Детектор с использованием вероятностного восходящего поиска для кодированной большой многопользовательской MIMO-системы, обеспечивающий подавление межантенной помехи и внутрисистемных помех

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.20535/S0021347020050015

Ключові слова:

большая многопользовательская MIMO-система, межантенная помеха, внутрисистемная помеха, сингулярное разложение, многопользовательское детектирование, вероятностный восходящий поиск

Анотація

Основная цель большой системы с многими пользователями и групповым входом и групповым выходом MU-MIMO (MultiUser Multiple-Input Multiple-Output) состоит в улучшении пропускной способности и спектральной эффективности в сетях беспроводной связи пятого поколения 5G. Рабочая эффективность системы MU-MIMO зависит от межантенной помехи IAI (Inter-Antenna Interference) и внутрисистемных помех MUI (MultiUser Interference). Помеха IAI возникает из-за ограничений пространства на каждом пользовательском терминале UT (User Terminal), а помеха MUI добавляется тогда, когда один UT оказывается вблизи другого UT в одной и той же сотовой сети связи. Помеха IAI может быть минимизирована с помощью схемы предварительного кодирования, например, схемы сингулярного разложения SVD (Singular Value Decomposition), а помеха MUI подавляется с помощью эффективных схем многопользовательского детектирования MUD (MultiUser Detection). Детектор максимального правдоподобия ML (Maximum Likelihood) является оптимальным, однако он имеет очень сложную структуру и требует большого количества вычислений, особенно в случае больших структур. Установлено, что алгоритм на базе поиска окрестности, например, алгоритм вероятностного восходящего поиска LAS (Likelihood Ascent Search), является лучшей альтернативой для подавления MUI, поскольку обеспечивает почти оптимальную характеристику эффективности при невысокой сложности. Большинство последних работ ориентировано на устранение или MUI или IAI, тогда как предлагаемая работа представляет совместное выполнение предварительного кодирования SVD и алгоритма LAS MUD для подавления обеих помех IAI и MUI. Предлагаемая схема обеспечивает почти оптимальную рабочую эффективность при меньшем количестве матричных вычислений.

Посилання

A. Chockalingam and B. Sundar Rajan, Large MIMO systems, vol. 9781107026. Cambridge University Press, 2011, doi: https://doi.org/10.1017/CBO9781139208437.

E. G. Larsson, O. Edfors, F. Tufvesson, and T. L. Marzetta, “Massive MIMO for next generation wireless systems,” IEEE Commun. Mag., vol. 52, no. 2, pp. 186–195, 2014, doi: https://doi.org/10.1109/MCOM.2014.6736761.

L. Lu, G. Y. Li, A. L. Swindlehurst, A. Ashikhmin, and R. Zhang, “An overview of massive MIMO: Benefits and challenges,” IEEE J. Sel. Top. Signal Process., vol. 8, no. 5, pp. 742–758, 2014, doi: https://doi.org/10.1109/JSTSP.2014.2317671.

E. Biglieri, R. Calderbank, A. Constantinides, A. Goldsmith, A. Paulraj, and H. V. Poor, MIMO Wireless Communications, vol. 9780521873. Cambridge University Press, 2007, doi: https://doi.org/10.1017/CBO9780511618420.

Y. Liu, J. Liu, Q. Wu, Y. Zhang, and M. Jin, “A Near-Optimal Iterative Linear Precoding with Low Complexity for Massive MIMO Systems,” IEEE Commun. Lett., vol. 23, no. 6, pp. 1105–1108, 2019, doi: https://doi.org/10.1109/LCOMM.2019.2911472.

C. Tang, Y. Tao, Y. Chen, C. Liu, L. Yuan, and Z. Xing, “Approximate iteration detection and precoding in massive MIMO,” China Commun., vol. 15, no. 5, pp. 183–196, 2018, doi: https://doi.org/10.1109/CC.2018.8387997.

N. Fatema, G. Hua, Y. Xiang, D. Peng, and I. Natgunanathan, “Massive MIMO Linear Precoding: A Survey,” IEEE Syst. J., vol. 12, no. 4, pp. 3920–3931, 2018, doi: https://doi.org/10.1109/JSYST.2017.2776401.

