用于去蜂窝大规模MIMO系统的数据传输方法技术方案

本发明专利技术提供了一种用于去蜂窝大规模MIMO系统的数据传输方法，属于数据传输技术领域，用户端对原始信息进行扩展的嵌套网格编码；基站通过计算均衡因子和组合系数，对用户码字的线性组合通过嵌套网格进行解码，得到用户原始信息的线性组合；基站将用户原始信息的线性组合通过前传链路传递给中心处理单元CPU；CPU在接收到一定数量的所述用户原始信息的线性组合后，解出各用户端的原始信息；CPU根据得出的各用户端的原始信息计算最佳发送功率。本发明专利技术考虑了用户间干扰对系统吞吐量的影响和前传链路容量受限，采用基于扩展的嵌套网格编码方法，消除了用户间干扰，避免对前传链路容量需求的扩大，提高了系统的总吞吐量，适用于第五代移动通信系统的传输机制。

Data transmission method for large-scale MIMO system with cellular removal

【技术实现步骤摘要】
用于去蜂窝大规模MIMO系统的数据传输方法
本专利技术涉及数据传输
，具体涉及一种能够在不增加前传链路容量需求的基础上提高系统总吞吐量的用于去蜂窝大规模MIMO系统的数据传输方法。
技术介绍
Cell-free(去蜂窝)大规模多输入多输出(multiple-inputmultiple-outputMIMO)系统由于能够避免小区制大规模MIMO系统中的小区间干扰的问题，使得系统的吞吐量有很大幅度的提升，从而引起无线通信领域的广泛关注。在cell-free大规模MIMO系统中，由于分布式基站的数目远多于用户的数目，因此基站与用户间的距离被缩短，导致路径损耗变小而宏分集增益提高，因此用户可以得到更高质量的服务。分布式基站通过前传链路与中心处理单元(centralprocessingunit,CPU)连接，在上行数据传输中基站将收到的信号通过前传链路传送给CPU，由CPU恢复出各用户的信息。由于用于区分各用户信息的正交导频序列的个数是有限的，无法保证所有用户的导频序列正交，因此在上行链路传输中使用相同导频的用户之间会产生用户间干扰，从而使得这些用户的吞吐量降低，最终导致系统的总吞吐量降低。除此之外，由于各基站会将接收到的所有用户的信息传递给CPU，对前传链路的容量需求也会非常大。因此，如何在不增加前传链路容量的情况下提高系统的吞吐量是cell-free大规模MIMO系统亟待解决的问题之一。现有相关研究中，在cell-free大规模MIMO系统中普遍使用的传输机制是基站在接收到用户的信息后进行最大比值合并(maximumratiocombining,MRC)，使得基站通过前传链路传递给CPU的信息的维度与每个用户处相同，避免由于用户的增加导致前传链路容量的增加。但是，MRC机制无法消除用户间干扰。计算转发(compute-and-forward,CF)机制利用结构编码，在基站处计算所有用户信息的线性组合而不是直接解码单个用户的信息，从而消除了用户间干扰对系统吞吐量的影响。但是，CF机制要求所有用户的发送功率完全相同。然而，在cell-free大规模MIMO系统中，由于用户与基站间的距离各不相同，通过对用户的发送功率进行控制，即用户以不同的发送功率发送数据，可以显著提高系统的吞吐量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种在不增加前传链路容量需求的基础上使系统总吞吐量进一步得到提高的用于去蜂窝大规模MIMO系统的数据传输方法，以解决上述
技术介绍
