CN117318771A - 一种在非正交导频下实现mURLLC的系统传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无线通信技术领域,具体涉及一种在非正交导频下实现mURLLC的系统传输方法,包括:结合多天线CF mMIMO和Nakagami‑m衰落对信道进行建模;在非正交导频下结合MMSE进行信道估计;利用MRT进行预编码并计算下行用户端的SINR;在短数据包传输下分析系统性能,并通过优化相关配置同时满足多指标性能要求,以实现mURLLC。本发明基于非正交导频和Nakagami‑m衰落展开分析,克服了理想假设在分析和实际应用中的局限性,更适用于包含大规模用户接入的mURLLC场景,提高了系统的抗衰落能力,同时,结合MRT预编码,在较低复杂度下提升了用户端信号检测的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域,具体涉及一种在非正交导频下实现mURLLC的系统传输方法。
背景技术
低延迟高可靠通信是第五代移动通信系统(The Fifth Generation,5G)中最具挑战性的服务之一,其要求时延小于0.5ms,错误概率小于10-5。考虑到物联网设备数量的爆炸式增长,有必要提高网络性能以适应多样的大规模用户接入。最近提出的大规模低时延高可靠通信(massive Ultra-Reliable and Low Latency Communications,mURLLC),是可以充分体现第六移动通信系统(The Sixth Generation,6G)变革的“杀手级”应用场景,必须满足超低时延、超高可靠和超大连接等极具挑战的核心需求。然而,实现多指标性能的联合优化是个难点。
针对上述挑战,亟需设计高效且适用的mURLLC系统传输方案,比如传输架构、信道模型、信道估计、预编码以及指标性能分析方法等,以支撑时延-可靠性-接入用户数性能的同时优化。采用去蜂窝(Cell-Free,CF)架构,对大量接入点(Access Point,AP)的信号进行集中处理,与采用传统蜂窝架构相比,更适合未来无线通信多样且异构的场景。同时,大规模多输入多输出(massive Multiple Input Multiple Output,mMIMO)技术近年来得到蓬勃发展,在频谱效率、可靠性和峰值速率提高方面具有显著优势。将mMIMO与CF架构相结合,即CF mMIMO有望满足mURLLC更多样化的需求。此外,作为一种特殊的分布式mMIMO系统,CFmMIMO大大缩短了传统小区中用户与AP之间的距离,具有较强的抗衰落能力,极有潜力成为6G关键技术之一。基于CF mMIMO进行设计,将提高系统传输方案在mURLLC场景中的适用性和有效性。
在保证时延和可靠性的基础上,进一步提升连接数密度以实现mURLLC是极具挑战性的。其中,系统传输方案起着非常关键的影响,主要涉及传输架构、信道模型、信道估计、预编码、指标性能的理论分析和优化等。但是,目前有关mURLLC的传输方案很少,且几乎都基于正交导频和瑞利衰落的理想假设进行信道估计,这在用户数足够大、导频资源有限且存在视距分量时并不适用,会影响对实际信道估计的准确度,以及信号检测和多指标性能分析的可靠性。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提出一种在非正交导频下实现mURLLC的系统传输方法,包括:
S1:建立多天线CF mMIMO系统;所述多天线CF mMIMO系统包含L个多天线AP和K个单天线用户,每个AP有M根天线且通过前传链路连接到多个中央处理器;
S2:多天线CF mMIMO系统中的用户端发送设定条件下的非正交导频信号,AP端接收用户发送的非正交导频信号;
