和速度分析的MU-MIMO 3 d天线基站利用高程特征

文摘

虽然三维(3 d)通道模型考虑海拔因素已经被用于分析多用户多输入多输出的性能(MU-MIMO)系统,少关注高程变化的影响。在这篇文章中,我们精心率之和MU-MIMO系统与3 d基站(BS)利用不同的海拔。为了说明清楚,我们考虑一个高层建筑的场景。由于楼层高度,每一层都对应于一个高度。因此,我们可以分析速度和每层的性能,并讨论其影响整个建筑的性能。这项工作可以被看作是第一次尝试分析和速度性能在现代城市高层建筑和基础设施作为参考。

1。介绍

目前,大多数研究多用户多输入多输出(MU-MIMO)是用二维(2 d)信道模型,只考虑了水平维度而忽略高程在垂直维度的影响(1,2]。然而,二维波传播的假设不再有效时环境海拔频谱是显著的。典型场景是在室内3,4和在汽车5]。使信道模型更适用,几项研究已经考虑海拔因素(6- - - - - -9]。无线计划新的广播项目二期(赢家II)释放增强信道模型,模型抵达和起飞的海拔与参数取自真实频道测深测量(10]。因此,赢家II既支持室内和室外场景中,这是一个显著的改善较空间信道模型(SCM)第三代合作伙伴计划(3 gpp) [11]。在[12),一个简化的三维(3 d)模型。该模型假定仍然电波传送的2 d平面基站(BS)。只有当海浪经过散射和到达用户,一个重要高度传播。证明了该模型在车辆室内的场景中表现良好。文献[13)提出了一种近似三维天线辐射模式,结合了两个主要削减方位(水平)和海拔(垂直)的飞机。的组合13)显示了一个可容忍的近似误差。在[14),3 d天线模式类似于(13),但它假定的收益水平和垂直方向同样加权,使得模型更加实用。

虽然海拔效应在信道建模和性能分析已经逐渐引起了研究者的关注,绝对高程变化尚未利用的讨论。高程变化对通信性能的影响是很明显的在3 d频道模型尤其是靠近基站时用户和用户分布在不同高度14]。如今,大多数建筑在现代城市有大约二十层或更多。因此,不同楼层的用户有不同的海拔。利用3 d MIMO在BS覆盖了建筑使我们能够利用用户的分布高程域能力等来提高性能。所以如何部署用户在建筑或如何调整传输天线倾角的废话来实现最佳的性能成为一个有价值的问题。一些文献,如(15- - - - - -19)曾调查用户分布对系统性能的影响。然而,的共同特征15- - - - - -19),他们认为用户分布在一个水平面。更重要的是,3 d分配了BS不考虑。在本文中,我们主要贡献之和率推导和分析了上行MU-MIMO场景中使用3 d b考虑3 d用户分布,由每层的水平分布和垂直分布不同的楼层由于3 d天线接收。

本文的贡献可以概括如下:(1)我们构建系统模型与3 d MIMO BS和引入一个几层楼的建筑。本文3 d MIMO系统的确定性和利率与最小均方误差(MMSE)接收器为单身楼和整个建筑考虑海拔因素推导出。(2)统一的用户分布,我们分析率之和MU-MIMO系统的性能对整个信噪比与不同的倾斜角度。这是表明加息和对数与信噪比,和有一个最佳的倾角和速度。(3)由于天线的辐射方向图元素在BS极大影响辐射增益和路径损耗的用户在不同的楼层,仿真结果的总和率数值分析得到最佳倾角。最优倾角可以用来调整BS的天线实现最佳性能,这是很有价值的。(4)总和的3 d MIMO系统在不同倾斜角度研究,表明,海拔高度对系统性能有很大的影响。(5)我们考虑和分析的影响3 d用户分布在不同数量的层的建设,具有非常现实的意义。因为几乎没有研究3 d用户分布,结果为实际设计可以用作参考。

本文的其余部分组织如下。系统模型和3 d MIMO信道模型提出了部分2。部分3给出了推导过程的遍历性和速度与3 d MIMO BS利用变量高度考虑3 d用户分布。我们提出一些数值结果和相应的分析部分4在我们结束了论文部分5。

