文摘

三维(3 d)的多输入多输出(MIMO)系统可以利用的空间自由度在垂直维度和可以显著提高系统性能与2 d传输方案。然而,在实际的频分双工(FDD)传输方式,大的开销参考信号和信道状态信息(CSI)反馈会成为障碍3 d MIMO系统的性能提高显著增加发射天线的数量。应对这些问题,本文提出一种新的信道状态信息参考信号的传输方案(CSI-RS) CSI-RS在哪里将三维波束形成向量和由两个组件:长期CSI-RS和短期CSI-RS。为了进行有效的传播广泛使用的FDD系统,我们还提出一个相应的有限的信道状态信息反馈方案。此外,多用户配对和调度标准基于CSI-RS的设计提出了实现多用户传输。我们调查了多个选项3 d MIMO电报密码本方案,最后采用了克罗内克基于产品码(KPC)预编码操作的基站(BS)。仿真结果表明,我们建议的方案3 d MIMO系统达到一个更好的资源开销和吞吐量性能之间的权衡。

1。介绍

正交频分复用(OFDM)和多输入多输出(MIMO)提供实质性的系统吞吐量和频谱效率(1]。他们已经接受了当前和下一代无线标准,如长期演进(LTE)和长期Evolution-Advanced (LTE-A)系统(2,3]。在传统MIMO系统,均匀线性阵列(ULA)”部署到b,横梁的下倾角度是固定和传播限制在二维(2 d)水平面4]。因此,基站(BS)可以同时为多个用户提供服务位于不同水平方向通过选择不同方位角》。然而,用户在同一水平方向不能同时如图1(一)。另一方面,通过使用有源天线系统(AAS)和统一的平面阵列(UPA)结构,高度尺寸是剥削和传输光束可以形成三维(3 d)空间,启动紧急的3 d MIMO技术(5,6]。结果,见图1 (b),BS能够同时服务多个用户有相同的方位但位于不同仰角(7]。与二维天线系统相比,3 d MIMO系统极大地提高了垂直覆盖和整体系统能力,它已经吸引了越来越多的关注8,9]。

为了进行有效的传输3 d MIMO系统,BS必须得到准确的下行信道状态信息(CSI)用户设备(UE)调度和调制和编码方案(MCS)的选择。在传统的FDD LTE-A系统,瞬时CSI,包括预编码矩阵指示(PMI)和信道质量指标医院药学部(),只能在问题端测量,然后反馈到b。在这种情况下,测量CSI的问题应该是非常重要的。

第三代合作伙伴计划(3 gpp) LTE-A释放10引入了信道状态信息参考信号(CSI-RS),一种常见的飞行员用于下行CSI测量的所有问题。然而,参考信号所消耗的资源增长在发射天线的数量比例10,11]。因此,数量显著增加的传输天线对3 d MIMO系统,许多实现MIMO的收益是取消了参考信号资源开销的增加。

一些研究试图解决上述问题。文献[5)提出了一个单独的方位角和仰角CSI-RS配置,使用两套CSI-RS港口、对应一行和一列传输天线估计CSI。很明显,这种方法大幅降低CSI-RS开销;然而,CSI-RS通过部分传输天线会导致不准确的采购经理人指数选择,而退化的3 d MIMO系统的传输性能。因此,为了获得相对准确的信道状态信息,(12)提出了一个方案与高程波束形成precode CSI-RS符号向量。然而,CSI-RS端口的数量在这个计划高度梁的数量成正比,除了天线的数量放置在水平维度。为准确测量CSI, CSI-RS的开销将成为该计划的障碍提出了(12提高系统吞吐量。文献[13)提出了一个基于移动电台传输方案(MS)补偿,基本原理非常类似于(12),所以我们不讨论它的细节了。

3 d的MIMO系统,部署大规模天线BS和额外的空间自由度竖直维度的大量增加会导致密语。因此,一些其他的研究也一直在进行了3 d新码书设计算法和相应的有限的信道状态信息反馈方案。文献[14]提出了基于信道相关矩阵的自适应码书,它只考虑了单用户传输系统。提出了对称和非对称密语的聚类方法(15),将用户的天线下倾角的非均匀分布特性角度考虑。并提出了一种新的快速码书搜索方法(16减少计算时间在3 d MIMO系统反馈的价值。现有的方法作出了一些贡献降低反馈开销或计算的复杂性。然而,他们认为完美的信道状态信息都收到b,这是不现实的实际的3 d分布式天线系统。

