CN105721125B - 一种能效最优的多小区大规模mimo系统的导频调度方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能效最优的多小区大规模MIMO系统的导频调度方法。主要包括首先分析多小区大规模MIMO TDD系统的能效，对其进行最优处理。进而在能效最优的系统中，提出一种基于最大化最小信干噪比的导频调度策略。接着，考虑到每个小区在系统中的地位是均等的，结合小区的均等特性和SA算法对调度策略进行优化，在性能允许下大幅缩减调度开销。导频调度是解决导频污染问题的重要手段，该调度策略对系统性能有很好的提升效果。与未考虑能效的导频调度系统相比，能效最优的调度系统极大地削减了计算开销。

Description

一种能效最优的多小区大规模MIMO系统的导频调度方法
技术领域
本发明为在能效最优的基础上进行大规模MIMO系统导频调度的一种方法，属于无线通信领域。
背景技术
近年来，信息和通信技术(ICT)产业正朝着第五代移动通信系统(5G)飞速发展。5G网络真正意义上实现了网络的可延展性、多功能性和高效性，使得万事万物可以高速连接。从技术层面上来说，5G网络应当提供高达20Gbps的峰值数据速率和超过100Mbps的平均数据速率。而在大规模MIMO通信系统中，基站端用大规模天线阵列代替原有的多天线，在不增加发送功率和系统带宽的前提下，信道容量获得大幅度提升。
能耗问题在5G网络的规划过程中备受关注，到2020年ICT产业每年将排放超过2.5亿吨的温室气体。为了保证可持续发展，5G网络应当维持在一个较低的能耗水平去获取尽可能大的容量增益。在此背景下，能效(EE)成为建设5G蜂窝网络关键指标，EE的定义是单位焦耳的能量传输的信号比特数。获得高能效的关键是提高空间复用率，即在单位面积上实现更多的并行传输，解决这个问题的有效办法之一便是大规模MIMO技术。
作为5G关键技术之一的大规模MIMO系统，其性能主要受限于导频污染。导频污染的本质是不同小区对同一导频序列的复用而引起的小区间干扰。当基站天线数较少，干扰、噪声和导频污染共同影响系统性能；而当基站天线数远大于与小区基站通信的用户数时，干扰和噪声等因素均可忽略不计，导频污染却越发突出成为系统性能的唯一影响因素，而导频调度是缓解这一问题的有效方法。
发明内容
技术方案：本发明采用的技术方案为一种应用于大规模MIMO多小区TDD系统的能效最优基础上的导频调度方法，旨在保证系统高能效的基础上，最大限度降低导频调污染的危害。本发明采用的技术方案包括以下步骤：
步骤1：基于5G蜂窝网络对能效的高要求，考虑大规模MIMO多小区TDD系统的能效，综合小区基站天线数、发射功率、每小区用户数这三个影响因子，对系统能效进行最大化处理。下行链路能效的表达式为
其中，K是每小区用户数；L是小区数；SINRjk是信干噪比；ETP是下行发射能量；η∈(0,1]是功率放大器的效率ECP是单小区的电路能量消耗。调节各影响因子可以获得最优EE及该情况下的各个参数值。
步骤2：在能效最优的大规模MIMO系统中，采用一种基于最大化最小信干噪比的导频调度策略降低导频污染对系统性能的损害，调度准则具体表述为
其中，是所有可选分配方案的最大化最小信干噪比的集合，B代表所有导频分配方案，其任一元素B＝{B1,B2,…,Bj,…,BL}，Bj表示j小区所有用户使用的导频序列的次序(导频次序)。
步骤3：利用小区的均等特性结合SA算法对调度策略进行优化。首先，考虑到系统每个小区都是均等的，将原先的方案作如下简化：首先，从K！中分配方案中挑选出i(i≤L)种供选择，表述成当i＝L时，表明L个小区所使用的导频次序都不同，当i＜L至少有两个小区共用一套导频次序；然后，将选出的i种导频次序分给所有小区。这一步表述成综合上面两步，导频方案总数降至
除去大量重复的导频分配方案后，利用模拟退火(SA)算法对调度方案进一步优化。SA算法以一定概率接受比当前解要差的解，且此概率随时间减小。采用最大化最小信干噪比为评价函数，状态接受函数用Metropolis准则。
有益效果
本发明公开了一种能效最优的多小区大规模MIMO系统的导频调度方法。有效增益主要包括(1)一种基于最大化最小信干噪比的导频调度策略，在各线性预编码方法下均能提升系统的BER性能；(2)考虑了5G蜂窝网络的关键指标——能效，在当今及以后的无线通信领域有重大的实际应用价值；(3)优化的调度策略可以很好地削减计算开销。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为本发明的系统模型图。
图3为本发明的调度性能提升图。
具体实施方式
下面结合附图进一步阐述本发明：