2。3 d MIMO系统模型

在下面,我们考虑一个上行单细胞MU-MIMO系统3 d MIMO BS。有3 d天线接收机天线元素。用户终端(ut)传输天线元素被认为是。所有用户都位于一栋建筑地板。我们定义,,的索引th穿上地板上。的th地板了UTs满足。3 d的示意图说明考虑分布式天线系统在图中进行了描述1。本文假定b已经完美的信道状态信息(CSI),当所有UTs没有CSI。因此,优化传播策略是传输独立和平等的权力从每个UT信号。

2.1。系统模型

我们现在给前面定义的BS的系统模型和生产。接收信号向量废话的 在哪里是传输信号向量的,,。是Gaussion加性白噪声(AWGN)向量协方差与零均值和单位。是平均功率传输,所有生产中是相同的。在我们的例子中,我们有。

信道矩阵由小规模衰落矩阵接近尾声,大规模的矩阵,可作为制定 在哪里。大规模的衰落矩阵结合了阴影衰落、路径损耗和3 d MIMO衰减代表(14),它可以被定义为一个对角矩阵 在哪里是一个函数来确定信道系数的方差;也就是说,b UT的大规模的衰落,阴影衰落模型无关的,路径损耗,和3 d米姆衰减。我们在下一小节,定义的特定模型允许我们在BS模型天线倾斜功能。

2.2。3 d MIMO信道模型

出现的3 d频道简化模型(20.,21]本文采用已从事3 gpp标准(22]。为简单起见,我们假定它丢弃显式侧叶的常数获得主瓣以外。BS天线阵的天线增益。表示之间的方位角测量方位平面的直线连接的废话和设在,之间的仰角测量直线连接BS和水平面。方位和仰角的建模完成的3 d坐标系统在图表示1。我们表示BS的坐标位置,,显示的值协调,协调,分别协调。同样的,我们表示协调的价值的建筑。为方便博览会,被定义为的区别吗协调和b之间。以同样的方式,我们可以获得和。之间的距离和BS和相应的方位和倾斜角度是通过(4)

为了获得大规模的衰落(所有,天线增益计算”在分贝值”(dB)) 在哪里和是由 在哪里和表示方位和仰角的半功率束模式,分别,而和倾斜的方位前后的比例和旁瓣水平,是相对于哪一个;代表了固定定位角的BS阵列孔径相对设在;表示变量之间的BS测量倾斜直线通过光束的峰值和水平面。

所有这些模型参数得到基于实际天线中国74221523),这是一个常见的部署的天线系统,用于系统性能评估。

路径损耗由indoor-to-outdoor (I2O)和户外组件定义根据3 gpp标准模型(22]: 在哪里是路径损耗指数,它是一个关键的参数来描述信号的衰减率与收发距离,在2的范围值(对应于信号在自由空间传播)6。典型的路径损耗值4城市微细胞环境的城市宏单元环境和3 (24]。和是墙渗透损失和室内传播损耗,其值分别是由(22]。

阴影衰落,采用对数正态分布阴影衰落模型,已普遍模型描述的阴影效应在无线和卫星通信环境(25]。因此,阴影衰落系数的概率密度函数(PDF) 在哪里,而(dB)和(dB)是随机变量的平均值和标准偏差(RV)。

出于前面的讨论,我们可以得出这样的结论:大规模的衰减函数由阴影衰落、路径损耗和3 d天线衰减。因此,包含在总体损失因素是

3所示。Acheivable总和率为3 d分配

3.1。总和率为3 d分配

在下面,我们专注于遍历和3 d MIMO MMSE接收机。的均衡输出是由 在哪里检测矩阵吗和来自(1)。因此,均衡产出包含两个组件:(I)组件所需的信号和(2)interference-plus-noise组件。接收到的瞬时signal-to-interference-plus-noise (SINR)可以表示为 在哪里是MMSE匹配滤波器,它是表示为

结合(7)和(10),3 d MIMO信道矩阵和3 d MIMO MMSE过滤器可以表示为 在哪里获得直接从。

用(13)(11),输出SINR进一步表示为

作为讨论的部分2整体接收器,我们假设有足够的CSI和ut,位置信息。当地的信息容易被收购全球定位系统(GPS)或其他定位技术。因此,b可以执行MMSE检测SINR最大化。可实现的遍历性和利率是由 期望在哪里拍摄自通道被认为是遍历,这意味着相当长时间的通道(衰落)实现一个样本分布类似于信道的统计分布。

