Пространственно-временное частотное кодирование на основе тензорного разложения для релейной системы MIMO

Автор(и)

  • Квинжу Ванг Северо-восточный электроэнергетический университет, China
  • Лиюань Жанг Северо-восточный электроэнергетический университет, China
  • Бин Ли Северо-восточный электроэнергетический университет, China
  • Йихай Жу Чанчунская компания CRRC железнодорожного подвижного состава, China

DOI:

https://doi.org/10.20535/S002134702002003X

Ключові слова:

релейная станция MIMO, с многоканальным входом и многоканальным выходом, приемник с полуслепой обработкой сигналов, асимметричный вложенный PARAFAC анализ, параллельный факторный анализ, пространственно-временное частотное кодирование Хатри-Рао, KRSTF

Анотація

Пространственно-временное частотное STF (Space-Time-Frequency) кодирование позволяет получить усиление при разнесении, благодаря использованию трех измерений (пространство, время и частота) для улучшения эффективности передачи релейной системы MIMO (multi-input multi-output). В этой работе представлена односторонняя релейная система связи с использованием схемы усиления и передачи AF (amplify-and-forward) при двухскачковом распространении сигнала посредством тройного пространственно-временного частотного кодирования Хатри–Рао KRSTF (Khatri–Rao space-time-frequency), формирующего пятимерный тензор на узле-адресате, который удовлетворяет подходу многомерного тензорного разложения, известному под названием ANPD (asymmetric nested PARAFAC decomposition, асимметричный вложенный PARAFAC параллельный факторный анализ). На основе этой модели получен приемник с полуслепой обработкой сигналов для совместной оценки канала и символа в рамках трехступенчатого метода чередующихся наименьших квадратов ALS (alternating least squares). По сравнению с существующими двухскачковыми симметричными методами, предлагаемая схема использует асимметричную вложенную модель для получения дополнительного разнесения за счет частотного кодирования, что существенно улучшает характеристику эффективности системы в отношении точности оценки параметров, что показали результаты моделирования.

Посилання

Александр Борисович Коханов, “Автоматический синхронизатор цифровых сигналов и телекоммуникационных потоков,” Известия вузов. Радиоэлектроника, Т. 62, № 4, С. 225–233, 2019, doi: https://doi.org/10.20535/S0021347019040046.

Z. Chen, P. Fan, and D. O. Wu, “Joint Power Allocation and Strategy Selection for Half-Duplex Relay System,” IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 66, no. 3, pp. 2144–2157, Mar. 2017, doi: https://doi.org/10.1109/TVT.2016.2570816.

X. Liang, Z. Ding, and C. Xiao, “On linear precoding of nonregenerative MIMO relay networks for finite-alphabet source,” IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 66, no. 11, pp. 9761–9775, Nov. 2017, doi: https://doi.org/10.1109/TVT.2017.2717925.

M. H. Shariat and S. Gazor, “Optimal non-regenerative linear MIMO relay for orthogonal space time codes,” IEEE Signal Process. Lett., vol. 21, no. 2, pp. 163–167, Feb. 2014, doi: https://doi.org/10.1109/LSP.2013.2295919.

K. C. Lee, C. P. Li, T. Y. Wang, and H. J. Li, “Performance analysis of dual-hop amplify-and-forward systems with multiple antennas and co-channel interference,” IEEE Trans. Wirel. Commun., vol. 13, no. 6, pp. 3070–3087, 2014, doi: https://doi.org/10.1109/TWC.2014.042814.130047.

R. Zhao, H. Lin, Y. C. He, D. H. Chen, Y. Huang, and L. Yang, “Secrecy Performance of Transmit Antenna Selection for MIMO Relay Systems with Outdated CSI,” IEEE Trans. Commun., vol. 66, no. 2, pp. 546–559, Feb. 2018, doi: https://doi.org/10.1109/TCOMM.2017.2747554.

