一种联合AP选择与导频分配的传输方法技术

本发明专利技术公开了一种联合AP选择与导频分配的传输方法，通过降低同一区域导频复用情况来降低导频污染得到导频分配方案，联合AP选择和导频分配方案，并通过迭代的方式输出最优的联合导频分配与AP选择方案。针对导频分配问题，本发明专利技术以减少导频污染为目标，基于信道和地理位置的分组排序导频分配算法，从而降低整个系统的导频污染。针对AP选择问题，本发明专利技术在满足用户一定速率要求的条件下，以最小化系统总功率消耗为目标得到功率分配值，联合功率分配值和信道估计的方差衡量AP的服务质量，拥有更低的计算复杂度，更有利于实际部署。本发明专利技术不论是系统的导频污染还是系统能耗都能够得到很好的优化，从而使系统的能耗得到进一步提升。从而使系统的能耗得到进一步提升。从而使系统的能耗得到进一步提升。

【技术实现步骤摘要】
一种联合AP选择与导频分配的传输方法


[0001]本专利技术涉及通信
，尤其涉及一种联合AP选择与导频分配的传输方法。

技术介绍

[0002]无蜂窝大规模多输入输出(Multiple
‑
input Multiple
‑
output，MIMO)是一种新型的网络架构，通过联合操作将天线广泛分布在覆盖区域，去除小区边界，从而解决小区边缘用户性能不佳的问题。每个分布式天线位置被称为接入点(Access Points，AP)，这些接入点在下行链路上相干发射信号，在上行链路上相干处理接收到的信号，从而在不消耗更多发射功率的情况下获得更高的信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR)。
[0003]无蜂窝大规模多输入输出(Cell
‑
Free Massive MIMO，CF mMIMO)利用了两种基础技术的优势：大规模MIMO(例如，信道正交)和Network MIMO(例如，更均一的用户性能)，通过多个分布式AP之间的信号协调处理抑制多用户干扰，并利用宏分集为终端提供统一良好的服务。
[0004]在无蜂窝大规模MIMO系统中，如图1所示，考虑M个AP在相同的时间频带资源上同时服务K个用户，每个AP配备N个天线，用户为单天线，且满足MN>>K。其中，从用户到接入点AP之间的链路称为上行链路，从AP到用户的传输链路称为下行链路，而每个AP又会通过回程链路与CPU相连，进行信息的传输。
[0005]该系统采用时分双工(Time Division Duplexing，TDD)的工作模式，每个相干间隔可以划分为3个阶段：在第一阶段的上行链路训练阶段，用户通过上行链路发送自己分配到的导频序列给AP，在接收端，AP利用接收到的导频信号进行信道估计，得到信道状态信息(Channel State Information，CSI)；在第二阶段的上行数据传输阶段，用户发送数据给AP，接收端首先进行本地信号检测，然后将数据发送给中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，CPU会根据接收到的数据和统计信道的估计值，对用户数据进行集中检测；在第三阶段的下行链路数据传输阶段，AP通过CPU分配的功率系数以及本地估计的信道，对要发送给用户的数据进行功率控制和预编码，将数据发送给用户。
[0006]系统模型介绍如下。
[0007]无蜂窝大规模MIMO网络，它包含随机分布在覆盖区域内的M个AP和K个用户。一个中央处理器(CPU)通过无限的回传链路连接到所有的AP。每个AP都配备了N根天线，而每个用户都是单天线。我们假设每个用户都有一个必须满足的频谱效率(Spectral Efficiency，SE)值[bits/s/Hz]。我们的主要目标是在考虑系统总功耗最小的情况下，找到满足SE要求的AP子集和相应的发射功率。
[0008]1、上行训练
[0009]第m个AP接收到的导频信号：
[0010][0011]N是每个AP配置的天线个数，τ
p
是导频序列的长度，p
k
是第k个用户发送的导频功率，是服从复高斯分布的加性噪声，h
mk
∈Cy
N
×1是第m个AP与第k个用户之间的信道：
[0012][0013]其中，β
mk
是大尺度衰落系数，与路径损耗、阴影衰落信道相关，根据3GPP城区微蜂窝模型可以由下式计算得到：
[0014]β
mk
＝
‑
30.5
‑
36.7log
10
(d
mk
/1m)+z
mk
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0015]其中z
mk
代表阴影衰落，服从高斯分布z
mk
～N(0，16)，g
mk
是小尺度衰落系数，是服从独立同分布的复高斯随机变量，g
mk
～ON(0，I
N
)，所以h
mk
～ON(0，β
mk
I
N
)，是第k个用户发送的导频序列，满足：
[0016][0017]表示与用户k使用相同导频的用户集合。要估计第m个AP与第k个用户之间的信道，就要用乘以y
m
，即：
[0018][0019]上式第二项是由于导频资源有限时，不同用户复用导频导致的污染，定义第k个用户导频污染为：