中存在的至少一个技术问题。为了实现上述目的，本专利技术采取了如下技术方案：本专利技术提供的一种用于去蜂窝大规模MIMO系统的数据传输方法，该方法包括如下流程步骤：步骤S110：用户端对原始信息进行扩展的嵌套网格编码。用户的原始信息由两部分组成，首先是携带信息的部分，这部分中的元素在长度为质数的有限域中独立均匀分布。而后，为满足对该用户的发送功率的限制，以及确保信息无损恢复，即满足该用户对有效噪声容忍度的要求，用户对原信息向量进行补零，最终所有用户的原始信息向量的长度相同。最后，用户通过嵌套网格编码将原始信息由有限域编码至与该有限域同构的高斯整数环中。步骤S120：基站通过计算均衡因子和组合系数，将用户端通过信道发来的嵌套网格编码后的信号表示为用户码字的线性组合。用户的码字经过信道传输至基站处，基站通过迫整(integer-forcing)接收，即选取合适的均衡因子与接收到的信号相乘，将信号表示为用户码字的高斯整数线性组合与有效噪声之和。在已知信道状态信息和各用户功率限制的条件下，均衡因子可以通过最小均方误差的方法得到，而线性组合中各用户的组合系数构成的系数向量可以通过建立最小化有效噪声的优化问题来得到。步骤S130：基站对所述用户码字的线性组合通过嵌套网格进行解码，得到用户原始信息的线性组合。由于嵌套网格编码的几何特性，用户码字的线性组合依旧是有效的码字。用户端在编码时已经预留出对有效噪声的容忍度，即码字在存在一定有效噪声的情况下不会被错误解码从而造成信息丢失。因此，用户码字的线性组合在基站处通过嵌套网格解码至原有限域可以直接得到用户原始信息的线性组合。由于基站是对用户码字的组合进行解码，而不是单独解码每个用户的码字，因此用户间干扰不会造成影响。步骤S140：基站将所述用户原始信息的线性组合通过前传链路传递给中心处理单元CPU；其中，前传链路中传递的数据的维度与用户端原始信息的维度相当。步骤S150：CPU在接收到一定数量的所述用户原始信息的线性组合后，解出各用户端的原始信息。CPU在接收到的由系数向量组成的系数矩阵的秩与用户数相同时，可以确保每个用户的信息被成功解出。步骤S160：CPU根据步骤S150得出的各用户端的原始信息计算最佳发送功率，用户端根据所述最佳发送功率进行数据传输。基站通过信道估计将信道状态信息传传递给CPU。由于用户信息以线性组合的形式在基站处参与解码，因此每个被基站服务的用户为确保信息无损在基站处需要容忍的有效噪声相同。为最大化系统的吞吐量，在CPU处对均衡因子进行优化，最终使得系统的吞吐量得到提升。CPU将计算得到的各用户的最佳发送功率通过前传链路传递给基站，最终传递给用户。优选的，所述步骤S110具体包括：对于M个基站和L个用户端，M＞L，令m∈{1,2,...,M}表示基站的编号，l∈{1,2,...,L}表示用户端的编号；第l个用户端产生长度为kl的信息向量Wl，Wl中的元素在长度为p的有限域Zp中独立均匀分布；所有用户端将各自的信息向量补零到相同的长度k；第l个用户端将信息向量Wl通过扩展的嵌套网格编码方法编码为长度为n的码字Xl＝(Z[i]/πZ[i])n；其中，Z[i]表示高斯整数，即，元素的实数和虚数部分均为整数，Z[i]/πZ[i]表示与有限域Zp同构的高斯整数环；Xl受限于用户端的功率限制：E||Xl||2≤nPl，其中，Pl为第l个用户的发送功率。优选的，所述步骤S120具体包括：第m个基站处接收到的长度为n的嵌套网格编码后的信号ym为：其中，gml代表第l个用户与第m个基站之间的信道系数：βml表示大尺度衰落，hml表示小尺度衰落；表示在第m个基站处的热噪声；将所有用户端与第m个基站的信道系数组合成信道向量：gm＝[gm1,gm2,...,gmL]T；第m个基站收到的信号可以被表示为：ym＝XTgm+zm，；其中，X＝[x1,x2,...xL]T为由码字组成的矩阵；第m个基站通过选取合适的均衡因子bm∈C与系数向量将ym表示成用户码字的整数线性组合与有效噪声之和：其中，表示有效噪声。优选的，所述步骤S130具体包括：在第m个基站处装有解码器将ym解码到有限域um是用户端原始信息向量在有限域的线性组合，其中，qml＝[aml]modp，表示有限域内的加法。