CN114650608A - 一种去蜂窝大规模mimo的多中心处理单元协作方法 - Google Patents

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CN114650608A CN202210405586.4A CN202210405586A CN114650608A CN 114650608 A CN114650608 A CN 114650608A CN 202210405586 A CN202210405586 A CN 202210405586A CN 114650608 A CN114650608 A CN 114650608A
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Abstract

本发明公开了一种去蜂窝大规模MIMO的多中心处理单元协作方法，包括：去蜂窝大规模MIMO网络布设分布式接入点AP，所有接入点AP被分成若干个实际簇；导频传输阶段，所有用户向所有的接入点AP发送导频信号，中心处理单元根据接收到的导频信号获得信道估计信息和统计信息；上行链路传输阶段，针对某个用户，各个中心处理单元将各自的统计信息发往某个中心处理单元，该中心处理单元根据统计信息，基于广义瑞利熵定理为不同的中心处理单元计算权重；利用计算出的权重，该中心处理单元对各个中心处理单元接收到的数据信号进行加权合并处理，使得这些中心处理单元在同一时频资源上协同为用户服务。本发明具有***信号处理复杂度低与所需信令开销小的优点。

Description

一种去蜂窝大规模MIMO的多中心处理单元协作方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种去蜂窝大规模MIMO的多中心处理单元协作方法。
背景技术
在频谱资源日益紧缺以及无线数据业务量***式增长的情况下，4G之后的无线通信***需要进行新的变革。去蜂窝大规模MIMO技术在不增加功率和带宽资源下可以有效地提升频谱效率，目前该技术已被认为是5G移动通信的关键技术。然而，去蜂窝大规模MIMO网络的实际布设中仍面临着许多的问题，目前为了提高***可拓展性，采用多中心处理单元协作传输技术，但是现在的多中心处理单元采用瞬时信道信息进行协作传输，这对回传链路提出了较高的要求，在实际中难以实现。
因此，为了能够减少回传链路载荷的目标，需要对中心处理单元之间的协作方式进行优化，进而本申请提出一种去蜂窝大规模MIMO的多中心处理单元协作方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种去蜂窝大规模MIMO的多中心处理单元协作方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种去蜂窝大规模MIMO的多中心处理单元协作方法，包括如下步骤：
S301、去蜂窝大规模MIMO网络密集布设分布式接入点AP，所有接入点AP被分成若干个实际簇，每个实际簇中的所有接入点AP由一个事先预设好的中心处理单元所控制；
S302、中心处理单元根据就近原则选择一部分接入点AP来为用户服务，这些接入点AP的集合称为虚拟簇；
S303、信道估计阶段，用户向所有接入点AP发送导频信号，各个接入点AP根据导频信号，利用最小均方误差MMSE进行信道估计；
S304、根据信道估计结果，中心处理单元计算出相应的接收机合并，并且用户持续向接入点AP发送导频信号，持续若干时间，中心处理单元利用得到的导频信号进行计算，得到初步的统计信息；
S305、针对不同的用户，所有的中心处理单元将各自的统计信息发送给某一个为该用户服务的中心处理单元，该中心处理单元根据广义瑞利熵定理，为每个参与服务的中心处理单元计算出加权项；
S306、上行链路传输阶段，用户向所有的接入点AP发送数据信号，每个用户对应的虚拟簇内的接入点AP将相应的数据信号传输给中心处理单元，由中心处理单元进行第一步处理，中心处理单元根据控制的所有接入点AP的信道估计对数据信号进行集中处理，计算出相应的接收到的数据信号；
S307、将所有参与服务的中心处理单元将接收到的数据信号发送给主中心处理单元，主中心处理单元根据之前计算的权重值，对接收到的数据信号分别进行加权并合并，得到最终接收到的数据信号，同时根据最终接收到的数据信号，对之前得到的统计信息进行更新。
