"Akademik makale" Kanal altındaki çoklu anten girişim kanalında ön kodlama, geri bildirim anlamına gelir
Özet:
Çok antenli girişim kanal sisteminin ön kodlama tasarım problemi incelenmiştir Burada, girişim kanalı bir görüş hattına sahiptir ve bir Rice solma kanalı olarak modellenebilir. Göndericinin yalnızca kanal istatistiksel bilgilerini - kanal ortalama matrisi - elde edebileceğini varsayarsak, sırasıyla maksimum sinyal-girişim ve gürültü oranına ve maksimum sinyal-girişim ve gürültü farkı kriterine dayalı olarak iki ön kodlama algoritması önerilir. İlk algoritma için, önce dışbükey olmayan programlama problemini bir dışbükey probleme dönüştürmek için yardımcı değişkenleri tanıtın, ardından bir ikili arama algoritması önerin ve sorunu çözmek için dışbükey optimizasyon yazılımıyla birleştirin; ikinci algoritma için, orijinal problem, ayrı ayrı çözmek için birkaç alt probleme ayrıştırılır. , Analitik formda en uygun çözümü verin. Bilgisayar simülasyonu, önerilen algoritmanın yakınsamasını doğrular, Rice faktörünün sistem performansı üzerindeki etkisini analiz eder ve önerilen algoritmanın üstünlüğünü kanıtlamak için birkaç tipik iletim şemasıyla karşılaştırır.
Çince alıntı biçimi: Zhou Wen, Deng Dan. Kanal ortalama geri beslemesi altında çoklu anten girişim kanalında ön kodlama Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2018, 44 (11): 81-85.
İngilizce alıntı biçimi: Zhou Wen, Deng Dan. Kanal ortalama geri beslemeli MIMO girişim kanalları için ön kodlama algoritmaları.Elektronik Teknik Uygulaması, 2018, 44 (11): 81-85.
0 Önsöz
Çok antenli girişim kanal sistemi, modern kablosuz iletişim sistemlerinin önemli bir araştırma nesnesidir.Birçok ağ (AdHoc ağları, kablosuz yerel alan ağları, vb. Dahil) genellikle girişim sınırlı modda çalışır ve modellemeye uygundur. Sistem, çok sayıda alıcı-verici düğüm çifti içerir Alıcı düğüm genellikle yalnızca belirli bir gönderen düğümden veri almak ister, ancak aynı zamanda diğer kullanıcıların iletişimlerinden parazit alır.
Son yıllarda bilim adamları, girişim önleme yönetimi ve girişim kanal sistemleri için enerji verimliliği optimizasyonu üzerine çeşitli araştırmalar yaptılar. Girişim hizalama, girişim bastırma yönetiminde önemli bir teknoloji türüdür.İlk olarak JAFAR SA ve diğerleri tarafından önerilmiştir.Tasarım fikri, ortak alıcı-verici tasarımı yoluyla bir alana girişim sinyallerini üst üste getirmek ve yerleştirmektir.Bu boşluk, yararlı sinyalin bulunduğu alandan ayrılmıştır. Bu, kullanıcılar arasındaki etkileşimi ortadan kaldırır. Daha sonra araştırmacılar, girişim hizalama teknolojisinin çeşitli türev versiyonlarını önerdiler veya teknolojiyi bilişsel röle ağlarına, güvenli iletişimlere veya heterojen iletişim ağlarına uyguladılar. Literatür, girişimi kanal ayrıştırma teknolojisi aracılığıyla çok boyutlu bir altuzaya hizalayan bir alt uzay girişim hizalama algoritması önermektedir. Girişim bastırma yönetimi için birkaç başka teknik türü vardır Bu tip ön kodlama tasarımı, maksimum sinyal-girişim ve gürültü oranı, minimum girişim artı gürültü sızıntısı ve girişim sıfır zorlama gibi kriterlere dayanmaktadır. Literatür, kovaryans geri beslemesi altında çok antenli parazit sistemlerinin parazit bastırmasını inceler ve maksimum sinyal / parazit gürültü oranı kriterine dayalı olarak optimum ön kodlamayı tasarlar. Renkli gürültü altındaki çok antenli girişim sistemleri için, literatür, sistemin her iki ucundaki ön kodlama ve alma matrislerini optimize etmek için minimum girişim artı gürültü sızıntısı kriterine dayalı yinelemeli bir algoritma önermiştir.