[0020][0021]使用MMSE进行信道估计，得到：
[0022][0023]β
mk
是第m个AP与第k个用户之间的大尺度衰落系数，与路径损耗和阴影衰落相关，是下行信道的加性高斯噪声方差，的方差：
[0024][0025]2、下行数据传输
[0026]第m个AP处的发送信号为：
[0027][0028]第k个用户接收到的信号为：
[0029][0030]假设采用MRT预编码，则预编码向量为：
[0031][0032]r
k
可以写成：
[0033][0034]定义DS
k
，BU
k
和MUI
k,k'
分别表示期望信号、预编码增益的不确定性以及多用户干扰，计算公式如下：
[0035][0036]得到第k个用户单位带宽下行可达速率下界表达式：
[0037][0038]然而上述系统中，一方面，在cell
‑
free系统中，AP所服务的用户众多，但系统所提供的导频资源有限，因此不同的用户不可避免地会复用相同的导频。而复用导频会为整个系统带来导频污染(Pilot Contamination，PC)，导频污染又会直接导致用户与AP之间信道估计结果不准确，从而间接导致采用最大比传输(Maximum Ratio Transmission，MRT)预编码方案下的下行数据接收阶段，用户会受到较大的干扰，导致服务质量变差。因此对于cell
‑
free系统而言，需要一个导频资源分配的结果，使得信道估计结果更加准确，从而提高系统的传输速率，用户能得到更好的服务。
[0039]另一方面，当网络比较大，AP个数很多而且广泛分布，在传统的全连接(每个用户被所有的AP服务)模式下一个现实的问题就会产生：如果当前用户距离一些AP很远，那么这些AP要服务该用户就会对自身周围的用户造成比较强的干扰，影响系统整体的性能，AP选择可以有效解决这一问题。带有AP选择的无蜂窝大规模MIMO架构可以分为带有AP选择的部
分全连接网络(如图3所示)和带有AP选择的部分连接网络(又名以用户为中心的无蜂窝大规模MIMO系统)(如图2所示)。在带有AP选择的部分连接网络中，每个用户仅由自己选定的AP子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种联合AP选择与导频分配的传输方法，其特征在于，通过降低同一区域导频复用情况来降低导频污染得到导频分配方案，联合AP选择和导频分配方案，并通过迭代的方式输出最优的联合导频分配与AP选择方案，其中，导频分配方案是基于信道和地理位置的分组排序导频分配算法，AP选择方案是联合功率分配值和信道估计的方差衡量AP服务质量的标准。2.根据权利要求1所述的联合AP选择与导频分配的传输方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、初始化：采用全连接的无蜂窝大规模MIMO结构，随机导频分配，运行AP选择算法，得到AP选择和功率分配结果，计算系统总功耗；S2、在选定的AP集合上运行导频分配算法，得到导频分配结果；S3、在新的导频分配结果的基础上重新运行AP选择算法，得到新的AP选择和功率分配结果，计算新的系统总功耗；S4、如此迭代交替优化AP选择与导频分配，直至系统总能耗值收敛，输出导频分配和AP选择结果。3.根据权利要求1所述的联合AP选择与导频分配的传输方法，其特征在于，所述的分组排序导频分配算法具体为：基于信道相似性矩阵和用户的距离矩阵提出一种联合矩阵；并根据联合矩阵做排序分组处理，来减少同一区域且信道相似的用户的导频复用情况，并从中选择出增益最优的方案，从而降低整个系统的导频污染。4.根据权利要求3所述的联合AP选择与导频分配的传输方法，其特征在于，信道相似性矩阵的建立过程为：基于用户与AP之间的大尺度衰落系数β
mk
，形成以AP服务为中心的所有用户的大尺度衰落矩阵：β
m
＝[β
m1
,β
m2
,...,β
mK
]其中β
m
∈C1×
K
，计算出每个AP所服务用户的大尺度衰落系数的均值：提出相似性度量函数，表示AP与其所服务的用户之间的信道相似性：对于第i个AP所服务的用户j，其相似性值计算为：通过相似性度量函数，得到所有AP服务的所有用户构成的相似性矩阵F：
其中，F∈C
M
×
K
，M代表所有的AP数目，K代表所有的用户数目。5.根据权利要求4所述的联合AP选择与导频分配的传输方法，其特征在于，距离矩阵基于地理位置，计算每个AP所服务的用户之间的距离：其中，p
j
代表用户j的坐标位置，p
i
代表第i个AP的坐标位置，P
ij
代表第i个AP与其服务的用户j的距离；所有的AP与所有用户的距离，构成距离矩阵P：其中，P∈C
M
×
K
，M代表所有的AP数目，K代表所有的用户数目。6.根据权利要求5所述的联合AP选择与导频分配的传输方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：李立华，周茅玲，孙轩轩，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：