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        大規(guī)模多天線系統(tǒng)中一種導(dǎo)頻聯(lián)合調(diào)度方案設(shè)計

        2016-02-23 03:45:02袁浩銘
        關(guān)鍵詞:污染系統(tǒng)

        馬 雄,袁浩銘

        (南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院,江蘇 南京,210003)

        大規(guī)模多天線系統(tǒng)中一種導(dǎo)頻聯(lián)合調(diào)度方案設(shè)計

        馬 雄,袁浩銘

        (南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院,江蘇 南京,210003)

        導(dǎo)頻污染嚴(yán)重制約了大規(guī)模多天線系統(tǒng)技術(shù)的進步,如何抑制大規(guī)模多天線系統(tǒng)中的導(dǎo)頻污染成為了研究的熱點。在基于時移導(dǎo)頻調(diào)度的基礎(chǔ)上,提出了一種結(jié)合頻率部分復(fù)用技術(shù)的導(dǎo)頻聯(lián)合調(diào)度策略。該策略首先將小區(qū)分為若干組,在其中一組接收導(dǎo)頻的同時,其他組進行下行鏈路的信息傳輸,然后再利用部分頻率復(fù)用技術(shù)將系統(tǒng)帶寬分為若干個子載波,在同一組各個小區(qū)的邊界區(qū)域分別以正交分配方式分配不同的子載波,因此在同一組內(nèi)小區(qū)邊界用戶收到的干擾源數(shù)量會大大降低,從而達到抑制導(dǎo)頻污染的目的。仿真結(jié)果表明,該聯(lián)合調(diào)度策略有效地降低系統(tǒng)的誤碼率。

        MIMO;導(dǎo)頻污染;導(dǎo)頻調(diào)度;部分頻率復(fù)用

        0 引言

        大規(guī)模多天線系統(tǒng)從誕生到現(xiàn)在僅有十余年時間,很多理論和技術(shù)都沒有經(jīng)過實踐的驗證,目前在大規(guī)模多天線系統(tǒng)的信道建模、信道估計等方面只能在理想狀態(tài)下,即信道處于獨立同分布的狀態(tài)下進行研究,這顯然是并不符合實際的。已經(jīng)有事實證明大規(guī)模多天線系統(tǒng)在某些情況下并不能滿足獨立同分布的理想狀態(tài),這就意味著對于其信道建模和估計遠(yuǎn)遠(yuǎn)還不成熟。而對于系統(tǒng)信道的估計誤差,意味著無法精確估計信道容量和各個關(guān)鍵指標(biāo),無法深入揭示信道特征對于系統(tǒng)的影響,從而不能對導(dǎo)頻污染研究出針對性的措施。目前對于導(dǎo)頻污染的抑制技術(shù)[1],基于導(dǎo)頻調(diào)度和預(yù)編碼技術(shù)[2]的方案只能在一定程度上對污染進行緩解,而不能從根本上解決導(dǎo)頻污染的問題,而規(guī)避導(dǎo)頻的盲估計技術(shù)[3]還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不成熟,盡管規(guī)避了導(dǎo)頻污染,卻無法對信道狀態(tài)進行精確估計,因此導(dǎo)頻污染依舊還是制約大規(guī)模多天線技術(shù)的瓶頸。

        從目前來看,對于大規(guī)模多天線系統(tǒng)抑制導(dǎo)頻污染技術(shù)的研究應(yīng)該集中于以下三個方面:

        (1)利用更加有效的預(yù)編碼算法對信號進行調(diào)制。目前有基于MMSE的導(dǎo)頻污染預(yù)編碼算法[4],也有基于信號最大化與泄露加噪聲比的預(yù)編碼算法,更有基于模值下降(HDS)和VP預(yù)編碼技術(shù)和指向性交互禁忌搜索(ORTS)的VP預(yù)編碼技術(shù),對于預(yù)編碼技術(shù)的研究,前景相關(guān)廣闊。

        (2)更有針對性的導(dǎo)頻設(shè)計和調(diào)度方案。目前已經(jīng)存在的導(dǎo)頻調(diào)度方案有基于時間的時移導(dǎo)頻調(diào)度方案[5]和基于空間的軟頻率復(fù)用方案,而針對于系統(tǒng)導(dǎo)頻資源的有限性,對于導(dǎo)頻的設(shè)計方案也是抑制導(dǎo)頻污染的選擇。是否能夠研究出更具針對性的導(dǎo)頻調(diào)度方案,或許說設(shè)計新的導(dǎo)頻,進而在有限條件下挖掘?qū)ьl潛力,是未來導(dǎo)頻污染抑制技術(shù)的優(yōu)選之一。

