CN109474317B - Mr预处理下硬件损伤大规模mimo双向中继***功率分配方法 - Google Patents

Mr预处理下硬件损伤大规模mimo双向中继***功率分配方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了MR预处理下硬件损伤大规模MIMO双向中继***功率分配方法，根据估计信道为每个用户、大规模MIMO中继分配功率，使得***频谱效率达到最高。所述方法包括：1、硬件损伤大规模MIMO中继接收双向用户发送的导频信道，获得估计信道矩阵；2、根据估计信道信息、用户数以及基站天线数，计算出上行MRC接收检测和下行MRT预编码矩阵；3、根据***总功率的限制，建立最大化频谱效率的非凸性优化函数，并将所述非凸性优化函数转化为凸性优化函数；4、根据所述凸性优化函数，计算每个用户和大规模MIMO中继分配功率。本发明考虑了大规模MIMO硬件损伤和LOS/NLOS衰落环境，能够更合理地为用户和大规模MIMO中继分配功率方案。

Description

MR预处理下硬件损伤大规模MIMO双向中继***功率分配方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种MR预处理下硬件损伤大规模MIMO双向中继***功率分配方法。
背景技术
随着移动智能终端的海量增加，在未来十年中数据业务量将呈指数增长；海量智能终端带来的能源消耗给环境带来巨大压力，如何满足通信***频谱效率和能量效率的提升成为未来移动亟待解决的问题。面对上述问题，时分双工(Time Division Duplexing，TDD)大规模MIMO***通过深度挖掘空域资源获得巨大的分集增益、复用增益以及阵列增益，极大地提高了***频谱效率和能量效率，成为未来5G移动通信突破性技术之一。大规模多输入多输出(multi-input multi-output，MIMO)在基站端部署大量低成本天线同时服务数量相对较少的用户，能够有效地降低发射功率、减少小区间及小区内干扰，简化收发端设计。此外，协作中继能够增强网络覆盖范围、提高小区边缘用户服务质量。当前，大规模MIMO协作被认为是未来高效通信网络的有力候选标准，受到广泛关注。双向中继利用网络编码原理同时接收两端链路的信号，并在接收端使用连续干扰消除(successive interferencecancellation，SIC)算法获得期望信号。
在双向多对大规模MIMO中继***中，中继配置大量低功耗天线，N对单天线用户随机分布于中继两端。已有的研究中，用户将信号发送到大规模MIMO中继，中继接收检测后进行预编码处理，再将处理后的信号发送期望用户，在此过程中，假设大规模MIMO中继为理想RF元件，用户发送功率相同，且***工作在非视距(non-line-of-sights,NLOS)NLOS衰落环境。在NLOS和视距(line-of-sights,LOS)衰落环境下，硬件损伤双向多对大规模MIMO中继***中的功率分配问题有待研究。
发明内容
本发明的目的是为了克服当前技术存在的局限性，考虑大规模MIMO使用廉价、低功率天线阵列，本发明提供一种适用于基于硬件损伤的MR预处理双向大规模MIMO中继***的功率分配方法，只需要估计信道的统计信息，在总功率受限的前提下，能以较低的复杂度获得近似最高的***频谱效率，能有效地提高***的容量，获得较高传输速率。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种MR预处理下硬件损伤大规模MIMO双向中继***功率分配方法，包括以下步骤：
S1，以第n个用户为功率分配对象，大规模MIMO中继通过信道估计算法计算出含有硬件损伤的每个信道统计特征
Figure BDA0001937664680000021
和估计误差的统计特征
Figure BDA0001937664680000022
分别为
Figure BDA0001937664680000023
Figure BDA0001937664680000024
其中，βn表示第n个用户到大规模MIMO中继的大尺度衰落系数，Kn表示第n个用户到大规模MIMO中继的莱斯衰落因子(Kn＝0为瑞利衰落)，pp表示用户发送的训练序列功率，τ训练序列长度，κr表示中继接收损伤电平。
S2，计算得到第n'个用户的近似下行信道状况表征量，包括以下步骤：
2.1、根据信道互易性获得估计信道矩阵，所有用户对向大规模MIMO中继发送信号，大规模MIMO中继利用MRC检测矩阵
Figure BDA0001937664680000025
处理接收信号，得到处理后的信号r；
2.2、大规模MIMO中继通过预编码矩阵
Figure BDA0001937664680000026
处理信号r，大规模MIMO中继***将处理后的信号放大并转发到用户；
2.3、计算得到第n'个用户的下行信道状况表征量；
2.4、根据大数定律获得第n'个用户的近似下行信道状况表征量
S3，得到功率受限条件下，频谱效率的函数表达式，包括如下步骤：
3.1、已知所有用户和中继的发射总功率最大值为Pmax，得到频谱效率最高时用户和中继功率分配如下：
Figure BDA0001937664680000027
其中，p0和p1分别为用户和中继的峰值功率。
3.2、将所述公式(3)中非凸性优化函数转化为凸性多项式优化函数
Figure BDA0001937664680000031
S4，最优功率分配方案的具体方法如下：
4.1、初始化参数ε、ν、最大迭代次数L、设置迭代次数m，初始化信干噪比γn,1,n＝1,…,2N；
4.2、计算
Figure BDA0001937664680000032
和
Figure BDA0001937664680000033
解公式(5)中几何规划函数
