MIMO系统中基于预编码的IR—HARQ方案第37卷第11期2010年11月应用科技AppliedScienceandTechnologyV o1.37.№.11NOV.2010doi:10.3969/j.issn.1009-671X.2010.11.O11MIMO系统中基于预编码的IR—HARQ方案李鸿林,耿妲(哈尔滨工程大学信息与通信工程学院,黑龙江哈尔滨150001)摘要:多输入多输出系统与混合自动请求重传技术的结合,能够实现高的传输速率,提高系统的可靠性.该文主要针对多输入多输出系统中基于预编码的混合自动请求重传技术,提出将递增冗余的合并技术代替传统的Chase合并方案,递增冗余合并主要通过递增发送的码字的冗余度,以增大正确译码的概率,从而增加数据吞吐量.仿真结果表明,无论是误比特率还是信息速率,采用递增冗余的方案都能给系统带来增益.关键词:多输入多输出;预编码;混合自动请求重传;递增冗余中图分类号:TN929.5文献标识码:A文章编号:1009-671X(2010)11-0045-03 TheIR?HARQschemebasedonprecodinginMIMOsystemLIHong—lin,GENGDa (CollegeofInformationandCommunicationEngineering,HarbinEngineeringUniversity, Harbin150001,China)Abstract:MIMO(multipleinputmultipleoutput)systemcombinedwiththetechnologyofHARQ(hybridauto—maticrepeatrequest)canachieveahightransferrateandimprovethesystemreliability.Thisp aperproposesaschemefortheprecoding—basedHARQintheMIMOsystem,whichusestheincrementalredundancytechnologyin? steadofthetraditionalChasecombining.Incrementalredundancycombiningcanincreaseth eprobabilityofcorrect decodingmainlybyincreasinglysendingtheredundancyofthecodeword,andtherebyincrea sedatathroughput. Simulationresultsshowthattheincrementalredundancyschemecanbringgaintothesystemf romtheperspectivesofbothBERandinformationrate.Keywords:MIMO;precoding;HARQ;IR多人多出(multipleinputmultipleoutput,MIMO)技术,即利用多根发射天线和多根接收天线进行无线传输的技术,是无线通信中一项很有应用价值的新技术.在MIMO空分复用系统中,发送数据分成几个并行的数据流,并利用预编码技术将子数据流扩展到不同的发射天线,从而获得复用增益和分集增益;因此,线性预编码技术已成为MIMO通信系统的一项关键技术.HARQ(hybridoutomaticrepeatrequest)是自动重传请求(ARQ)和前向纠错编码(forwarderrorcor.rection,FEC)相结合的一种差错控制机制.I型HARQ方案中j,如果发射机发送数据包而接收机译码发生错误,则反馈NACK给发射端要求重发,发射机收到请求后发送相同的数据包,接受端通过Chase合并来合并多次重传数据包.II型HARQ方案中3』,重传时,发送端将发送新的校验比特,通常也称这种方案为递增冗余(incrementalredundan.cy,IR)方案.递增冗余技术(IR)是近几年内颇受关注的一项技术.IR主要是通过递增发送的码字的冗余度,以增大正确译码的概率,从而增加数据吞吐量,其关键之处就在于逐渐降低编码速率,即递增传送码字的冗余.例如:在初次传送时,以高速率编码,冗余度较小,若未能正确解码,则发送未传送的码字从而增大冗余度,接收端将2次接收到的数据帧合并解码,从而增大纠错能力.在MIMO系统中使用HARQ技术,可以提供高速可靠的传输.文献[5]提出一种新型的MIMO.HARQ方案,此方案在对当前子数据流进行功率分配与自适应数据流置换时,考虑多次重传信道状态信息与功率分配信息,增大空间分集增益,并采用优收稿日期:2010-06-24.作者简介:李鸿林(1968?),男,副教授,主要研究方向:宽带系统的信号检测,E—mail:********************.CD46?应用科技第37卷化的最大后验概率(MAP)合并方式来共同提高系统性能.此方案采用rrype.I型HARQ,传统I型所需存储器较小,控制简单;虽然IR型HARQ所需存储器较大,控制复杂,但性能较好.因此文中采用.编.粥'一调,制IR—HARQ.1预编码的MIMO—HARQ模型:存储器ACK/NAK图1基于预编码MIMO—HARQ系统框图图1给出了基于预编码的MIMO—HARQ通信系当发射天线M为z时,预编码矩阵的构造方法的统框图.对于第i次数据传输过程,输入信息比特流迭代形式如下:茎出翥薯=1W~1.㈩/21S换得到符号向量,数据流置换,预编码矩阵输"一【一w2出至根发送天线并发射?