3.2。用户分布

在实践中,MIMO系统的性能不仅影响的衰落也由用户分布(15- - - - - -19]。在下面,我们认为空间用户分布,由每层两个水平面和垂直面为用户在不同的楼层。假设所有楼层的建筑模型是圆和有相同的半径。

3.2.1之上。水平的用户分布

水平面,均匀分布、高斯分布和线性。对于第一种情况,我们假设所有用户(期望和干扰用户)都是独立和均匀分布在圆楼。典型的案例是宿舍和住宅建筑。均匀分布是由的PDF PDF财产后,不难计算作为。

在第二种情况下,大多数用户都集中在中心的地板上,用户的密度沿半径往往是一个高斯曲线。典型场景等“热点”城市中心,购物中心,和办公区域。高斯分布由的PDF 在哪里和是常数。应用PDF的性质、高斯分布和概率积分,我们获得,,在那里的误差函数(26Eq (8.250.1)]。

过去的情况下,用户分布在地板上,用户的密度沿半径往往是一个线性曲线。线性分布是由的PDF 在哪里和斜率和截距,另行规定。利用PDF的财产,并不难计算的价值和作为和,分别。

3.2.2。垂直用户分布

通常在一个每层楼建筑,用户的数量变异,因为大多数购物中心和超市等“热点”总是在一楼(尤其是在中国)。所以我们假设更高浓度的用户分布在较低楼层低浓度更高的楼层上的用户。我们定义的用户分布在竖直维度的每层的用户数量概率质量函数(及)给出 在哪里代表了建筑和地板的数量表示上的用户数量之间的比率地板上,整个建筑。是一个常数,以满足所有用户的总和所有楼层的建筑是什么: 这篇论文的目的是获得3 d分配率和分析用户分布的影响和利率在构建BS倾斜角对变量。特别是,我们调查的最佳倾斜角度构建和每层的性能最大化。这在实践中是非常有趣的场景中,可以用作参考的基础设施。

4所示。数值结果

4.1。仿真假设

我们调查的速度使用蒙特卡罗模拟不同的用户分配方案。在仿真中,仿真参数设置表1。

下面的仿真,我们考虑两种构型m和米,所以BS的坐标和三层的建筑的中心,,,和,,,分别。

在下面,我们调查四种不同方案的性能如下:(1)统一的用户分布,我们评估率与信噪比不同的倾斜角度。(2)率和相应的制服,正常(高斯),并与3 d MIMO提供线性分布。(3)率和每层的三个用户分布具有相同的参数配置(1)进行了分析。(4)垂直用户分布的影响之和率显示了不同的楼层。

自米,参数计算,,,,,。为m和m的范围之间的相对角度直接从生产到BS和水平面和。

4.2。总和率和信噪比

我们首先分析的性能总和率对不同倾角的平均信噪比。在图2,它可以观察到,加息和对数平均信噪比的倾斜角度。此外,加息前倾角和倾斜角度达到临界倾角与进一步增加然后减少。

4.3。最佳倾斜和速度

系统性能图3,我们观察到有一个对应于最优性能的最佳倾角。倾角越小收益低和速度由于较小的天线增益的影响。也为更大的倾斜角度,用户体验降低由于偏离最优倾角天线增益。因此,总和率显著下降。可以看到从图2,有一个全球趋势的三个用户分布,如果我们增加或减少的倾角最佳倾角,总和率会降低。在图3,我们也看到,总和率均匀分布是下级正态分布和线性分布。这正值的结果(14),这是由于路径损耗和最佳倾斜效果之间的权衡。

图4显示了距离总和率结果与参数设置m。为这三个用户分布,表现类似由于非常小和高路径损耗角不同。这表明,对于大距离设置,用户分布和利率的影响非常小,可以忽略由于BS和生产之间的距离。