S3:在Nakagami-m衰落下,对AP天线和用户之间的信道进行建模,基于AP天线和用户之间建模后的的信道结合收到的非正交导频信号,AP端采用MMSE进行信道估计;
S4:中央处理器通过前传链路下发下行信号到AP端,AP端基于信道估计值对下行信号进行MRT预编码处理并下发给用户端,用户端接收MRT预编码后的信号并计算接收信号的SINR;
S5:用户端借助FBL信息理论,结合接收信号的SINR计算用户的错误概率;
S6:在短数据包传输下根据用户错误概率分析系统性能,并通过优化相关配置同时满足多指标性能要求,以实现mURLLC。
本发明发有益效果:
(1)本发明基于非正交导频和Nakagami-m衰落展开分析,克服了理想假设(正交导频和瑞利衰落)在分析和实际应用中的局限性,更适用于包含大规模用户接入的mURLLC场景;
(2)本发明结合多天线CF mMIMO系统,有效利用空间分集和更接近用户的CF分布式架构,提高了系统的抗衰落能力,同时,结合MRT预编码,在较低复杂度下提升了用户端信号检测的可靠性;
(3)本发明借助FBL信息理论,分析了错误概率、时延以及接入用户数的关系,并给出了同时保障和优化多指标性能的方法,提高了非正交导频下系统性能的可分析性和处理性,支撑mURLLC应用场景的落地部署。
附图说明
图1为本发明一种在非正交导频下实现mURLLC的系统传输方法流程示意图;
图2为本发明多天线CF mMIMO系统模型图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
一种在非正交导频下实现mURLLC的系统传输方法,如图1所示,包括:
S1:建立多天线CF mMIMO系统;所述多天线CF mMIMO系统包含L个多天线AP和K个单天线用户,每个AP有M根天线且通过前传链路连接到多个中央处理器;
S2:多天线CF mMIMO系统中的用户端发送设定条件下的非正交导频信号,AP端接收用户发送的非正交导频信号;
S3:在Nakagami-m衰落下,对AP天线和用户之间的信道进行建模,基于AP天线和用户之间建模后的的信道结合收到的非正交导频信号,AP端采用MMSE进行信道估计;
S4:中央处理器通过前传链路下发下行信号到AP端,AP端基于信道估计值对下行信号进行MRT预编码处理并下发给用户端,用户端接收MRT预编码后的信号并计算接收信号的SINR;
S5:用户端借助FBL信息理论,结合接收信号的SINR计算用户的错误概率;
S6:在短数据包传输下根据用户错误概率分析系统性能,并通过优化相关配置同时满足多指标性能要求,以实现mURLLC。
在本发明实施例中,如图2所示,CF mMIMO系统包含L个多天线AP和K个单天线用户,每个AP有M根天线且通过前传链路连接到多个中央处理器(Central ProcessingUnits,CPUs)。每个用户同时向所有AP发送长度为τp的导频序列。考虑到用户数量大,假设用户数大于导频长度即K≥τP。
用户端发送的非正交导频信号满足的设定条件:
其中,和/>分别表示用户t和用户k的导频信号,it和ik分别表示用户t和用户k导频的索引且it,ik∈{1,2,...,τp},Sk表示和用户k使用相同导频的用户集合,τp表示导频序列长度,H表示对矩阵求共轭转置,p表示属于导频信号。
AP端接收用户发送的非正交导频信号:
其中,表示第l个AP处接收的非正交导频信号,pu表示每个用户的平均发送功率,/>表示第l个AP和K个用户之间的信道矩阵,表示K个用户发送的导频信号矩阵,/>表示噪声矩阵,其元素相互独立且服从均值为0方差为1的复高斯分布/>表示M×K维度的矩阵,/>表示K×τp维度的矩阵,K表示用户总数,M表示每个AP的天线总数。
在本发明实施例中,在Nakagami-m衰落下,第l个AP的第m根天线和第k个用户之间的信道建模为:
