張曉璐，楊芷華，湯小波

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基于MMSE預(yù)編碼天線選擇的空間調(diào)制大規(guī)模MIMO系統(tǒng)性能研究

張曉璐，楊芷華，湯小波

（五邑大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 江門(mén) 529020）

為提高大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的可靠性及滿足未來(lái)綠色高效通信的要求，本文提出了大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中基于MMSE預(yù)編碼技術(shù)的收信端天線選擇算法，對(duì)基于MMSE預(yù)編碼的空間調(diào)制大規(guī)模MIMO系統(tǒng)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行了復(fù)雜度分析. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于MMSE預(yù)編碼的天線選擇算法相比于文獻(xiàn)[6]已提出的ZF預(yù)編碼天線選擇算法，復(fù)雜度略有增加，但誤比特率在系統(tǒng)相同配置時(shí)約有的提高.

天線選擇；MMSE預(yù)編碼；空間調(diào)制；MIMO

由于傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)難以滿足未來(lái)5G通信中呈指數(shù)上漲的無(wú)線數(shù)據(jù)的需求，為了提高M(jìn)IMO通信系統(tǒng)的傳輸容量和可靠性，配置了多天線的大規(guī)模MIMO通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與性能成為了研究熱點(diǎn)[1]. 大規(guī)模MIMO系統(tǒng)是指收發(fā)兩端配置了上百根天線的MIMO系統(tǒng). 為了降低大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的復(fù)雜度，以及倡導(dǎo)綠色節(jié)能通信，IMIMO系統(tǒng)天線的選擇成為了一門(mén)重要的研究課題.

文獻(xiàn)[2]研究了在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，由不同接收天線子集選擇方案構(gòu)成的MIMO系統(tǒng)的性能. 在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中除了采用選取收、發(fā)天線子集的方案降低系統(tǒng)復(fù)雜度外，文獻(xiàn)[3-4]提出了空間調(diào)制預(yù)編碼傳輸方案. 該方案中采用的空間調(diào)制技術(shù)不僅利用傳統(tǒng)的調(diào)制符號(hào)傳遞信息，還利用發(fā)射調(diào)制符號(hào)的天線位置傳遞信息；文獻(xiàn)[5]研究了迫零和最小均方誤差預(yù)編碼輔助空間調(diào)制大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的誤碼性能，由文獻(xiàn)[5]可知最小均方誤差預(yù)編碼的誤碼性能要優(yōu)于迫零預(yù)編碼. 文獻(xiàn)[6]提出了在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中快速選擇收信端8天線子集的算法，并把該算法應(yīng)用在空間調(diào)制迫零預(yù)編碼MIMO系統(tǒng)中，相比于窮搜索進(jìn)行天線選擇的算法，收信端天線子集的快速選擇算法雖然降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，但卻損失了一部分誤碼性能.

本文結(jié)合文獻(xiàn)[3-4]的空間調(diào)制預(yù)編碼傳輸方案來(lái)提高系統(tǒng)的吞吐量，以文獻(xiàn)[5]的結(jié)論為基礎(chǔ)，同時(shí)考慮系統(tǒng)計(jì)算復(fù)雜度和誤碼性能兩個(gè)方面，將文獻(xiàn)[6]加以改進(jìn)，設(shè)計(jì)了基于MMSE預(yù)編碼天線選擇的空間調(diào)制大規(guī)模MIMO系統(tǒng).

1 大規(guī)模MIMO系統(tǒng)

圖1所示為基于收信端天線選擇的最小均方誤差（Minimum Mean Square Error，MMSE）預(yù)編碼空間調(diào)制大規(guī)模MIMO通信系統(tǒng)方框圖，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)配置有根發(fā)送天線和根接收天線，根發(fā)送天線和根接收天線構(gòu)成維信道矩陣，中的元素（表示均值為0、方差為1的復(fù)高斯隨機(jī)分布），.維矩陣為的子矩陣，是按本文第3部分設(shè)計(jì)的天線選擇算法在收信端的（為在中選取的全部組合數(shù)）種天線組合中使系統(tǒng)誤碼性能最優(yōu)時(shí)選取的.