在本文中,我们调查了3 d MIMO下行传输系统,提出了一种新的CSI-RS传输方案,随着信道状态信息反馈。此外,本文的方法可以扩展到其他移动系统,如大规模的MIMO系统,和未来的小细胞的场景。我们在本文的贡献可以概括如下。(我)首先,我们调查了3 d多个选项电报密码本计划并确认3 d预编码基于KPC的码书根据属性3 d空间通道。(2)然后,我们precode CSI-RS最初三维波束形成向量和分成两部分:长期CSI-RS和短期CSI-RS。长期CSI-RS粗检测通道的主要方向信息的问题。短期CSI-RS用于精细定位。(3)两种传输方法的短期CSI-RS分别为SU-MIMO系统和MU-MIMO系统设计。(iv)为了在FDD系统进行有效的传输,提出了一种低开销通道信息反馈方案基于CSI-RS的设计。(v)此外,我们提出一个多用户配对和调度标准是从最好的同伴集群(BCC)方法实现多用户传输。(vi)最后,我们进行的深入分析,提出和现有计划,其中包括吞吐量性能的评估和SU-MIMO系统和MU-MIMO系统资源开销。仿真结果表明,我们提出的方案达到更好的资源开销和吞吐量性能之间的权衡。

本文的其余部分组织如下。部分2介绍了3 d MIMO系统UPA天线阵和派生了克罗内克基于产品码(KPC)基于3 d MIMO信道模型。随后,我们将讨论现有CSI-RS设计问题,提出一种新的CSI-RS设计方案以及相应的CSI反馈方案3 d MIMO节3。绩效评估结果中描述部分4,而部分5总结了纸。

2。3 d MIMO系统模型

2.1。天线阵列模型

在3 d频道建模中,出发和到达角不仅需要使用建模的方位角飞机还仰角对轴(8,17]。3 d频道的球面坐标系统模型如图2(一个),在那里给定的方向吗和是球形的基向量。另一方面,采用UPA天线阵在BS 3 gpp 3 d MIMO空间信道模型(SCM)建议(18];即天线元素放置在垂直和水平方向如图2 (b)显示,是水平天线元素的数量和每一行吗是垂直天线的数量在每一列元素。天线元素均匀间隔的水平方向的间距在垂直方向的间距。

2.2。下行MU-MIMO传输模型

我们考虑一个下行MU-MIMO系统()BS和发射天线接收天线对每个问题,和代表天线元素的数量部署在水平维度和垂直维度,分别如图2 (b)。应该注意的是,我们在本文中主要讨论一个单细胞的场景,假设问题细胞均匀分布。下行的框图如图3 d MU-MIMO传输模型3。图说明,所有的用户应该估计CSI利用下行参考信号首先然后反馈自己的CSI BS。最后,BS有效地调度用户,可以选择最优预编码矩阵进行下行多用户传输。假设coscheduled问题数量是2。因此,接收到的信号的问题()可以表示为平坦衰落信道 在哪里和传输符号的问题吗和问题令人满意的和为每个问题是传输数据流。象征代表了期望对括号内的所有随机变量,以及标代表了共轭转置操作。为简单起见,在本文中,我们考虑;也就是说,数据流的秩为1。是每个问题的传输能量由b计划一次,总传输功率。是信道矩阵的问题吗,而和的预编码矩阵问题吗和问题分别对应3 d频道。是为圆对称的复杂的加性高斯随机噪声向量,满足。

第一项(1)是问题的期望信号,而第二项代表问题的干扰信号。因此,信号干扰加噪声比(SINR)的用户可以表示为(2)在考虑最小均方误差(MMSE)接收器的问题: 在哪里和。因此,基于(1)和(2),系统吞吐量可以表示如下:

2.3。码方案

基于离散傅里叶变换(DFT)的电报密码本证明提供一个合适的信道特性高度相关的频道齿龈(19]。因为这个原因及其简单,LTE-A标准更喜欢DFT-based码提出了(20.),只考虑水平域。BS配备UPA时,垂直领域大大利用如前所述,光束方向可以调整在3 d空间。因此,DFT-based 2 d码书已经扩大到3 d - base电报密码本的克罗内克积两个采样过量DFT码字(15]。具体而言,克罗内克基于产品码(KPC)生成的是 在哪里和,而代表了转置操作和代表了克罗内克积。和表示码字的数量水平和电报密码本垂直速率,分别和代表的数量水平和垂直天线元素b,分别。水平电报密码本是一个份DFT和过采样速率的因素。由于垂直角度约束,选择垂直速率的一个子集份DFT电报密码本,过采样因子。是一个参数调整子集的大小,这是由最大的天线下倾角。