Figure BDA0001937664680000034
其中
Figure BDA0001937664680000035
为
Figure BDA0001937664680000036
最接近γn+1的点，假设
Figure BDA0001937664680000037
为最优解；
4.3、判断是否满足
Figure BDA0001937664680000038
或m＝L，若是，结束迭代；若为否，进入步骤(4.4)；
4.4、令m＝m+1，继续步骤4.2。
利用上述算法得到用户和双向中继的发射功率，可使得硬件损伤大规模MIMO***传输速率总和达到最大。
本发明产生的有益效果是：
1、本发明考虑中继端硬件损伤，更接近实际情况；
2、本发明只需要基站估计出信道的统计信息，统计信息仅仅包括莱斯K因子、大尺度衰落以及硬件损耗，上述参数在实际***中容易获得；
3、本发明设计的功率分配算法复杂度低，实现简单；
4、本发明适用性强，能够应用于LOS和NLOS衰落信道。
附图说明
图1为本发明实施例的***模型；
图2为本发明详细流程图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实例中的技术方法，下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。
本实例的多对双向大规模MIMO协作中继***模型如图1所示，包括一个M天线大规模MIMO中继，N对单天线用户，用户随机分布于大规模MIMO中继两边，M>>2N，其中
Figure BDA0001937664680000039
和
Figure BDA0001937664680000041
为交换信息的双向用户，TR为大规模MIMO中继，
Figure BDA0001937664680000042
和
Figure BDA0001937664680000043
为双向用户到中继的多址接入信道，同理
Figure BDA0001937664680000044
和
Figure BDA0001937664680000045
为中继到双向用户的广播信道。大规模MIMO中继计算估计信道的统计信息，根据估计信息双向用户通过MR基站交换各自信息。
在实际通信***中，莱斯因子、大尺度衰落以及硬件损耗为常数或者变化非常慢，大规模MIMO中继能够利用信道特征估计上述参数。本发明可以用于LOS和NLOS衰落环境，也适用于更加实际的存在非理想硬件无线通信***。
如图2所示，S1、首先计算得到含有硬件损伤的每个估计子信道的统计特征，包括如下步骤：
1.1、所有用户向大规模MIMO中继发送导频信号，导频信号为用户端和大规模MIMO中继端已知的相互正交信号；
1.2、基站以第n(n和n'为用户对，交换信息)个用户为功率分配对象，大规模MIMO通过上行信道估计算法计算出含有硬件损伤的每个信道及估计误差的统计特征
Figure BDA0001937664680000046
Figure BDA0001937664680000047
其中，βn表示第n个用户到大规模MIMO中继的大尺度衰落系数，Kn表示第n个用户到大规模MIMO中继的莱斯衰落因子(Kn＝0为瑞利衰落)，pp表示用户发送的训练序列功率，τ训练序列长度，κr表示中继接收损伤电平。
S2、计算得到第n'个用户的近似下行信道状况表征量，包括如下步骤：
2.1、所有用户对获得估计信道的统计信息，根据统计信息向大规模MIMO中继发送信号，大规模MIMO利用MRC检测矩阵
Figure BDA0001937664680000048
处理接收的信号，得到处理后的信号r；
2.2、根据TDD信道互易原理获得下行信道统计信息，大规模MIMO中继利用MRT预编码矩阵
Figure BDA0001937664680000049
处理信号r，大规模MIMO中继***将处理后的信号放大并转发到用户；
2.3、计算得到第n'(n的用户对)个用户的下行信道状况表征量；
2.4、根据大数定律，进一步得到第n'个用户的近似下行信道状况表征量γn'。
S3、根据步骤S2，得到功率受限条件下频谱效率的函数表达式，包括如下步骤：
3.1、已知所有用户和中继的发射总功率最大值为Pmax，得到频谱效率最高时用户和中继功率分配如下：
Figure BDA0001937664680000051
其中，p0和p1分别为用户和中继的峰值功率。
3.2、将所述公式(3)中非凸性优化函数转化为凸性多项式优化函数
Figure BDA0001937664680000052
S4、计算最优功率分配方案具体步骤如下：
4.1、初始化参数ε、ν、最大迭代次数L、设置迭代次数m，初始化信干噪比γn,1,n＝1,…,2N；
4.2、计算
Figure BDA0001937664680000053
和
Figure BDA0001937664680000054
解公式(5)中几何规划函数
Figure BDA0001937664680000055
其中
Figure BDA0001937664680000056
为
Figure BDA0001937664680000057
最接近γn+1的点，假设
Figure BDA0001937664680000058
为最优解；
4.3、判断是否满足
Figure BDA0001937664680000059
或m＝L，若是，结束迭代；若为否，进入步骤4.4；
4.4、令m＝m+1，继续步骤4.2。
利用上述方案得到发射功率，可以使得多对双向大规模MIMO***频谱效率达到最高。
以上所述只是本发明的其中一个实例，应当指出：对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以在本发明的基础上进行改进和变型。若本发明的这些修改和变型属于本发明的权利要求及其等同技术的范围之类，均应包含在本发明所要求的权利范围之内。

