文摘

众多的大型阵列天线系统低功率基站天线部署,也称为巨大的多输入多输出(MIMO),可以提供大量的优势传统阵列天线系统。预编码利用大规模分布式天线性能很重要,和码书设计由于有限的反馈渠道是至关重要的。在本文中,我们提出一种新的大道的码书设计基于Kronecker-type近似均匀的矩形阵列相关结构的天线阵,这是可取的天线部署大规模的再分配。尽管反馈开销是相当有限的,码书设计可以提供一个有效的解决方案来支持多个用户在不同的场景中。仿真结果表明,我们建议的码书明显优于先前已知的电报密码本。

1。介绍

高效的数据需求增加得越来越快与新一代的设备(智能手机、平板电脑、上网本等)。然而,巨大的需求增长几乎可以满足当前的无线系统。众所周知,MIMO信道,由部署在发射机和接收机天线阵列,承诺高容量和高质量的无线通信链路的空间复用和多样性。基本上,天线发射机或接收机配备,自由度越多,传播渠道可以提供,和系统可以提供更高的数据速率。因此,有大量的工作在社区内研究和开发大规模的MIMO技术,这是现在的一个热门话题(1]。

对于多用户MIMO系统,我们可以利用预编码来探索大规模分布式天线潜力。预编码技术的本质是减轻interuser干扰和提高有效的接收信噪比。在发射机,信道状态信息(CSIT)是一个重要的组件,当试图最大化大规模分布式天线通过预编码性能。在时分双工(TDD)系统,可以利用通道互惠的飞行员培训上行获得完整的CSIT,但飞行员污染和不完美的信道估计基于上行飞行员CSIT会导致错误。在频分双工(FDD)系统,CSIT应当获得通过反馈信道,在实践中通常是有限的。因此,一组有限的预编码矩阵,名叫电报密码本,应该预先设计的接收机和发射机。接收者选择最优预编码矩阵的电报密码本根据信道状态信息(CSI)和报告的预编码矩阵指示(PMI)发射机通过有限反馈通道(2]。通过这种机制,系统可以获得性能改进利用精心设计的电报密码本。

对于传统的MIMO系统,提出了几个码,比如Kerdock电报密码本(3],基于矢量量化码书[4),Grassmannian包装(5),离散傅里叶变换(DFT) [6),正交调幅(7]。基于矢量量化码书已经考虑到了通道分布但必须重新设计当通道分布变化。不相关的渠道,Grassmannian近优码,但其建设需要数值迭代,和高的存储要求。Kerdock码简单的制度建设,显著低存储和选择计算需求由于有限的第四纪字母表。然而,Grassmannian电报密码本和Kerdock速率不优化了相关频道当密集()天线阵列。这种情况下,大量相关性可以更好地反映在DFT电报密码本。

传统上,均匀线性阵列(齿龈)设置采用分布式天线系统。但考虑约束阵列孔径和审美因素,齿龈设置不适合大规模分布式天线。此外,线性阵列天线元素相同的增益模式(例如,各向同性元素)带来的正反面模棱两可的问题,也不能解决信号路径方位和仰角(8]。由于这些原因,大规模的分布式天线可以使用二维数组结构,如均匀矩形数组(URA所言)。然而,当前的DFT电报密码本提案未能做好新天线布局,由于电报密码本建筑是针对线性阵列,如齿龈。因此,我们需要一个新的计划来构造的码书,以更好地反映信道特性。

本文概述如下。节2介绍系统模型。节3,我们现在的码书设计包括URA所言的小说码书设计的目的。然后,我们分析了信道容量和评估不同的电报密码本部分的性能4。最后,我们给出一些结论部分5。

2。系统模型

在本文中,我们集中在下行传播的一个巨大的MIMO系统,也就是说,巨大的天线的基站(BS)发射机和接收用户设备(UE),我们采用多用户MIMO传输架构与反馈预编码机制,如图1。BS配备发射天线,问题与接收天线,每个的BS细胞;和空间复用问题的最大数量。在本文中,我们假设,,。

