tuzsutТруды учебных заведений связиProceedings of Telecommunication Universities1813-324X2712-8830СПбГУТ10.31854/1813-324X-2022-8-1-41-47tuzsut-309Research ArticleЭЛЕКТРОНИКА, ФОТОНИКА, ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И СВЯЗЬELECTRONICS, PHOTONICS, INSTRUMENTATION AND COMMUNICATIONSАнализ характеристик алгоритмов прекодирования сигналов в MU-MIMO системе с использованием модели канала QuaDRiGaPerformance Evaluation of the MU-MIMO Precoding Using the QuaDRiGa Channel Modelhttps://orcid.org/0000-0003-1235-6314КалачиковА. А.KalachikovA.

Калачиков Александр Александрович – кандидат технических наук, доцент кафедры радиотехнических систем 

Новосибирск, 630102

Novosibirsk, 630102

330rts@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-2813-7370БезгодкинР. О.BezgodkinR.

Безгодкин Роман Олегович – лаборант НИЛ-12 

Новосибирск, 630102

Novosibirsk, 630102

bezgodkinroman@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3129-4721ПетровИ. А.PetrovI.

Петров Иван Андреевич – лаборант НИЛ-12

Новосибирск, 630102

Novosibirsk, 630102

levaplova@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2359-0958ВинниковА. А.VinnikovA.

Винников Андрей Анатольевич – лаборант НИЛ-12 

Новосибирск, 630102

Novosibirsk, 630102

andrey.vinnikov@internet.ruСибирский государственный университет телекоммуникаций и информатикиРоссияSiberian State University of Telecommunications and Information ScienceRussian Federation202201042022814147Copyright © Калачиков А.А., Безгодкин Р.О., Петров И.А., Винников А.А., 20222022Калачиков А.А., Безгодкин Р.О., Петров И.А., Винников А.А.Kalachikov A., Bezgodkin R., Petrov I., Vinnikov A.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://tuzs.sut.ru/jour/article/view/309

В статье представлен анализ характеристик алгоритмов прекодирования сигналов в многоантенной системе со многими пользователями (MU-MIMO). Рассматриваются алгоритм прекодирования ZF и алгоритм с использованием векторов прекодирования на основе дискретного преобразования Фурье (ДПФ) в практических условиях работы сети связи на основе модели канала QuaDRiGa, учитывающей реальные условия распространения сигналов. Полученные в модели реализации канала используются для вычисления величин отношения сигнал/шум и спектральной эффективности каждого пользователя с применением весовых векторов прекодирования, вычисленных по методу ZF и кодовых векторов ДПФ. Использование кодовых векторов ДПФ основано на квантовании измеренной импульсной характеристики канала и передаче информации о квантованном канале в виде нормы проекции вектора канала на выбранное кодовое слово и индекса этого слова по каналу обратной связи. Характеристики прекодирования в виде суммарной эргодической спектральной эффективности сравниваются на модели канала для двух способов прекодирования в каналах с пространственной корреляцией. Численное моделирование показывает, что более простая схема кодовых векторов ДПФ позволяет получить большую компенсацию интерференции в коррелированных каналах, чем схема ZF, и повысить спектральную эффективность.

The article presents the analysis of characteristics of algorithms of signal precoding in a multi-antenna system with many users (MU-MIMO). This paper presents the numerical evaluation of the multiuser MIMO beamforming algorithms ZF and DFT codebook based on a QUADRIGA channel model, taking into account the real conditions of signal propagation. The generated channels are used to calculate SINR and the spectral efficiency values of each user using the conventional ZF and DFT beamforming codebook. The eigenvalues of the MIMO channel are important in evaluating the MU-MIMO transmission performance characteristics, such as the spectral efficiency of a precoded system. The obtained performance of MU-MIMO ZF and DFT codebook-based beamforming in spatially correlated channels are compared based on the empirical cumulative density function of the sum rate of multiple users. Spatial correlation degrades capacity performance, and in the channels, the DFT precoder has a more robust performance and outperforms the ZF precoder in spectral efficiency. Obtained results can be used by the algorithm evaluation in the system-level simulations.

