CN115102809A - 一种基于不完全信道信息的多小区大规模mimo***自适应调制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于不完全信道信息的多小区大规模MIMO***自适应调制方法，基于不完全信道状态信息以及迫零检测技术，利用连续率和离散率自适应调制技术最大化多小区大规模MIMO***频谱效率。本发明所提出的方法针对不完全信道状态信息下多小区大规模MIMO***，分别给出了基于连续率与离散率的***自适应调制方法，以及***误比特率闭式表达式，有效地提升了***频谱效率，为缓解移动通信***频域资源短缺提供有效方法。
Description
技术领域：
本发明涉及移动通信***的自适应资源分配方法，尤其涉及一种基于不完全信道信息的多小区大规模MIMO***自适应调制方法，属于移动通信领域。
背景技术：
大规模MIMO技术作为第五代移动通信的关键技术，与传统MIMO相比可提供更大的自由度，有着低功耗、高能效、非相干干扰较小、空间分辨率较高的特点，该技术已经得到了广泛的研究与应用。同时，自适应调制技术由于其可以在不进行功率优化的情况下仍可使得***容量和频谱效率(Spectral Efficiency,SE)等性能得到提升，被广泛应用于工程实践中，同时在理论研究领域也得到高度重视。
文献1(Goldsmith A J,Chua S G.Variable-rate variable-power MQAM forfading channels[J].IEEE Transactions on Communications,1997,45(10):1218-1230.)中提出了变速率变功率的自适应调制方式，指出采用多电平正交幅度调制时，当使用5～6种星座图时，相比于非自适应调制方案可以提供高达20dB的功率增益。文献2(Xiaoxin Q,Chawla K.On the performance of adaptive modulation in cellularsystems[J].IEEE Transactions on Communications,1999,47(6):884-895.)在对自适应调制技术的研究中发现，仅使用自适应调制技术而不采用功率控制也可以获得SE的提升，而将功率控制与AM技术结合在一起则可以进一步提升频谱效率。文献3(Deng L,Rui Y,Cheng P.A unified energy efficiency and spectral efficiency tradeoff metricin wireless networks[J].IEEE Communications Letters,2013,17(1):55-58)针对通常的点对点通信***中考虑了***能效(Energy Efficiency，EE)和SE的折中，并设计了最优的功率分配方案以满足不同SE与EE性能比重下***整体性能的优化。
由上可见，上述关于AM调制技术的相关研究还未涉及多小区大规模MIMO***，故而AM技术对多小区大规模MIMO***性能的影响亟待研究。
发明内容：
本发明是为了解决现有技术未解决的问题而提供一种基于不完全信道信息的多小区大规模MIMO***自适应调制方法，该方法考虑不完全信道状态信息和迫零检测技术，给出了基于瞬时误比特率约束下多小区大规模MIMO***中该方法的频谱效率性能。
本发明所采用的技术方案有：一种基于不完全信道信息的多小区大规模MIMO***自适应调制方法，包括如下步骤：
S1、建立多小区上行大规模MIMO***传输模型，小区数为L，在各个小区内有一个配有N根天线的基站和K个单天线用户，则第j个小区中，基站的接收信号为
其中，pi,k代表第i个小区内第k个用户的发射功率，xik为第i个小区内第k个用户的有用信号，且满足
表示第j个小区中的噪声；第l个小区内的第k个用户到第j个基站的信道
服从
复高斯分布，其中，βjl,k表示大尺度衰落系数；
S2、对用户到基站间的信道进行估计，
其中
是估计信道，
是估计错误，并且有
其中
其中
τ为导频长度，pu为导频功率；经过迫零检测技术，检测矩阵为
第j个小区内第k个用户的检测信号为
则第l个小区内第k个用户的信干噪比为
S3、根据信干噪比表达式，给出其对应的PDF为
其中，
S4、考虑瞬时BER约束，结合步骤S3中得到的PDF给出***频谱效率和误比特率计算式。
进一步地，S4包括以下子步骤：
(a)离散率自适应调制方法下整个***的平均频谱效率和平均误比特率为
其中π(ψn)为***误比特率参数，
是不完全伽马函数，
为M种调制方式对应的离散率调制切换门限，记
ρq是数值积分节点，Q是节点数，并且
(b)连续率自适应调制方法下整个***的平均频谱效率为：
其中A＝-0.625ln(5BER0)，
为指数积分函数。
本发明具有如下有益效果：本发明在信道建模时考虑不完全信道状态信息，对信道进行了估计，从而使分析结果更贴合实际；给出多小区大规模MIMO***在迫零检测下的频谱效率计算式，并通过MATLAB平台模拟仿真来对比本发明所提供的基于瞬时误比特率约束的离散和连续自适应调制的多小区大规模MIMO***频谱效率和误比特率。
附图说明：
图1为本发明基于不完全信道信息的多小区大规模MIMO***自适应调制方法的流程图。
图2为本发明理论值与MATLAB仿真结果在目标BER约束下，使用不同调制方式数目的多小区大规模MIMO***离散率自适应调制方案和连续率自适应调制方案的效果对比图。
图3为本发明理论值与MATLAB仿真结果在目标BER约束下，使用不同数目调制方式时的多小区大规模MIMO***中的自适应调制方案平均误比特率比较图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明基于不完全信道信息的多小区大规模MIMO***自适应调制方法，包括如下步骤：
S1、建立多小区上行大规模MIMO***传输模型，小区数为L，在各个小区内有一个配有N根天线的基站和K个单天线用户，则第j个小区中，基站的接收信号为