为了报告来自接收者的CSI发射机通过有限反馈通道,我们需要初步设计密码本。码字的码书包含一个列表在发射器和接收器,每个通道的反映了一个国家在特定的时间,接收方只能报告索引内的码书,叫做PMI,发射机;然后发射机获得PMI和查询码完成预编码过程。

对于接收机的码字选择,我们可以采用容量选择标准(5]给出的信道增益最大化的信道矩阵通过遍历整个电报密码本:

一种在MIMO系统中,我们需要选择问题同时提供更多的问题。因此,调度模块必须选择适当的问题。所有问题应当向自己请求的密语;然后我们可以找出问题将按照一定的调度安排的标准。确定预定的问题后,发射器启动数据传输过程如下:首先,多路复用流用向量选择从用户数据流根据多用户调度系统中输入模块;其次,数据预处理预编码器由结合形成问题的请求码字列的列,得到传输信号: 在哪里,,表示计划的代号。为了清晰没有误解,我们使用而不是在以下表达式。

后通过通道和添加噪声,我们将接收到的信号: 在哪里表示信道矩阵的大小()的条目表示复杂的信道响应的传输的天线th问题的接收天线,是添加剂复高斯白噪声(AWGN)向量和协方差矩阵。的问题,接收到的信号是

后问题获得估计信道矩阵通过信道估计,解调接收信号:

如果接收机的干扰并不知道,这意味着它被视为噪音的一部分,匹配滤波器(MF)通常是采用:

3所示。码书设计

的码书设计是一个量化的问题,我们应该平衡精度和比特的开销。Grassmannian码书将提供最优的解决方案完全不相关的频道(5),但它不是适合大规模的MIMO系统由于其高维空间的施工困难。Kerdock可以很容易地扩展到大规模传输天线由于其制度建设和低码字选择的复杂性。然而,像Grassmannian码书,Kerdock码书仅适用于不相关的渠道。高度相关渠道,DFT码能够响应通道相关性提供了一个不错的选择。自从渠道可能高度相关可能由于密集阵列利用巨大的天线系统,我们专注于大规模分布式天线的DFT速率及其扩展的部署。

3.1。传统的DFT电报密码本

密集阵列,包括crosspolarized和copolarized,意味着某些空间相关性结构可以使用通道压缩到一个低维数的有效途径。这样的设置,通道空间相关和空间协方差矩阵可以近似与密集使用其特征向量()数组。DFT线性码书设计目标线性密集阵列,它有两个独立的部分代表长期和短期通道状态,分别为(6,9]。第一个码字长期反馈部分包含多个光束,光束覆盖整个空间在宽带信号的间隔太近数组,因此获取信道的相关性属性。第二个码字在短期内反馈部分结合梁捕捉短期变化。最后的预编码器是由

这是齿龈(DFT码书设计10]。指出设计基本上来自于自适应码书的概念(11]。在假设信道相关性与多个天线的发射机和接收机与单天线,可以计算预编码器 在哪里信道的空间协方差矩阵吗,也就是说,,是一个码字的统一的电报密码本。自适应码书是众所周知的在相关频道提供良好的性能,特别是对于种在MIMO。在实际应用中,双码是利用反馈开销降到最低。发射机和接收机可以共享的知识矩阵通过反馈码字。这反馈开销很低,即使的信息是巨大的,因为反馈间隔可以很长的由于稳定通道相关性。除此之外,第二个码字报告更频繁地代表短期变化。预编码器的能够适应的角度传播渠道覆盖瞬时子空间在整个乐队。

密集的copolarized数组()天线元素,码字在长期的反馈速率表示为 在哪里(DFT)旋转矩阵的大小,DFT矩阵的总数,可以表示为每个元素 在哪里和。在这里,我们有和,在那里码书大小,即反馈开销(位)。

而第一个码字描述信道的相关属性,第二个码字由梁选择向量。自的大小和能量问题通常是有限的,经常只有一个天线在实际就业。因此,1级渠道对于当前种在MIMO至关重要。为“1级”频道的形式 在哪里是一个选择1的向量行,别的都是0表明指数在第二部分的速率。

