所提算法的有效性,且具有对系统关键参数鲁棒性的优点。

     

智能反射面辅助多用户大规模MIMO系统的联合波束成形

智能反射面（Intelligent Reflecting Surface,IRS）作为面向第6代通信的关键技术之一具有创新、高效、节能和成本效益高等特点,但其联合波束成形设计为非凸优化问题,仍然是具有挑战的难题。为此,提出了一种用于IRS辅助多用户大规模多输入多输出系统的联合波束成形设计方案,以实现系统数据速率最大化。该方案在基站端采用迫零波束成形以消除用户间干扰,同时在IRS端设计了近最优反射波束成形以实现系统和数据速率最大化。仿真结果表明,该方案可获得较高的系统和数据速率,也为IRS位置布局的选择提供了数据支持与参考准则。     

MIMO系统中空时分组编码的信道容量

在多输入多输出（MIMO）系统中，建立空时分组编码模型，在分析瑞利衰落下正交空时分组码接收信噪比的基础上，得到了正交空时分组编码信遗容量的表达式，并采用数值计算的方法对其进行分析论述，得出在接收天线数一定的情况下，增加发送天线数所能得到的信道容量的上界。同时，分析证明，在发送天线数一定时，正交空时分组编码信道容量随接收天线数的增加而增加。在接收天线数一定时，信遗容量也随着发送天线数的增加而增加，但当发送天线数增加到一定数量时容量的增加就变得不十分明显。     

大规模MIMO系统中联合用户分组和联盟博弈的动态导频分配方案

大量研究表明,大规模MIMO系统中的小区边缘用户比中心用户更易遭受导频污染的影响。因此,该文提出一种联合用户分组和联盟博弈(JUG-AG)的动态导频分配方案来减轻系统导频污染。根据用户信号强度将所有用户分为A,B两组,把接收基站信号强度弱的小区边缘用户记为A组,剩余用户则为B组。A组用户使用相互正交的导频,B组用户则借助联盟博弈来重复使用剩余的正交导频。在B组用户的联盟博弈中,用户被分成若干个互不相交的用户子联盟,属于不同子联盟的用户分配不同的相互正交导频序列,而属于同一子联盟中的用户使用相同的导频序列。与已有的导频分配方案相比,该文提出的JUG-AG方案更灵活,可以用于所有用户随机分布的场景。而且,该算法通过循环搜索可以获得整体最优解。仿真结果表明JUG-AG方案能够有效降低上行链路中用户信号检测的平均均方根误差(RMSE),而且可以提高用户的平均服务速率。

     

多用户MIMO系统中基于不完全信道状态信息和天线选择的性能研究

本文研究了基于不完全信道信息和天线选择的多用户MIMO系统下行链路性能。通过系统建模和性能分析,利用数学变换和条件概率密度函数,推导了有着不完全反馈信息时的系统误比特率(BER)准确表达式。该式可有效评估反馈时延对系统性能的影响,且包含了基于完全反馈信息的系统BER公式作为其特殊情况。为简化准确表达式中的积分计算,还利用互补误差函数的近似值推导了系统BER的近似表达式,可得到较为简单的闭式表达式。计算机仿真结果表明:所给的准确及近似理论分析可与仿真结果取得较好的一致;且当归一化时延低于0.01时,系统性能较之完全信道信息情况仅有轻微的下降。     

多用户MIMO下行收发联合波束成形

针对随机波束成形(RBF)只有在包含大量用户的系统中才能获得较好性能的局限性,提出了一种新的收发联合波束成形方案,用于多用户多入多出(MIMO)下行链路传输。该方案有效地结合了RBF与接收天线合并技术。分析及仿真结果表明,即使在用户数为中等甚至较小时仍然能获得较高的和速率性能。由于每个用户的反馈开销没变,从而使获得同样和速率时系统的总反馈开销明显减少。仿真结果还显示,所提方案的和速率性能不仅优于原RBF,也比RBF结合最大比合并或者等增益合并的性能有明显改善,同时还保持了最优的随用户数变化的增长速度。     

融合残差SENet的毫米波大规模MIMO信道估计

在户外光线追踪场景下,针对毫米波大规模多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)系统受户外环境噪声干扰导致估计精度低的问题,提出了一种融合残差挤压激励网络(Squeeze-and-Excitation Network, SENet)的条件生成对抗网络的信道估计方法。该方法采用条件生成对抗网络将低分辨率接收信号重建为高分辨率的原始信号完成信道估计,同时在生成器网络中引入SENet网络模块来抑制户外场景下显著性噪声干扰,提高估计精度;最后将残差网络中的残差块添加到SENet的放缩操作后,提高条件生成对抗网络的收敛速度。仿真结果表明,相较于正交匹配追踪算法、卷积神经网络、去噪卷积神经网络和条件生成对抗网络算法,所提方法在户外噪声环境下估计精度平均提高了约2.2 dB,且在高噪声强度下估计精度的提高更为显著。     

MIMO广播信道中联合多用户速率和延迟约束调度的研究

该文给出了一种多入多出高斯广播信道中具有延迟约束的多用户无线数据包的传输方案。首先,在信道的QR分解及脏纸编码基础上,通过贪婪算法获取多用户分集与包延迟约束之间的有效结合。其次,将包到达速率、可达服务速率、用户数以及传输天线数构成一优化问题,得到最佳的用户组合及调度周期。最后,在不同用户数及发射天线数情况下对该方案进行了性能仿真,仿真结果表明：在满足包传递最小延迟等待要求的同时,得到了传输容量的最大化。     

