CN115037341B - 一种d2d协助的多组多播无蜂窝大规模mimo***架构 - Google Patents

一种d2d协助的多组多播无蜂窝大规模mimo***架构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种D2D协助的多组多播无蜂窝大规模MIMO***架构，包括中央处理单元CPU、接入点AP、多天线无蜂窝用户CFUE和终端直连D2D用户对。本发明还根据***架构的和速率和能量损耗模型，计算***架构的能量效率。本发明的有益效果是：本发明能够在同一时间或频率资源块上为多天线的无蜂窝用户和D2D用户提供业务，并构建了能量损耗模型，可以计算***的能量效率，进而便于对***的改进。

Description

一种D2D协助的多组多播无蜂窝大规模MIMO***架构
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，更确切地说，它涉及一种D2D协助的多组多播无蜂窝大规模MIMO***架构。
背景技术
近年来，由于无蜂窝大规模(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技术能够使相对较少的用户在相同的时间/频率资源块上进行联合通信，且它在空间复用增益、覆盖概率、频谱效率(Spectral Efficiency，SE)和能源效率(Energy Efficiency，EE)等方面具有潜在的优点，因此它被认为是即将到来的后5G/第六代通信***(B5G/6G)发展的主要架构之一，这也严重引发了学术界、业界和标准化机构日益增长的研究兴趣。
但是，现有技术中尚未有终端直连(Device-to-Device，D2D)协助的多组多播无蜂窝大规模MIMO***架构，并且对该新颖***架构的能量效率也并未得到研究。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供了一种D2D协助的多组多播无蜂窝大规模MIMO***架构。
第一方面，提供了一种D2D协助的多组多播无蜂窝大规模MIMO***架构，包括：中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)、接入点(Access Point，AP)、多天线无蜂窝用户(Cell Free User Equipment，CFUE)和D2D用户对；
其中，所述AP、CFUE和D2D用户对均配置有天线；所有AP通过接口与CPU进行协调和连接回程链路。
第二方面，提供了一种D2D协助的多组多播无蜂窝大规模MIMO***架构的分析方法，包括：
S1、建立D2D协助的多组多播无蜂窝大规模MIMO***架构；
S2、获取D2D协助的多组多播无蜂窝大规模MIMO***架构下行链路速率的闭式表达式，计算***架构的和速率；
S3、构建能量损耗模型；
S4、根据所述***架构的和速率和所述能量损耗模型，计算***架构的能量效率。
作为优选，S1包括：
S101、假定所述D2D协助的多组多播无蜂窝大规模MIMO***架构由CPU、M个接点AP、J×K个多天线无蜂窝用户CFUE和L个终端直连D2D用户对组成，M≥J；每个AP、CFUEs和DUEs(D2D users)分别有NA、N和ND个天线；
S102、对第m个AP到第j组中的第k个CFUE的信道矩阵进行建模，表示为：
其中，βmjk,/>表示大规模衰落系数，Hmjk表示小尺度衰落矩阵且其分量是独立同分布的随机变量，服从(0,1)；
S103、对第l个D2D用户对，发射机和接收器/>之间的信道矩阵/>进行建模，表示为：
其中， 代表大规模衰落系数，Hll′表示小规模衰落且其满足[Hll′]mn～CN(0,1)。
作为优选，S1还包括：
S104、在上行链路信道估计阶段，采用时分双工模式；在长度为τc的相干区间内，长度为τp的正交导频序列表示为满足/>其中，CFUE和DUE使用的导频序列集分别是Φ和Ω，Φ∈Ξ，/>假定CFUEk和/>的导频序列分别为 和/> 表示维度为τp的方阵；
S105、假设在每个组中的不同用户分配相同的导频序列，则第m个AP所接收到的导频信号表示为：
其中，和/>分别表示CFUEk和/>的归一化信噪比，/>和/> 分别表征了从第m个AP到第l′个/>的传输信道以及第m个AP处的加性高斯白噪声；