上面是线性密集天线的结构元素。在这样的场景与显著相关频道,DFT-based码能够回应相关。然而,对于二维天线阵列,英吉利海峡的长期统计特性不能直接反映在DFT向量,由于每个DFT向量只能代表发出的光束,线性密集天线元素。因此,我们需要扩展DFT速率适应二维数组结构,喜欢的。

3.2。拟议的电报密码本

3.2.1之上。Kronecker-Type近似的相关性

在本文中,我们考虑一个URA所言躺在飞机与设在一个平行的边缘设在其他垂直边缘平行,如图2以64年copolarized天线为例。

我们假设天线元素之间的相关性不依赖于天线元素吗及其相关矩阵被称为矩阵;在的相关性不依赖于天线元素吗及其相关矩阵被称为矩阵。因此,我们有以下Kronecker-type近似的相关矩阵(12]: 在哪里克罗内克积表示。

公式(12)表明,在相关矩阵是两个齿龈的克罗内克积相关性矩阵和。这个近似模型是合理准确,使成熟的托普利兹矩阵理论分析多维天线阵列。在下面,我们以Kronecker-type近似模型为理论基础的第一个码字建设。

3.2.2。电报密码本建筑

定理1。如果和矩阵对角化的平方,然后呢

证明。首先,我们证明为对角矩阵和。
假设,,然后 一个矩阵如果有一个矩阵是对角化的和一个对角矩阵这样。在这种情况下,的平方根是。这个规则,我们可以证明方程矩阵对角化的广场和。
假设和,然后 公式(15)和(16)利用克罗内克积属性包括混合积性和逆性(13]。
因此,。

自从第一个码字反映了相关频道,我们将设计来满足

与公式(12)和定理1,我们有

因此,假设和是两个DFT旋转矩阵为这种两个正交设计,我们可以构造为在克罗内克积的两个矩阵: 在哪里表明指数在长期反馈码书,和表示索引DFT旋转矩阵的两个方向,分别。我们有以下: 在- 64图2作为一个例子:我们有,,与的大小。

的建设是一样的齿龈的目的(见公式(11))。

4所示。评价

4.1。频道报道

本文为等级1码这意味着用户空间流的数量是1,我们定义渠道覆盖率作为增益使用电报密码本相对增益获得的MF和完美CSIT预编码: 在哪里表示码的码字选择和与完美CSIT最优预编码矩阵。频道报道可以用作度量质量的量化码书。

4.2。和速度

为了评估预编码性能在多用户MIMO系统中,我们可以使用总和率指标。的下行系统,最优总和率可以通过干扰presubtraction编码称为脏纸编码的技术(DPC),只要发射机已完美的边信息的加性干扰接收机(14]。最优DPC总和的多用户情况下给出如下15]: 在哪里是一个对角矩阵的功率分配的因素在其主对角线和。

图3描述了最优率和曲线通过DPC种在MIMO的安排问题装备single-receive天线10 dB信噪比以下设置。自定义的曲线为不同的仿真结果场景(16),包括城市宏单元(UMa)、城市微细胞(UMi)和室内热点(异烟肼)的部署很近,我们只画曲线的乌玛场景图。从结果中,我们可以看到,最优和加息的对数线性增加也就是说,我们需要双天线的数量以提高大约的能力bps / Hz。然而,对于大量的传输天线,信号处理复杂度,为众多用户调度算法的复杂性,和CSI反馈开销是相当高的,这可能掩盖获得的能力。

而最优总和率可以作为上界的有限反馈预编码,实现和使用量化码率的预编码系统可以用作电报密码本的质量的一个重要指标17]。种在MIMO系统,如果信道估计被认为是理想的(例如,),每个传输天线是统一的力量,采用MF接收机(见公式(6)瞬时可实现的总和率可以表示为 在哪里将用户的数量,信噪比(信噪比)总传输功率,的列向量表示问题的信道矩阵,是它的请求码字。

推导。接收到的信号问题可以表示为

与公式(6),解调信号可以写成 和解调信号的力量

指出,第一项是希望的力量信号,第二和第三的表示噪声和干扰的力量,我们可以计算出SINR如下:

因此,我们有瞬时实现总和率表达式给出的公式(24)。

遍历实现率可以表示为

为了评估的电报密码本可以实现的总和率指标,我们采用蒙特卡罗模拟方法和瞬时值的算术平均值作为输出指标在不同通道实现。算法的伪代码描述的仿真流程1。

4.3。结果

根据评估指标,本节我们提出一些仿真结果。获胜者二通道模型(18)可用于仿真的齿龈部署。但它需要修改以支持的部署。因此,我们扩展模型高度角相关联路径生成的原始赢家II模型和关联高程数据与其他大规模的衰落参数。不失一般性,我们把64的情况下传输天线为例对绩效评估在不同的场景不同的码书设计。为了清晰、传统的齿龈和DFT电报密码本拟议中的URA所言DFT速率称为DFT-ULA DFT-URA,分别。

表1给出了参数配置以下模拟。我们正在讨论电报密码本的能力反映了信道相关性,我们专注于设计的第一个码字DFT码;因此,我们将,这意味着码只有一个第二码字;也就是说,。

4.3.1。频道报道

固定数量的传输天线,码书可以扩大为了提高量化精度,但反馈开销限制码书大小和码字选择复杂性将成为一个重要的瓶颈。因此,我们有必要探讨电报密码本的性能与不同的反馈开销限制。图4介绍了渠道覆盖由公式(22)作为反馈开销的函数(DFT-ULA), DFT-URA, Kerdock电报密码本在不同仿真结果与的部署场景。有人指出的最大数量的Kerdock码码字64 -维空间是4096,因此,曲线结束的12位反馈开销。从曲线,我们可以看到,当反馈开销大于10位,改善变得无关紧要。总之,反馈的8 ~ 10位,64年发射天线来说是足够的。这种反馈开销接近LTE-Advanced释放10的8位等级1码书八crosspolarized天线利用(19]。此外,有效的方法(20.)可以用来进一步降低反馈开销。

4.3.2。可实现的和速率

我们已经运行了种在MIMO模拟算法中描述1与10位反馈开销(例如,),结果在图所示5和6。

图5说明了曲线的函数的数量安排问题(在乌玛的场景。从曲线,我们可以看到DFT-URA优于其他码的不同数量的问题dB。图5也显示了渐近曲线,测量interuser干扰的影响。DFT-URA之间的差距和DFT-ULA表明DFT-URA可以更好地减轻inter-user干扰。除此之外,在inter-user干扰抑制的能力,DFT-URA失败时Kerdock计划问题的数量相对较大(),因为DFT-URA能够提供更多的光束针对问题分开在不同的角度位置。

图6Kerdock描绘了可实现的和速率,DFT-ULA, DFT-URA四计划问题()作为函数三种情况下的信噪比;理论曲线由公式(23)与完美CSIT给出上界。设计结果表明,DFT-URA的部署相比具有显著的性能增益DFT-ULA特别是Kerdock电报密码本在不同场景。这是因为设计基于数组的Kronecker-type近似相关结构更好地反映通道属性的,因此身体导致更精确的光束,使它适合种在MIMO的情况下问题在角域分隔空间。此外,乌玛场景中的性能优于其他两种情况,因为这种情况下具有较强的渠道关系,使DFT向量更好地适应通道。

5。结论

在本文中,我们讨论了有限反馈预编码技术大规模的MIMO系统的下行。Kronecker-type近似理论基础的数组的相关结构,我们提出了一个新颖的码书设计的部署大量密集的天线,这将可能通过大规模的再分配。码书设计构造第一码字代表全长期通道相关性在平面上两个DFT的克罗内克积矩阵生成的两个正交的这种。我们证明了该建筑理论上的有效性,验证了该码优于其他类型的电报密码本的渠道覆盖和可实现的和速率下通过模拟各种场景。提出的码书设计有助于大型阵列天线技术、预编码解决方案将可能应用于未来4 G系统之外。我们未来的工作将考虑先进的多用户调度算法以及强劲的大规模分布式天线的接收算法。

确认

这项工作由北京自然科学基金资助项目(没有。4110001)、国家科技重大项目(没有。2013 zx03003003 - 003),和三星公司。