优选的，在S301中，去蜂窝大规模MIMO***布设分布式接入点AP，接入点AP具有信号处理能力，与中心处理单元之间交互信道估计信息、收发导频信号及数据信号，所有接入点AP被分成若干个实际簇，每个实际簇中的所有接入点AP由一个事先预设好的中心处理单元所控制，本发明假设接入点AP与中心处理单元之间通过前传链路进行无差错传输，因而每个实际簇内部接入点AP仅仅起到传输数据信号的作用，由中心处理单元对数据信号的进行集中处理。
优选的，在S302中，中心处理单元根据就近原则为每个用户选择一部分接入点AP来形成虚拟簇，虚拟簇内的接入点AP由N个中心处理单元控制，并可以通过N个中心处理单元之间的协作处理来服务同一用户。
优选的，在S303中，信道估计阶段，用户向所有接入点AP发送导频信号，各个接入点AP根据导频信号，利用最小均方误差MMSE公式进行信号处理，从而得到相应的信道估计。
优选的，在S304中，在完成信道估计之后，每个接入点AP将信道估计结果传输给相应的中心处理单元，根据信道估计结果，中心处理单元计算出相应的接收机合并，之后所有用户将对接入点AP持续发送导频信号，而每个处在对应的虚拟簇内的接入点AP都将把收到的导频信号传输给相应的中心处理单元，中心处理单元收到导频信号后使用接收机合并项对导频信号进行处理与合并，此过程将持续若干时间直至得出统计信息。
优选的，在S305中，针对不同的用户，所有的中心处理单元通过回传链路将各自的统计信息发送给某一个为该用户服务的中心处理单元，该中心处理单元被称作为主中心处理单元，由于不同用户拥有不同的虚拟簇，因而每一个虚拟簇内都将设有一个主中心处理单元，该中心处理单元根据广义瑞利熵定理，为每个参与服务的中心处理单元计算出加权项，此操作在上行链路传输阶段之前，因而被认为不影响实际的传输速度。
优选的，在S306中，上行链路传输阶段，用户向所有的接入点AP发送数据信号，每个用户对应的虚拟簇内的接入点AP将相应的数据信号传输给中心处理单元，由中心处理单元进行第一步处理，根据控制的所有接入点AP的信道估计对数据信号进行集中处理，计算出相应的接收到的数据信号；此时接入点AP把接收的数据信号全部传输给中心处理单元而不对数据信号进行任何处理。
优选的，在S307中，将所有参与服务的中心处理单元将接收到的数据信号发送给主中心处理单元，主中心处理单元根据之前计算的权重值，对接收到的数据信号分别进行加权并合并，得到最终接收到的数据信号，同时根据最终接收到的数据信号，对之前得到的统计信息进行更新；每个中心处理单元都将自己的经过第一步处理数据信号发送给的主中心处理单元，主中心处理单元分别对各个中心处理单元的数据信号进行加权处理并合并，从而实现在同一时频为用户服务。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
1、本发明通过中心处理单元之间的协作，可以有效地对抗大尺度衰落，提高功率效率与频谱效率并减少对单个中心处理单元的计算压力。
2、本发明中心处理单元协作时仅需交换统计信息，降低了信号处理的复杂度，减少了对回传链路的压力。
3、本发明不在虚拟簇内的接入点AP可以使用休眠模式，进一步降低***的整体能耗。
4、本发明可适用于任何接收机合并项方案。
附图说明
图1为本发明中MIMO的多中心处理单元协作***网络架构的示意图；
图2为本发明公开的一种去蜂窝大规模MIMO的多中心处理单元协作方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
参照图1-2，一种去蜂窝大规模MIMO的多中心处理单元协作方法，包括如下步骤：
步骤301：去蜂窝大规模MIMO网络密集布设分布式接入点AP，所有接入点AP被分成若干个实际簇，每个实际簇中的所有接入点AP由一个事先预设好的中心处理单元所控制。
本实施例的去蜂窝大规模MIMO***网络架构如图1所示，图示场景包含L个接入点AP、U个中心处理单元和K个用户，接入点AP集合为{1,2,…,L}，通过前传链路连接到不同的中心处理单元，用户集合为{1,2,…,K}，服务第k个用户的接入点AP集合为
Figure BDA0003601724730000041
即虚拟簇，用户终端与接入点AP均为单天线，第u个中心处理单元控制的接入点AP集合为
Figure BDA0003601724730000042
即实际簇，相邻的中心处理单元通过回链路相连。