Önceki çalışmaların çoğunda, ön kodlama tasarımı için gerçek zamanlı kanal durum bilgisi gereklidir Kanal hızla değiştiğinde, sık kanal bilgisi geri bildirimi sisteme daha büyük bir yük getirecektir. Bu nedenle, bu makale, alıcının yalnızca kanal istatistiksel bilgilerini geri beslediği durumu ele almaktadır, bu da şüphesiz anlık kanal bilgileri geri bildirimine kıyasla çok fazla sistem ek yükünden tasarruf sağlar. Spesifik olarak, bu makalede yer alan girişim kanalı Rice solma kanalıdır ve gönderici, sistem performansını iyileştirmek ve çok kullanıcılı müdahaleyi azaltmak için kanal ortalama geri bildirim bilgisine göre ön kodlamayı tasarlar. Maksimum sinyal-girişim-gürültü oranı ve sinyal-girişim-gürültü farkı tasarım kriterlerine göre iki ön kodlama algoritması önerilmiş ve bunların performansları simüle edilmiş ve birkaç tipik sistem konfigürasyonu altında doğrulanmıştır.
1 Sistem modeli
2 Önerilen ön kodlama yöntemi
Bu bölümde, maksimum sinyal-girişim ve gürültü oranına (Sinyal-Girişim-artı-Gürültü Oranı, SINR) ve maksimum sinyal-girişim gürültüsü farkına (Sinyal-Girişim-artı-Gürültü Farkı, SIND) dayalı iki ön kodlama algoritması önerilmektedir. ) Tasarım kriterleri.
(1) k kullanıcısının kullanışlı sinyal gücü ifadesini türetiniz. Sinyalin gücünü, formül (1) 'e göre vektörün Öklid normunun karesi olarak tanımlayın, şunu elde edebiliriz:
Daha sonra, iki ön kodlama tasarım kriterine göre iki algoritma önerilmektedir.
2.1 Maksimum SINR kriterine göre
Denklemler (7) ve (8) 'e göre, sistemin SINR'si, yararlı sinyalin toplam gücünün toplam parazit gücü artı gürültüye oranı olarak tanımlanır, yani:
Şu anda P2 dışbükeydir, çünkü amaç fonksiyonu t afin bir fonksiyondur; iki kısıt doğrusaldır ve {Qi0} kümesi konvekstir. Ayrıca, eğer P2 uygunsa q * t, aksi takdirde q * < t. Bu nedenle, yukarıdaki analize dayalı olarak, aşağıdaki şekilde özetlenen P1 problemini çözmek için bir arama algoritması önerilmiştir:
(1) Başlatma: lq * u ve önceden ayarlanmış eşik verilir.
(2) t = (l + u) / 2 olsun, P2 fizibilite problemini çözmek için dışbükey optimizasyon yazılımı veya iç nokta yöntemini kullanın.
(3) Güncelleme: P2 mümkünse, l: = t; aksi takdirde u: = t.
(4) Yargı: Eğer u-l ise, prosedürü sonlandırın, aksi takdirde adım (2) 'ye dönün.
Yakınsama ve başlatma: Her şeyden önce, her döngüde, optimal sinyal-parazit ve gürültü oranı q *, lq * satisfu'yu karşılar ve her döngünün aralığı (ul) bir öncekinin 1 / 2'sidir, dolayısıyla algoritma Yakınsak. İkinci olarak, SINR'nin sıfırdan büyük olduğuna ve aşağıdakileri karşıladığına dikkat edin:
2.2 Maksimum SIND kriterine göre
Bu bölümde, optimum ön kodlama seti, maksimum sinyal-girişim-gürültü oranı (SIND) kriterine göre tasarlanmıştır. Denklem (7) ve denklem (8) 'den, sinyal ve girişim artı gürültü gücü arasındaki fark şu şekilde ifade edilebilir:
3 Simülasyon sonuçları
Bu bölüm, sistem ve hız, algoritma yakınsaması vb. Dahil olmak üzere önerilen ön kodlama yönteminin performansını doğrulamak için bilgisayar simülasyonunu kullanır ve birkaç klasik ön kodlama veya ortak alıcı-verici tasarım şemalarıyla karşılaştırır. 3 kullanıcılı 2 × 2 haberleşme sistemi modeli benimsenmiştir, yani her biri 2 anten ile donatılmış 3 baz istasyonu ve kullanıcı vardır. Kanalın ortalama matrisi Tablo 1'de verilmiştir.
