传送波束形成和调零的方法与分布式调度改善细胞边缘吞吐量

文摘

我们提出了WiMAX系统的传输方案,多个基站(BSs)采用下行传输波束形成和调零的干扰降低,以最小的BSs之间的协调。这个方案提高了系统吞吐量和鲁棒性,通过增加细胞边缘和整体吞吐量68%和19%,分别提供改进的移动速度60公里/小时。首先,细胞边缘用户发现患有严重干扰。接下来,RRM单位分配资源服务细胞边缘用户。BSs将计划为他们的细胞边缘用户单独使用RRM分配资源。设计特别上行测深BSs学习干扰环境,形成适当的梁和null。null形成对BSs减少干扰用户的其他BS对这些用户,我们的算法的基本构建块。

1。介绍

在蜂窝网络频率复用,下行(DL)性能受限于cochannel干扰。在蜂窝系统的下行,众所周知,BS与多个发射天线可以提高的期望信号功率传输波束形成(1- - - - - -3]。然而,生成的性能null的多个天线的研究要少得多。

在图1,废话帮助废话通过形成一个空向女士和废话帮助废话通过形成一个空向女士。因此,女士的SINR和女士高增加了信号的能量束自己的废话和减少干扰的零附近的干扰BS。这被称为波束形成和调零(BFaN)在此。所有与细胞边缘BSs MSs必须同时使BFaN为了实现吞吐量提高细胞边缘海量存储系统(MSs)中。例如,如果b使BFaN虽然废话不,只有女士吗受益于减少干扰。请注意,女士表示细胞边缘女士目前正在将BS。因此,在下一帧,另一个细胞的边缘可能会安排女士和女士指不同的细胞边缘,然而,我们保持相同的指数女士来简化我们的符号。此外,BFaN废话是有吸引力的,因为它将实现和计算复杂性从海量存储系统(MSs)中(更多的成本敏感和能力有限)BSs。

本文研究的好处BFaN,做出了两个关键的贡献。首先,提出了一种简单而有效的BFaN方案与多个BS天线蜂窝系统。与调零方案与传统的下行波束形成,我们BFaN方案消除了平等的UL和DL资源分配的限制使用一种特殊的UL测深机制。第二,它量化的性能收益BFaN在现实的细胞环境。应该指出的是,系统吞吐量增长不能从链路级仿真观察,只适用于点对点的设置由于动态干扰环境由BS调度。系统级仿真(sls)与多个预定链接多单元和跨部门的要求。这可能的原因缺乏文学研究成果报道。

本文分为文献调查、系统模型描述,我们提议BFaN方案,仿真结果和结论。文献调查包括其他干扰减排技术考虑IEEE 802.16研究小组。大部分的这些技术开发在过去的一年。

2。文献调查

在本节中,我们提出一个调查计划,最近被提出的IEEE 802.16任务组(4)减轻干扰的频率复用系统之一。它们包括fractional-frequency重用(FFR),预编码矩阵指数(PMI)限制,multi-BS米姆,干扰减轻使用功率控制和调度,和种继电器。这些不仅为我们提供了一个背景和参考方案但读者感兴趣的,因为他们中的大多数在过去一年发表。

2.1。笔

系统FFR使用多个频率复用因子在细胞,例如,重用1和3,如图2。细胞中心的干扰信号较弱,每个BS可以使用频率复用1。相比之下,在细胞边缘干扰强,每个BS只使用其中的一部分的带宽,例如,使用重用3。假设用户是均匀分布在整个网络中,用户的累积分布函数的重用的SINR表明,平均1网络30%以上用户的平均SINR低于0分贝。这样的用户通常在细胞边缘,可能会经历一个可怜的网络连接,低下行吞吐量和高停机的概率。更高的频率复用因子,如3,可以显著减少cochannel干扰在相邻细胞/部门2/3的同信道干扰来源是消除与重用1网络。这导致大大提高覆盖率和平均SINR细胞边缘用户。FFR的获得来自于降低干扰水平细胞边缘用户。然而,提高下行平均SINR通过使用高重用因素为代价实现的系统频谱效率,定义为系统吞吐量比占用频谱带宽,因为更高的重用也需要更多的频谱带宽。FFR比其他方案的一个主要优点是它能够支持用户提供高流动性。 Hence, FFR is naturally complementary to our BFaN scheme, which primarily supports low to moderate speed mobile users.

2.2。针对下行闭环MIMO PMI限制

预编码矩阵指数(PMI)限制方案(5,6]牺牲细胞中心细胞边缘MSs性能来减少干扰。定期,细胞边缘海量存储系统(MSs)中测量干扰BSs传播经历了从邻近细胞中心海量存储系统(MSs)中。海量存储系统(MSs)中报告自己的服务b引起的采购经理人指数高干扰和这些采购经理人指数将被排除在最初的波束形成速率。BSs交换排除采购经理人指数在回程的列表。因此,细胞中心提供海量存储系统(MSs)中使用的一个子集原始波束形成速率而细胞边缘海量存储系统(MSs)中配上完整的电报密码本。即BSs可能需要使用不是最优预编码矩阵,其传输细胞中心用户。因此,细胞中心吞吐量下降,细胞边缘吞吐量增长。