其中,βl,k表示第k个用户和第l个AP之间的大尺度衰落系数,k=1,...,K,表示第l个AP的第m根天线和第k个用户之间的小尺度衰落系数,m=1,...,M。其中,/>表示hl,mk的相位且其在[0,2π)上服从均匀分布,|hl,mk|表示hl,mk的模且其服从Nakagami-m分布,即:
其中,Γ(·)是伽玛函数,和Ωl,k是Nakagami-m分布的参数,/>表示平均功率。注意,|hl,mk|和/>相互独立,所以/>包络的平方服从伽马分布即第l个AP和第k个用户之间的信道向量可表示为其中小尺度衰落向量表示为/>假设hl,k的不同元素之间是不相关的,且当k≠k'时,hl,k和hl,k'相互独立。通过MMSE可以得到信道估计值:
其中,表示第l个AP和第k个用户之间的信道估计值,/>表示第l个AP处接收的非正交导频信号,/>表示用户k的导频信号,gl,t表示表示第l个AP和第t个用户之间的信道衰落,cl,k表示第一信道参数变量,/>pu表示每个用户的平均发送功率,βl,k、βl,t分别表示第k个用户以及第t个用户与第l个AP之间的大尺度衰落系数,τp表示导频序列长度,/>表示和用户k使用相同导频的用户集合,bl,k表示第二信道参数变量, 表示复高斯分布,IM表示M×M维的单位矩阵,~表示随机变量具体服从某种分布,*表示取共轭操作。
同时,基于考虑到且/>可以得到/> 是信道估计误差,其中/>
在本发明实施例中,假设sk(r)是CPUs发送给第k个用户的第r个下行符号。经过MRT预编码后,第l个AP的下行发送信号为:
其中,xl(r)表示MRT预编码后的CPUs发送给第k个用户的第r个下行符号,sk(r)表示CPUs发送给第k个用户的第r个下行符号,K表示用户总数,pl,k表示第l个AP分配给用户k的下行传输功率,wl,k表示第l个AP分配给用户k的下行符号的MRT预编码向量, 表示第l个AP和第k个用户之间的信道估计值,/>表示求/>的模方的期望值,λl,k表示第三信道参数变量,表示第l个AP的第m根天线和第k个用户之间的小尺度衰落系数hl,mk的模方的期望值,cl,k表示第一信道参数变量,τp表示导频序列长度,βl,t分别表示第t个用户与第l个AP之间的大尺度衰落系数,M表示每个AP的天线总数。
用户端接收到的MRT预编码后的信号:
其中,yk(r)表示,xl(r)表示MRT预编码后的CPUs发送给第k个用户的第r个下行符号,sk(r)表示CPUs发送给第k个用户的第r个下行符号,K表示用户总数,L表示多天线AP总数,zk(r)表示噪声且服从均值为0方差为1的复高斯分布即 表示表示第l个AP和第k个用户之间信道衰落的共轭转置,/>表示求期望,pl,k表示第l个AP分配给用户k的下行传输功率,pl,j表示第l个AP分配给第j个用户的下行发送功率,wl,k表示第l个AP分配给用户k的预编码向量,wl,j表示第l个AP分配给用户j的预编码向量,DSk、LSk和UIkj分别表示预编码增益、预编码增益的不确定性和多用户干扰。
那么可以得到第k个用户处的SINR可表示为:
其中,Ak=Ak1+Ak2,
其中,γk表示第k个用户处的SINR,DSk、LSk和UIkj分别表示预编码增益、预编码增益的不确定性和多用户干扰,M表示每个AP的天线总数,K表示用户总数,L表示多天线AP总数,表示求期望,Ak表示第四信道参数变量,λl,k表示第三信道参数变量,pl,k表示第l个AP分配给用户k的下行传输功率。
在本发明实施例中,借助FBL信息理论,可以得到用户k的错误概率表达式,即:
其中,其中,εk表示用户k的错误概率,Q()表示互补累计分布函数,N表示信道可用数,η表示导频长度在总信道可用数中的占比,V(γk)表示第一SINR变量,C(γk)表示第二SINR变量,γk表示第k个用户处的SINR,D表示用户数据包大小,τp表示导频序列长度,N=Btk,B表示带宽,tk表示用户k的时延,D是用户数据包大小。