Şekil 2, maksimum SINR kriterine dayalı olarak ön kodlama algoritmasının yakınsamasını gösterir; burada kanalın Rice faktörünün 1'e ayarlandığı ve algoritmanın ilk arama limiti bölüm 2.1'e göre ayarlanmıştır. İki durum dikkate alınır: SNR = 5 dB ve SNR = 10 dB. SNR = 5 dB olduğunda, algoritma yaklaşık 10 döngüden sonra -1.35 dB'lik kararlı bir değere yakınlaşır; SNR = 10 dB olduğunda, benzer sonuçlar vardır. Şekil 3, Rice faktörünün sistem ve oran üzerindeki etkisini gösterir ve önerilen iki ön kodlama algoritmasını karşılaştırır. İki algoritmanın performansının temelde birbirine yakın olduğu görülmektedir.Aynı sistem sinyal-gürültü oranı altında sistem ve oran hemen hemen aynıdır; Rice faktörü K arttıkça sistem ve oran buna göre artar.
Şekil 4, Rice faktörünün 5 dB olarak ayarlandığı çeşitli iletim veya ortak alıcı-verici şemaları altında sistem performansını karşılaştırmaktadır. Analitik ifadeler biçiminde girişim hizalama çözümünü veren literatürde klasik girişim hizalaması önerilmiştir; literatürde girişim hizalama çözümünü döngü yineleme şeklinde veren yinelemeli girişim hizalaması önerilmiştir.
İzotropik iletim şemasının en kötü performansa sahip olduğu görülebilir çünkü kanal bilgilerini kullanmaz; maksimum SINR ve SIND kriterlerine göre tasarlanan ön kodlama algoritmasının performansı eşdeğerdir ve karşılık gelen eğriler temelde çakışır; yinelemeli girişim hizalama yöntemi, analitik form girişim hizalama yönteminden daha iyi performansa sahiptir. Bir gelişme var.Bunun nedeni, girişim hizalama yönteminin çözümünün benzersiz olmamasıdır.Analitik yöntemle verilen çözüm, yalnızca bir çözümdür ve optimal olduğu garanti edilemez; yinelemeli girişim hizalaması, başlatma aşamasında farklı çözümler arar ve bir optimum değer seçer. Temel olarak elde edilen çözümün optimal olduğu garanti edilir. Sinyal-gürültü oranı yüksek olduğunda, önerilen ön kodlama algoritması girişim hizalama yönteminden daha kötü performansa sahiptir.Bunun nedeni, ilkinin ikincisinden daha az kanal bilgisi kullanmasıdır (anlık kanal bilgisi kullanarak); ancak sinyal-gürültü oranı düşük olduğunda, önerilen ön kodlama algoritması daha az kanal bilgisi kullanır. Ön kodlama algoritmasının performansı, girişim hizalama yöntemininkinden bile daha iyidir Bunun nedeni, girişim hizalama şemasının yalnızca kendi kanal bilgisini birleştirmeden girişimin nasıl ortadan kaldırılacağını düşünmesi ve önerilen yöntemin ikisini birleştirmesi olabilir. Örneğin, SNR 5.1 dB'den az olduğunda, önerilen ön kodlama yöntemi yinelemeli girişim hizalama yönteminden daha iyidir, ancak SNR 5.1 dB'den yüksek olduğunda durum tersine döner.