接收到的导频信号表示为：
其中，表示加性高斯白噪声，其分量是满足独立同分布的随机变量，表示D2D用户对通信链路的传输信道；
S106、对第m个AP所接收到的导频信号执行解扩操作，处理后的信号表示为：
其中，由NA×N个独立同分布元素组成；
S107、在第m个AP处进行低分辨率量化，经量化后接收到的导频信号进一步表示为：
其中，λm,表示与量化位数/>相关的线性增益，且加性高斯量化噪声信号矩阵的协方差表示为：
经过MMSE，估计的信道响应表示为
项的协方差相应地通过数学方式给出
因此，估计矩阵重新表述为
其中，代表波束成形矩阵，表示为/>
同理，D2D链路之间的估计信道矩阵表示为
其中，Cll表示为
作为优选，S1还包括：
S108、在下行链路数据传输阶段，在AP实施线性的CB译码器，分离多个用户发送的信号，则第m个AP的发射信号表示为：
其中，ρa代表AP的最大发射功率，ηmjk表示功率分配系数，qj代表第j个多播组所需的独立高斯信号，
第m个AP的发射信号经量化处理后表示为：
其中，αm表示与量化位数相关的线性增益，/>表示加性高斯量化噪声，αm和是相互独立的，/>遵循高斯分布且其均值为零；
的协方差矩阵表示为：
AP的功率约束表示为：
S109、对于D2D链路，假设MRC编码用于发射信号/>表示为：
其中，ρd是第l个DUE发射机的最大信噪比，ul表示功率分配系数，ql表示第l个DUE接收机的期望独立多播高斯数据信号， 表示/>和接收器/>之间的估计信道矩阵；
DUE的功率约束表示为：
S110、第j组中第k个CFUE的接收信号表示为：
其中，njk是加性噪声，且njk～CN(0,IN)。
作为优选，S2中，第j组中第k个CFUE的可实现速率的下限表示为：
其中，Θmj表示为：
作为优选，S2中，第l个DUE接收器的可实现速率的下限表示为：
其中，Δl表示为：
作为优选，S2中，下行链路总和能量效率定义为：
***架构的和速率表示为：
其中，L＝D2λd表示的平均数，λd表示DUEs的密度服从独立的同质泊松点过程。
作为优选，S3中，下行链路的总功耗表示为：
其中，B代表***带宽，Pm，Pl，Pbt,m和P0,m分别表示第m个AP和第l个的功率成本、与第m个接入点相关的流量前沿功率和每个前沿链接的固定功率消耗；Pm表示为：
其中，0≤δm≤1，N0代表功率放大器效率；
第m个AP的功耗Ptc,m表示为：
Ptc,m＝NA(cADC,mPAGC,m+PADC,m)+NA·Pres,m+NA(cADC,mPAGC,m+PDAC,m),
其中，PAGC,m和Pres,m代表自动发电控制和第m个AP的剩余组件的功率消耗；
PADC,m表示为：PDAC,m表示为 其中，Vdd、Cp、fcor和I0分别表示转换器的电源、转换器中每个开关的寄生电容、1/f的角频率和与最低有效位有关的单位电流源，由噪声底限和器件失配限制；
cADC,m和cDAC,m分别用于表示与低分辨率模数转换器ADC和低分辨率数模转换器DAC精度有关的符号和/>可给出以下公式：
第三方面，提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质内存储有计算机程序；所述计算机程序在计算机上运行时，使得计算机执行第二方面任一所述的D2D协助的多组多播无蜂窝大规模MIMO***架构的分析方法
第四方面，提供了一种计算机程序产品，当所述计算机程序产品在计算机上运行时，使得计算机执行如第二方面任一所述的D2D协助的多组多播无蜂窝大规模MIMO***架构的分析方法。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提供的D2D协助的多组多播无蜂窝大规模MIMO***架构能够在同一时间/频率资源块上为多天线的无蜂窝用户和D2D用户提供业务。
(2)本发明的接入点上采用了低分辨率的模数转换器/数模转换器，以有效地减少硬件损伤和能量损耗。
(3)本发明构建了能量损耗模型，可以计算***的能量效率，进而便于对***的改进。
附图说明
图1为一种D2D协助的多组多播无蜂窝大规模MIMO***架构的分析方法的流程图；
图2为***的频谱效率示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
实施例1：
