一种低精度双向无蜂窝大规模MIMO系统功率分配方法技术方案

本发明专利技术公开了一种低精度双向无蜂窝大规模MIMO系统功率分配方法，包括：构建低精度双向无蜂窝大规模MIMO系统模型；分别计算MAC阶段和BC阶段频谱效率闭式表达式，联合两阶段推导出系统用户对频谱效率并将其最大化作为模型的目标函数；设置总功率约束条件，建立用户对频谱效率优化问题模型，利用逐次逼近法进行模型求解；将得到的优化参数代入BC阶段频谱效率，构建基于max

【技术实现步骤摘要】
一种低精度双向无蜂窝大规模MIMO系统功率分配方法


[0001]本专利技术涉及无线通信
，尤其涉及一种低精度双向无蜂窝大规模MIMO系统功率分配方法。

技术介绍

[0002]无蜂窝大规模多输入多输出(multiple
‑
input multiple
‑
output，MIMO)是一种通过取消传统蜂窝制式系统架构并将众多接入点(access point，AP)随机分布开的新型网络架构。该技术能够在同一时频资源上服务多个用户，具有高覆盖率、高吞吐量、高频谱效率等特点。这些配备有限根天线的AP体积较小能弹性部署在网络各个区域，因此能够为所有终端提供较为均匀的服务，进而克服了传统MIMO技术蜂窝角落区域终端服务质量差等缺点。
[0003]虽然AP发射功率较低，但其数量众多，进而导致了硬件成本以及总发射功率激增的问题。一个有效的解决方法是在AP上采用低精度模数转换器(analog
‑
to
‑
digital converter，ADC),但这又会带来降低系统的频谱效率的新问题。因此在采用双向传输技术的同时还对终端及每个AP进行总功率分配，进而来弥补降低硬件质量导致的系统性能损失。每个AP均由处理器控制，可视为整体，因此可使用逐次逼近算法对用户功率及总AP功率进行分配。然而AP之间功率分配方案的不同仍会导致系统频谱效率的差异，若对AP进行平均功率分配会导致频谱效率的损失。
[0004]然而现有的技术中具有以下缺点：
[0005]现有逐次逼近算法只能对多接入信道(multiple
‑
access channel，MAC)阶段用户进行功率分配优化，而无法对广播(broadcasting，BC)阶段AP进行功率分配优化。若在现有优化问题模型上添加AP功率控制系数变量，不仅难判断其凹凸性且原问题难以转化为一系列几何规划问题进行求解。
[0006]因此本专利技术提出了改进的优化问题模型以及一种联合逐次逼近及max
‑
min迭代算法，可进一步对AP进行功率分配，进而克服了现有逐次逼近算法无法应用于无线蜂窝系统的缺点。