3所示。CSI有限的传输方案的反馈

在传统的FDD LTE-A系统,CSI-RS符号映射到资源元素(REs)不同运营商在频域和时域OFDM符号或乘正交编码传输天线端口之间保持正交性在每一个下行槽(21]。CSI-RS端口的数量总是等于发射天线的数量的废话来估计信道系数每一个发射天线和接收天线之间,可用于计算CSI (22]。然而,如果这种方法应用于3 d MIMO系统直接修改,CSI-RSs是传播数量的增加比例在b发射天线的数量;更多的资源必须分配给CSI-RS传输插槽。因此,资源分配给数据传输的数量减少,导致减少下行传输容量。在这种情况下,应该考虑CSI-RS的新设计。

就像前面提到的1,主要有两个方案设计的3 d CSI-RS MIMO系统目前,也就是说,不同的方位角和仰角CSI-RS配置(SAEC)和将与高程CSI-RS波束形成(PCEB)。SAEC可以大幅降低CSI-RS开销;然而,它会导致CSI的准确测量。SAEC相比,CSI PCEB可以提高测量的准确性。然而,它需要更多的参考信号的开销,因为CSI-RS港口在这个方案是高度梁的数量成正比。

为了实现目标更准确估计的3 d频道和较低的参考信号的资源开销,我们提出一个新的设计方案,CSI-RS与三维波束形成将向量如上所述节2。传输的框图CSI-RS BS和测量相应的CSI的问题如图4。如图所示,CSI-RS由两部分组成:长期CSI-RS和短期CSI-RS。长期CSI-RS粗检测通道的主要方向信息的问题。短期CSI-RS用于精细定位。很明显,传输期间长期CSI-RS用,大于传输短期CSI-RS,用。以下描述的具体设计步骤是本节的一部分。

3.1。设计的长期CSI-RS

BS首先生成长期CSI-RS符号为相应的天线端口传输。长期CSI-RS符号序列是随机或伪随机序列已知的或任何的发射机和接收机。符号将与3 d将波束形成向量进行粗检测问题的方向信息在三维空间中。

三维波束形成向量表达的是KPC的码字(4)。考虑不同的码字之间的关系,有些码字可以聚集在同一子集,特别是对于那些相邻梁。我们把KPC在码字(4穿上军装的)()组织,而和水平和垂直组的数量。在这篇文章中,每组KPC的计价基础梁子集,每个包含基本梁子集梁。在哪里,和是每个子集的列和行号满意吗和。因此,该指数的密语中水平组和th垂直组可以单独下面描述: 最后基本梁子集()可以表示为 采取,,,作为一个例子,KPC可以分成子集;每个子集包含梁如图5。

随后,precode CSI-RS符号与波束形成向量在每个基本梁子集()生成梁通过各自的天线端口传播。这将在相同的基本分配梁子集CSI-RSs相同的资源重用。在相同的资源重用的将CSI-RSs OFDM组共享相同的时频资源,可以表示为 在哪里代表长期参考信号传输在一个OFDM的时频资源各自CSI-RS端口在每个时间间隔。问题需要很长一段时间以来搬出一组束的报道,长期的参考信号可以传播的频率更低。

通过这种资源复用方案,可以大大减少资源多路复用代码的数量,频率和时间域传输的信道信息,它只需要资源。采取,,,作为一个例子,需要参考信号资源目前如图6。连续两个CSI-RS资源,在时域,歧视的码分复用(CDM)使用和。

信号接收的th问题参照CSI-RS所使用的资源重用是 为众所周知,发射机和接收机,问题可以估计平均等效信道增益确定最大的资源和反馈梁子集指数(BSI)指示基站的最大资源。应该注意的是,在一个子集上同时传送多个光束CSI-RS资源的索引表示BSI梁指数。粗CSI被传输的长期收购CSI-RS用于准确选择或代好预编码器,将讨论在本节的下一部分。

3.2。设计短期CSI-RS

在收到的粗CSI的废话,短期CSI-RS传播好检测。针对单用户(超自然)MIMO, BS接收长期CSIb将传输的光束th基本梁子集,这将为每个问题实现CSI的精细测量。计算的准确CSI医院药学部SU-MIMO包含PMI和问题,其中PMI是预编码矩阵指数表示码字在医院药学部KPC和通道质量指标反映了短期通道状态。此外,我们提出一个可行的设计方法,短期CSI-RS MU-MIMO联合有限CSI的反馈,这是进化的最受欢迎的CSI反馈方案MU-MIMO集群系统最佳伴侣(BCC) [23]。SU-MIMO, MU-MIMO相比需要更多的反馈信息。用户(指数)应该反馈最好的梁子集指数和最佳干涉光束子集其中包括采购经理人指数表明最小的干扰。此外,粗糙的信道质量信息和准确的信道质量信息的用户时应该反馈干扰存在。在下行,BS使用这些反馈值进行用户调度和波束选择然后实现多用户传输。