本申请提供了一种D2D协助的多组多播无蜂窝大规模MIMO***架构，包括：中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)、接入点(Access Point，AP)、多天线无蜂窝用户(Cell Free User Equipment，CFUE)和D2D用户对；
其中，所述AP、CFUE和D2D用户对均配置有天线；所有AP通过接口与CPU进行协调和连接回程链路，其可以提供无差错和无限的容量。
地理位置分布的AP在同一时间/频率资源块上为多天线的无蜂窝用户和D2D用户提供业务，此外，AP上采用了低分辨率的模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)/数模转换器(Digital-to-Analog Converter，DAC)，以有效地减少硬件损伤和能量损耗。
实施例2：
本申请提供了一种D2D协助的多组多播无蜂窝大规模MIMO***架构的分析方法，首先通过标准的最小均方误差(Minimum Mean Square Error，MMSE)方法获得不完美的信道状态信息(Channel State Information，CSI)，然后得出CFUEs和DUEs的下行速率的下界；除此之外，还根据建立的功耗模型探讨了***的能量效率；最后，对数值模拟进行了评估，以验证分析结果，如图1所示，包括：
S1、建立D2D协助的多组多播无蜂窝大规模MIMO***架构；
S2、获取D2D协助的多组多播无蜂窝大规模MIMO***架构下行链路速率的闭式表达式，计算***架构的和速率；
S3、构建能量损耗模型；
S4、根据***架构的和速率和能量损耗模型，计算***架构的能量效率。
S1包括：
S101、假定D2D协助的多组多播无蜂窝大规模MIMO***架构由CPU、M个接点AP、J×K个多天线无蜂窝用户CFUE和L个终端直连D2D用户对组成，M≥J；每个AP、CFUEs和DUEs分别有NA、N和ND个天线；
S102、为便于分析，假设无线信道采用不相干的瑞丽信道。对第m个AP到第j组中的第k个CFUE的信道矩阵进行建模，表示为：
其中，βmjk,/>表示大规模衰落系数，Hmjk表示小尺度衰落矩阵且其分量是独立同分布(independent and identically distributed，i.i.d.)的随机变量，服从(0,1)；
S103、对第l个D2D用户对，发射机和接收器/>之间的信道矩阵进行建模，表示为：
其中， 代表大规模衰落系数，Hll′表示小规模衰落且其满足[Hll′]mn～CN(0,1)。
S1还包括：
S104、在上行链路信道估计阶段，采用时分双工(Time Division Duplexing，TDD)模式；在长度为τc的相干区间内，长度为τp的正交导频序列表示为满足 其中，CFUE和DUE使用的导频序列集分别是Φ和Ω，Φ∈Ξ，假定CFUEk和/>的导频序列分别为/>和/> 表示维度为τp的方阵；
S105、为了有效地减少有限导频资源开销，假设在每个组中的不同用户分配相同的导频序列，则第m个AP所接收到的导频信号表示为：
其中，和/>分别表示CFUEk和/>的归一化信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR)，/>和/>分别表征了从第m个AP到第l′个/>的传输信道以及第m个AP处的加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise，AWGN)；
接收到的导频信号表示为：
其中，表示加性高斯白噪声，其分量是满足独立同分布的随机变量，表示D2D用户对通信链路的传输信道；
S106、对第m个AP所接收到的导频信号执行解扩操作，处理后的信号表示为：
其中，由NA×N个独立同分布元素组成；
S107、考虑到AP的巨大硬件成本和能耗，在第m个AP处进行低分辨率量化。通过采用AQNM量化模型，在第m个AP处进行低分辨率量化，经量化后接收到的导频信号进一步表示为：
其中，λm,表示与量化位数/>相关的线性增益，且加性高斯量化噪声信号矩阵的协方差表示为：
经过MMSE，估计的信道响应表示为
为了符号上的紧凑性，项的协方差相应地通过数学方式给出
因此，估计矩阵重新表述为
其中，代表波束成形矩阵，表示为/>
同理，D2D链路之间的估计信道矩阵表示为
其中，Cll表示为