V. V. Gudla and V. B. Kumaravelu, “Dynamic spatial modulation for next generation networks,” Phys. Commun., vol. 34, pp. 90–104, 2019, doi: https://doi.org/10.1016/j.phycom.2019.03.002.

N. R. Challa and K. Bagadi, “Design of near-optimal local likelihood search-based detection algorithm for coded large-scale MU-MIMO system,” Int. J. Commun. Syst., p. e4436, 2020, doi: https://doi.org/10.1002/dac.4436.

М. Аль-Рави and М. Аль-Рави, “Анализ эффективности массовой MIMO системы восходящей связи при использовании канала с замираниями Накагами-m,” Известия вузов. Радиоэлектроника, vol. 60, no. 1, pp. 18–24, 2017, doi: https://doi.org/10.20535/s0021347017010022.

Т. А. Шейк, Д. Бора, and А. Хуссейн, “Суммарная скорость больших MIMO-систем с полуортогональной и произвольной выборкой пользователей в каналах с высоким рассеиванием,” Известия вузов. Радиоэлектроника, vol. 61, no. 12, pp. 688–698, 2018, doi: https://doi.org/10.20535/s0021347018120026.

A. H. Mehana and A. Nosratinia, “Diversity of MIMO linear precoding,” IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 60, no. 2, pp. 1019–1038, 2014, doi: https://doi.org/10.1109/TIT.2013.2289860.

K. P. Bagadi, V. Annepu, and S. Das, “Recent trends in multiuser detection techniques for SDMA–OFDM communication system,” Phys. Commun., vol. 20, pp. 93–108, 2016, doi: https://doi.org/10.1016/j.phycom.2016.07.001.

D. Lee, “Performance analysis of zero-forcing-precoded scheduling system with adaptive modulation for multiuser-multiple input multiple output transmission,” IET Commun., vol. 9, no. 16, pp. 2007–2012, 2015, doi: https://doi.org/10.1049/iet-com.2015.0201.

X. He, Q. Guo, J. Tong, J. Xi, and Y. Yu, “Low-complexity approximate iterative LMMSE detection for large-scale MIMO systems,” Digit. Signal Process. A Rev. J., vol. 60, pp. 134–139, 2017, doi: https://doi.org/10.1016/j.dsp.2016.09.004.

A. Liu and V. K. N. Lau, “Two-stage constant-envelope precoding for low-cost massive MIMO systems,” IEEE Trans. Signal Process., vol. 64, no. 2, pp. 485–494, 2016, doi: https://doi.org/10.1109/TSP.2015.2486749.

A. Hindy and A. Nosratinia, “Ergodic Fading MIMO Dirty Paper and Broadcast Channels: Capacity Bounds and Lattice Strategies,” IEEE Trans. Wirel. Commun., vol. 16, no. 8, pp. 5525–5536, 2017, doi: https://doi.org/10.1109/TWC.2017.2712631.

I. W. Lai et al., “Spatial Permutation Modulation for Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) Systems,” IEEE Access, vol. 7, pp. 68206–68218, 2019, doi: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2019.2918710.

L. Gopal, Y. Rong, and Z. Zang, “Tomlinson-Harashima Precoding Based Transceiver Design for MIMO Relay Systems With Channel Covariance Information,” IEEE Trans. Wirel. Commun., vol. 14, no. 10, pp. 5513–5525, 2015, doi: https://doi.org/10.1109/TWC.2015.2439279.

R. Masashi Fukuda and T. Abrao, “Linear, Quadratic, and Semidefinite Programming Massive MIMO Detectors: Reliability and Complexity,” IEEE Access, vol. 7, pp. 29506–29519, 2019, doi: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2019.2902521.

W. A. Shehab and Z. Al-Qudah, “Singular value decomposition: Principles and applications in multiple input multiple output communication system,” Int. J. Comput. Networks Commun., vol. 9, no. 1, pp. 13–21, 2017, doi: https://doi.org/10.5121/ijcnc.2017.9102.

W. Liu, L. L. Yang, and L. Hanzo, “SVD-assisted multiuser transmitter and multiuser detector design for MIMO systems,” IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 58, no. 2, pp. 1016–1021, 2009, doi: https://doi.org/10.1109/TVT.2008.927728.

A. Elghariani and M. Zoltowski, “Low Complexity Detection Algorithms in Large-Scale MIMO Systems,” IEEE Trans. Wirel. Commun., vol. 15, no. 3, pp. 1689–1702, 2016, doi: https://doi.org/10.1109/TWC.2015.2495163.

