低发射天线选择在大型空间调制系统

文摘

发射天线选择(助教)是一种有效的方法提高系统性能的空间调制(SM)系统。然而,对于大规模的多输入多输出(MIMO)配置,计算复杂度的助教在大规模SM极高,该法案禁止TAS-SM的应用在实际大规模MIMO系统未来5 g无线通信。为解决这个问题,本文两个小说低助教计划,命名为norm-angle引导部门(NAG-SD)和基于阈值的子集NAG-SD的提出提供一个更好的计算复杂度和系统性能之间的权衡。仿真结果表明,该方案可以实现更好的性能比传统的助教计划,同时有效降低了计算复杂度在大型空间调制系统。

1。介绍

最近,空间调制(SM) [1- - - - - -3)提出了一个高效、低实现多输入多输出(MIMO)无线系统。在SM-MIMO,只有一个发送天线被激活在每一个时间段,它在系统设计中引入了一些特殊的优势。最重要的是,SM-MIMO可以应用在一个无线电频率(RF)系统通过切换传输天线,它有效地降低了MIMO系统的实施成本,特别是对大规模分布式天线(4,5)与大量的发送天线。一般来说,大规模SM-MIMO有潜力被利用在未来5 g无线通信,比如下行大规模分布式天线(6],继电器[7和全双工8)协助基站,毫米波通信系统(9),提高体验上的品质(体验质量)的未来无线系统(10]。

在SM的接收机系统中,最大似然(ML)检测算法(11)提出了获得最优的系统性能。为进一步改善系统性能在有限的反馈,联系开发适应改变收发器参数等(11- - - - - -17]。在当前链接适应计划,发送天线选择(助教)12,13)是一种有效的方案,充分探索额外的天线资源为提高性能。

SM-MIMO链接适应包括助教,最优准则是设计通过最大化最小欧氏距离的联系(ED)的合法传播向量(12,13]。然而,ED-based标准将消耗大穷举搜索的复杂性。在[14,15),提出了一些简化ED-based算法复杂度较低。一般来说,对于大规模传输天线,ED-based标准是极其困难和不切实际。

进一步减少ED-based算法的复杂性,一些候选人助教标准开发,如在12,16,17]。更具体地说,在12),容量优化天线选择(农委会)提出,在最大的天线选择弗罗贝尼乌斯信道矩阵中的列的标准。农委会复杂性较低,但其性能不是比得上ED-based标准。另一方面,出于文献[18)负责传递向量之间的角度,角度的相关性被认为是另一个助教标准(16,17]。例如,天线选择基于天线相关性(因为ac)开发的(17]。然而,计算复杂度搜索最好的天线相关性(17高,性能还不与最优标准。

为缓解传统助教的高复杂性的方法,在本文中,我们提出一种新颖的低助教计划norm-angle引导子集划分(NAG-SD)。新助教准则不仅提出了考虑弗罗贝尼乌斯信道矩阵中的列的规范,但也列向量之间的角度。我们将表明,该方案可以实现更好的性能比传统的助教计划,对大规模SM相当复杂。此外,根据拟议中的NAG-SD计划,介绍了预设阈值为进一步降低计算复杂度。我们将展示所谓的基于阈值的NAG-SD方案可以提供一个平衡的系统的性能和计算复杂度之间的权衡。

剩下的纸是组织如下。部分2概述了系统和信号模型,总结了几种传统的助教在空间调制方案。拟议的助教算法中引入部分3,部分4仿真结果的报告。最后,部分5总结了纸。

2。传统的SM和助教计划

假设SM-MIMO系统传输和在平坦瑞利衰落信道接收天线。如果选择发射天线的天线子集,包含发射天线,是由一个助教标准在接收端进行。接收者决定所选子集,,在那里是所有可能的集合传输的天线子集。然后接收者将通知发射机的索引选择天线子集。

在每个时间段,数据被映射到传输矢量 哪里的复数,,选择从必要正交振幅调制(-QAM)星座,,只有一个非零值1,选择从维向量。一般来说,传输向量代表位,是传输发射天线。在接收方,接收信号向量可以表示为 在哪里是信道矩阵之间的信道衰落系数th传输和th接收天线,用,被认为是独立同分布的先验知识。复杂的高斯随机变量与零均值和单位方差,即,的元素维噪声向量高斯随机变量服从吗,在那里声音的力量。

使用ML检测标准,传输的最佳估计向量可以由象征 在哪里是所有可能的传播符号的集合。

然而有很多助教SM-MIMO算法,如ED-based [12,13]中提到的部分1,消耗大穷举搜索的复杂性。此外,一些简化ED-based助教算法开发减少复杂性,比如欧几里得距离优化天线选择(eda) [14),eda reduced-low-complexity (RLC) [2],奇异值分解)eda (15]。由于传输天线在大型分布式天线的数量是巨大的,这些算法是不切实际的高复杂性。此外,农委会[14复杂性较低,但其性能不是与ED-based标准,因此不能直接适用于大规模的SM。因此,有必要开发新方案使平衡的复杂性和性能之间的权衡。在下一小节,我们阐述两个典型的传统的助教计划,ED-based和弱点分别强调对性能和复杂性。