L. H. Lim and P. Comon, “Multiarray signal processing: Tensor decomposition meets compressed sensing,” Comptes Rendus - Mec., vol. 338, no. 6, pp. 311–320, Jun. 2010, doi: https://doi.org/10.1016/j.crme.2010.06.005.

A. Cichocki et al., “Tensor decompositions for signal processing applications: From two-way to multiway component analysis,” IEEE Signal Process. Mag., vol. 32, no. 2, pp. 145–163, Mar. 2015, doi: https://doi.org/10.1109/MSP.2013.2297439.

N. D. Sidiropoulos, L. De Lathauwer, X. Fu, K. Huang, E. E. Papalexakis, and C. Faloutsos, “Tensor Decomposition for Signal Processing and Machine Learning,” IEEE Trans. Signal Process., vol. 65, no. 13, pp. 3551–3582, Jul. 2017, doi: https://doi.org/10.1109/TSP.2017.2690524.

F. Roemer and M. Haardt, “Tensor-based channel estimation (TENCE) for two-way relaying with multiple antennas and spatial reuse,” in ICASSP, IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing - Proceedings, 2009, pp. 3641–3644, doi: https://doi.org/10.1109/ICASSP.2009.4960415.

F. Roemer and M. Haardt, “Tensor-based channel estimation and iterative refinements for two-way relaying with multiple antennas and spatial reuse,” IEEE Trans. Signal Process., vol. 58, no. 11, pp. 5720–5735, Nov. 2010, doi: https://doi.org/10.1109/TSP.2010.2062179.

Y. Rong, M. R. A. Khandaker, and Y. Xiang, “Channel estimation of dual-hop MIMO relay system via parallel factor analysis,” IEEE Trans. Wirel. Commun., vol. 11, no. 6, pp. 2224–2233, Jun. 2012, doi: https://doi.org/10.1109/TWC.2012.032712.111251.

X. Han, A. L. F. de Almeida, and Z. Yang, “Channel estimation for MIMO multi-relay systems using a tensor approach,” EURASIP J. Adv. Signal Process., vol. 2014, no. 1, pp. 1–14, Dec. 2014, doi: https://doi.org/10.1186/1687-6180-2014-163.

L. R. Ximenes, G. Favier, A. L. F. De Almeida, and Y. C. B. Silva, “PARAFAC-PARATUCK semi-blind receivers for two-hop cooperative MIMO relay systems,” IEEE Trans. Signal Process., vol. 62, no. 14, pp. 3604–3615, Jul. 2014, doi: https://doi.org/10.1109/TSP.2014.2328323.

J. Du, C. Yuan, and J. Zhang, “Semi-blind parallel factor based receiver for joint symbol and channel estimation in amplify-and-forward multiple-input multiple-output relay systems,” IET Commun., vol. 9, no. 6, pp. 737–744, Apr. 2015, doi: https://doi.org/10.1049/iet-com.2014.0553.

L. R. Ximenes, G. Favier, and A. L. F. De Almeida, “Semi-Blind Receivers for Non-Regenerative Cooperative MIMO Communications Based on Nested PARAFAC Modeling,” IEEE Trans. Signal Process., vol. 63, no. 18, pp. 4985–4998, Sep. 2015, doi: https://doi.org/10.1109/TSP.2015.2454473.

G. Favier, C. A. R. Fernandes, and A. L. F. De Almeida, “Nested Tucker tensor decomposition with application to MIMO relay systems using tensor space-time coding (TSTC),” Signal Processing, vol. 128, pp. 318–331, Nov. 2016, doi: https://doi.org/10.1016/j.sigpro.2016.04.009.

D. S. Rocha, G. Favier, and C. A. R. Fernandes, “Tensor coding for three-hop MIMO relay systems,” in Proceedings - IEEE Symposium on Computers and Communications, 2018, vol. 2018-June, pp. 384–389, doi: https://doi.org/10.1109/ISCC.2018.8538497.