4. Sonuç
Bu makale, Rice zayıflama kanalları altındaki çok antenli girişim kanal sistemlerinin ön kodlama tasarımını inceler ve maksimum sinyal-girişim-gürültü oranı ve sinyal-girişim-gürültü farkı kriterlerine dayalı iki ön kodlama algoritması önerir. Simülasyon sonuçları, maksimum SINR kriterine dayalı olarak önerilen ön kodlama algoritmasının iyi yakınsamaya sahip olduğunu göstermektedir; çoğu sistem konfigürasyonunda, iki ön kodlama algoritmasının performansı birbirine yakındır ve sistem ve hız aynı sistem SNR altında temelde aynıdır; Faktör arttıkça sistem ve hız buna göre artar. Girişim hizalama yöntemiyle karşılaştırıldığında, sistem ek yükü açısından önerilen algoritma daha az geri bildirim bilgisi gerektirir; sistem performansı açısından, sinyal-gürültü oranı yüksek olduğunda, önerilen algoritmanın performansı girişim hizalama yöntemi kadar iyi değil, düşük sinyal-gürültüde Alanla karşılaştırıldığında, önerilen ön kodlama algoritması girişim hizalama yönteminden daha iyidir.
Referanslar
ZHAO N, YU F R, JIN M, et al. Girişim hizalama ve uygulamaları: bir anket, araştırma sorunları ve zorluklar. IEEE Communications Surveys and Tutorials, 2017, 18 (3): 1779-1803.
Jiang Xue, Zheng Baoyu. Girişim hizalama teknolojisi araştırmalarına genel bakış. Sinyal İşleme, 2015, 31 (5): 570-580.
JAFAR S A, FAKHEREDDIN M J. MIMO girişim kanalı için serbestlik derecesi IEEE İşlemleri Bilgi Teorisi, 2007, 53 (7): 2637-2642.
CADAMBE V R, JAFAR S A. K-kullanıcı girişim kanalının girişim hizalaması ve serbestlik dereceleri Bilgi Teorisi üzerine IEEE İşlemleri, 2008, 54 (8): 3425-3441.
SUH C, TSE D. Hücresel ağlar için girişim hizalama IEEE Allerton Konferansı İletişim, Kontrol ve Hesaplama, 2008: 1037-1044.
Ying Tengda, Feng Wenjiang, Jiang Weiheng, vd. Dağıtılmış uzay-zaman girişim hizalamasına dayalı olarak MIMO girişim kanalının serbestlik derecesi üzerine araştırma. Journal of Communications, 2018 (1): 137-146.
ARZYKULOV S, NAURYZBAYEV G, TSIFTSIS T A, vd.Kablosuz güçlendirilmiş bilişsel röle ağının girişim hizalaması kapasitesi hakkında. 2017 IEEE Global Communications Conference.IEEE, 2017: 1-6.
HA K H, VU T T, DUONG T Q, vd.Güvenli çok kullanıcılı MIMO sistemleri için girişim hizalama tasarımları hakkında. ArXiv: 1508.00349, 2015.
WANG K, LI H, YU F R, vd. Kusurlu kanal durumu bilgileriyle sanallaştırılmış heterojen hücresel ağlarda parazit hizalaması. Araç Teknolojisi IEEE İşlemleri, 2017, 66 (2): 1519-1532.
LI L, QIU L, WEI G. MIMO girişim kanalları için merkezi olmayan ön kodlama şeması. Elektronik Mektupları, 2012, 48 (15): 957-959.
ZHOU W. Kanal kovaryans geri beslemeli çok girişli çok çıkışlı girişim kanalları için ön kodlama yöntemleri IET Communications, 2015, 9 (4): 517-525.
PETERS S W, HEATH R W. MIMO girişim kanalları için ortak algoritmalar IEEE İşlemleri Araç Teknolojisi, 2011, 60 (1): 206-218.
Zeng Hao, Yuan Angfei, Liu Ling.Çok bölgeli işbirliğine dayalı alanlar arası girişim bastırma yöntemi Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2012, 38 (3): 110-112.
BOYD S, VANDENBERGHE L. Konveks optimizasyonu. Cambridge Press, UK, 2004.
GRANT M, BOYD S.CVX: Disiplinli konveks programlama için Matlab yazılımı. (2017-12-xx). Http://cvxr.com/cvx.
yazar bilgileri:
Zhou Wen1, Deng Shan2
(1. Bilgi Teknolojileri Okulu, Nanjing Ormancılık Üniversitesi, Nanjing 210018, Jiangsu; 2. Bilgi Mühendisliği Okulu, Guangzhou Panyu Mesleki ve Teknik Koleji, Guangzhou 511483, Guangdong)