Y. Li, Q. He, and R. S. Blum, “Limited-Complexity Receiver Design for Passive/Active MIMO Radar Detection,” IEEE Trans. Signal Process., vol. 67, no. 12, pp. 3258–3271, 2019, doi: https://doi.org/10.1109/TSP.2019.2911262.

D. C. Araújo, T. Maksymyuk, A. L. F. de Almeida, T. Maciel, J. C. M. Mota, and M. Jo, “Massive MIMO: Survey and future research topics,” IET Commun., vol. 10, no. 15, pp. 1938–1946, 2016, doi: https://doi.org/10.1049/iet-com.2015.1091.

M. Mandloi and V. Bhatia, “Error Recovery Based Low-Complexity Detection for Uplink Massive MIMO Systems,” IEEE Wirel. Commun. Lett., vol. 6, no. 3, pp. 302–305, 2017, doi: https://doi.org/10.1109/LWC.2017.2677905.

K. V. Vardhan, S. K. Mohammed, A. Chockalingam, and B. S. Rajan, “A low-complexity detector for large MIMO systems and multicarrier CDMA systems,” IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 26, no. 3, pp. 473–485, 2008, doi: https://doi.org/10.1109/JSAC.2008.080406.

P. Li and R. D. Murch, “Multiple output selection-LAS algorithm in large MIMO systems,” IEEE Commun. Lett., vol. 14, no. 5, pp. 399–401, 2010, doi: https://doi.org/10.1109/LCOMM.2010.05.100092.

S. Agarwal, A. K. Sah, and A. K. Chaturvedi, “Likelihood-Based Tree Search for Low Complexity Detection in Large MIMO Systems,” IEEE Wirel. Commun. Lett., vol. 6, no. 4, pp. 450–453, 2017, doi: https://doi.org/10.1109/LWC.2017.2702639.

A. K. Sah and A. K. Chaturvedi, “An Unconstrained Likelihood Ascent Based Detection Algorithm for Large MIMO Systems,” IEEE Trans. Wirel. Commun., vol. 16, no. 4, pp. 2262–2273, 2017, doi: https://doi.org/10.1109/TWC.2017.2661283.

L. Li, W. Meng, and C. Li, “Semidefinite further relaxation on likelihood ascent search detection algorithm for high-order modulation in massive MIMO system,” IET Commun., vol. 11, no. 6, pp. 801–808, 2017, doi: https://doi.org/10.1049/iet-com.2016.1160.

M. Chaudhary, N. K. Meena, and R. S. Kshetrimayum, “Local search based near optimal low complexity detection for large MIMO System,” in 2016 IEEE International Conference on Advanced Networks and Telecommunications Systems, ANTS 2016, 2017, doi: https://doi.org/10.1109/ANTS.2016.7947792.

A. K. Sah and A. K. Chaturvedi, “Sequential and Global Likelihood Ascent Search-Based Detection in Large MIMO Systems,” IEEE Trans. Commun., vol. 66, no. 2, pp. 713–725, 2018, doi: https://doi.org/10.1109/TCOMM.2017.2761383.

Д. А. Покаместов, Я. В. Крюков, Е. В. Рогожников, Р. Р. Абенов, and А. Я. Демидов, “Концепция физического уровня систем связи пятого поколения,” Известия вузов. Радиоэлектроника, vol. 60, no. 7, pp. 367–382, 2017, doi: https://doi.org/10.20535/s0021347017070019.

N. R. Challa and K. Bagadi, “Lattice Reduction Assisted Likelihood Ascent Search Algorithm for Multiuser Detection in Massive MIMO System,” in INDICON 2018 - 15th IEEE India Council International Conference, 2018, doi: https://doi.org/10.1109/INDICON45594.2018.8987139.

##submission.downloads##

Опубліковано

2020-05-21

Як цитувати

Чала, Н. Р., & Багади, К. (2020). Детектор с использованием вероятностного восходящего поиска для кодированной большой многопользовательской MIMO-системы, обеспечивающий подавление межантенной помехи и внутрисистемных помех. Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка, 63(5), 263–276. https://doi.org/10.20535/S0021347020050015

Номер

Том 63 № 5 (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.