其中，pi,k代表第i个小区内第k个用户的发射功率，xik为第i个小区内第k个用户的有用信号，且满足
表示第j个小区中的噪声；第l个小区内的第k个用户到第j个基站的信道
服从
复高斯分布，其中，βjl,k表示大尺度衰落系数；
S2、对用户到基站间的信道进行估计，
其中
是估计信道，
是估计错误，并且有
其中
其中
τ为导频长度，pu为导频功率；经过迫零检测技术，检测矩阵为
第j个小区内第k个用户的检测信号为
则第l个小区内第k个用户的信干噪比为
S3、根据信干噪比表达式，给出其对应的PDF为
其中，
S4、考虑瞬时BER约束，结合步骤S3中得到的PDF给出***频谱效率和误比特率计算式；
进一步地，S4包括以下子步骤：
(a)离散率自适应调制方法下整个***的平均频谱效率和平均误比特率为
其中π(ψn)为***误比特率参数，
是不完全伽马函数，
为M种调制方式对应的离散率调制切换门限，记
ρq是数值积分节点，Q是节点数，并且
值得注意的是，由于多小区大规模MIMO***的信干噪比存在导频污染带来的渐进上限，(11)中的PDF有上限1/ηl,k，所以当门限值大于1/ηl,k时，设该门限以及其后更大的门限均等于1/ηl,k，即其对应的调制方式以及更大的调制方式不被采用；
(b)连续率自适应调制方法下整个***的平均频谱效率为：
其中A＝-0.625ln(5BER0)，
为指数积分函数；因为连续率自适应调制的调制阶数可以连续变化，故其可以使得瞬时BER可以一直等于目标BER，因此基于连续率自适应调制的多小区大规模MIMO***BER恒等于目标BER。
下面通过MATLAB平台的仿真来验证本发明所提出的多小区大规模MIMO***中自适应调制方案的性能评估，证明所推导公式的正确性。设定接收天线数为64，用户数为5，小区数为4，与导频有关的参数τu设为0.3，目标误比特率为BER0＝10-3。参考3GPPLTE规范对***参数和大规模衰落进行建模，大尺度衰落系数是
其中
是零均值标准导数为8的高斯分布。
表示第l个小区内第k个用户到第i个基站的距离，每个小区为边长1千米的正方形，基站位于其中心，参考距离为35米。考虑6种候选的QAM调制模式，即2QAM，4QAM，8QAM，16QAM，32QAM和64QAM。
图2给出了在目标BER约束下，使用不同调制方式数目的多小区大规模MIMO***离散率自适应调制方案和连续率自适应调制方案的效果对比图，横坐标平均信噪比定义为用户发送功率与噪声功率之比。由图中可以看出，理论曲线和仿真曲线相符合，证明了理论公式的准确性。离散速率自适应曲线随着发送功率的增大，***的频谱效率逐渐得到提升并且在功率足够大时频谱效率达到平稳。当功率足够大时，用户的信噪比趋向于上限1/ηl,k，此时自适应选择对应门限值低于上限的最高的调制方式，且不一定能够取到备选方案中的最大调制方式。例如候选调制方式种类M＝6时，部分信道中的上限1/ηl,k小于64QAM对应的门限值，导致此时用户无法选择最高调制方式64QAM，所以最终整体的频谱效率性能低于6bit/s/Hz。并且连续率自适应曲线始终高于离散率自适应曲线，这是因为连续率自适应方案没有离散率的限制，可以找到满足目标BER约束的最优方式，而离散率AM因为其离散的调制阶数会使速率受限，这也验证了连续率自适应是自适应方案的性能上界。
图3给出了在目标BER约束下，使用不同数目调制方式时的多小区大规模MIMO***中的自适应调制方案平均误比特率比较图，不同参数下的离散AM方案理论BER曲线和仿真BER曲线基本吻合，这说明推导的公式可以有效评估***BER性能。在离散率AM中，可选择调制方式数目越大，其BER性能也越差，这是因为可选调制方式数目大对应的可选调制方式更高，而高阶调制方式更容易带来误码，但是三条BER曲线都在目标
之下，表明离散AM调制方案已经满足了目标BER约束，体现了方案的有效性。
综上，本发明所提出的基于不完全信道信息的多小区大规模MIMO***自适应调制方法能够在满足质量要求的同时，有效地提升多小区大规模MIMO***频谱效率，为提高***性能提供有效方法。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种基于不完全信道信息的多小区大规模MIMO***自适应调制方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、建立多小区上行大规模MIMO***传输模型，小区数为L，在各个小区内有一个配有N根天线的基站和K个单天线用户，则第j个小区中，基站的接收信号为
其中，pi,k代表第i个小区内第k个用户的发射功率，xik为第i个小区内第k个用户的有用信号，且满足
表示第j个小区中的噪声；第l个小区内的第k个用户到第j个基站的信道
服从
复高斯分布，其中，βjl,k表示大尺度衰落系数；
S2、对用户到基站间的信道进行估计，
其中
是估计信道，
是估计错误，并且有
其中
其中
τ为导频长度，pu为导频功率；经过迫零检测技术，检测矩阵为
第j个小区内第k个用户的检测信号为
则第l个小区内第k个用户的信干噪比为
S3、根据信干噪比表达式，给出其对应的PDF为
其中，
S4、考虑瞬时BER约束，结合步骤S3中得到的PDF给出***频谱效率和误比特率计算式。
2.如权利要求1所述的基于不完全信道信息的多小区大规模MIMO***自适应调制方法，其特征在于：S4包括以下子步骤：
(a)离散率自适应调制方法下整个***的平均频谱效率和平均误比特率为
其中π(ψn)为***误比特率参数，
是不完全伽马函数，
为M种调制方式对应的离散率调制切换门限，记
ρq是数值积分节点，Q是节点数，并且
(b)连续率自适应调制方法下整个***的平均频谱效率为：
其中A＝-0.625ln(5BER0)，
为指数积分函数。
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