整个***由模块101、模块102、模块103、模块104和模块105组成，其中模块101是接入点AP，主要作用是负责收发数据；模块102是中心处理单元，主要作用是负责基带信号处理、用户处理单元、交换处理单元以及接入点AP调度算法等；模块103是用户终端，是用户收发数据的设备；模块104是前传链路，主要作用是负责点AP到中心处理单元之间的数据传输；模块105是回传链路，主要作用是负责的中心处理单元之间的数据传输。
步骤302：中心处理单元根据就近原则选择一部分接入点AP来为用户服务，这些接入点AP的集合称为虚拟簇。
本发明依据临近准则设立虚拟簇，同时引入动态协作集群来辅助定义，通过规定一个数字dil来控制接入点AP的是否参与服务。如果第l个接入点AP属于服务第i个用户的虚拟簇
Figure BDA0003601724730000043
中，即允许第l个接入点AP传递和解码来自第i个用户的数据信号，则dil为1，反之，则为0。实际上，动态协作集群不会改变接收到的数据信号，因为所有接入点AP都从物理上接收到所有用户的数据信号。然而，只有一小部分接入点AP参与数据信号检测。根据以上定义，dil可以表示为
Figure BDA0003601724730000051
步骤303：信道估计阶段，用户向所有接入点AP发送导频信号，各个接入点AP根据导频信号，利用最小均方误差MMSE进行信道估计。
在信道估计阶段，第l个接入点AP接收到的导频信号为：
Figure BDA0003601724730000052
其中,pi为第i个用户的发射功率，
Figure BDA0003601724730000053
为中第i个用户发射的导频信号且
Figure BDA0003601724730000054
nl为加性白高斯噪声(AWGN)，服从于均值为0，方差为σ2的正态分布，hil为第i个用户与第l个接入点AP之间的信道，可以表示为：
Figure BDA0003601724730000055
其中gil代表小尺度衰落，βil代表大尺度衰落，并相关于阴影衰落与路径损耗，hil服从于均值为0，方差为βil的正态分布。
根据接收到的导频信号，第l个接入点AP将其置于共轭导频信号
Figure BDA0003601724730000056
上，得到：
Figure BDA0003601724730000057
从而得出最小均方误差MMSE估计
Figure BDA0003601724730000058
其中hkl为第k个用户与第l个接入点AP之间的信道估计，pk为第k个用户的发射功率，βkl为第k个用户与第l个接入点AP之间的大尺度衰落，Ψkl可以表示为：
Figure BDA0003601724730000059
本发明设定信道估计误差
Figure BDA00036017247300000510
其中hkl服从于均值为0，方差为
Figure BDA0003601724730000061
的正态分布，
Figure BDA0003601724730000062
服从于均值为0，方差为Ckl的正态分布，其中
Figure BDA0003601724730000063
步骤304：根据信道估计结果，中心处理单元计算出相应的接收机合并，并且用户持续向接入点AP发送导频信号，持续若干时间，中心处理单元利用得到的导频信号进行计算，得到初步的统计信息。
本实例统计信息获取由上行链路的信道估计过程完成，在上行链路，***中各用户持续性地发送导频信号，***中所有用户的导频信号可以在一个时隙的一个OFDM符号上发送，***中不同用户导频信号使用不同的子载波资源。***中的接入点AP使用接收到的导频信号估计各用户的信道参数，并由此计算出各用户的统计信息，并发送到中心处理单元。中心处理单元再根据统计信息进行上行链路传输，同时根据借由上行链路传输的数据信号继续对统计信息进行更新。
步骤305：针对不同的用户，所有的中心处理单元将各自的统计信息发送给某一个为该用户服务的中心处理单元，该中心处理单元根据广义瑞利熵定理，为每个参与服务的中心处理单元计算出加权项。
根据信道估计的结果，针对不同的用户，中心处理单元为用户分别计算接收机合并项，第k个用户的接收机合并项vku为
Figure BDA0003601724730000064
其中
Figure BDA0003601724730000065
为联合信道估计向量，
Figure BDA0003601724730000066
