ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. ISSN 1689-1719. 2020. № 2
Оглавление выпуска

Текст статьи (pdf)
English page

 

DOI  10.30898/1684-1719.2020.2.1

УДК 621.391.1

 

Эффективность порогового метода оптимизации вероятности ошибки на бит и пропускной способности в MIMO-системе с обратной связью

 

А. В. Елохин, И. С. Сорокин, А. Г. Флаксман

Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского, 603950, Нижний Новгород, пр. Гагарина, д.23

 

Статья поступила в редакцию 24 декабря 2019 г., после доработки – 30 января 2020 г.

 

Аннотация. Рассматриваются MIMO-системы (Multiple-Input Multiple-Output) сотовой связи с антенными решетками на обоих концах линии связи, в которых для передачи данных формируются параллельные независимые собственные каналы. Анализируется эффективность порогового метода, обеспечивающего компромисс между скоростью передачи данных и вероятностью ошибки. Метод основан на передаче данных только по «сильным» собственным подканалам. Разделение каналов на энергетически сильные и слабые производится с помощью пороговой техники. Приведены результаты численного моделирования в случае многолучевого канала с релеевскими замираниями сигналов, подтверждающие высокую эффективность метода.

Ключевые слова: MIMO-система, обратная связь, собственный подканал, вероятность ошибки на бит, пропускная способность, релеевские замирания сигналов

Abstract. The main problem in the field of mobile (cellular) communication systems is an increase in the data transmission rate and decrease in the bit error rate. The use of MIMO-systems (Multiple-Input Multiple-Output) with transmitting and receiving antenna arrays and various methods of spatial signal processing is a more promising way to solve this problem. The bit error rate depends on the mean square error between the input and output signals, which, in turn, is determined by the signal to noise ratio. If the channel state information (channel matrix) is used on the transmitting side of MIMO system, then the system can be represented as a set of independent parallel eigen subchannels. The number of subchannels is equal to the rank of the channel matrix, and their gains are determined by the singular numbers of the channel matrix. In a multipath Rayleigh channel (the so-called “urban” channel type), these subchannels can provide significantly different bit error rate. Two methods of transmitting information in a MIMO-system are of interest. The first one is based on the use of all subchannels and the optimal distribution of transmitter power between them. The second (“threshold”) method is based on transmitting data only on “strong” subchannels with the highest SNR and optimal power distribution among the remaining subchannels. In present work we performed a comparative analysis of the bit error rate and the throughput provided by these methods. Signal fading in a multipath channel is assumed to be Rayleigh uncorrelated in different antennas (“urban” channel type).

Key words: MIMO-system, feedback, eigen subchannel, bit error rate, throughput, Rayleigh signal fading.

1.    Björnson E., Hoydis J., Sanguinetti L. Massive MIMO Networks: Spectral, Energy and Hardware Efficiency. // Foundations and Trends in Signal Processing. 2017. V. 11, No. 3-4. P. 154–655. DOI: 10.1561/2000000093.

2.    Palomar D., Jiang Y. MIMO transceiver design via majorization theory // Foundations and Trends in Communications and Information Theory. 2006. V. 3. No. 4–5. P. 331–551.

3.    Paylraj A., Nabar R. and Gore D. Introduction to space-time wireless communications. Cambridge university press, 2003. – 278 p.

4.    Jankiraman M. Space-time codes and MIMO systems. Artech House, Inc., 2004. – 328 p.

5.    Space-Time Processing for MIMO Communications / Editors A.B. Gershman and N.D. Sidoropoulos. Wiley&Sons, 2005. – 370 p.

6.    Ермолаев В.Т., Флаксман А.Г. Теоретические основы обработки сигналов в беспроводных системах связи: Монография. Нижний Новгород: Изд. ННГУ им. Н.И. Лобачевского, 2011. – 368 с.

7.    Palomar D.P., Cioffi J.M., Lagunas M.A. Joint Tx-Rx beamforming design for multicarrier MIMO channels: a unified framework for convex optimization // IEEE Trans. Signal Process. 2003. V. 51. No. 9, P. 2381–2401.

8.    Palomar D.P., Lagunas M.A., Cioffi J.M. Optimum Linear Joint Transmit-Receive Processing for MIMO Channels with QoS Constraints // IEEE Trans. Signal Process. 2004. V. 52. No. 5, P. 1179–1197.

9.    Scaglione A., Stoica P., Barbarossa S., Giannakis G.B., Sampath H. Optimal designs for space-time linear precoders and decoders // IEEE Trans. Signal Process. 2002. V. 50. P. 1051–1064.

10.  Ермолаев В.Т., Маврычев Е.А., Флаксман А.Г. Уменьшение вероятности битовой ошибки при параллельной передаче информации в MIMO-системе // Изв. вузов. Радиофизика. 2003. Т.46. № 3. С. 251–260.

11.  Воеводин В.В. Линейная алгебра. М.: Наука, 1980. - 400 с.

12.  Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. - М.: Наука, 1988. - 552 с.

13.  Ermolayev V.T., Flaksman A.G. and Averin I.M. Bit Error Rate in Eigenchannels of SVD-based MIMO System // Signal Process. 2013, V. 93, No. 12, P. 33193326.

14.  Ермолаев В.Т., Флаксман А.Г., Лысяков Д.Н. Увеличение пропускной способности MIMO-системы радиосвязи с параллельной передачей данных по собственным подканалам // Вестник ННГУ им. Н.И. Лобачевского. Серия: Радиофизика. 2010, № 3, часть 1. С. 7986.

15.  Telatar I.E. Capacity of multi-antenna Gaussian channels // European Transactions on Telecommunications. 1999. V. 10. No. 6. P. 585–595.

16.  Tulino A.M., Verdú S. Random Matrix Theory and Wireless Communications. Now Publishers, 2004. – 182 p.

 

Для цитирования:

Елохин А.В., Сорокин И.С., Флаксман А.Г. Эффективность порогового метода оптимизации вероятности ошибки на бит и пропускной способности в MIMO-системе с обратной связью.  Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2020. № 2. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/feb20/1/text.pdf.
DOI 10.30898/1684-1719.2020.2.1