技术实现思路

[0007]本专利技术要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种低精度双向无蜂窝大规模MIMO系统功率分配方法。
[0008]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0009]本专利技术提供一种低精度双向无蜂窝大规模MIMO系统功率分配方法，该方法包括以下步骤：
[0010]步骤1，构建低精度双向无蜂窝大规模MIMO系统模型，利用上行正交导频对信道进行估计，推导出最小均方误差估计信道；
[0011]步骤2，基于构建的低精度双向无蜂窝大规模MIMO系统模型，分别计算MAC阶段频
谱效率闭式表达式和BC阶段频谱效率闭式表达式，联合两阶段推导出用户对频谱效率闭式表达式并将其最大化作为用户功率及总AP功率分配优化问题模型的目标函数；
[0012]步骤3，设置总功率约束条件，在步骤2基础上建立用户功率及总AP功率分配优化问题模型，进行初步功率资源分配；利用逐次逼近法将上述优化问题转化为一系列几何规划问题，并通过迭代算法进行模型求解，得到用户间及总AP的初步功率分配方案；
[0013]步骤4，将步骤3得到的优化参数代入BC阶段频谱效率，构建基于max
‑
min的AP间功率分配优化问题模型，采用二分法将上述模型转化为一些列等价凸可行性问题，求解出AP间功率分配，进而采用联合逐次逼近以及max
‑
min迭代的改进算法实现对所有用户及AP间最优功率分配。
[0014]进一步地，本专利技术的所述步骤1的方法具体包括：
[0015]构建的低精度双向无蜂窝大规模MIMO系统模型包括L个M根天线的AP和K个单天线终端用户对，且M
×
L＞＞K；在长度为τ
p
的导频持续时间内，AP l端的接收导频矩阵表达式为：
[0016][0017]其中，ρ
p
为归一化导频功率，为用户T
A,k
和AP l端之间的信道向量，为用户T
B,k
和AP l端之间的信道向量；ξ
X,k
为T
X,k
的导频功率控制系数且T
X,k
∈{T
A,k
,T
B,k
}，为T
X,k
发送的正交导频序列且此外，为接收噪声矩阵；在AP l端接收到导频信号矩阵后对其进行量化处理，利用加性量化噪声模型，量化后的信号表达式为：
[0018][0019]其中α
l
∈[0,1]为AP l端与量化比特b
l
有关的线性量化系数，当b
l
取值为1,2,3,4,5时，α
l
取与之对应的一系列值，当b
l
＞5时，α
l
近似表示为此外N
tr,l
表示用户噪声矩阵，其协方差矩阵表达式为：
[0020][0021]在对信号矩阵量化后，AP进行解调操作，将量化信号投影到上，产生解调信号基于最小均方误差准则，用户T
A,k
到AP l间的估计信道表达式为：
[0022][0023]其中β
A,lk
为AP l端到T
A,k
信道的大尺
度衰落系数。
[0024]进一步地，本专利技术的所述步骤2中推导出系统总频谱效率闭式表达式的方法具体包括：
[0025]在MAC阶段，所有用户对同时向AP发送数据，设置第k个用户对发送的上行数据符号为q
A,k
和q
B,k
，满足AP l端量化后的接收数据向量表示为：
[0026][0027]其中，ρ
u
为归一化上行链路信噪比，η
X,k
为用户对k的功率控制系数，0≤η
X,k
≤1；基于最大比率联合接收机，AP l端利用估计信道构建解码矩阵，将与做内积后经前传链路发送给CPU，则CPU接收到用户对k的总解调信号为：
[0028][0029]基于解码转发协议，CPU将解调出的数据符号向量发送给所有AP，AP利用最大比率传输发射机将数据符号调制为传输信号：
[0030][0031]其中，q
A
＝[q
A,1
...q
A,K
]和q
B
＝[q
B,1
...q
B,K
]为数据向量，η
A,l
＝diag(η
A,l1
...η
A,lK
)和η
B,l
＝diag(η
B,l1
...η
B,lK
)为AP l功率控制系数矩阵；