基于能效优化的大规模MIMO FDD下行系统导频和功率资源分配算法

该文针对大规模MIMO FDD下行系统,联合考虑信道估计与数据传输两个阶段的资源分配问题,提出一种能效资源分配算法。该方法以最大化能效为目标,以导频时长、导频功率和数据功率为参量,在指定发射功率和频谱效率约束的条件下建立优化模型。由于目标函数无精确解析形式,借助确定性等价原理对其近似并求得闭合表达式。进而,利用分数规划将原分式形式目标函数等价转换为减式形式,再利用目标函数的下界将非凸优化问题逐步释放为相对容易求解的等效问题,最终获得一种3层迭代能效资源优化算法。仿真结果验证了所提算法的有效性,且具有较快的收敛速度。     

基于CNN的毫米波无蜂窝大规模MIMO信道估计

针对小区间干扰导致蜂窝边缘无法满足不断增长的数据速率需求问题,毫米波无蜂窝大规模多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)系统被认为是一种很有前途的解决方案。然而,毫米波的高频率、大带宽以及接入点配置的大量天线给信道估计带来了较大挑战。将毫米波大规模MIMO信道矩阵视为二维图像,结合图像去噪方法提出一种基于改进去噪卷积神经网络(Improved-Denoising Convolutional Neural Network, I-DnCNN)的信道估计算法。通过具有注意力机制的压缩与激励(Squeeze-and-Excitation, SE)模块,自适应调整提取的全局特征以增强对信道噪声特征的学习,根据接收信号估计出噪声等级图且增添为输入,提升对噪声的鲁棒性。最后,采用残差学习的方式获得估计信道矩阵。利用理论信道模型和基于波束追踪的信道数据集进行的仿真实验结果表明,与去噪卷积神经网络(Denoising Convolutional Neural Network, DnCNN)算法相比,所提算法在两个数据集下的信道估计精度可分别平均提升2.27...     

存在信道估计误差的有限反馈多用户多输入多输出传输性能分析

该文针对存在信道估计误差的有限反馈多用户多输入多输出(MIMO)传输性能进行分析。基于量化微元逼近理论得出了多用户迫零波束赋型系统容量的下界;该下界表明：存在信道估计误差时,随着码本尺寸的增大,高信噪比条件下系统容量趋于一有限值;并且,信道估计误差越大,系统容量随码本尺寸收敛越早。进一步分析了采用多用户选择分集的系统容量性能,分析表明,当用户数量趋于无穷大时,和容量有界。该文结果和现有文献的结论不同,并经由仿真结果进行验证。     

Simulation Models for Investigation of Multiuser Scheduling in MIMO Broadcast Channels

Spatial correlation is a result of insufficient antenna spacing among multiple antenna elements, while temporal correlation is caused by Doppler spread. This paper compares the effect of spatial and temporal correlation in order to investigate the performance of multiuser scheduling algorithms in multiple‐input multiple‐output (MIMO) broadcast channels. This comparison includes the effect on the ergodic capacity, on fairness among users, and on the sum‐rate capacity of a multiuser scheduling algorithm utilizing statistical channel state information in spatio‐temporally correlated MIMO broadcast channels. Numerical results demonstrate that temporal correlation is more meaningful than spatial correlation in view of the multiuser scheduling algorithm in MIMO broadcast channels. Indeed, the multiuser scheduling algorithm can reduce the effect of the Doppler spread if it exploits the information of temporal correlation appropriately. However, the effect of spatial correlation can be minimized if the antenna spacing is sufficient in rich scattering MIMO channels regardless of the multiuser scheduling algorithm used.     

基于单通道MIMO雷达的毫米波安检成像

毫米波多入多出（MIMO）雷达是一种前沿的安检成像技术。然而,由于采用了大量的发射/接收通道,MIMO雷达的成本和复杂度大大高于传统的单通道雷达。为了研制低成本、低复杂度的毫米波MIMO安检成像雷达,引入了双重码分复用技术。该方法可通过单发射/接收通道实现与传统多通道MIMO雷达相似的成像性能,对安检成像领域的发展和应用具有重要意义。此外,设计了基于失配滤波器理论的解复用码,其可在干扰条件下实现最大码分集增益。进行了仿真与实验以验证所提出方法的正确性与有效性,得到了满意的结果。     

超宽带多发多收雷达系统的信号源设计及实现

多发多收超宽带雷达和通信系统是当今研发热点,国内外多有相关报道,而信号源的设计及实现是其关键技术之一。目前用扩频模块来实现GHz 脉冲信号的信号源,结构复杂、成本高。对此,设计和制作了一款由可编程逻辑器件FPGA 和DDS 芯片组成并产生GHz 脉冲信号的信号源,其核心是ADI公司的DDS芯片AD9914和Xilinx公司的Kintex-7系列FPGA芯片作控制芯片,此信号源获得了高达1.4 GHz的大带宽多通道同步雷达脉冲信号,频率切换时间达到ns级,且频率、相位和幅值都可控,其性能在国内具有先进性,并具有实际应用价值。     

一种新的MIMOSAR/MTI空时等效重构方法

多输入多输出合成孔径雷达(MI MO SAR)是一种新体制的成像雷达。针对高空高速平台的SAR系统方位向口径(或方位向分辨率)和作用距离的设计矛盾,采用MI MO体制有效地解决了PRF设计的问题。并针对多通道MTI模式提出了一种新的MI MO SAR空时等效重构方法,使得系统有效地兼顾了SAR模式和MTI模式。与常规的SAR/MTI系统相比,MI MO SAR/MTI系统在SAR模式下可以实现远距离高分辨率宽观测带成像;在MTI模式下,可以实现远距离运动目标探测,且具有高的运动目标检测性能和定位精度。