首先考虑图1所示流程图的第一步。结合图2的系统模型图，考虑一个有L个小区的大规模MIMO多小区TDD系统，所有小区全频复用且时间同步。小区基站配置M根天线，同时与K个单天线用户通信。信道模型服从瑞利块衰落，即信道在U＝TCBC个信号时间内保持不变，其中TC(s)和BC(Hz)分别是相干时间和相干带宽。则下行链路j小区k用户接收的信号为
其中，pf为基站的平均发射功率，βjlk为l小区和j小区用户k之间的大尺度衰落因子(包括路径损耗和阴影衰落)；[hjlk1,hjlk2,…,hjlkM]是小尺度衰落矩阵Hjl的第k列，其中hjlkm是快衰落系数，满足独立同分布且服从CN(0,1)；ali是预编码矩阵Al的第i列，且满足qjk是j小区基站发送给本小区k用户的信号；zjk为j小区k用户处的加性高斯白噪声。由此下行链路j区k用户的信干噪比为
其中，qli是l小区基站发给本小区i用户的信号，ql＝[ql1,ql2,…,qlK]T为该小区基站发射给小区内所有用户的信号且满足E[ql]＝0，对于L小区每小区K个用户的多小区MIMO系统，总共有L×K个不同的信干噪比值。
能效的物理意义为单位焦耳的能量上传输的信号比特数，定义成可达和速率与总能量消耗的比值，下行链路EE的表达式为
其中，SINRjk(bits/symbol)信干噪比；下行发射功率为ETP＝pfS(Joule/symbol)，S是信号时间；η∈(0,1]是功率放大器的效率；ECP(Joule/symbol)是单小区的电路能量消耗，这里假设每个小区的电路消耗均为相同。能效的影响因子很多，综合考虑基站天线数、小区用户数和发射功率这三个影响因子，使能效值最大。
下面考虑图1所示流程图的第二步。在能效最优的系统中，根据下行链路j小区k用户的信干噪比，得出最大化最小信干噪比为
上式表明，在所有L×K个用户中，j*小区的第k*用户的信干噪比(SINR)最小。每一种导频分配方法会产生一个最小SINR，有多少种导频分配方案便有多少最小SINR。在这些所有的最小SINR中选取最大值时的导频分配方案，此方案便是最优的调度方案。由此，最终的导频调度准则为
其中，B代表所有导频分配方案，其任一元素B＝{B1,B2,…,Bj,…,BL}，Bj表示j小区所有用户使用的导频序列的次序(导频次序)。例如，三个小区，每个小区有3个用户的系统，小区内采用τ＝4的正交导频序列，B1＝{1,3,2}，B2＝{2,1,3}，B3＝{3,2,1}，这表明小区1的1用户使用第一个正交导频，用户2使用第三个正交导频，用户3使用第二个正交导频；而小区2的1用户使用第二个导频，用户2使用第一个导频，小区1的用户1和小区2的用户2使用同一个导频。
下面考虑图1所示流程图的第三步。因为系统中每个小区的用户数、基站天线数相同；基站的平均发射功率和用户的平均发射功率也相等；不同小区的信道模型也相同。由此可以将系统中的每个小区看成是均等的。在这种情况下，如果交换任意两个小区所使用的导频，而具体的小区内导频序列不变，理论上来说系统的性能不会受到影响。
考虑小区均等性，可以将原先的方案作如下简化：首先，从K！中分配方案中挑选出i(i≤L)种供选择，表述成当i＝L时，表明L个小区所使用的导频次序都不同，当i＜L至少有两个小区共用一套导频次序；然后，将选出的i种导频次序分给所有小区。比如2种导频次序分给4个小区，可以是每两个小区次序相同，或者三个小区用一种次序，另一个小区用一种，这一步表述成综合上面两步，导频方案总数降至
除去大量重复的调度方案之后，利用模拟退火(SA)算法进一步对方案进行优化。SA算法以一定概率接受比当前解要差的解，且此概率随时间减小。采用最大化为评价函数，状态接受函数采用Metropolis准则。
SA算法简化导频调度方案的具体过程如下：
步骤1：选取初始温度T0和初始的调度方案B0，计算相应的评价函数值
步骤2：在当前温度Ti下，移动至下一个调度方案Bi+1并计算相应的
步骤3：如果则最优的调度方案更新为Bi+1；若同时满足和同样进行调度方案的更新；否则最优调度方案保持原来的Bi。
步骤4：如果达到内层循环Lin，转到步骤5；否则转到步骤2。
步骤5：如果达到外层循环Lout或者终止温度Tmin，则输出此时的导频调度方案作为最优解；否则转到步骤6。
步骤6：利用温度更新函数降温，接着转到步骤2。
仿真结果
下面结合仿真分析本发明的性能。仿真在两小区的情况下进行。采用QPSK调制和ZF检测，用户数K＝8，基站天线数设定为能效最优的天线数。不失一般性，所有的直接增益βjjl设为1，所有的交叉增益设为0到1的随机数。
图3为本发明的调度性能提升图。可以看到不论是哪一种预编码策略，其BER性能在进行调度之后均有所提升。单看未调度时三种预编码方法的BER性能，MMSE预编码显然要优于另外两种单小区预编码算法，因其考虑了小区间干扰，对于系统的整体性能有很好的提升效果。