为第u个实际簇集合
Figure BDA0003601724730000067
的势，
Figure BDA0003601724730000068
为第u个实际簇内部的动态协作集群矩阵，
Figure BDA0003601724730000069
第u个实际簇内部的信道误差矩阵，
Figure BDA00036017247300000610
为
Figure BDA00036017247300000611
的单位矩阵。
本发明假设在虚拟簇中的中心处理单元集合为
Figure BDA00036017247300000612
根据上述的各中心处理单元的计算结果，主中心处理单元将会接收各个中心处理单元的统计信息并据此计算加权项；令
Figure BDA00036017247300000613
主中心处理单元接收到的总的统计信息为
Figure BDA00036017247300000614
其中
Figure BDA00036017247300000615
其中
Figure BDA00036017247300000616
为第u个实际簇中的接入点AP联合信道。根据接收到的统计信息，主中心处理单元将为各个中心处理单元计算出相应的加权项
Figure BDA0003601724730000071
令
Figure BDA0003601724730000072
则加权项向量为：
Figure BDA0003601724730000073
其中
Figure BDA0003601724730000074
步骤306：上行链路传输阶段，用户向所有的接入点AP发送数据信号，每个用户对应的虚拟簇内的接入点AP将相应的数据信号传输给中心处理单元，由中心处理单元进行第一步处理，中心处理单元根据控制的所有接入点AP的信道估计对数据信号进行集中处理，计算出相应的接收到的数据信号。
上行链路传输阶段，所有用户向接入点AP发送数据信号，属于第u个实际簇内部的第l个接入点AP接收的数据信号为：
Figure BDA0003601724730000075
其中，si为第i个用户传输的原始数据信号，并且
Figure BDA0003601724730000076
nu,l为第l个接入点AP接收到的噪声。第u个实际簇内部的中心处理单元总的接收到的数据信号为：
Figure BDA0003601724730000077
其中
Figure BDA0003601724730000078
为第u个实际簇内部的接入点AP的联合噪声向量。
步骤307：将所有参与服务的中心处理单元将接收到的数据信号发送给主中心处理单元，主中心处理单元根据之前计算的权重值，对接收到的数据信号分别进行加权并合并，得到最终接收到的数据信号，同时根据最终接收到的数据信号，对之前得到的统计信息进行更新。
针对第k个用户，各个中心处理单元将会把各自接收到的数据信号发送给主中心处理单元，主中心处理单元将会对其进行加权处理，最终的数据信号为
Figure BDA0003601724730000079
即
Figure BDA00036017247300000710
其中
Figure BDA00036017247300000711
为服务于第k个用户的各个实际簇内的联合噪声向量。
根据最终的数据信号，可以得到针对第k个用户的信干噪比SINR为：
Figure BDA0003601724730000081
将ak项带入化简可得到最终的信干噪比SINR为：
Figure BDA0003601724730000082
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的方法，在没有超过本申请的精神和范围内，可以通过其他的方式实现。当前的实施例只是一种示范性的例子，不应该作为限制，所给出的具体内容不应该限制本申请的目的。例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。

Claims (8)

1.一种去蜂窝大规模MIMO的多中心处理单元协作方法，其特征在于，包括如下步骤：
S301、去蜂窝大规模MIMO网络密集布设分布式接入点AP，接入点AP具有信号处理能力，能够与中心处理单元之间交互统计信道信息、收发导频信号及数据信号；所有接入点AP被分成若干个实际簇，每个实际簇中的所有接入点AP由一个事先预设好的中心处理单元所控制；