在接收端通过Ⅳr根接式中:w,:为参数独立变化的M/2维预编码收天线经过译码矩阵G(i),得到接收矢量S,然后矩阵,此时矩阵由包含2k-1个参数矢量0决定,由此进行与发送端相对应的解调和译码并最终判决输出预编码矩阵改写做篇w…牺min0e㈩).㈣射端,发送端发送未传送的码字,从而增大冗余度,.～.l…J., 接收端将2次接收到的数据帧合并解码;否则,返回线性接收一般可以通过ZF准则和MMSE准则ACK信息,发射端开始发送下一个数据帧.重复上来获得系统的接收矩阵G.述过程,直至输出正确信息比特或达到最大重传次对于ZF准则:G:(日w)+.数L.对于MMSE准则:第i次传输数据过程可以表示为G:[W日HW+(MⅣn/)]一WH.S(i)=G()H()W()S()+G()().(1)式中:S(i)=[5.,s,…,Sr表示B×1矢量,[?]T为矢量转置并且B≤min(M,N),W()表示×B的线性预编码矩阵,与每次数据重传的信道状态信息和重传的次数有关,日(i)表示为N×M的信道矩阵,矩阵的每个元素之间相互独立并且服从均值为零,单位方差的复高斯分布,n(i)为零均值,方差为or的复高斯矢量,E[It/(,l)"]=or.2最优预编码结构当发射天线数目为2时,预编码矩阵为w;『....i"01,0≤0≤180..(2)一sin0cos0由于发射天线数为2时,预编码矩阵只含有参数0,这时对预编码矩阵的优化转化为对参数0的优化,因此上式可改为W=arg{iⅣ(0)}.(3)针对不同的设计准则,在接收端可以得到不同的MSE或者SNR的计算公式,根据这2个系统性能的表征量,可以通过MMSE(最小均方误差)准则来对预编码矩阵进行选择.采用MMSE接收机时,线性预编码的设计决定了译码矩阵,需要满足的目标函数为w,G=argminE[【lj.一sll].G'式中:,表示为基于MMSE准则下采用MMSE接收机时的最优预编码矩阵和线性译码矩阵.通过最小化MSE的得到最优化的,G:==Fdiag().(6)G=((HiFMi)"日i+)(日)".(7)式中:PP(o'2jA;)(√A;/凹一1)+并且()+=max(O,),(?)指对矩阵求逆运算,为加载到s上的功率,Ot是常数,由总的功率受限P来控制. 假设解调译码一预编犸矩阵一__f数据流赘换串并变换第11期李鸿林,等:MIMO系统中基于预编码的IR—HARQ方案(∑).(∑P).+2 (1)::.(8)[(∑Pf")+]一将式(6),(7)代入式(1)可以得到发送信号的软信息值为～S=GHws+G凡'=As+Ⅳ.(8)噪声为服从均值为0,方差为or:的高斯分布.因此由软信息值s可以得出的信噪比SNR=A/:=Ptotal(丽i2—1).3仿真分析●悔墨1图32种方案下平均速率比较(9)4结束语本节系统地分析了MIMO系统中基于预编码且结合ChaseCombiningHARQ和IRCombiningHARQ下的不同方案,接收机采用基于MMSE准则下的MMSE接收机,Chase策略下所有重传分组与第一次传送的分组相同;因此利用信道反馈的状态信息采用最大比合并,而IR策略下既有重复比特又有互补比特,针对重复比特采用最大比合并,对互补比特采用冗余合并.仿真中采用V.blast系统,发射天线为2,接收天线为2,最大重传次数设为2次,调制方式为16. QAM,环境为瑞利衰落信道.图2仿真比较采用不同合并方法的HARQ在瑞利信道下的误比特率.由仿真图可知,当误比特率约为0.5×10时,采用IR.HARQ方案要比采用Chase CombiningHARQ方案大约有3dB的增益.图3仿真比较采用不同合并方案的HARQ在瑞丽信道下的平均速率.由图可知,随着信噪比的增加,2种不同方案的平均速率接近相同;但在低信噪比的情况下,当平均速率在0.6时,采用IR方案约有1dB的增益.图22种方案下误比特率比较针对基于预编码的MIMO.HARQ系统,提出了用IR.HARQ代替传统的HARQ,大量的仿真结果显示,递增冗余策略能更好地利用信道变化的信息,采用冗余合并的方式在时间分集增益的基础上能获得码字增益.虽然IR机制实现复杂度大,且需要较多的存储器,但其明显的性能增益足以抵消其复杂性.参考文献:[1]王欣,罗汉文,余锋.基于有限反馈的MIMO空分复用预编码优化设计[J].上海交通大学,2008,42(4):621—625.[2]李玉萍.IEEE802.16中的HARQ技术研究[D].杭州:浙江大学,2005:l1—22.[3]熊芳,谢刚,赵毅,等.基于线性预编码的新型MIMO. HARQ方案[J].山东通信技术,2007,27(4):16一l9.[4]XIEGang,XIONGFang,ZHAOYi,eta1.Jointdetectionand combiningschemesinMIMO—HARQsystems[J].TheJournal ofChinaUniversitiesofPostsandTelecommunications,2007,14(4):23-25.[5]许玲玲,袁东风,朱光喜,等.II型混合自动请求重传技术在跨层设计中的研究[J].电子与信息,2008,20(4):780-783.[6]KOIKT,MURA TH,YOSHIDASS.HybridARQScheme SuitableforCodedMIMOTransmission[J].IEEECommuni—cationsSociety,2004,2:2919—2921.[7]施风.移动通信中MIMO系统的线性预编码技术研究[D].南京:东南大学,2005.[8]程锦霞,周世东,姚言.基于后合并MIMO—HARQ系统的线性预编码[J].清华大学,2007,3:552—554.。