优选的，所述步骤S150具体包括：CPU在接收到的由系数向量组成的系数矩阵的秩与用户数相同时，令：表示在线性组合um中用户端原始信息的系数的实数部分集合，表示在线性组合um中用户端原始信息的系数的虚数部分集合，则基站通过前传链路传送至CPU的用户原始信息的线性组合可以用矩阵的形式表示为：若CPU收到M个用户端原始信息的线性组合且矩阵QR和QI的秩均为L，则全部用户端的原始信本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于去蜂窝大规模MIMO系统的数据传输方法，其特征在于，该方法包括如下流程步骤：步骤S110：用户端对原始信息进行扩展的嵌套网格编码；步骤S120：基站通过计算均衡因子和组合系数，将用户端通过信道发来的嵌套网格编码后的信号表示为用户码字的线性组合；步骤S130：基站对所述用户码字的线性组合通过嵌套网格进行解码，得到用户原始信息的线性组合；步骤S140：基站将所述用户原始信息的线性组合通过前传链路传递给中心处理单元CPU；其中，前传链路中传递的数据的维度与用户端原始信息的维度相当；步骤S150：CPU在接收到一定数量的所述用户原始信息的线性组合后，解出各用户端的原始信息；步骤S160：CPU根据步骤S150得出的各用户端的原始信息计算最佳发送功率，用户端根据所述最佳发送功率进行数据传输。

【技术特征摘要】
1.一种用于去蜂窝大规模MIMO系统的数据传输方法，其特征在于，该方法包括如下流程步骤：步骤S110：用户端对原始信息进行扩展的嵌套网格编码；步骤S120：基站通过计算均衡因子和组合系数，将用户端通过信道发来的嵌套网格编码后的信号表示为用户码字的线性组合；步骤S130：基站对所述用户码字的线性组合通过嵌套网格进行解码，得到用户原始信息的线性组合；步骤S140：基站将所述用户原始信息的线性组合通过前传链路传递给中心处理单元CPU；其中，前传链路中传递的数据的维度与用户端原始信息的维度相当；步骤S150：CPU在接收到一定数量的所述用户原始信息的线性组合后，解出各用户端的原始信息；步骤S160：CPU根据步骤S150得出的各用户端的原始信息计算最佳发送功率，用户端根据所述最佳发送功率进行数据传输。2.根据权利要求1所述的用于去蜂窝大规模MIMO系统的数据传输方法，其特征在于，所述步骤S110具体包括：对于M个基站和L个用户端，M＞L，令m∈{1,2,...,M}表示基站的编号，l∈{1,2,...,L}表示用户端的编号；第l个用户端产生长度为kl的信息向量Wl，Wl中的元素在长度为p的有限域Zp中独立均匀分布；所有用户端将各自的信息向量补零到相同的长度k；第l个用户端将信息向量Wl通过扩展的嵌套网格编码方法编码为长度为n的码字Xl＝(Z[i]/πZ[i])n；其中，Z[i]表示高斯整数，即，元素的实数和虚数部分均为整数，Z[i]/πZ[i]表示与有限域Zp同构的高斯整数环；Xl受限于用户端的功率限制：E||Xl||2≤nPl，其中，Pl为第l个用户的发送功率。3.根据权利要求2所述的用于去蜂窝大规模MIMO系统的数据传输方法，其特征在于，所述步骤S120具体包括：第m个基站处接收到的长度为n的嵌套网格编码后的信号ym为：其中，gml代表第l个用户与第m个基站之间的信道系数：βml表示大尺度衰落，hml表示小尺度衰落；表示在第m个基站处的热噪声；将所有用户端与第m个基站的信道系数组合成信道向量：gm＝[gm1,gm2,...,gmL]T；第m个基站收到的信号可以被表示为：ym＝XTgm+zm；其中，X＝[x1,x2,...xL]T为由码字组成的矩阵；第m个基站通过选取均衡因子bm∈C与系数向量；其中，系数向量为：am＝[am1,am2,...,amL]T∈Z[i]L，将ym表示成用户码字的整数线性组合与有效噪声之和：其中，表示有效噪声。4.根据权利要求3所述的用于去蜂窝大规模MIMO系统的数据传输方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：章嘉懿，张京，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京,11