从数据3和4,可以得出一些结论。首先,全球的趋势是相似的,因为两个数据相同的趋势对天线增益和路径损耗。第二,统一用户分布有更好的性能比正常和线性由于路径损耗和倾角效应之间的权衡。第三,后者图产量以来小倾角范围小和路径损耗很大,而角变化较小。此外,用户分布的影响更重要的图3比图4。

4.4。每层的性能

在本部分中,我们关注的影响最优倾角和BS和生产之间的距离总和率为每层楼。为此,我们调查率之和为这三个用户每层分布参数一样的部分4.2,然后我们调查倾角的影响。为米图5可以看出,最优倾斜角度的三个用户分布非常相似,最优倾角为单个地板有些不同。此外,适当的用户分布可以提高率之和。这两个结果是非常有用的在现实中最大化系统的性能。为米图6这是一个更有趣的案例,用户分布和速度的影响可以忽略由于更高的路径损耗。因此,倾斜角度的关键因素来改善系统的性能。

在数据5和6,存在同样的现象,一楼有一个大倾角比第二个和第三个三个分布由于最大距离。因此,一楼有最大的最优角和二楼有一个中间最优角虽然三楼有最小的最佳角度。实际意义的选择适当的倾斜角度最大限度地沟通整个建筑,每层的性能。

4.5。垂直用户分布

我们现在研究垂直用户分布的影响和利率和。相关的参数是类似于图4,除了总UT号码是。我们认为线性斜率是垂直分布,这意味着这个数字的地板是比两倍地板上。为,只有一个楼,所有生产都坐落在地板上。为在一楼,用户的数量是24,和生产的数量在二楼和三楼是12和6,分别。

率之和考虑垂直用户分布见图7和8。这两个数据显示类似的全球趋势数据3和4倾斜角度和地板。然而,图的最佳角度7比图吗3因为总和率是由第一层,最众信,比其他楼层最大的最佳角度。出于同样的原因,我们可以观察到相同的现象为正常和线性用户分布。另外,我们可以发现,线性和正常的总和率几乎相同的在考虑垂直分布由于类似的PDF曲线。相应的原因是在第一次和第二次地板生产的这两个分布几乎是相同的,这决定了最优的角度。当我们只考虑水平分布,线性分布率之和小于的正态分布。此外,当倾角达到临界角度,率之和比的情况,否则率之和比的情况。所以我们可以得出结论,可以采用适当的垂直分布以获得更高的性能,而图的最佳角度8非常类似于图吗4由于大高路径损耗和小角变化的影响。此外,还有几乎没有和利率之间的差异情况和。这表明,对于大距离设置,用户分布和速度的影响很小,可以忽略。

5。结论

与3 d b利用高程特征,我们演绎的精确解析表达式为单细胞MU-MIMO上行系统。天线倾角和利率的影响对于整个建筑和单一的地板上。我们发现适当的倾角可以补偿率之和获得了路径损耗。因此,本文可以用来分析和优化性能。此外,每层的功能和相关的用户分布可以参照这些结果。这可以成为一个重要的主题在未来无线系统设计。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作得到了国家863项目(没有。2014 aa01a705),国家科技重大项目(没有。2015 zx03001034),河南理工大学的博士科研基金(没有。60907013),国家自然科学基金(批准号61501404),基本和高级研究项目在格兰特(没有中国河南。132300410461),为河南大学的基础研究资金。(没有。NSFRF140125)。