        (3)更精確的信道估計方案。目前有基于MMSE的信道估計技術(shù)[6]、半盲估計技術(shù)和對用戶角度定位,從而利用波束成形減輕干擾的DOA估計技術(shù)[7]等。如何對信道參數(shù)進行精確估計,也成為大規(guī)模多天線技術(shù)研究的熱點之一。

        1 大規(guī)模多天線系統(tǒng)中的導(dǎo)頻污染

        大規(guī)模MIMO中的導(dǎo)頻污染主要由鄰區(qū)用戶的非正交導(dǎo)頻序列的重復(fù)發(fā)送導(dǎo)致。在一個多小區(qū)的系統(tǒng)中,由于系統(tǒng)內(nèi)部各導(dǎo)頻序列具備正交性,因此系統(tǒng)內(nèi)的干擾可以被忽略不計,此時的干擾主要來源于相鄰小區(qū)間的污染。當(dāng)所有小區(qū)均使用相同導(dǎo)頻時,第小區(qū)的基站接收的信號量為:

        (1)

        在第l個小區(qū)的信道估計矩陣為:

        (2)

        通過對下行鏈路的信道估計,可以得出在所設(shè)計的系統(tǒng)模型中,均有噪聲污染的存在。

        在進行導(dǎo)頻污染的研究之前,為了用更簡單更深刻的方式進行分析,設(shè)定為K=1的多小區(qū)單用戶模型,且各小區(qū)間的訓(xùn)練序列相同,不妨采用傳統(tǒng)的匹配濾波器預(yù)編碼,則第j個小區(qū)內(nèi)用戶接收的信號為:

        (3)

        對于下行鏈路的Hi,j采用基于MMSE的信道估計,可以得到:

        (4)

        對MMSE算法的預(yù)編碼矩陣WMMSE=HH(HHH+βI)-1進行矩陣求逆得:

        (5)

        由上述公式得知,信道估計的結(jié)果和sTyl有很大關(guān)系,各小區(qū)的訓(xùn)練序列相同,導(dǎo)致了基站不能輕易識別出信號是否來源于特定用戶或者是鄰小區(qū)用戶,繼而造成了導(dǎo)頻污染。

        系統(tǒng)速率為:

        (6)

        (7)

        所以:

        (8)

        (9)

        (10)

        可得:

        (11)

        (12)

        所以對于M趨近于無窮時的情況,下行鏈路傳輸速率套用系統(tǒng)快衰落系數(shù)矩陣可得:

        (13)

        (14)

        從上述的推理過程可得,由于導(dǎo)頻污染的存在,系統(tǒng)速率并未隨著天線數(shù)量的增長而增長,而是趨近于飽和,因此導(dǎo)頻污染因此成為限制大規(guī)模MIMO系統(tǒng)性能提高的關(guān)鍵瓶頸之一。

        2 基于時移的導(dǎo)頻調(diào)度方案

        這種調(diào)度方案的基本思想就是將系統(tǒng)內(nèi)的多個小區(qū)劃分為A1,…,AΓ個小組,從而將一個相干時間內(nèi)的導(dǎo)頻傳輸過程分成兩個階段,在第一個階段,位于第Aγ個小組內(nèi)的所有小區(qū)接收屬于自己的導(dǎo)頻信息,與此同時其他所有小區(qū)接收下行鏈路數(shù)據(jù);第二階段則在第Aγ組所有小區(qū)完成導(dǎo)頻傳輸之后,由另一組的小區(qū)接收導(dǎo)頻,周而復(fù)始,直到完成整個系統(tǒng)的導(dǎo)頻傳輸。其過程如圖1所示。

        圖1 時移導(dǎo)頻調(diào)度方案

        這個過程中,用來傳輸導(dǎo)頻、上行鏈路、下行鏈路和處理信息的OFDM符號數(shù)量分別為K=3,U=2,D=5,P=1,根據(jù)這種方式,一個相干時間內(nèi)的導(dǎo)頻傳輸順序被依次分為三種,因為不管是哪一種模式,每一個傳輸信息因子的結(jié)構(gòu)都應(yīng)該保持完整性,不能夠出現(xiàn)在同一個相干時間內(nèi)導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)分裂的情況。

        3 基于時移和部分頻率復(fù)用聯(lián)合調(diào)度方案設(shè)計

        3.1 部分頻率復(fù)用技術(shù)

