CN113014295B - 一种去蜂窝大规模mimo系统上行联合接收方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种去蜂窝大规模MIMO系统上行联合接收方法,步骤包括:建立系统模型,计算迫零接收机的上行链路用户可达速率的近似闭式表达式;利用连续凸逼近功率控制算法,计算每个用户的发射功率控制系数;基于最大系统和速率执行AP选择方案,为每个用户选择若干个最佳AP;系统CPU休眠没有服务用户的AP,重复步骤2得到最佳发送功率控制系数,实现系统上行联合接收。本发明是以用户为中心、利用统计信道状态信息进行上行联合接收,显著有效地提高系统总能量效率,同时降低对前传链路的负担。
Description
技术领域
本发明属于移动通信领域,具体涉及一种去蜂窝大规模MIMO系统上行联合接收方法。
背景技术
去蜂窝大规模多输入多输出(multiple-input multiple-output,MIMO)是对现有蜂窝网络架构进行彻底变革的一种可行网络架构,它结合了分布式MIMO和大规模MIMO的概念,并有望继承这两个系统的所有优点。在传统去蜂窝大规模MIMO系统中,所有的接入点(access point,AP)同时服务所有的用户,然而这需要消耗大量的前传链路资源,限制了去蜂窝大规模MIMO系统性能进一步提升。
现有技术中,以用户为中心的去蜂窝大规模MIMO系统,选择用户由哪些AP服务的标准普遍较为简单,且每个AP的服务用户数大多固定,导致一些用户的服务质量明显下降。
发明内容
发明目的:本发明的目的是提供一种推导以用户为中心的去蜂窝大规模MIMO系统上行联合接收方法,利用长期信道状态信息进行上行联合接收,提高系统的总能量效率,降低对前传链路的负担。
技术方案:一种基于统计信道状态信息(channel state information,CSI)的去蜂窝大规模MIMO系统上行联合接收方法,包括以下步骤:
步骤1、针对以用户为中心的去蜂窝大规模MIMO系统,建立系统模型,基于迫零(zero-forcing,ZF)接收机推导出用户的近似闭式速率表达式;
步骤2、中心处理单元(central processing unit,CPU)基于统计CSI,利用连续凸逼近 (sequential convex approximation,SCA)策略的功率控制算法为每个用户计算功率控制系数;
步骤3、基于推导出的用户闭式速率表达式,CPU基于最大系统和速率执行AP选择方案,为每个用户选择若干个最佳AP;
步骤4、根据执行完步骤3后AP选择的结果,CPU休眠没有服务用户的AP,同时,再次利用基于SCA策略的功率控制算法计算得出用户的最佳发送功率控制系数。
进一步地,步骤1中建立系统模型包括:
对于M个配有N根天线的AP和K个单天线用户,M>>K,令m∈{1,2,…,M}表示AP 的编号,k∈{1,2,…,K}表示用户的编号,令表示服务用户k的AP集合(簇),表示簇服务的用户集合,AP m和用户k之间的信道可以建模为:
其中βmk表示AP m和用户k之间的大尺度衰落,hmk代表小尺度衰落向量,其元素独立同分布于均值为0、方差为1的复高斯分布CPU为每个用户随机分配导频,用户k分得的导频序列为其中τ为导频长度且导频序列满足||φk||2=1,代表M×N维的矩阵集合。基于最小均方误差(minimum mean square error,MMSE)准则,AP m和用户k之间的估计信道为:
进一步地,步骤1中推导基于ZF接收机的上行链路用户可达速率表达式具体包括:
其中,[amk]n代表amk的第n个元素。利用式(5)和(6),可以得到基于ZF接收机时用户k的上行信干噪比(signal to interference plus noise ratio,SINR)为:
因此用户k的各态历经上行可达速率为:
进一步地,步骤1中推导基于ZF接收机的上行链路用户可达速率的近似闭式表达式具体包括:
利用Jensen不等式有:
又利用近似方法可以得到:
将式(12)代入式(10)可以得到以用户为中心的去蜂窝大规模MIMO系统基于ZF接收机时用户k的近似闭式速率表达式为:
进一步地,步骤3包括:
步骤3.2、判断每个用户的主服务AP是否同时是其它用户的主服务AP,若是,则在未被选择的AP中选择到该用户大尺度衰落最大的AP加入其服务AP集合。
进一步地,步骤4包括:
步骤4.1、根据步骤3中AP选择的结果,将没有任何服务用户的AP休眠;
有益效果:与现有技术相比,本发明具有如下显著的优点:本发明以用户为中心,利用统计信道信息进行上行联合接收,能够适应用户位置的移动变化,可以有效地提高系统的总能量效率、降低对前传链路的负担,此外,每个簇中AP的个数是非固定的,具有较好的灵活性。
附图说明
图1为以用户为中心的去蜂窝大规模MIMO系统联合接收时AP簇的示例图;
图2为本发明实施例的系统和速率的仿真值柱状图;
图3为本发明实施例的系统总能量效率的仿真值柱状图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示,本发明提出了一种基于以用户为中心的去蜂窝大规模MIMO系统的上行联合接收方法,假设每个AP只服务用户的子集,以损失一部分性能为代价大幅降低对前传链路容量的要求。包括以下步骤:
步骤1.1、建立如图1所示的以用户为中心的去蜂窝大规模MIMO系统模型:对于M个配有N根天线的AP和K个单天线用户,M>>K,令m∈{1,2,…,M}表示AP的编号, k∈{1,2,…,K}表示用户的编号,令表示服务用户k的AP集合(簇),表示簇服务的用户集合,AP m和用户k之间的信道可以建模为:
其中,βmk表示AP m和用户k之间的大尺度衰落,hmk代表小尺度衰落向量,其元素独立同分布于CPU为每个用户随机分配导频,用户k分得的导频序列为其中τ为导频长度且导频序列满足||φk||2=1。基于MMSE准则,AP m和用户k之间的估计信道为:
步骤1.2、推导基于ZF接收机的上行链路用户可达速率表达式:
其中,[amk]n代表amk的第n个元素。利用式(5)和(6),可以得到基于ZF接收机时用户k的上行SINR可表示为:
因此用户k的各态历经上行可达速率为:
步骤1.3、推导基于ZF接收机的上行链路用户可达速率的近似闭式表达式:
利用Jensen不等式,有:
又利用近似方法可以得到:
又因为服从伽马分布Г(1,αmk),而根据引理:假设{Yi}是相互独立的形状参数为μi、逆尺度参数为θi的伽马随机变量Yi~Γ(μi,θi),那么,∑iYi可以近似为具有相同的一阶和二阶矩的伽玛随机变量Y,Y~Γ(μ,θ),其中可以得到根据伽马分布的性质有:
将式(12)代入式(10)可以得到以用户为中心的去蜂窝大规模MIMO系统基于ZF接收机时用户k的近似闭式速率表达式为:
步骤2.1、基于步骤1.3推导得到的用户可达速率的近似闭式公式,根据实现系统和速率最大化的优化目标及功率约束和服务质量约束的优化条件,建立优化问题模型:
步骤3.2、判断每个用户的主服务AP是否同时是其它用户的主服务AP,若是,则在未被选择的AP中选择到该用户大尺度衰落最大的AP加入其服务AP集合。
步骤3.3、初始化门限值σ=1.1,若存在未进行AP选择的用户,则任选用户k,基于步骤 1.3所推得的用户可达速率近似公式(13),利用统计CSI计算其近似速率否则,S3AP 选择结束,转至步骤4.1;
其中,μk为用户k的功率放大器的放大系数,Ptc,k为用户k的静态电路功耗,Ptc,m=Ptc,n代表AP m未休眠时的静态电路功耗,B为带宽,T为相干时间,Pbt,m为AP m与负载无关的功耗, P0,m为AP m的前传链路的固定功耗。
下面通过Matlab平台的仿真验证本发明所提出的基于以用户为中心的去蜂窝大规模 MIMO系统的上行联合接收方法的有效性。设定所有的用户和AP随机地分布在边长等于1km 的矩形区域内,用户数K=10,AP数M=60,AP天线数N=2。大尺度衰落模型为:
其中,σshzmk/10代表标准差为σsh=8dB的阴影衰落,PLmk服从三段式的路径损耗模型(单位为dB):
其中,dmk代表AP m与用户k之间的距离,d0=50m和d1=10m为参考距离。其它所需参数如下表所示:
参数 | 取值 |
B | 20MHz |
T | 200 |
τ | 5 |
ρ<sub>p</sub>,ρ<sub>u</sub> | 0.1W,0.1W |
P<sub>tc,k</sub>,P<sub>tc,m</sub> | 0.1W,0.2W |
P<sub>0,m</sub>,P<sub>bt,m</sub> | 0.2W,0.25W |
μ<sub>k</sub> | 0.388 |
α<sub>sleep</sub> | 0.2 |
为了更好地体现本发明的效果,将本发明的方案与另外三种方案进行对比,参照附图2 和附图3的对比结果,其中(1)平均功率分配的传统去蜂窝大规模系统,标注为EPC;(2) 执行本方案到步骤2,标注为S2;(3)执行本方案到步骤3,标注为S3;(4)完整的本方案,标注为S4。本方法以损失较小的系统和速率为代价,显著地提高了系统的总能量效率。
Claims (2)
1.一种去蜂窝大规模MIMO系统上行联合接收方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:建立系统模型,计算迫零接收机的上行链路用户可达速率的近似闭式表达式;
步骤2:基于连续凸逼近功率控制算法,计算每个用户的发射功率控制系数;
步骤3:基于最大系统和速率执行AP选择方案,为每个用户选择若干个最佳AP;
步骤4:系统CPU休眠没有服务用户的AP,重复步骤2得到最佳发送功率控制系数,实现系统上行联合接收;
所述步骤1中建立系统模型具体包括:
设有M个配有N根天线的AP和K个单天线用户,M>>K,其中,m∈{1,2,…,M}表示AP的编号,k∈{1,2,…,K}表示用户的编号,表示服务用户k的AP集合或AP簇,表示簇服务的用户集合,AP m和用户k之间的信道建模表达式为:
其中,βmk表示AP m和用户k之间的大尺度衰落,hmk表示小尺度衰落向量,其元素独立同分布于均值为0、方差为1的复高斯分布系统CPU为个用户随机分配导频,用户k分得的导频序列为其中,τ为导频长度且导频序列满足||φk||2=1,表示M×N维的矩阵集合;
基于最小均方误差准则,AP m和用户k之间的估计信道为:
所述步骤1中还包括计算上行链路用户可达速率表达式,具体步骤如下:
基于ZF接收机,用户k的上行S1NR可表示为:
其中,[amk]n表示amk的第n个元素,因此,用户k的各态历经上行可达速率表达式为:
其中,计算上行链路用户可达速率的近似闭式表达式,具体包括:
利用Jensen不等式,得到表达式:
利用近似方法,得到表达式:
将式(10)代入式(8)得到用户k的近似闭式速率表达式为:
所述的步骤3具体包括:
步骤3.2:判断每个用户的主服务AP是否同时是其它用户的主服务AP,若是,则在未被选择的AP中,选择到该用户大尺度衰落最大的AP加入其服务AP集合中;
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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