如图2所示，由于低分辨率量化对***性能造成的影响，在量化位数小于5时，***所实现总的SE随着量化位数的增大而不断增加，而在大于等于5时达到最大的定值。这充分说明在不影响***SE性能的情况下，可以用低分辨率的量化位数来代替较高的量化位数，这将可以有效地降低***的硬件损耗，这进一步表明了低分辨率量化在所提出***架构中的优越性。此外，研究同时表明，增大AP的数量可以有效地提高***的SE。这主要是由于大量AP的部署可以有效地为***带来较大的复用增益和空间自由度。S1还包括：
S108、在下行链路数据传输阶段，在AP实施线性的CB译码器，分离多个用户发送的信号，则第m个AP的发射信号表示为：
其中，ρa代表AP的最大发射功率，ηmjk表示功率分配系数，qj代表第j个多播组所需的独立高斯信号，
第m个AP的发射信号经量化处理后表示为：
其中，αm表示与量化位数相关的线性增益，/>表示加性高斯量化噪声，αm和是相互独立的，/>遵循高斯分布且其均值为零；
的协方差矩阵表示为：
为了满足每个AP的功率约束，即AP的功率约束表示为：
也可以进一步表示为：
S109、对于D2D链路，假设MRC编码用于发射信号/>表示为：
其中，ρd是第l个DUE发射机的最大信噪比，ul表示功率分配系数，ql表示第l个DUE接收机的期望独立多播高斯数据信号， 表示/>和接收器/>之间的估计信道矩阵；
为了满足每个DUE的功率约束，DUE的功率约束表示为：
进而，可以获取下式：
其中，Γll可表示为
S110、第j组中第k个CFUE的接收信号表示为：
其中，njk是加性噪声，且njk～CN(0,IN)。
S2中，第j组中第k个CFUE的可实现速率的下限表示为：
其中，Θmj表示为：
S2中，第l个DUE接收器的可实现速率的下限表示为：
其中，Δl表示为：
S2中，下行链路总和能量效率定义为：
***架构的和速率表示为：
其中，L＝D2λd表示的平均数，λd表示DUEs的密度服从独立的同质泊松点过程(Poisson-Point-Process，PPP)。
S3中，下行链路的总功耗表示为：
其中，B代表***带宽，Pm，Pl，Pbt,m和P0,m分别表示第m个AP和第l个的功率成本、与第m个接入点相关的流量前沿功率和每个前沿链接的固定功率消耗；Pm表示为：
其中，0≤δm≤1，N0代表功率放大器效率；
第m个AP的功耗Ptc,m表示为：
Ptc,m＝NA(cADC,mPAGC,m+PADC,m)+NA·Pres,m+NA(cADC,mPAGC,m+PDAC,m),
其中，PAGC,m和Pres,m代表自动发电控制和第m个AP的剩余组件的功率消耗；
PADC,m表示为：PDAC,m表示为 其中，Vdd、Cp、fcor和I0分别表示转换器的电源、转换器中每个开关的寄生电容、1/f的角频率和与最低有效位有关的单位电流源，由噪声底限和器件失配限制；
cADC,m和cDAC,m分别用于表示与低分辨率模数转换器ADC和低分辨率数模转换器DAC精度有关的符号和/>可给出以下公式：
根据上述公式经过代数计算就可以得到***的能量效率。

Claims (5)

1.一种D2D协助的多组多播无蜂窝大规模MIMO***架构的分析方法，其特征在于，包括：
S1、建立D2D协助的多组多播无蜂窝大规模MIMO***架构；***架构包括：中央处理单元CPU、接入点AP、多天线无蜂窝用户CFUE和终端直连D2D用户对；
其中，所述AP、CFUE和D2D用户对均配置有天线；所述AP通过接口与CPU进行协调和连接回程链路；
S2、获取D2D协助的多组多播无蜂窝大规模MIMO***架构下行链路速率的闭式表达式，计算***架构的和速率；
S2中，第j组中第k个CFUE的可实现速率的下限表示为：
其中，Θmj表示为：
S2中，第l个DUE接收器的可实现速率的下限表示为：
其中，Δl表示为：
S2中，下行链路总和能量效率定义为：
***架构的和速率表示为：
其中，L＝D2λd表示的平均数，λd表示DUEs的密度服从独立的同质泊松点过程；
S3、构建能量损耗模型；
S3中，下行链路的总功耗表示为：
其中，B代表***带宽，Pm，Pl，Pbt，m和P0，m分别表示第m个AP和第l个的功率成本、与第m个接入点相关的流量前沿功率和每个前沿链接的固定功率消耗；Pm表示为：
其中，0≤δm≤1，N0代表功率放大器效率；
第m个AP的功耗Ptc，m表示为：
Ptc，m＝NA(cADC，mPAGC，m+PADC，m)+NA·Pres，m+NA(cADC，mPAGC，m+PDAC，m)，