通过用错误概率来度量可靠性,由于下行SINR即γk的表达式中包含接入用户数K,错误概率εk的表达式中包含γk和时延tk,因此可靠性和时延以及接入用户数是相互影响的。
在本发明实施例中,因为可靠性、时延以及接入用户数是相互影响的,为了同时满足多指标性能要求,可以给定一个指标性能(例如时延tk=0.5ms),在此基础上分析错误概率和接入用户数之间的关系。在可容忍的范围内,可以适当降低对其中某些指标的要求,以换取其它指标更高的性能。同时,如果三个性能都已经达到最低极限,可以通过适当增加导频长度、发送功率、AP处的天线数、带宽等来同时优化多指标性能,从而实现mURLLC。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种在非正交导频下实现mURLLC的系统传输方法,其特征在于,包括:
S1:建立多天线CF mMIMO系统;所述多天线CF mMIMO系统包含L个多天线AP和K个单天线用户,每个AP有M根天线且通过前传链路连接到多个中央处理器;
S2:多天线CF mMIMO系统中的用户端发送设定条件下的非正交导频信号,AP端接收用户发送的非正交导频信号;
S3:在Nakagami-m衰落下,对AP天线和用户之间的信道进行建模,基于AP天线和用户之间建模后的的信道结合收到的非正交导频信号,AP端采用MMSE进行信道估计;
S4:中央处理器通过前传链路下发下行信号到AP端,AP端基于信道估计值对下行信号进行MRT预编码处理并下发给用户端,用户端接收MRT预编码后的信号并计算接收信号的SINR;
S5:用户端借助FBL信息理论,结合接收信号的SINR计算用户的错误概率;
S6:在短数据包传输下根据用户错误概率分析系统性能,并通过优化相关配置同时满足多指标性能要求,以实现mURLLC。
2.根据权利要求1所述的一种在非正交导频下实现mURLLC的系统传输方法,其特征在于,用户端发送的非正交导频信号满足的设定条件,包括:
其中,和/>分别表示用户t和用户k的导频信号,it和ik分别表示用户t和用户k导频的索引且it,ik∈{1,2,...,τp},Sk表示和用户k使用相同导频的用户集合,τp表示导频序列长度,H表示对矩阵求共轭转置,p表示属于导频信号。
3.根据权利要求1所述的一种在非正交导频下实现mURLLC的系统传输方法,其特征在于,AP端接收用户发送的非正交导频信号,包括:
其中,表示第l个AP处接收的非正交导频信号,pu表示每个用户的平均发送功率,表示第l个AP和K个用户之间的信道矩阵,表示K个用户发送的导频信号矩阵,/>表示噪声矩阵,其元素相互独立且服从均值为0方差为1的复高斯分布/>表示M×K维度的矩阵,/>表示K×τp维度的矩阵,K表示用户总数,M表示每个AP的天线总数。
4.根据权利要求1所述的一种在非正交导频下实现mURLLC的系统传输方法,其特征在于,在Nakagami-m衰落下,对AP天线和用户之间的信道进行建模,包括:
其中,gl,mk表示第k个用户和第l个AP的第m根天线之间的信道衰落;βl,k表示第k个用户和第l个AP之间的大尺度衰落系数,k=1,...,K,l=1,...,L,K表示用户总数,L表示多天线AP总数;表示第l个AP的第m根天线和第k个用户之间的小尺度衰落系数,m=1,...,M,M表示每个AP的天线总数,j表示虚数单位,/>表示hl,mk的相位且其在[0,2π)上服从均匀分布,|hl,mk|表示hl,mk的模且其服从Nakagami-m分布。
5.根据权利要求1所述的一种在非正交导频下实现mURLLC的系统传输方法,其特征在于,基于AP天线和用户之间建模后的的信道结合收到的非正交导频信号,AP端采用MMSE进行信道估计,包括:
其中,表示第l个AP和第k个用户之间的信道估计值,/>表示第l个AP处接收的非正交导频信号,/>表示用户k的导频信号,gl,t表示表示第l个AP和第t个用户之间的信道衰落,cl,k表示第一信道参数变量,/>pu表示每个用户的平均发送功率,βll,k、βll,t分别表示第k个用户以及第t个用户与第l个AP之间的大尺度衰落系数,τp表示导频序列长度,/>表示和用户k使用相同导频的用户集合,bl,k表示第二信道参数变量, 表示复高斯分布,IM表示M×M维的单位矩阵,~表示随机变量具体服从某种分布,*表示取共轭操作。
6.根据权利要求1所述的一种在非正交导频下实现mURLLC的系统传输方法,其特征在于,AP端对下行信号进行MRT预编码处理,包括:
其中,xl(r)表示MRT预编码后的CPUs发送给第k个用户的第r个下行符号,sk(r)表示CPUs发送给第k个用户的第r个下行符号,K表示用户总数,pl,k表示第l个AP分配给用户k的下行传输功率,wl,k表示第l个AP分配给用户k的下行符号的MRT预编码向量, 表示第l个AP和第k个用户之间的信道估计值,/>表示求/>的模方的期望值,λl,k表示第三信道参数变量,表示第l个AP的第m根天线和第k个用户之间的小尺度衰落系数hl,mk的模方的期望值,cl,k表示第一信道参数变量,τp表示导频序列长度,βl,t分别表示第t个用户与第l个AP之间的大尺度衰落系数,M表示每个AP的天线总数。
7.根据权利要求1所述的一种在非正交导频下实现mURLLC的系统传输方法,其特征在于,用户端接收到的MRT预编码后的信号,包括:
其中,yk(r)表示,xl(r)表示MRT预编码后的CPUs发送给第k个用户的第r个下行符号,sk(r)表示CPUs发送给第k个用户的第r个下行符号,K表示用户总数,L表示多天线AP总数,zk(r)表示噪声且服从均值为0方差为1的复高斯分布即 表示表示第l个AP和第k个用户之间信道衰落的共轭转置,/>表示求期望,pl,k表示第l个AP分配给用户k的下行传输功率,pl,j表示第l个AP分配给第j个用户的下行发送功率,wl,k表示第l个AP分配给用户k的预编码向量,wl,j表示第l个AP分配给用户j的预编码向量,DSk、LSk和UIkj分别表示预编码增益、预编码增益的不确定性和多用户干扰。
8.根据权利要求1所述的一种在非正交导频下实现mURLLC的系统传输方法,其特征在于,计算接收信号的SINR,包括:
其中,γk表示第k个用户处的SINR,DSk、LSk和UIkj分别表示预编码增益、预编码增益的不确定性和多用户干扰,M表示每个AP的天线总数,K表示用户总数,L表示多天线AP总数,表示求期望,Ak表示第四信道参数变量,λl,k表示第三信道参数变量,pl,k表示第l个AP分配给用户k的下行传输功率。
9.根据权利要求1所述的一种在非正交导频下实现mURLLC的系统传输方法,其特征在于,用户端借助FBL信息理论,计算用户的错误概率,包括:
其中,εk表示用户k的错误概率,Q()表示互补累计分布函数,N表示信道可用数,η表示导频长度在总信道可用数中的占比,V(γk)表示第一SINR变量,C(γk)表示第二SINR变量,γk表示第k个用户处的SINR,D表示用户数据包大小,τp表示导频序列长度。
10.根据权利要求1所述的一种在非正交导频下实现mURLLC的系统传输方法,其特征在于在短数据包传输下根据用户错误概率分析系统性能,并通过优化相关配置同时满足多指标性能要求,以实现mURLLC,包括:
在信号检测可靠性、时延以及接入用户数中随机选定一个性能指标,在选定性能指标的基础上分析用户错误概率和接入用户数之间的关系,在可容忍的范围内,适当降低对其中某些指标的要求,以换取其它指标更高的性能;同时,如果三个指标的性能都已经达到最低极限,通过适当增加导频长度、发送功率、AP处的天线数、带宽等来同时优化多指标性能,从而实现mURLLC。
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