N. D. Sidiropoulos and R. S. Budampati, “Khatri-Rao space-time codes,” IEEE Trans. Signal Process., vol. 50, no. 10, pp. 2396–2407, Oct. 2002, doi: https://doi.org/10.1109/TSP.2002.803341.

N. D. Sidiropoulos, R. Bro, and G. B. Giannakis, “Parallel factor analysis in sensor array processing,” IEEE Trans. Signal Process., vol. 48, no. 8, pp. 2377–2388, Aug. 2000, doi: https://doi.org/10.1109/78.852018.

J. B. Kruskal, “Three-way arrays: rank and uniqueness of trilinear decompositions, with application to arithmetic complexity and statistics,” Linear Algebra Appl., vol. 18, no. 2, pp. 95–138, Jan. 1977, doi: https://doi.org/10.1016/0024-3795(77)90069-6.

A. L. F. De Almeida and G. Favier, “Double Khatri-Rao space-time-frequency coding using semi-blind PARAFAC based receiver,” IEEE Signal Process. Lett., vol. 20, no. 5, pp. 471–474, 2013, doi: https://doi.org/10.1109/LSP.2013.2248149.

N. D. Sidiropoulos and R. Bro, “On the uniqueness of multilinear decomposition of N-way arrays,” J. Chemom., vol. 14, no. 3, pp. 229–239, May 2000, doi: https://doi.org/10.1002/1099-128X(200005/06)14:3<229::AID-CEM587>3.0.CO;2-N.

G. H. Golub and C. Reinsch, “Singular value decomposition and least squares solutions,” Numer. Math., vol. 14, no. 5, pp. 403–420, Apr. 1970, doi: https://doi.org/10.1007/BF02163027.

G. H. Golub and C. F. Van Loan, Matrix Computations, 3rd ed. Baltimore: Johns Hopkins University Press, 1996.

##submission.downloads##

Опубліковано

2020-02-23

Як цитувати

Ванг, К., Жанг, Л., Ли, Б., & Жу, Й. (2020). Пространственно-временное частотное кодирование на основе тензорного разложения для релейной системы MIMO. Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка, 63(2), 95–106. https://doi.org/10.20535/S002134702002003X

Номер

Том 63 № 2 (2020)

Розділ

Оригінальні статті

Ліцензія

Авторське право (c) 2020 Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника

Издатель журнала Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника (сокр. "Известия вузов. Радиоэлектроника"), Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", учитывает, что доступ автора к его статье является важным как для самого автора, так и для спонсоров его исследований. Мы представлены в базе издателей SHERPA/RoMEO как зеленый издатель (green publisher), что позволяет автору выполнять самоархивирование своей статьи. Однако важно, чтобы каждая из сторон четко понимала свои права. Просьба более детально ознакомиться с Политикой самоархивирования нашего журнала.

Политика оплаченного открытого доступа POA (paid open access), принятая в журнале, позволяет автору выполнить все необходимые требования по открытому доступу к своей статье, которые выдвигаются институтом, правительством или фондом при выделении финансирования. Просьба более детально ознакомиться с политикой оплаченного открытого доступа нашего журнала (см. отдельно).

Варианты доступа к статье:

1. Статья в открытом доступе POA (paid open access)

В этом случае права автора определяются лицензией CC BY (Creative Commons Attribution).

2. Статья с последующим доступом по подписке

В этом случае права автора определяются авторским договором, приведенным далее.