3.2.1之上。SU-MIMO

通过长期CSI-RS的传播问题的接收者可以估计平均信道增益确定BSI如下:

那么b获得从问题到上行反馈通道和传送CSI-RS符号将每个梁基础梁子集。此时,水平指数,,垂直组指数,和的电报密码本可以表达的()在(10),:

应该注意的是,短期CSI-RS,每个将CSI-RS符号资源重用组占据了OFDM的一个时频资源,这是不同于长期CSI-RS。问题,相应的接收信号 为众所周知,发射机和接收机,通过估计问题可以计算准确的CSI的平均等效信道增益然后选择最好的梁和反馈,决定了3 d天线波束形成的向量,可以计算的

最后,BS使用这个有限的反馈信息进行有效的数据传输问题。

我们应该注意另一个重要方面是,当传输长期CSI-RS BS,粗CSI的问题只能估计不能用于PMI和MCS选择b。当收到粗CSI, BS precodes波束形成的数据向量选择之前的一刻,这显示了3 d频道,小性能下降高度相关,长期CSI-RS相对延长传播期。解释这个更具体地说,我们选择时域PMI的快照的一个用户随机分布的细胞如图7(一)节目和PMI的概率变化的统计分布直方图每5女士考虑多用户如图7 (b)所示。变量δ在图7表示变化程度的PMI指数每5 ms,和问题的移动速度为3公里/小时。从图中,我们可以获取PMI的改变慢慢随着时间的流逝,和垂直PMI比水平PMI改变得更慢。因此,验证我们的设计方案是合理的。

3.2.2。MU-MIMO

利用多用户分集和空间域,MU-MIMO频谱利用效率可以达到相当高的细胞通过允许多个用户共享相同的时间和频率资源。为简单起见,我们提出了两个用户配对算法和b计划的两个用户同时基于有限反馈的信息是由bbc演变而来的。

BS长期CSI-RS传送时,每个问题计算粗CSI。最大化的接收功率和干扰功率足够低,问题应该选择首选基本梁子集最好的干涉光束子集通过以下方程: 医院药学部粗的用户保守估计如下:

每个问题都应该反馈指数对光束子集和自己的医院药学部粗BS。收到的所有信息用户反馈,BS使用这些反馈值来实现用户配对和调度和传输相应的短期CSI-RS,可在以下步骤中描述。

步骤1。BS首先选择一个主要的用户医院药学部最大粗。然后,一个索引指数,它由首选梁的子集指数和干涉光束子集的用户,就形成了。

步骤2。然后,BS搜索潜在用户的主要用户,而潜在用户相应的配对指数。

步骤3。如果配对成功,BS的光束传输th基本梁和梁子集th梁子集,可以配置在同一子帧或不同的子帧。在3 d MIMO系统使用64传输天线和256束,如果一个梁子集包含16个梁,短期CSI-RS配置在不同的子帧的传输是描绘在图8。否则,如果配对不成功,BS应该随机选择配对集群传输。如图7所示,由于PMI的缓慢改变,CSI-RS传播在两个子帧会导致性能下降。

步骤4。的问题参考信号的接收相应的响应信息并选择最好的3 d波束形成的向量。削梁子集的问题选择自己的最佳三维波束形成向量和反馈的采购经理人指数b。BS选择二级用户医院药学部的最大一个成功配对的梁作为最好的配对用户子集。PMI的用户可以获得(15医院药学部)和用户可以作为(保守估计16):

第5步。最后,b计划的主要和次要用户传输,并根据相应的采购经理人指数预编码。

4所示。绩效评估

4.1。开销比较

链路级别系统级仿真和模拟进行调查该传输方案的吞吐量性能有限的信道状态信息反馈对3 d SU-MIMO系统和3 d MU-MIMO系统,分别。BS配备UPA结构与垂直发射天线的数量和水平传输天线。采用3 d SCM通道模型、城市宏观状况仿真结果被选中。SAEC的纵向梁的数量和我们建议的方案是8。然而,如前所述在[12],当垂直梁的数量大于4,PCEB下降由于大的吞吐量增长CSI-RS开销。因此,我们并不认为当纵向梁的数量大于4 PCEB。此外,我们认为问题的速度是3 km / h,通道是高度相关的。