2.1。ED-Based助教

为SM-MIMO ML检测接收机的性能由最小欧氏距离定义为 在哪里是传播符号集的星座吗。然后,次优的助教计划是选择的天线子集最大化最小欧氏距离,可以制定 在哪里是所有可能的候选子集传输天线组合和是一种替代信道矩阵的子集。这一标准给出了最优性能的比特误码率(BER)。然而,这欲望的穷举搜索高计算复杂度尤其是大QAM调制星座。几个简化ED-based助教算法开发减少复杂性,比如eda (12],EDAS-RLC [13),圣言eda (15]。

2.2。容量优化天线选择

农委会算法(12)作为一种高效的助教判据,相对应的天线信道矩阵的列选择弗罗贝尼乌斯限额。该算法可以表示为 在哪里是信道矩阵的列。具体而言,是矩阵的列。代表所需的天线子集。检验标准是基于复杂性较低,而ED,相当大的性能损失为代价的。

3所示。提出了大型助教计划SM-MIMO

3.1。NAG-SD方案

根据当前的文学,它是一个挑战的问题设计一个助教标准提供一个平衡的性能和复杂性之间的权衡。本文基于传统- coa和angle-based准则,提出了一种混合助教则NAG-SD认为规范和传输SM-MIMO信号向量的角度。拟议的标准旨在选择优化信道矩阵从而增加传输的角度向量以及渠道收益。阐述我们的算法之前,我们给矢量角的定义 在哪里和两个传输信道矩阵的列向量。

首先,我们考虑一组和传播向量弗罗贝尼乌斯最大的规范,作为基准 和分类其余列在这些频道基于他们的角度选择的向量

假设第一个选择发送向量是,。然后可以分为信道矩阵的列作为子集,。对于每个子集早些时候,规范和之间的角度选择传输向量和其他正在考虑。

我们定义两组和,它代表了整个天线选择和索引,分别。然后两个集合中的元素的数量被定义为

在第一步中,第一个选择的天线是列弗罗贝尼乌斯最大的规范,,,然后将其添加到作为

因此,仍然存在元素。此外,th一步,我们计算之间的角度()th天线和剩余的天线并选择天线满足

因此被添加到。上述过程将继续,直到对于每个子集;

最后,选择所需的天线表示为

一般来说,算法提出的助教计划可以概括1。

3.2。基于阈值的NAG-SD方案

在本节中,我们表明,提出的复杂性NAG-SD助教方案可以进一步通过引入预设阈值降低。我们首先分析弗罗贝尼乌斯规范传播向量的分布为进一步简化处理。因为每个条目是一个i.i.d.随机变量分布,是一个渔政船传输矢量,;然后遵循一个卡方分布的自由度。因此它的概率密度函数(PDF)给出

指出,当大于,不到,PDF和之间的关系几乎是线性如图1。这个观察激励我们这种关系模型 在哪里弗罗贝尼乌斯标准的通道列,的概率表示,和是两个常数取决于接收天线的数量。例如,对于一个系统和根据(15)和(16),我们有

的概率可以被认为是选择天线的数量比天线的总数。例如,一个给定的 确定的阈值选择大型弗罗贝尼乌斯传播向量规范。该方案可以被描述为以下步骤。第一阶段调用几乎相同的步骤,所述检验或以上,也就是说,计算通道列的弗罗贝尼乌斯规范并与阈值进行比较。如果,然后选择天线。假设天线选择。可能会有差异和所需的,写成,所以我们随机增加或减少获得所需数量的天线。

基于阈值的NAC-SD方案调用过程如上所描述的方案几乎相同,只是第一步。在第一步中,我们计算传输的弗罗贝尼乌斯标准向量和判断是否高于预设阈值。如果,选择天线。假设天线选择的第一步,剩下的天线选择和加工的加工NAC-SD助教中给出的算法1。

3.3。复杂性分析

在本部分中,分析了计算复杂度和计算实际浮点运算的数量(失败)。拟定NAG-SD方案,计算弗罗贝尼乌斯列向量的规范,将失败了。和计算两列之间的角度和需要失败,所以角计算给出的数量

因此,失败的总数NAG-SD计算 在哪里,,代表的数量传输天线,接收天线,和所需的天线子集,分别。

同样,基于阈值的计算复杂度NAC-SD也可以计算。首先,考虑到基于阈值的NAC-SD统计的失败。如果,th天线将选择;然后失败的数量写成

在的情况下,选择处理NAG-SD是一样的。一般来说,失败给出了基于阈值的NAG-SD的总数

根据上面的分析,我们给一个进一步的例子来比较当前助教计划的复杂性。假设SM-MIMO系统,,目前的方案中,比较计算复杂度展示在表1。一般来说,我们表明,该方案可以大大减少计算复杂度比原来的方法。