  • Автор (каждый соавтор) уступает Издателю журнала «Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника» НТУУ «КПИ» на срок действия авторского права эксклюзивные права на материалы статьи, в том числе право на публикацию данной статьи издательством Аллертон Пресс, США (Allerton Press) на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems». Передача авторского права охватывает исключительное право на воспроизведение и распространение статьи, включая оттиски, переводы, фото воспроизведения, микроформы, электронные формы (он- и оффлайн), или любые иные подобные формы воспроизведения, а также право издателя на сублицензирование третьим лицам по своему усмотрению без дополнительных консультаций с автором. При этом журнал придерживается Политики конфиденциальности.
  • Передача прав включает право на обработку формы представления материалов с помощью компьютерных программам и систем (баз данных) для их использования и воспроизводства, публикации и распространения в электронном формате и внедрения в системы поиска (базы данных).
  • Воспроизведение, размещение, передача или иное распространение или использование материалов, содержащихся в статье должно сопровождаться ссылкой на Журнал и упоминанием Издателя, а именно: название статьи, имя автора (соавторов), название журнала, номер тома, номер выпуска, копирайт авторов и издателя "© Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт"; © автор(ы)".
  • Автор (каждый соавтор) материалов сохраняет все права собственника материалов, включая патентные права на любые процессы, способы или методы и др., а также права на товарные знаки.
  • Издатель разрешает автору (каждому соавтору) материалов следующее:
  1. Право пользоваться печатными или электронными вариантами материалов статьи в форме и содержании, принятыми Издателем для публикации в Журнале. Подробнее см. политики Оплаченного открытого доступа, подписки и самоархивирования.
  2. Право бесплатно копировать или передавать коллегам копию напечатанной статьи целиком или частично для их личного или профессионального использования, для продвижения академических или научных исследований или для учебного процесса или других информационных целей, не связанных с коммерческими целями.
  3. Право использовать материалы из опубликованной статьи в написанной автором (соавторами) книге, монографии, учебнике, учебном пособии и других научных и научно-популярных изданиях.
  4. Право использовать отдельные рисунки или таблицы и отрывки текста из материалов в собственных целях обучения или для включения их в другую работу, которая печатается (в печатном или электронном формате) третьей стороной, или для представления в электронном формате во внутренние компьютерные сети или на внешние сайты автора (соавторов).
  • Автор (соавторы) соглашаются, что каждая копия материалов или любая ее часть, распространенная или размещенная ими в печатном или электронном формате, будет содержать указание на авторское право, предусмотренное в Журнале и полную ссылку на Журнал Издателя.
  • Автор (соавторы) гарантирует, что материалы являются оригинальной работой и представлены впервые на рассмотрение только в этом Журнале и ранее не публиковались. Если материалы написаны совместно с соавторами, автор гарантирует, что проинформировал их относительно условий публикации материалов и получил их подписи или письменное разрешение подписываться от их имени.
  • Если в материалы включаются отрывки из работ или имеются указания на работы, которые охраняются авторским правом и принадлежат третьей стороне, то автору необходимо получить разрешение владельца авторских прав на использование таких материалов в первом случае и сделать ссылку на первоисточник во втором.
  • Автор гарантирует, что материалы не содержат клеветнических высказываний и не посягают на права (включая без ограничений авторское право, права на патент или торговую марку) других лиц и не содержат материалы или инструкции, которые могут причинить вред или ущерб третьим лицам. Автор (каждый соавтор) гарантирует, что их публикация не приведет к разглашению секретных или конфиденциальных сведений (включая государственную тайну). Подтверждением этого является Экспертное заключение (см. перечень документов в Правила для авторов).
  • Издатель обязуется опубликовать материалы в случае получения статьей положительного решения редколлегии о публикации на основании внешнего рецензирования (см. Политика рецензирования).
  • В случае публикации статьи на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems» (Издатель: Аллертон Пресс, США, распространитель Springer) автору (соавторам) выплачивается гонорар после выхода последнего номера журнала года, в котором опубликована данная статья.
  • Документ Согласие на публикацию, который подают русскоязычные авторы при подаче статьи в редакцию, является краткой формой данного договора, в котором изложены все ключевые моменты настоящего договора и наличие которого подтверждает согласие автора (соавторов) с ним. Аналогичным документом для англоязычных авторов является Copyright Transfer Agreement (CTA), предоставляемый издательством Allerton Press.
  • Настоящий Договор вступает в силу в момент принятия статьи к публикации. Если материалы не принимаются к публикации или до публикации в журнале автор (авторы) отозвал работу, настоящий Договор не приобретает (теряет) силу.