Claims (1)

1.一种MR预处理下硬件损伤大规模MIMO双向中继***功率分配方法，适用于一个M天线大规模MIMO中继，N对单天线用户，且用户对随机部署在中继两边，其特征在于：
S1，首先计算得到含有硬件损伤的每个估计子信道的统计特征，包括如下步骤：
1.1、所有用户向大规模MIMO中继发送导频信号，导频信号为用户端和大规模MIMO中继端已知的相互正交信号；
1.2、基站以第n个用户为功率分配对象，大规模MIMO中继通过信道估计算法计算出含有硬件损伤的每个信道统计特征
Figure FDA0002836284970000011
和估计误差的统计特征
Figure FDA0002836284970000012
分别为
Figure FDA0002836284970000013
Figure FDA0002836284970000014
其中，βn表示第n个用户到大规模MIMO中继的大尺度衰落系数，Kn表示第n个用户到大规模MIMO中继的莱斯衰落因子(Kn＝0为瑞利衰落)，pp表示用户发送的训练序列功率，τ训练序列长度，κr表示中继接收损伤电平，
S2，计算得到第n'个用户的近似下行信道状况表征量，包括以下步骤：
2.1、根据信道互易性获得估计信道矩阵，所有用户对向大规模MIMO中继发送信号，大规模MIMO中继利用MRC检测矩阵
Figure FDA0002836284970000015
处理接收信号，得到处理后的信号r；
2.2、大规模MIMO中继通过预编码矩阵
Figure FDA0002836284970000016
处理信号r，大规模MIMO中继***将处理后的信号放大并转发到用户；
2.3、计算得到第n'个用户的下行信道状况表征量；
2.4、根据大数定律获得第n'个用户的近似下行信道状况表征量；
S3，得到功率受限条件下，频谱效率的函数表达式，包括如下步骤：
3.1、已知所有用户和中继的发射总功率最大值为Pmax，得到频谱效率最高时用户和中继功率分配如下：
Figure FDA0002836284970000021
其中，p0和p1分别为用户和中继的峰值功率，
3.2、将所述公式(3)中非凸性优化函数转化为凸性多项式优化函数
Figure FDA0002836284970000022
S4，最优功率分配方案的具体方法如下：
4.1、初始化参数ε、ν、最大迭代次数L、设置迭代次数m，初始化信干噪比γn,1,n＝1,…,2N；
4.2、计算
Figure FDA0002836284970000023
和
Figure FDA0002836284970000024
解公式(5)中几何规划函数
Figure FDA0002836284970000025
其中
Figure FDA0002836284970000026
为
Figure FDA0002836284970000027
最接近γn+1的点，假设
Figure FDA0002836284970000028
为最优解；
4.3、判断是否满足
Figure FDA0002836284970000029
或m＝L，若是，结束迭代；若为否，进入步骤(4.4)；
4.4、令m＝m+1，继续步骤4.2。
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