        在OFDM系統(tǒng)中,為了抑制小區(qū)間干擾,部分頻率復(fù)用技術(shù)應(yīng)運而生。基本的頻率復(fù)用方案是將帶寬劃分為多個子帶或者信道,然后以正交的方式分配給相鄰小區(qū)。J表示頻率復(fù)因子,表明系統(tǒng)將如何有效利用帶寬。圖2為J=3時的頻率復(fù)用方案。

        圖2 J=3時頻率復(fù)用方案

        圖時頻率復(fù)用方案

        3.2 聯(lián)合調(diào)度方案及系統(tǒng)模型

        在前面描述的時移導(dǎo)頻調(diào)度方案中,將系統(tǒng)內(nèi)多個小區(qū)分成若干組,在某一組的特定小區(qū)進行上行鏈路導(dǎo)頻傳輸?shù)臅r候,組內(nèi)其他小區(qū)以及組外小區(qū)進行下行鏈路信號的傳輸,在方案的最后得出結(jié)論,進行導(dǎo)頻傳輸?shù)男^(qū)只會受到組內(nèi)其他小區(qū)的干擾。而聯(lián)合調(diào)度方案則結(jié)合前者和頻率部分復(fù)用的思想,先將所有小區(qū)分組,并采用時移導(dǎo)頻調(diào)度方案,然后在每個組內(nèi)進行頻率部分復(fù)用,分配子載波,使組內(nèi)各小區(qū)鄰區(qū)發(fā)送正交的子載波,從而大大降低系統(tǒng)差錯率。這就是聯(lián)合調(diào)度方案的思想。

        考慮一個大規(guī)模MIMO系統(tǒng)下共有L個基于TDD的小區(qū)模型,采用OFDM方式調(diào)制,每個小區(qū)在中心位置有一個配備M根天線的基站,并有K個用戶隨機分布在小區(qū)內(nèi)?,F(xiàn)在有如下約定:

        (1)所有移動終端的信號均可以被所有小區(qū)的基站接收到。

        (2)系統(tǒng)能夠精確獲得慢衰落系數(shù)βi,l。

        (3)假定每一組內(nèi)小區(qū)數(shù)量相同。

        3.3 聯(lián)合調(diào)度方案理論分析

        現(xiàn)將系統(tǒng)所有小區(qū)分成A1,…,A,…,AΓ個組,并采用部分頻率復(fù)用技術(shù),頻率復(fù)用因子為J,假設(shè)第i個小區(qū)位于小組Aλ中,則該小區(qū)基站對小區(qū)第k′個用戶的信道估計為:

        (15)

        其中j表示與第i個小區(qū)同在一組并且在采用頻率復(fù)用技術(shù)之后與第i個小區(qū)使用同一子載波的某一小區(qū)。時移導(dǎo)頻調(diào)度方案中上下行鏈路的信噪比分別為:

        (16)

        (17)

        而在系統(tǒng)沒有進行導(dǎo)頻調(diào)度的情況下,根據(jù)推導(dǎo),系統(tǒng)上下行鏈路信干噪比為:

        (18)

        (19)

        相互對比可得,在采用了導(dǎo)頻調(diào)度策略后的系統(tǒng)受到的干擾只來源于組內(nèi)小區(qū)干擾。

        現(xiàn)在進行聯(lián)合調(diào)度策略和時移導(dǎo)頻調(diào)度策略信干比的對比。

        設(shè)定兩種方案在采用相同的時移導(dǎo)頻方案,即將所有小區(qū)分成相同的Γ組。當(dāng)系統(tǒng)采用聯(lián)合調(diào)度策略時,假定將總數(shù)為Ssmooth的子載波進行分配,頻率復(fù)用因子為J,根據(jù)前文可得,采用部分頻率復(fù)用策略時,J>1,即所有小區(qū)分組的組數(shù)大于1,即在同一組中,小區(qū)使用兩個或者兩個以上的不同子載波,而在采用單獨時移導(dǎo)頻傳輸策略的情況下,由于全部小區(qū)使用同一子載波,因此每一組使用同一種子載波的用戶數(shù)量顯然大于前者,對于采用聯(lián)合調(diào)度方案的第i個小區(qū)的第k′個用戶而言,所受到的干擾源數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于后一種方案。

        在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中,假定發(fā)送的符號為高斯隨機變量,除去循環(huán)前綴和導(dǎo)頻開銷,可以得到其上行鏈路的信道容量為:

        (20)

        (21)

        根據(jù)時移導(dǎo)頻調(diào)度方案的分析,對于每一個小區(qū),其上行鏈路和下行鏈路的信息傳輸過程是分開進行的,也就是說本來用于同步傳輸下行鏈路數(shù)據(jù)的OFDM符號也被用來傳輸上行鏈路信息,所以假設(shè)第i個小區(qū)正在進行上行鏈路信息的接收,其信息傳輸速率為:

        表1 MATLAB仿真參數(shù)表

        SINRUp)

        (22)

        對于小區(qū)下行鏈路信息傳輸速率的分析大致相同,本文不再重復(fù)推導(dǎo)。

        4 仿真與性能分析

        本節(jié)將從兩個角度對聯(lián)合調(diào)度方案進行仿真和分析,考慮一個包含有7個小區(qū)的TDD模型,占用相同的頻譜資源,并使用相同的導(dǎo)頻,主要仿真參數(shù)如表1所示。

        圖4研究了系統(tǒng)在不采用導(dǎo)頻調(diào)度策略、采用時移導(dǎo)頻調(diào)度策略和采用聯(lián)合導(dǎo)頻調(diào)度策略時,系統(tǒng)誤碼率和信噪比變化的關(guān)系。從圖中可以看出,沒有采用導(dǎo)頻調(diào)度策略的系統(tǒng)誤碼率隨著信噪比的增加而降低,但到了一定閾值之后就趨于平穩(wěn),不再降低,而采用兩種調(diào)度方案的系統(tǒng)誤碼率均有大幅度的降低,其中聯(lián)合調(diào)度方案的效果要好于時移導(dǎo)頻調(diào)度方案。

        圖4 三種情況下系統(tǒng)誤碼率變化對比

        圖5 J取值不同時信息傳輸速率與信噪比的關(guān)系

        是隨著J線性變化的,仿真結(jié)果也驗證了這一點。值得注意的是,采用導(dǎo)頻傳輸時的速率略高于采用聯(lián)合調(diào)度策略的速率,這是因為聯(lián)合調(diào)度策略是以犧牲一部分小區(qū)帶寬作為代價來提高對抗導(dǎo)頻污染的能力,這也符合之前的推論。

        5 結(jié)論

        本文在基于時移導(dǎo)頻調(diào)度的基礎(chǔ)上,提出了一種結(jié)合頻率部分復(fù)用技術(shù)的導(dǎo)頻聯(lián)合調(diào)度策略。通過與采用時移導(dǎo)頻調(diào)度策略以及未采用導(dǎo)頻策略的比較發(fā)現(xiàn),采用聯(lián)合調(diào)度策略的系統(tǒng)誤碼率大幅度降低,仿真結(jié)果也驗證了這一點。值得注意的是,采用導(dǎo)頻傳輸時的速率略高于采用聯(lián)合調(diào)度策略的速率,這是因為聯(lián)合調(diào)度策略是以犧牲一部分小區(qū)帶寬作為代價來提高對抗導(dǎo)頻污染的能力。

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        An indoor localization method based on multi-data fusion

        MaXiong,YuanHaoming

        (CollegeofCommunication&InformationEngineering,NanjingUniversityofPostsandTelecommunications,Nanjing210003,China)

        Pilotpollutionhasseriouslyrestrictedthetechnologydevelopmentofmassivemulti-antennasystem,andhowtosuppressthepilotpollutionhasbecomeahotresearchtopic.Thisthesisintroducestwopilotassigningschemes,whicharebasedontheuserlocationandtimedivision,then,thisthesiscombinesfactionalfrequencyreusetechnologywiththelater,andgivesanewpilotassigningscheme.Thisschemewilldivideallcellsintoseveralgroups,andwhenthecellsinonegrouparereceivinguplinkinformation,theothergroupsaretransmittingdown-linkinformationatthesametime,then,allthecellsinonegroupwillbeassignedwithdifferentsubcarriersbyfractionalfrequencyreusetechnology.Becauseallthesubcarrieraretransmittedorthogonally,theusersinboundaryareainonecellcanonlysufferwiththepilotcontaminationfromanotheruserswhousethesamesubcarrier,bythisway,pilotcontaminationcanbemitigatedtoalargeextent.Thesimulationresultsconfirmsthatthebiterrorrateanddatatransmissionratehasimprovedobviouslybythenewpilotassigningscheme.

        MIMO;pilotpollution;pilotassigningscheme;partialfrequencyreuse

        TN

        ADOI: 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.22.020

        馬雄,袁浩銘. 大規(guī)模多天線系統(tǒng)中一種導(dǎo)頻聯(lián)合調(diào)度方案設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用,2016,35(22):77-80,91.

        2016-07-19)

        馬雄(1990-),男,碩士,主要研究方向:無線通信與移動計算機。

        袁浩銘(1990-),男,碩士,主要研究方向:無線通信與移動計算機。

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