5G new radioQuaDRiGa 3GPP модель каналапрекодирование ZFпрекодирование ДПФмногоантенная система с многими пользователями (MU-MIMO)5G new radioQUADRIGA 3GPP channel modelZF precodingDFT codebook precodingmultiuser (MU) MIMOReferencesETSI TS 138 211 V.15.8.0 (2020-01). 5G. NR. Physical channels and modulation. 3GPP TS 38.211 version 15.8.0 Release 15. Technical Specification.ETSI TS 138 211 V.15.8.0 (2020-01). 5G. NR. Physical channels and modulation. 3GPP TS 38.211 version 15.8.0 Release 15. Technical SpecificationBengtsson E.L., Rusek F., Malkowsky S., Tufvesson F., Karlsson P.C., Edfors O. A Simulation Framework for Multiple-Antenna Terminals in 5G Massive MIMO Systems // IEEE Access. 2017. Vol. 5. PP. 26819‒26831. DOI:10.1109/ACCESS.2017. 2775210Bengtsson E.L., Rusek F., Malkowsky S., Tufvesson F., Karlsson P.C., Edfors O. A Simulation Framework for Multiple-Antenna Terminals in 5G Massive MIMO Systems. IEEE Access. 2017;5:26819‒26831. DOI:10.1109/ACCESS.2017.2775210Jaeckel S., Raschkowski L., Boerner K., Thiele L. QuaDRiGa: A 3-D Multicell Channel Model with Time Evolution for Enabling Virtual Field Trials // IEEE Transactions on Antennas Propagation. 2014. Vol. 62. Iss. 6. PP. 3242‒3256. DOI:10.1109/TAP.2014.2310220Jaeckel S., Raschkowski L., Boerner K., Thiele L. QuaDRiGa: A 3-D Multicell Channel Model with Time Evolution for Enabling Virtual Field Trials. IEEE Transactions on Antennas Propagation. 2014;62(6):3242‒3256. DOI:10.1109/TAP.2014.2310220Kaltenberger F., Gespert D., Knopp R., Kountouris M. Performance of Multi-User MIMO Precoding with Limited Feedback over Measured Channels // Proceedings of the Global Telecommunications Conference (IEEE GLOBECOM 2008, New Orleans, USA, 30 November‒4 December 2008). IEEE, 2008. DOI:10.1109/GLOCOM.2008.ECP.738Kaltenberger F., Gespert D., Knopp R., Kountouris M. Performance of Multi-User MIMO Precoding with Limited Feedback over Measured Channels. Proceedings of the Global Telecommunications Conference, IEEE GLOBECOM 2008, 30 November‒4 December 2008, New Orleans, USA. IEEE; 2008. DOI:10.1109/GLOCOM.2008.ECP.738Bjornson E., Hoydis J., Sanguinetti L. Massive MIMO Networks: Spectral, Energy, and Hardware Efficiency // Foundations and Trends in Signal Processing. 2017. Vol. 11. Iss. 3-4. PP. 154‒655. DOI:10.1561/2000000093Bjornson E., Hoydis J., Sanguinetti L. Massive MIMO Networks: Spectral, Energy, and Hardware Efficiency. Foundations and Trends in Signal Processing. 2017;11(3-4):154‒655. DOI:10.1561/2000000093Cho Y.S., Kim J., Yang W.Y., Kang C.G. MIMO-OFDM Wireless Communications with MATLAB. John Wiley and Sons, 2010. 544 p.Cho Y.S., Kim J., Yang W.Y., Kang C.G. MIMO-OFDM Wireless Communications with MATLAB. John Wiley and Sons; 2010. 544 p.Clerckx B., Kim G., Sung J. Correlated Fading in Broadcast MIMO Channels: Curse or Blessing? // Proceedings of the Global Telecommunications Conference (IEEE GLOBECOM 2008, New Orleans, USA, 30 November‒4 December 2008). IEEE, 2008. DOI:10.1109/GLOCOM.2008.ECP.735Clerckx B., Kim G., Sung J. Correlated Fading in Broadcast MIMO Channels: Curse or Blessing? Proceedings of the Global Telecommunications Conference, IEEE GLOBECOM 2008, 30 November‒4 December 2008, New Orleans, USA. IEEE; 2008. DOI:10.1109/GLOCOM.2008.ECP.735Jaeckel S., Raschkowski L., Boerner K., Thiele L., Burkhardt F., Eberlein E. QuaDRiGa: Quasi Deterministic Radio Channel Generator. User Manual and Documentation. Document Revision: v2.2.0. Fraunhofer Heinrich Hertz Institute, 2019.Jaeckel S., Raschkowski L., Boerner K., Thiele L., Burkhardt F., Eberlein E. QuaDRiGa: Quasi Deterministic Radio Channel Generator. User Manual and Documentation. Document Revision: v2.2.0. Fraunhofer Heinrich Hertz Institute; 2019.Rebato M., Rose L., Zorzi M. Performance Assessment of MIMO Precoding on Realistic mmWave Channels // Proceedings of the International Conference on Communications Workshops (ICC Workshops, Shanghai, China, 20‒24 May 2019). IEEE, 2019. DOI:10.1109/ICCW.2019.8756788Rebato M., Rose L., Zorzi M. Performance Assessment of MIMO Precoding on Realistic mmWave Channels. Proceedings of the International Conference on Communications Workshops, ICC Workshops, 20‒24 May 2019, Shanghai, China. IEEE; 2019. DOI:10.1109/ICCW.2019.8756788Ying D., Vook F.W., Thomas T.A., Love D.J., Ghosh A. Kronecker product correlation model and limited feedback codebook design in a 3D channel model // Proceedings of the International Conference on Communications (ICC, Sydney, Australia, 10‒14 June 2014). IEEE, 2014. DOI:10.1109/ICC.2014.6884258Ying D., Vook F.W., Thomas T.A., Love D.J., Ghosh A. Kronecker product correlation model and limited feedback codebook design in a 3D channel model. Proceedings of the International Conference on Communications, ICC, 10‒14 June 2014, Sydney, Australia. IEEE; 2014. DOI:10.1109/ICC.2014.6884258

The authors declare that there are no conflicts of interest present.