[003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低精度双向无蜂窝大规模MIMO系统功率分配方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1，构建低精度双向无蜂窝大规模MIMO系统模型，利用上行正交导频对信道进行估计，推导出最小均方误差估计信道；步骤2，基于构建的低精度双向无蜂窝大规模MIMO系统模型，分别计算MAC阶段频谱效率闭式表达式和BC阶段频谱效率闭式表达式，联合两阶段推导出用户对频谱效率闭式表达式并将其最大化作为用户功率及总AP功率分配优化问题模型的目标函数；步骤3，设置总功率约束条件，在步骤2基础上建立用户功率及总AP功率分配优化问题模型，进行初步功率资源分配；利用逐次逼近法将上述优化问题转化为一系列几何规划问题，并通过迭代算法进行模型求解，得到用户间功率及总AP功率的初步分配方案；步骤4，将步骤3得到的优化参数代入BC阶段频谱效率，构建基于max
‑
min的AP间功率分配优化问题模型，采用二分法将上述模型转化为一系列凸可行性问题，求解出AP间功率分配，进而采用联合逐次逼近以及max
‑
min迭代的改进算法实现对所有用户及所有AP间最优功率分配。2.根据权利要求1所述的低精度双向无蜂窝大规模MIMO系统功率分配方法，其特征在于，所述步骤1的方法具体包括：构建的低精度双向无蜂窝大规模MIMO系统模型包括L个M根天线的AP和K个单天线终端用户对，且M
×
L＞＞K；AP l端接收导频矩阵表达式为：其中，ρ
p
为归一化导频功率，τ
p
为导频长度，为用户T
A,k
和AP l端之间的信道向量，为用户T
B,k
和AP l端之间的信道向量；ξ
X,k
为T
X,k
的导频功率控制系数且T
X,k
∈{T
A,k
,T
B,k
}，为T
X,k
发送的正交导频序列且此外，为接收噪声矩阵；在AP l端接收到导频信号矩阵后对其进行量化处理，利用加性量化噪声模型，量化后的信号表达式为：其中α
l
∈[0,1]为AP l端与量化比特b
l
有关的线性量化系数，当b
l
取值为1,2,3,4,5时，α
l
取与之对应的一系列值，当b
l
＞5时，α
l
近似表示为此外N
tr,l
表示用户噪声矩阵，其协方差矩阵表达式为：在对信号矩阵量化后，AP进行解调操作，将量化信号投影到上，产生解调信号
基于最小均方误差准则，用户T
A,k
到AP l间的估计信道表达式为：其中β
A,lk
为AP l端到T
A,k
信道的大尺度衰落系数。3.根据权利要求2所述的低精度双向无蜂窝大规模MIMO系统功率分配方法，其特征在于，所述步骤2中推导出系统总频谱效率闭式表达式的方法具体包括：在MAC阶段，所有用户对同时向AP发送数据，设置第k个用户对发送的上行数据符号为q
A,k
和q
B,k
，满足其中X∈{A,B}；AP l端量化后的接收数据向量表示为：其中，ρ
u
为归一化上行链路信噪比，η
X,k
为用户对k的功率控制系数，0≤η
X,k
≤1；基于最大比率联合接收机，AP l端利用估计信道构建解码矩阵，将与做内积后经前传链路发送给CPU，则CPU接收到用户对k的总解调信号为：基于解码转发协议，CPU将解调出的数据符号向量发送给所有AP，AP利用最大比率传输发射机将数据符号调制为传输信号：其中，q
A
＝[q
A,1
...q
A,K
]和q
B
＝[q
B,1
...q
B,K
]为数据向量，ηA,l＝diag(ηA,l1...ηA,lK)和η
B,l
＝diag(η
B,l1
...η
B,lK
)为AP l端功率控制系数矩阵；H
l
和G
l
为估计信道矩阵；利用最差非相干噪声理论方法，用户T
X,k
在MAC阶段的信噪比表达式为：第k个用户对在MAC阶段的总信噪比表达式为：用户T
X,k
在BC阶段的信噪比表达式为：
其中ρ
d
为归一化下行链路信噪比；用户对k在BC阶段的总信噪比表达式为：系统吞吐量受到MAC阶段和BC阶段信噪比综合影响，第k个用户对的频谱效率闭式表达式为：其中τ
c
为相干间隔。4.根据权利要求3所述的低精度双向无蜂窝大规模MIMO系统功率分配方法，其特征在于，所述步骤3中建立用户功率及总AP功率分配优化问题模型的方法为：将用户功率及总AP功率分配优化问题转化为一系列几何规划问题，并通过η
A,k
，η
B,k
和p
d
获取用户功率及总AP功率分配最优解，优化问题表示如下：subject to0≤η
A
≤1,0≤η
B
≤1,0≤p
d
R
k
≥R
min
,k＝1,...,K...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘佩，崔加喜，周宏宽，阳俊，王克浩，孔德进，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：