4所示。仿真结果

在本节中,我们验证拟议的SM助教计划系统在大规模传输天线配置,并将它们与传统ED-based比较和检验或助教的方法。我们假设一个平等权力每传输天线分配活动,和瑞利平衰落信道的信道状态信息是完全估计接收者。最优毫升探测器被部署到接收器。

数据2和3显示该NAG-SD的误码性能,基于阈值的NAC-SD,农委会,传统的SM在不同条件下。我们考虑一个大规模SM-MIMO系统使用,,QPSK调制。作为参考,还包含了传统的SM的性能。它可以看到从图2提出两个助教的方案比传统SM方案和检验2.5 dB的方方面面10⁻³,分别。计算复杂度也研究和统计如图4。一般来说,仿真结果表明,该方案可以平衡传输性能和计算复杂度之间的权衡,相比传统的助教计划。

5。结论

在本文中,我们提出了一种新颖的助教计划,命名为norm-angle引导分裂和基于阈值的子集NAG-SD的了空间调制结合大的环境。我们表明,该方案实现减少相当大的实现复杂度比传统的次优的大规模SM的助教。同时,该方案被证明能够实现10约2 - 3 dB误码率⁻³相比传统的计划。总的来说,该方案可用于未来5 g SM联合大规模MIMO无线通信,通过平衡的传输性能和计算复杂度之间的权衡。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由美国国家科学基金会支持部分批准号下的中国61471090,国家移动通信研究实验室的开放研究基金,东南大学(没有。2013 d05),国家重点实验室的基础工程科学技术在通信9140 c020108140c02005格兰特,和中国国家高科技研发项目(“863”项目批准号2015 aa01a709)。

引用

1. m·d·伦佐·h·哈斯,a . Ghrayeb s Sugiura和l . Hanzo“广义分布式天线的空间调制:挑战、机会和实现,”IEEE学报》,卷102,不。1,56 - 103,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. m·d·伦佐·h·哈斯和p . m .格兰特,“复合天线无线系统的空间调制:一项调查,“IEEE通讯杂志卷,49号12日,第191 - 182页,2011年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. 肖·杨·m·d·伦佐·y, s . Li和l . Hanzo”对于空间调制的设计指导方针”,IEEE通信调查和教程,17卷,不。1,6-26,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. j . Hoydis美国十边缘,m . Debbah”大规模分布式天线蜂窝网络的UL / DL:我们需要多少天线?”IEEE在选定地区通讯》杂志上没有,卷。31日。2、160 - 171年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. f . Rusek d·佩尔森,b . k .刘et al .,“扩大米姆:机遇和挑战非常大的数组”IEEE信号处理杂志,30卷,不。1、奖金,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. 郑k, l .赵j .梅邵,w•香和l . Hanzo大规模MIMO系统的调查,“IEEE通信调查和教程,17卷,不。3、1738 - 1760年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. t .烹调的菜肴,f·高和X.-D。张,”联合资源调度relay-assisted宽带认知无线电网络,”IEEE无线通信,11卷,不。9日,第3100 - 3090页,2012年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. f·朱,f·高,m .姚明,h .邹”联合信息和干扰波束形成与全双工基站对物理层安全,”IEEE信号处理,卷62,不。24日,第6401 - 6391页,2014年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索|MathSciNet
9. 郑k, l .赵j .梅m . Dohler w·香和y .彭,“10 Gb / s hetsnets毫米波通信:访问和网络挑战和协议,”IEEE通讯杂志,53卷,不。1,第231 - 222页,2015。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. 张x k .郑,郑,w•香和l . Hanzo”体验上的品质评估及其应用在LTE网络视频服务,“IEEE无线通信,22卷,不。1,第78 - 70页,2015。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. 肖·杨y, l .李问:唐,y,,李,“有限的空间调制反馈链接的适应,”IEEE车辆技术,卷61,不。8,3808 - 3813年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. r . Rajashekar k . v . s .哈里,l . Hanzo”天线在空间调制系统中,选择“IEEE通信信,17卷,不。3、521 - 524年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. n·皮莱和x Hongjun”,评论在空间调制系统中,天线选择”IEEE通信信,17卷,不。9日,第1683 - 1681页,2013年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. 吴x, m·迪伦佐·h·哈斯”直接传输天线选择传输优化空间调制”第78届IEEE车辆技术研讨会论文集(职业训练局下跌13)IEEE,页1 - 5,拉斯维加斯,内华达州,美国,2013年9月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. k . Ntontin m·d·伦佐·A . i Perez-Neira和c . Verikoukis”低方法在空间调制系统中,天线选择”IEEE通信信,17卷,不。12日,第2315 - 2312页,2013年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. 肖y l . Li, w·李,李,“基于发射天线的空间调制方法选择MIMO(多输入多输出)系统,”CN201210179492,2012。视图:谷歌学术搜索
17. 林z周:通用电气,x,“降低复杂性天线选择方案在空间调制,”IEEE通信信,18卷,不。1、14 - 17,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. s . j . Wang贾,j .歌曲“空间调制信号基于矢量的检测计划,”IEEE通信信,16卷,不。1,19 - 21页,2012。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

版权

版权©2015彭魏等。这是一个开放分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。