引用

1. l . k .郑f . Liu, c·林和江y,“无线有限状态马尔可夫频道的随机性能分析,“IEEE无线通信,12卷,不。2、782 - 793年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. 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
3. l . x Li Li l .谢苏x,和张平,“3 d大规模分布式天线蜂窝系统的性能分析与协作基站,”国际期刊的天线和传播文章ID 614061卷,2014年,12页,2014。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. l·谢·l·李,李x”和速度分析的多单元的Mu-MIMO与3 d用户分布和基站倾斜,”IEEE车辆技术研讨会论文集(职业训练局下降14)2014年9月,页1 - 6,。视图:谷歌学术搜索
5. C.-X。程,x, d . i Laurenson”Vehicle-to-vehicle信道建模和测量:最新进展和未来的挑战,”IEEE通讯杂志卷,47号11日,第103 - 96页,2009年。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. a . Kammoun h . Khanfir z奥特曼,m . Debbah和m . Kamoun”3 d频道建模的初步结果:从理论到标准化、”IEEE在选定地区通讯》杂志上,32卷,不。6,1219 - 1229年,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. k .郑s l .或者,x f .阴”巨大的MIMO信道模型:一项调查,”国际期刊的天线和传播文章ID 848071卷,2014年,10页,2014。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. 纳迪姆,a . Kammoun m . Debbah和m . Alouini”3 d巨大MIMO系统:建模和性能分析,“IEEE无线通信,14卷,不。12日,第6939 - 6926页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. a . Osseiran e . Hardouin a .高洛德m . Boldi i Cosvic,“路上IMT-advanced通信系统:先进的和创新领域解决的赢家+项目”IEEE通讯杂志卷,47号6,38-47,2009页。视图:谷歌学术搜索
11. m . Narandzic施耐德,r·托马t . Jamsa p . Kyosti x赵,“比较的SCM, SCME,赢家通道模型,”IEEE 65车辆技术研讨会论文集(职业训练局Spring ' 07),页413 - 417,都柏林,爱尔兰,2007年4月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. m·戴尔·m·张a·f·m·a·l .工程et al .,“三维极化天线通道:模型、测量和互信息,“IEEE在选定地区通讯》杂志上,24卷,不。3、514 - 527年,2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. t . g . Vasiliadis A . g . Dimitriou和g·d·Sergiadis”小说技术近似三维天线的辐射模式,”IEEE天线和传播,53卷,不。7,2212 - 2219年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. 李x l·李,l .谢”实现率和ZF接收器在3 d MIMO系统,分析”KSII交易网络和信息系统,8卷,不。4、1368 - 1389年,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. k . s . Gilhousen i m·雅各布斯r . Padovani a·j·维特比洛杉矶韦弗Jr .)和c·e·惠特利三世,“蜂窝CDMA系统的容量。”IEEE车辆技术,40卷,不。2、303 - 312年,1991页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. k金和古,CDMA系统容量工程,诺伍德Artech房子质量,美国,2005年。
17. k . b . Baltzis“六角形和圆形细胞形状:两个流行的比较分析和评估建模近似,”细胞Networks-Positioning、性能分析、可靠性,a . Melikov。第四章,InTech,里耶卡,克罗地亚,2011。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. g . Rajamani和j . Kuriacose”交通分布不均匀对蜂窝CDMA系统的性能,”《IEEE 6日通用个人通信国际会议记录,1997年。会议记录,卷2,页598 - 602,圣地亚哥,加利福尼亚州,美国,1997年10月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. j·s·汤普森,p . m .格兰特和b . Mulgrew”用户分布对CDMA的影响天线阵列接收器”学报第一IEEE信号处理信号处理无线通信的发展研讨会(97年SPAWC”)1997年4月,页181 - 184。视图:谷歌学术搜索
20. a·穆勒j . Hoydis r . Couillet, m . Cdebbah”优化3 d细胞规划:一个随机矩阵的方法,”《IEEE全球通信会议(GLOBECOM 12)IEEE,页4512 - 4517年,2012年12月阿纳海姆,加利福尼亚州,美国。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. f, m·n·约翰逊a Furuskar et al .,“天线下倾角基站antennas-a仿真模型的建议和影响HSPA LTE的性能,”职业训练局学报68半年度IEEE车辆技术(08年)加拿大卡尔加里,页1 - 5,2008年9月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. 3 gpp, LTE 3 d频道模式。”3 gppTR 36.873 V12.0.0, 2014。视图:谷歌学术搜索
23. 中国742215 v01 Scala部门,http://www.kathrein scala.com/catalog/742215v01_2015 - 12 - 15. - pdf。
24. g . l .存根移动通信原理施普林格,纽约,纽约,美国第3版,2012年版。视图:出版商的网站
25. m·k·西蒙和m . Alouini数字通信衰落信道约翰·威利& Sons,纽约,纽约,美国,第二版,2005年版。
26. 即Gradshteyn和i m . Ryzhik表的整体、系列和产品、学术出版社,圣地亚哥,加利福尼亚州,美国第七版,2007年版。

版权

版权©2015 Xingwang李等。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。