S302、中心处理单元根据就近原则为每个用户选择一部分接入点AP来为用户服务，这些接入点AP的集合称为虚拟簇；虚拟簇内的接入点AP由N个中心处理单元控制，并可以通过N个中心处理单元之间的协作处理来服务同一用户；
S303、信道估计阶段，用户向所有接入点AP发送导频信号，各个接入点AP根据导频信号，利用最小均方误差MMSE进行信道估计；
S304、根据信道估计结果，中心处理单元计算出相应的接收机合并，并且用户持续向接入点AP发送导频信号，持续若干时间，中心处理单元利用得到的导频信号进行计算，得到初步的统计信息；
S305、针对不同的用户，所有的中心处理单元通过回传链路将各自的统计信息发送给某一个为该用户服务的中心处理单元，该中心处理单元被称作为主中心处理单元，该中心处理单元根据广义瑞利熵定理，为每个参与服务的中心处理单元计算出加权项；
S306、上行链路传输阶段，用户向所有的接入点AP发送数据信号，每个用户对应的虚拟簇内的接入点AP将相应的数据信号传输给中心处理单元，由中心处理单元进行第一步处理，中心处理单元根据控制的所有接入点AP的信道估计对数据信号进行集中处理，计算出相应的接收到的数据信号；
S307、将所有参与服务的中心处理单元将接收到的数据信号发送给主中心处理单元，主中心处理单元根据之前计算的权重值，对得到的接收到的数据信号分别进行加权并合并，得到最终接收到的数据信号，同时根据最终接收到的数据信号，对之前得到的统计信息进行更新。
2.根据权利要求1所述的一种去蜂窝大规模MIMO的多中心处理单元协作方法，其特征在于：在S301中，去蜂窝大规模MIMO网络***架构包含L个接入点AP、U个中心处理单元和K个用户，接入点AP集合为{1,2,…,L}，通过前传链路连接到不同的中心处理单元，用户集合为{1,2,…,K}，服务第k个用户的接入点AP集合为
Figure FDA0003601724720000027
即虚拟簇；用户终端与接入点AP均为单天线，第u个中心处理单元控制的接入点AP集合为
Figure FDA0003601724720000028
即实际簇，相邻的中心处理单元通过回链路相连。
3.根据权利要求1所述的一种去蜂窝大规模MIMO的多中心处理单元协作方法，其特征在于：在S302中，依据临近准则设立虚拟簇，同时引入动态协作集群来辅助定义，通过规定一个数字dil来控制接入点AP的是否参与服务；如果第l个接入点AP属于服务第i个用户的虚拟簇
Figure FDA0003601724720000029
中，即允许第l个接入点AP传递和解码来自第i个用户的数据信号，则dil为1，反之，则为0；根据以上定义，dil可以表示为：
Figure FDA0003601724720000021
4.根据权利要求1所述的一种去蜂窝大规模MIMO的多中心处理单元协作方法，其特征在于：在S303中，在信道估计阶段，第l个接入点AP接收到的导频信号为：
Figure FDA0003601724720000022
其中，pi为第i个用户的发射功率，
Figure FDA0003601724720000023
为第i个用户发射的导频信号且
Figure FDA0003601724720000024
nl为加性白高斯噪声AWGN，服从于均值为0，方差为σ2的正态分布，hil为第i个用户与第l个接入点AP之间的信道，可以表示为：
Figure FDA0003601724720000025
其中gil代表小尺度衰落，βil代表大尺度衰落，并相关于阴影衰落与路径损耗，hil服从于均值为0，方差为βil的正态分布；
根据接收到的导频信号，第l个接入点AP将其置于共轭导频信号
Figure FDA0003601724720000026
上，得到：
Figure FDA0003601724720000031
从而得出最小均方误差估计，
Figure FDA0003601724720000032
其中hkl为第k个用户与第l个接入点AP之间的信道估计，pk为第k个用户的发射功率，βkl为第k个用户与第l个接入点AP之间的大尺度衰落，Ψkl可以表示为：
Figure FDA0003601724720000033
设定信道估计误差
Figure FDA0003601724720000034
其中hkl服从于均值为0，方差为
Figure FDA0003601724720000035
的正态分布，
Figure FDA0003601724720000036