其中，PAGC，m和Pres，m代表自动发电控制和第m个AP的剩余组件的功率消耗；
PADC，m表示为：PDAC，m表示为/> 其中，Vdd、Cp、fcor和I0分别表示转换器的电源、转换器中每个开关的寄生电容、1/f的角频率和与最低有效位有关的单位电流源，由噪声底限和器件失配限制；
S4、根据所述***架构的和速率和所述能量损耗模型，计算***架构的能量效率
cADC，m和cDAC，m分别用于表示与低分辨率模数转换器ADC和低分辨率数模转换器DAC精度有关的符号和/>给出以下公式：
2.根据权利要求1所述的D2D协助的多组多播无蜂窝大规模MIMO***架构的分析方法，其特征在于，S1包括：
S101、假定所述D2D协助的多组多播无蜂窝大规模MIMO***架构由CPU、M个接点AP、J×K个多天线无蜂窝用户CFUE和L个终端直连D2D用户对组成，M≥J；每个AP、CFUEs和DUEs分别有NA、N和ND个天线；
S102、对第m个AP到第j组中的第k个CFUE的信道矩阵进行建模，表示为：
其中， 表示大规模衰落系数，Hmjk表示小尺度衰落矩阵且其分量是独立同分布的随机变量，服从(0，1)；
S103、对第l个D2D用户对，发射机和接收器/>之间的信道矩阵进行建模，表示为：
其中，代表大规模衰落系数，Hll′表示小规模衰落且其满足[Hll′]mn～CN(0,1)。
3.根据权利要求2所述的D2D协助的多组多播无蜂窝大规模MIMO***架构的分析方法，其特征在于，S1还包括：
S104、在上行链路信道估计阶段，采用时分双工模式；在长度为τc的相干区间内，长度为τp的正交导频序列表示为满足/>τp≥K+LND；其中，CFUE和DUE使用的导频序列集分别是Φ和Ω，Φ∈Ξ，/>假定CFUEk和/>的导频序列分别为/> 和 表示维度为τp的方阵；
S105、假设在每个组中的不同用户分配相同的导频序列，则第m个AP所接收到的导频信号表示为：
其中，和/>分别表示CFUEk和/>的归一化信噪比，/>和/> 分别表征了从第m个AP到第l′个/>的传输信道以及第m个AP处的加性高斯白噪声；
接收到的导频信号表示为：
其中，表示加性高斯白噪声，其分量是满足独立同分布的随机变量，/>表示D2D用户对通信链路的传输信道；
S106、对第m个AP所接收到的导频信号执行解扩操作，处理后的信号表示为：
其中，由NA×N个独立同分布元素组成；
S107、在第m个AP处进行低分辨率量化，经量化后接收到的导频信号进一步表示为：
其中，表示与量化位数/>相关的线性增益，且加性高斯量化噪声信号矩阵的协方差表示为：
经过MMSE，估计的信道响应表示为
项的协方差相应地通过数学方式给出
因此，估计矩阵重新表述为
其中，代表波束成形矩阵，表示为/>
同理，D2D链路之间的估计信道矩阵表示为
其中，Cll表示为
4.根据权利要求3所述的D2D协助的多组多播无蜂窝大规模MIMO***架构的分析方法，其特征在于，S1还包括：
S108、在下行链路数据传输阶段，在AP实施线性的CB译码器，分离多个用户发送的信号，则第m个AP的发射信号表示为：
其中，ρa代表AP的最大发射功率，ηmjk表示功率分配系数，qj代表第j个多播组所需的独立高斯信号，
第m个AP的发射信号经量化处理后表示为：
其中，αm表示与量化位数相关的线性增益，/>表示加性高斯量化噪声，αm和/>是相互独立的，/>遵循高斯分布且其均值为零；
的协方差矩阵表示为：
AP的功率约束表示为：
S109、对于D2D链路，假设MRC编码用于发射信号/>表示为：
其中，ρd是第l个DUE发射机的最大信噪比，ul表示功率分配系数，ql表示第l个DUE接收机的期望独立多播高斯数据信号， 表示/>和接收器/>之间的估计信道矩阵；
DUE的功率约束表示为：
S110、第j组中第k个CFUE的接收信号表示为：
其中，njk是加性噪声，且njk～CN(0,IN)。
5.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质内存储有计算机程序；所述计算机程序在计算机上运行时，使得计算机执行权利要求1至4任一所述的D2D协助的多组多播无蜂窝大规模MIMO***架构的分析方法。
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