圖1 基于收信端天線選擇的MMSE預(yù)編碼空間調(diào)制大規(guī)模MIMO通信系統(tǒng)方框圖

， （2）

2 基于MMSE預(yù)編碼技術(shù)的天線選擇算法

2.1 基于MMSE的預(yù)編碼設(shè)計(jì)

為提高圖1所示大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的誤碼性能，在每個(gè)傳輸時(shí)隙，假設(shè)發(fā)信端已知信道矩陣，按照文獻(xiàn)[5]中設(shè)計(jì)MMSE預(yù)編碼矩陣

， （5）

此時(shí)預(yù)編碼矩陣為

2.2 天線選擇算法

由式（7）可知，為了提高誤碼性能使信道增益最大化，可按文獻(xiàn)[6]選擇最優(yōu)接收天線子集使最大，即

， （8）

， （11）

3 復(fù)雜度分析

為分析本文設(shè)計(jì)的基于MMSE預(yù)編碼大規(guī)模MIMO系統(tǒng)天線選擇算法的復(fù)雜度，用和表示形成信道矩陣天線選擇算法所需總的實(shí)數(shù)乘法和加法運(yùn)算次數(shù). 用和分別表示選取第根天線時(shí)所需的實(shí)數(shù)乘法和加法運(yùn)算的次數(shù). 按本文所提出的天線選擇算法，完成第根天線選擇所進(jìn)行的實(shí)數(shù)加法和乘法運(yùn)算次數(shù)如表1所示.

表1 選取時(shí)加法、乘法運(yùn)算次數(shù)

表1 選取時(shí)加法、乘法運(yùn)算次數(shù)

復(fù)數(shù)運(yùn)算 1

（14）

按本文提出的天線選擇算法與文獻(xiàn)[6]中提出的ZF天線選擇算法所需實(shí)數(shù)運(yùn)算次數(shù)的比較如表2所示. 從表2中得知，相比于文獻(xiàn)[6]，基于MMSE預(yù)編碼天線選擇算法的復(fù)雜度略高于ZF，但低于窮搜索選擇天線形成信道矩陣的方法.

表2 不同天線配置、不同天線選擇算法的實(shí)數(shù)乘法、加法運(yùn)算次數(shù)

4 仿真實(shí)驗(yàn)

按本文基于MMSE預(yù)編碼選擇天線算法，對(duì)設(shè)計(jì)的空間調(diào)制預(yù)編碼大規(guī)模MIMO系統(tǒng)進(jìn)行了符號(hào)調(diào)制為QPSK的仿真實(shí)驗(yàn).

圖1 和6

圖2 和8

5 結(jié)論

本文提出的基于MMSE預(yù)編碼天線選擇的空間調(diào)制大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，在計(jì)算復(fù)雜度上較于文獻(xiàn)[6]有一定的提高，但是獲得了更好的誤碼性能. 由于未來(lái)5G通信對(duì)系統(tǒng)容量和可靠性的需求，本文提出的方法可以提高系統(tǒng)的可靠性，減少設(shè)備成本，選擇合適的天線陣列進(jìn)行通信可以有效的減少射頻鏈路的配備，不但降低了系統(tǒng)的成本也符合未來(lái)綠色高效通信的倡導(dǎo).

[1] LARSSON E, EDFORS O, TUFVESSON F, et al. Massive MIMO for next generation wireless systems [J]. IEEE Communications Magazine, 2013, 52(2): 186-195.

[2] CHOI Y S, MOLISCH A F, WIN M Z, et al. Fast algorithms for antenna selection in MIMO systems [C]//IEEE Vehicular Technology Conference, Orlando: IEEE, 2003, 58(3): 1733-1737.

[3] JEGANATHAN J, GHRAYEB A, SZCZECINSKI L, et al. Space shift keying modulation for MIMO channels [J]. IEEE Trans Wireless Commun, 2009, 8(7): 3692-3703.

[4] MESLEH R Y, HAAS H, SINANOVIC S, et al. Spatial modulation [J]. IEEE Trans Veh Technol, 2008, 57(4): 2228-2241.

[5] YANG Lieliang. Transmitter preprocessing aided spatial modulation for multiple-input multiple-output systems [C]//IEEE Vehicular Technology Conference (VTC Spring), Yokohama: IEEE, 2011: 1-5.

[6] ZHENG Jianping. Fast receive subset selection for pre-coding aided spatial modulation [J]. IEEE Wireless Communication Letters, 2015, 4(3): 317-320.

[責(zé)任編輯：韋 韜]

Performance Research for MMSE Pre-coding Antenna Selection in Massive SM-MIMO System

ZHANGXiao-lu, YANGZhi-hua, TANGXiao-bo

(School of Information Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

In order to improve the reliability of the massive MIMO system，and to the response of the advocated Green and Efficient Communication，in this paper，a MMSE pre-coding antenna selection method in SM-MIMO system is designed. The simulation results show that compared with the existing ZF antenna selection algorithm，the designed MMSE antenna selection algorithm can obtain higher antenna gain (about 2dB) with a fewer increasing of complexity.

antenna selection; MMSE pre-coding; spatial modulation; multiple-input multiple-output

1006-7302（2017）03-0056-06

TN911

A

2017-03-20

張曉璐（1987—），男，安徽天長(zhǎng)人，在讀碩士生，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信技術(shù)；楊芷華，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，通信作者，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信技術(shù).