多小区多用户大规模MIMO系统中基站合理分布的方法   0    0

多小区多用户大规模MIMO系统中基站合理分布的方法，假定系统有L个小区，每个小区有一个配备有M根天线的基站，同时，每个基站支持K个单天线用户，每个用户选择标准的4N2‑QAM星座，第l小区的第k个用户与基站之间的大尺度衰落系数为βkl，k＝1,2,...,K，l＝1,2,...,L，本发明提出大尺度衰落系数βkl应该满足下列准则：其中为大于零的实数，并且越大，系统性能越好。其中大尺度衰落系数与路径损耗之间的关系：10log10βkl＝‑PL(f,d)+χσ其中，PL(f,d)为距离为d、频率为f的路径损耗，χσ为阴影衰落；选取一个路径损耗模型，给予系统指标数γk一个取值作为合理分布基站的准则，从而求出基站与干扰用户之间的合理间距。

1.多小区多用户大规模MIMO系统中基站合理分布的方法，所述MIMO系统包括L个小区，每个小区有一个配备有M根天线的基站，支持K个单天线用户，每个用户选择标准的4N2-QAM星座，所述基站合理分布的方法包括以下步骤：
(1)确定训练序列和发送信号
假定第l小区的第k个用户先发送长度为τ的训练序列，即Φkl＝(φkl,1,φkl,2,...,φkl,τ)，其中φkl,1,φkl,2,...,φkl,τ，k＝1,2,...,K是第l个小区的第k个用户分别在第1,
2,...,τ时刻发送的训练符号；令 为K×τ维矩阵，
为LK×τ维的训练矩阵，上标t表示向量或矩阵的转置；然后发送长度为T的信息序列，形成输入信号矩阵X，其中 K×T维的Xl表示第l个小区的所有用户发送的
信息符号；假设第一个基站与Φ和X对应的接收信号分别为：
式中，Hl＝(hmkl)M×K表示第l个小区的所有用户与第一个小区基站之间的信道矩阵，信道矩阵H＝(H1,H2,...,HL)，维数为M×LK； 表示第l个小区的
所有用户与第一个小区基站的大尺度衰落系数，而βkl为第l个小区第k个用户与第一个小区基站的大尺度衰落系数，B＝diag(B1,B2,...,BL)；W0和W均表示加性高斯白噪声矩阵，它的元素是零均值单位方差的复高斯随机变量；ρ为平均接收信噪比；
(2)信道分解
第1步：对式(1)中的矩阵ΒΦ做奇异值分解，得到：
式中，U0，V0分别是KL×τ，τ×τ维的酉矩阵，D0是τ×τ维的对角矩阵；
第2步：定义一个新的矩阵P，令 由酉矩阵的特性可知PBΦ＝BΦ，则式(1)可以重新写为如下形式：
第3步：对式(4)中的矩阵PB做奇异值分解，即：
其中Uτ，Vτ都是KL×τ维的酉矩阵，Dτ是τ×τ维的对角矩阵，其主对角线上的元素全部为正值；
第4步：定义Hτ＝HUτ，使用等式IKL＝P+(IKL-P)，其中IKL表示KL维单位矩阵，则式(2)可以转换成一个等价系统模型：
其中，Ητ是M×τ维的随机矩阵；
(3)信道估计
信道Ητ的估计值为：
其中，Iτ是τ×τ维的单位向量；其中Ητ是根据发送的训练矩阵Φ和相应的接收信号Y0以及式(6)，用最小均方误差MMSE估计方法估计得到该信道的估计值；
(4)参数计算
对式(3)和式(5)中的矩阵U0、D0、V0以及Uτ、Dτ和Vτ进行具体的计算，得到等价系统模型可表述为如下形式：
其中，各参数的具体计算步骤如下：
设定每个小区使用相同的训练符号，即Φ＝(Φ0,Φ0,...,Φ0)t，Φ0是一个维数为K×K的酉矩阵，矩阵ΒΦ的奇异值SVD分解为 其中，
V0＝Φ0H
由此可得：
而且，如果令
即可得到UτDτVτH＝PB；
(5)系统分析
将原系统等价地解释为如下系统：系统的信噪比为ρτ，即 用户k采用以下星座其中，QAMkl＝{z|z＝α1ψ+jα2ψ,α1,α2∈N}， N＝2μ，μ为整数，N＝{-(2N-1),-(2N-3),...,2N-3,2N-1}，k＝1,2,…,K，l＝1,2,…,L；βkl为第l个小区第k个用户的大尺度衰落因子；为此，星座 可以分成4N2子集合，子集合 为：
定义一系统指标数γk并满足下列条件：
为大于零的实数，
与 z≠z′就会分开，从而系统的误码率就会降低，其中 表示公式(10)中z由z′替换而生成的集合，z′∈QAMk1；其中大尺度衰落系数βkl与路径损耗PL之间的关系：
10log10βkl＝-PL(f,d)+χσ     (12)
其中，PL(f,d)为距离为d、频率为f的路径损耗，χσ为阴影衰落；
选取一个路径损耗模型，给予系统指标数γk一个取值作为合理分布基站的准则，其中的γk＝0.3，根据式(11)、式(12)，从而求出基站与干扰用户之间的合理间距d，其中路径损耗模型选取室内毫米波环境下的路径损耗模型，公式如下：
PL(f,d)＝FSPL(f,d0)+10n log10(d/d0)+XPD    (13)
其中，n为路径损耗指数，XPD为交叉极化鉴别度，σ为阴影衰落偏差；
FSPL(f,d0)代表载波频率为f、参考距离为d0时的自由空间传播损耗：
其中，λ表示波长。