服从于均值为0，方差为Ckl的正态分布，其中，
Figure FDA0003601724720000037
5.根据权利要求1所述的一种去蜂窝大规模MIMO的多中心处理单元协作方法，其特征在于：在S304中，在完成信道估计之后，每个接入点AP将信道估计结果传输给相应的中心处理单元，根据信道估计结果，中心处理单元计算出相应的接收机合并，之后所有用户将对接入点AP持续发送导频信号，而每个处在对应的虚拟簇内的接入点AP都将把收到的导频信号传输给相应的中心处理单元，中心处理单元收到导频信号后使用接收机合并项对导频信号进行处理与合并，此过程将持续若干时间直至得出统计信息。
6.根据权利要求1所述的一种去蜂窝大规模MIMO的多中心处理单元协作方法，其特征在于：在S305中，根据信道估计的结果，针对不同的用户，中心处理单元为用户分别计算接收机合并项，第k个用户的接收机合并项vku为：
Figure FDA0003601724720000038
其中
Figure FDA0003601724720000039
为联合信道估计向量，
Figure FDA00036017247200000310
为第u个实际簇集合
Figure FDA00036017247200000311
的势，
Figure FDA00036017247200000312
为第u个实际簇内部的动态协作集群矩阵，
Figure FDA00036017247200000313
第u个实际簇内部的信道误差矩阵，
Figure FDA00036017247200000314
为
Figure FDA00036017247200000315
的单位矩阵；
假设在虚拟簇中的中心处理单元集合为
Figure FDA0003601724720000041
根据上述的各中心处理单元的计算结果，主中心处理单元将会接收各个中心处理单元的统计信息并据此计算加权项；令
Figure FDA0003601724720000042
主中心处理单元接收到的总的统计信息为
Figure FDA0003601724720000043
其中，
Figure FDA0003601724720000044
其中
Figure FDA0003601724720000045
为第u个实际簇中的接入点AP联合信道，根据接收到的统计信息，主中心处理单元将为各个中心处理单元计算出相应的加权项
Figure FDA0003601724720000046
令
Figure FDA0003601724720000047
则加权项向量为：
Figure FDA0003601724720000048
其中
Figure FDA0003601724720000049
7.根据权利要求1所述的一种去蜂窝大规模MIMO的多中心处理单元协作方法，其特征在于：在S306中，上行链路传输阶段，所有用户向接入点AP发送数据信号，属于第u个实际簇内部的第l个接入点AP接收的数据信号为：
Figure FDA00036017247200000410
其中，si为第i个用户传输的原始数据信号，并且
Figure FDA00036017247200000411
nu,l为第l个接入点AP接收到的噪声，第u个实际簇内部的中心处理单元总的接收到的数据信号为：
Figure FDA00036017247200000412
其中
Figure FDA00036017247200000413
为第u个实际簇内部的接入点AP的联合噪声向量。
8.根据权利要求1所述的一种去蜂窝大规模MIMO的多中心处理单元协作方法，其特征在于：在S307中，各个中心处理单元将会把接收到的数据信号发送给主中心处理单元，主中心处理单元将会对其进行加权处理，最终得到的数据信号为
Figure FDA0003601724720000051
即
Figure FDA0003601724720000052
其中
Figure FDA0003601724720000053
为各个实际簇内的联合噪声向量；
根据最终得到的数据信号，可以得出针对第k个用户的信干噪比SINR为：
Figure FDA0003601724720000054
将ak项带入化简可得到最终的信干噪比SINR为：
Figure FDA0003601724720000055
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