文摘
我们提出两个广义block-diagonalization (BD)方案多输入多输出(MIMO)转播系统没有在基站信道状态信息(CSI)。我们首先引入广义零迫使(ZF)方案,减少传统的BD方案的复杂性。然后最优功率载荷矩阵对该方案进行了分析和推导出封闭解。此外,一个增强的方案提出的采用minimum-mean-squared-error (MMSE)标准。仿真结果表明,提出的广义MMSE方案优于其他方案和最优装载方案提高了sum-rate性能高效。
1。介绍
无线多媒体广播系统面临的一个主要挑战是为远程用户提供高数据率位于单元边界,这经验非常低的接收信噪比(信噪比)。越来越有吸引力的和成本有效的解决方案是使用中继站(RSs)。继电器可分为全双工和半双工。全双工中继仍在调查由于其高度复杂的硬件实现。在实际系统中,半双工中继更常用但遭受重大损失的两个或两个以上的传播阶段需要传递一个信息。多输入多输出(MIMO)技术是众所周知的提供显著提高频谱效率和链接的可靠性,因为它多路复用和多样性收益。所以结合继电器和MIMO技术可以利用他们的优势增加远程用户的数据速率。
从一般信息理论的角度来看,MIMO中继信道的容量范围内分析了单个用户在1]。在实际实现中,(2)研究了最优处理矩阵在一个继电器amplify-and-forward (AF)继电器MIMO系统,单个用户。当多个天线部署在基站(BS)和RS,多个用户可以安排在同一时间同时传输。然而,最优的处理问题变得更加复杂,因为多用户干扰(MUI)。MIMO中继广播系统,每个用户配备一个天线,作者在3)提出了一个可实现的系统架构利用RS在BS和线性非线性预编码处理,而[4)提出了一个联合优化的预编码矩阵的迭代算法的废话和RS最大化系统容量。最近,研究[5multiantenna]广义单天线用户案例,一个block-diagonalization (BD)为基础的预编码方案应用于将系统转换为多个并行单用户频道。
所有上述研究假设的废话知道信道状态信息(CSI),需要执行预编码。然而,通知BS RS和用户之间的CSI会相当具有挑战性的,尤其是对高速用户。的场景,只有RS CSI的链接从b到RS和RS用户被认为是在6)和一个基于BD的线性处理方案在RS。
在本文中,我们扩展工作(6)推广形式MIMO中继广播系统没有CSI BS。房颤继电器被认为是由于其简单性和实用性。我们首先引入广义零迫使(ZF)计划,以减少传统的基于BD方案的复杂性。然后最优功率载荷矩阵对该方案进行了分析和推导出封闭解。此外,通过使用minimum-mean-squared-error (MMSE)标准,提出了一个增强的方案来平衡的干扰和噪声。仿真结果表明,提出的广义MMSE方案优于其他方案和最优装载方案提高了sum-rate性能高效。
本文组织如下。系统模型和问题公式化的部分2。节3,简要回顾了传统的基于BD方案。广义BD方案开发的部分4。仿真结果和结论显示在部分5和部分6,分别。
本文中使用以下符号。黑体大写字母和小写字母表示矩阵和向量。,,,表示转置,共轭转置、逆和伪逆的,分别。代表单位矩阵。
2。系统模型和问题公式化
我们考虑一个MIMO中继广播系统如图1。在此系统中,b天线传输独立的数据流同时远程用户和一个RS天线可以帮助沟通。的用户配备天线和接收天线的总数。在本文中,我们假设为了简单起见。的情况下,用户调度算法是必要的,可以利用多用户分集增益。可以被描述为系统配置。我们忽视之间的直接联系BS,每个用户由于非常严重的大规模的路径损耗。
从b的数据传输用户被假定为一个维符号向量,这是标准化。因此,总传输数据向量可以表示为b。在RS是由接收的数据向量 在哪里在BS和传输能量吗是反向通道矩阵。是RS复杂的高斯噪声向量与独立同分布(先验知识)元素的零均值和方差。
一个线性处理后,传输数据在RS表示为向量 在哪里在RS是线性处理矩阵。传输功率约束在RS可以写成
最后,在接收的数据向量用户表示为 在哪里提出从RS信道矩阵吗th用户和是用户的复杂的高斯噪声向量i.i.d.零均值和方差的元素。方程(4)可以写成 在哪里代表特定的信道矩阵致力于传输天线BSth用户在RS接收天线。
我们可以看到从(5),右边的第一项表明所需的数据th用户和其他包括梅和噪音。完全消除了梅(5),应该满足 或 在哪里是结合向前通道矩阵。我们定义作为 和是远期的线性处理矩阵通道和反向通道,分别。很明显,(7当我们设置)满意和。然而,这个方案只是将每个天线作为一个单独的接收器,从而牺牲multiantenna在每个用户的一些好处。
3所示。回顾基于BD方案
作者在6)提出了一个基于BD方案,和目的是将每个用户的数据流的零空间其他用户的渠道。
为此,我们排除了用户的信道矩阵和定义 在哪里。假设,我们有丰富的散射环境。奇异值分解)是 在哪里是一个酉矩阵和对角矩阵包含的奇异值。由第一个非零奇异向量和拥有过去的零奇异向量。因此,形式的零空间的标准正交基和可以表示为
可以以类似的方式计算。我们定义 在哪里。假设,我们有丰富的散射环境。的圣言是 在哪里形式的零空间的标准正交基和可以表示为