Claims (1)

1.一种能效最优的多小区大规模MIMO系统的导频调度方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：基于5G蜂窝网络对能效的高要求，考虑大规模MIMO多小区TDD系统的能效，并进行最优处理；
步骤2：在能效最优的大规模MIMO系统中，采用一种基于最大化最小信干噪比的导频调度策略降低导频污染对系统性能的损害；
步骤3：利用小区的均等特性结合SA算法对调度策略进行优化；
步骤1中所述的大规模MIMO多小区TDD系统的能效最优处理，具体为：综合小区基站天线数、发射功率、每小区用户数这三个影响因子，对系统能效进行最大化处理,下行链路能效的表达式为
其中，K是每小区用户数；L是小区数；SINRjk是信干噪比；ETP是下行发射能量；η∈(0,1]是功率放大器的效率；ECP是单小区的电路能量消耗，调节各影响因子获取最优EE及该情况下的各个参数值；
步骤2中所述的一种基于最大化最小信干噪比的导频调度策略，具体为：调度准则具体表述为
其中，是所有可选分配方案的最大化最小信干噪比的集合，B代表所有导频分配方案，其任一元素B＝{B1,B2,…,Bj,…,BL}，Bj表示j小区所有用户使用的导频序列的次序，L表示小区数；
步骤3中所述结合小区的均等特性和SA算法对调度策略进行优化，具体为：首先，考虑到系统每个小区都是均等的，将原先的方案作如下简化：首先，从K！中分配方案中挑选出i(i≤L)种供选择，表述成其中K是每小区用户数；当i＝L时，表明L个小区所使用的导频次序都不同，当i＜L至少有两个小区共用一套导频次序；然后，将选出的i种导频次序分给所有小区，这一步表述成综合上面两步，导频方案总数降至
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106850173B (zh) * 2017-01-19 2020-05-05 南京邮电大学 一种基于大规模mimo的多小区导频分配方法
CN107425890B (zh) * 2017-06-07 2020-11-20 东南大学 一种单小区异常情况下关闭rau能效最优的方法
CN108234101B (zh) * 2018-01-11 2020-08-04 郑州航空工业管理学院 能效最大化导频信号设计方法及大规模多天线系统
CN109039498B (zh) * 2018-07-05 2021-04-30 上海电机学院 多小区大规模das中基于rau和用户距离关系的能效优化方法
CN118400794A (zh) * 2024-05-08 2024-07-26 北京信息科技大学 用户下行速率和能效提升方法和装置、系统、存储介质

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2512193B1 (en) * 2008-01-30 2014-03-19 Qualcomm Incorporated Method and apparatus for mitigating pilot pollution in a wireless network
CN104168659A (zh) * 2014-08-19 2014-11-26 东南大学 Mrt预编码策略下的多小区mimo系统用户调度方法
CN104410480A (zh) * 2014-11-27 2015-03-11 山东大学 一种大规模mimo系统中基于大尺度衰落的导频分配方法
CN104735792A (zh) * 2013-12-23 2015-06-24 华为技术有限公司 导频资源分配方法及装置
CN104768162A (zh) * 2015-03-17 2015-07-08 重庆邮电大学 一种多小区大规模mimo系统的导频动态分配方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2512193B1 (en) * 2008-01-30 2014-03-19 Qualcomm Incorporated Method and apparatus for mitigating pilot pollution in a wireless network
CN104735792A (zh) * 2013-12-23 2015-06-24 华为技术有限公司 导频资源分配方法及装置
CN104168659A (zh) * 2014-08-19 2014-11-26 东南大学 Mrt预编码策略下的多小区mimo系统用户调度方法
CN104410480A (zh) * 2014-11-27 2015-03-11 山东大学 一种大规模mimo系统中基于大尺度衰落的导频分配方法
CN104768162A (zh) * 2015-03-17 2015-07-08 重庆邮电大学 一种多小区大规模mimo系统的导频动态分配方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于上行多用户大规模MIMO系统能效优化算法;胡莹;《通信学报》;20150131;第36卷(第1期);第2页

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Denomination of invention: Pilot frequency scheduling method for multi-cell large-scale MIMO system with optimal energy efficiency

Granted publication date: 20190308

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