对于系统级仿真,我们考虑一个细胞系统,用户在细胞均匀分布,最小距离25米远离BS。CSI-RS的开销,其他类型的RSs,下行控制信令被排除在吞吐量。我们也考虑到高层的情况来模拟实际场景,通过调整的在(2)。例如,如图9的价值,可选为,涵盖所有可能的情况包括高层和地面。我们还假设问题独立均匀分布高度在1.5米和50米之间。SAEC的配对和调度算法和PCEB BCC;其他一些主要仿真参数表进行了总结1。至于链接级仿真,我们选择一个用户位于细胞和评估它的吞吐量性能基于不同的信噪比。

CSI-RS三个计划所需要的资源的数量表2。SAEC的CSI-RS开销是常数时,确定天线配置,可以表达的,在那里和代表天线元素的数量部署在水平维度和垂直维度,分别。的CSI-RS开销PCEB海拔梁的数量成正比,除了水平定位CSI-RS天线端口的数量,并且可以表达的,在那里代表高度梁的数量。然而,拟议的开销CSI-RS基础梁的设计是由数量决定的子集以及梁的数量在每个子集。我们的方案不是常数的CSI-RS开销不同传输期间因为长期CSI-RS和短期CSI-RS通常使用不同的资源开销。因此,为了比较更准确和更公平,我们计算的等效开销提出CSI-RS方案由以下方程: 在哪里和代表长期CSI-RS传输周期和短期CSI-RS传输周期,分别。从表2,我们可以得出结论,该方案具有较低的开销相比,参考信号的PCEB SU-MIMO系统。然而,它没有MU-MIMO条件优势的系统。当电报密码本不是如此之大(例如,用户是均匀分布的部门的一个细胞),提出CSI-RS配置将节省CSI-RS开销很大。

4.2。仿真结果和分析

图10比较三个方案的吞吐量3 d SU-MIMO SCM系统基于3 d频道。BS天线阵列的大小,接收天线的数量是2。从图可以看出,吞吐量SU-MIMO系统的使用提出了基于三维光束传输方法比现有的方案。该方案达到大约平均3 dB吞吐量性能优于SAEC和大约比PCEB dB。当信噪比达到10 dB, PCEB性能下降,SAEC和我们的方案相比,由于相对较大CSI-RS开销。

图11显示了MU-MIMO吞吐量性能的比较三个不同CSI-RSs问题分布在整个细胞时的场景。该方案仍然达到一个小增益PCEB虽然没有优势CSI-RS开销用表表示2。这主要是因为垂直PCEB的电报密码本的数量很小,所以光束垂直HPBW不够狭窄。此外,如果用户分布在细胞数量的增加,这三个方案的系统吞吐量增加由于成功配对率增长。和性能改进的方案变得越来越重要,而现有的方案。

三个方案的性能也在进行测试部门的一个细胞。在这种情况下,水平码字的数量的一个子集在(2),因为光束覆盖整个飞机。因此,码字水平维度的降低,该方案相比,显示了一个更好的性能改进PCEB如图12。

为了说明3 d MIMO的好处,数字11和12也显示传统的2 d MIMO系统的吞吐量性能,垂直的光束是一体的。从这些数据,我们可以观察到3 d MIMO系统极大地提高了系统的吞吐量比2 d MIMO系统,因为更多的垂直多层天线元素可以利用更多的空间自由度。

5。结论

3 d的MIMO系统,几十甚至上百天线排列在BS。增加了BS天线增强参考信号和CSI反馈的开销在FDD传输模式。为了减少资源开销和提高系统的性能,在本文中,我们提出了一种新的传输方案限制3 d MIMO信道状态信息反馈系统。基于指定克罗内克基于产品码(KPC) CSI-RS设计方案被提出。考虑不同梁之间的相关性,我们分组光束分成几个基础梁的子集,每个子集股票相同的时频资源长期CSI-RS传输。我们也提出了不同设计方案的短期CSI-RS SU-MIMO和MU-MIMO分别用粗CSI的反馈问题。此外,我们引入了有限反馈方案对应的传播两种CSI-RS适应链接和用户配对和调度。最后,新的多用户配对和集群调度算法从最好的同伴(BCC)的方法来实现多用户传输。仿真结果表明,我们建议的方案3 d MIMO系统达到一个更好的权衡资源开销和吞吐量性能比现有的方案。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作得到了中国国家关键技术研发项目拨款2014 zx03003011 - 004下,下的中国高技术研究与发展计划拨款2014 aa01a705,中央大学的基础研究基金在2014 zd03-02格兰特,和中国国家自然科学基金(61171106)。