后的决心和梅在每个用户完全消除。因为这个基于BD方案使用奇异值分解计算线性处理矩阵,我们学期BD-SVD方案。
4所示。广义BD方案
在本节中,我们介绍了广义BD方案来减少复杂性和提高MIMO中继广播系统的性能。
4.1。广义ZF计划的
尽管BD-SVD方案可以完全消除梅和受益于multiantenna增益,计算操作带来相当大的计算复杂度,在实践中很难实现。为了减少复杂性,我们提出一个基于BD的广义ZF方案(BD-GZF)如下。
我们首先定义转发信道矩阵的伪逆作为 通过执行QR分解(QRD),我们得到 在哪里表格的列空间的标准正交基和是一个上三角矩阵(7]。这是观察到,,因为。自是满秩的,是吗。因此,形式的零空间的标准正交基,就像在BD-SVD方案。因此可以获得的
可以以类似的方式计算。我们定义 通过执行QRD操作,我们得到 在哪里形式的零空间的标准正交基和可以获得的
4.2。复杂性分析
我们使用浮点运算的数量(失败)测量计算复杂度。根据(8),失败的数量需要不同的矩阵运算总结如下:(我)乘法的和复杂的矩阵:;(2)圣言的()复杂的矩阵和得到:;(3)反演的真正的矩阵:;(iv)的QRD(复杂的矩阵:。
所需数量的失败BD-SVD和BD-GZF方案见表1和2,分别。
为了使复杂性更全面、直观的比较,我们把失败的数量所需的两个方案图2用户数量的函数。我们假设每个用户配备天线和。
从图可以看出2提出BD-GZF方案要求更低的计算复杂度比BD-SVD方案。原因之一是QRD操作比计算更简单操作相同的矩阵的维度。一个更重要的原因是,计算操作BD-SVD计划实现次矩阵维度和,而QRD BD-GZF方案的实施操作次矩阵维度和,这是远低于前者。值得注意的是,增加系统的维度,提出的复杂性减少BD-GZF计划变得更加可观。
4.3。最优功率加载方案
sum-rate最大化,我们定义功率载荷矩阵作为 在哪里的功率载荷矩阵吗用户。功率载荷矩阵被引入,(8)可以写成
用(17),(20.),(21)和(22)(5),我们得到 在哪里和表示向前和向后的有效信道矩阵通道,分别。我们可以看到,在线性处理后,MIMO中继广播系统并行MIMO中继系统。出于单用户MIMO中继系统的优化设计(2),我们执行计算操作和作为和。然后最优可以表示为 在哪里是分配的权力。因此,(23)可以写成 的sum-rate用户派生 1/2的因素来自于半双工传输的损失。和是对角矩阵的元素和,分别。
传输功率约束在RS可以写成
因此,系统sum-rate最大化问题是制定
问题(28)是一个标准的凸优化问题,可以使用拉格朗日乘子方法解决。给出了封闭形式的解决方案 在哪里和。是一个独特的根源吗,可以解决一个数值root-finding算法,比如对分法。
4.4。增强患者的方案
众所周知,ZF判据的消除噪音的梅没有适当考虑,因此会出现一些性能损失。考虑噪声项和改进性能,增强计划称为BD (BD-GMMSE),提出了基于广义MMSE方案如下。
通过应用MMSE准则,我们替换的伪逆(15)和(18)与MMSE信道反演[9] 在哪里和。然后和可以以同样的方式获得的。
注意,BD-GZF计划依赖于伪逆的和,因此有尺寸的限制;也就是说,和。然而,BD-GMMSE方案时可以使用比发射天线、接收天线与MMSE通道反演。
BD-GZF方案不同,最优功率载荷矩阵以来BD-GMMSE计划并不容易确定剩余梅根据功率载荷变化。然而,上述最优功率加载方案仍然可以应用于BD-GMMSE和完善sum-rate性能有效地将显示。
5。仿真结果
在本节中,我们目前的仿真结果显示sum-rate提出方案的性能。一个系统的配置被认为是。所有通道都认为是准静态平坦褪色和元素是复杂的高斯变量与零均值和单位方差。每个天线的平均接收信噪比RS和用户用SNR1 SNR2,分别。OPL传说中表示的实现提出了最优功率加载方案和对分法用于计算。我们平均sum-rate随机信道实现超过10000。
图3显示了sum-rate不同方案的性能的函数SNR1 SNR2固定在10 dB,反之亦然在图4。可以看出,该BD-GZF方案代表了传统BD-SVD方案相同的性能,同时提供更低的计算复杂度的分析部分4。增强BD-GMMSE方案优于ZF平衡计划的干扰和噪声。提出最优功率加载方案提高了sum-rate性能有效BD-GZF和BD-GMMSE方案。
6。结论
在本文中,两个广义BD方案提出了MIMO中继广播系统。我们首先基于传统的BD方案扩展到广义BD-GZF计划,这大大降低了计算复杂度。然后一个最优功率加载方案方案开发改善sum-rate性能。采用MMSE准则,提出了一个增强的方案,进一步提高性能。仿真结果表明,该BD-GMMSE方案优于其他方案和最优装载方案提高了sum-rate性能高效。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作是支持的863项目(没有。2014 aa01a701)和中国国家自然科学基金(没有。61072052)。