2.3。Multi-BS米姆

multi-BS米姆,细胞边缘海量存储系统(MSs)中多个单元可共同提供服务,同时由多个BSs使用相同的信道资源。BSs充当多个单一BS与分布式天线在物理层。然而,这个计划大幅增加系统实现成本将增加协调。首先,BSs需要访问数据的海量存储系统(MSs)中其他的BSs macro-diversity。第二,一个灵活的试点模式设计一个可配置的飞行员重用因子取决于BSs系统参与的数量是准确的信道测量和波束形成所需重量计算。第三,调度决定将共同在BSs。提高性能通过multi-BS米姆(7)细胞边缘MSs 30 km / h是温和的26.14%,而实际上整个总吞吐率下降了1.5%。因此,增加的复杂性和BS合作,这个方案的增益是温和的。

2.4。功率控制和调度缓解的干涉

一个基站可以选择提高DL选定的细胞边缘海量存储系统(MSs)中传输能力。然而,提高信号传输会导致更强的干扰细胞边缘邻近细胞的海量存储系统(MSs)中。作为一种替代方法,b可以协调与其他BSs安排MSs相互干涉高潜力在不同的频道资源(4]。然而,这需要周期性BS协调。再次,因为BS运营商可能没有控制回程延迟,这个方案可能不是当回程延迟超过延迟要求实现。

2.5。多次反射继电器

种继电器的最初的想法是延长或BS覆盖孤城当前BS覆盖范围之外的一个临时(应急)或永久的基础。继电器的存在可以帮助细胞边缘海量存储系统(MSs)中。然而,带内继电器操作分时方式会降低系统峰值吞吐量和减少由啤酒花的数量按比例缩小。因此,继电器部署增加频谱效率和减少系统开销。例如,额外的PHY层中的前言和额外的MAC信令开销(例如,专用继电器区分配)需要保持种链接。女士带外继电器将增加BS和生产成本,因为这些设备需要支持多个电台乐队为了与这些继电器。最后,并不是所有的运营商将部署继电器,因此我们不能指望继电器作为解决方案来改善细胞边缘用户吞吐量。

3所示。系统模型和波束形成重量计算

我们考虑一个时分双工(TDD)系统的上行(UL)和下行(DL)通道互相转置由于通道互惠。假设每个BS天线,每个学生都有天线。

DL传输和UL接收系统模型介绍了部分3.1和3.2。接下来,详细的波束形成重量计算BSs和海量存储系统(MSs)中描述的部分3.3- - - - - -3.5。假设细胞边缘用户传送信息服务BSs的UL DL将分配相同的资源传播BSs, UL BSs接收波束形成权值应用于他们的信息可以用在DL传输信息相同的细胞边缘用户。因此,波束形成体重计算过程始于观察UL波束形成重量计算每节BS3.3。接下来,我们展示如何获得一个最优的DL波束形成体重旨在最大化细胞边缘用户SINR和如何DL波束形成规范化的复共轭重量可以近似的UL波束形成重量的部分3.4。最后,DL波束形成的体重在一个细胞边缘女士节所示3.5。理想情况下,波束形成的重量应该计算为每个副载波。然而,减少开销,飞行员用于波束形成重量计算是分散在整个资源分配。波束形成加权为中级水平的副载波可以从波束形成加权插值计算从这些飞行员在很多不同的方式。

3.1。BS DL传输的数据模型

考虑到系统模型图中描述3在DL MSs (BSs)方向,女士的接收信号是 在哪里是从服务b信道矩阵女士;和s是DL传输波束形成向量采用BS和废话分别;是从BS干扰信道矩阵女士;是噪声向量在海量存储系统(MSs)中。请注意,(1在女士)描述接收信号向量每个副载波。然而,副载波索引通常是下降到简化符号。

3.2。数据模型对BS UL

考虑UL方向图的系统模型3,接收到的信号在BS是 在哪里是信道矩阵的女士其服务b;和在海量存储系统(MSs)中是传输波束形成向量吗和分别;和QAM符号传播的海量存储系统(MSs)中吗和分别;是干扰信道矩阵,废话;在BSs噪声向量。

如果一个女士可以传输使用天线的UL,它可以使用各种方法设置其男朋友的体重。例如,如果一个女士只能传输使用UL 1天线,。如果一个女士可以使用所有传输天线,在哪里()可以右奇异向量对应的最大奇异值(8]。

3.3。UL BS波束形成重量计算

让(在BS)表示UL波束形成的权向量。估计信号后申请UL BS UL接收信号波束形成权(2)成为

波束形成的权向量推导出通过最小化均方误差(MMSE),是 平均在每个BS,移动窗口技术在图4用于生成是协方差矩阵估计吗对于每一个副载波。在频率和平均执行时间假设信道响应的频率和时间跨度是相似的。我们调查了添加平滑技术(9)或者柯列斯基分解+平滑(10为提高协方差矩阵估计的准确性。然而,性能是可以忽略不计。

接下来,每个废话可以测量从其上行接收信号。因此,每个BS能够计算它的UL波束形成重量使用(4)。

假设噪声和数据是不相关和不相关的数据从不同的海量存储系统(MSs)中,协方差矩阵(5)可以扩展 然而,在协方差矩阵近似过程中,可能存在非零交叉项所示(. 1在附录中。这些交叉项将导致不准确的协方差矩阵估计,导致系统退化。因此,比较不准确造成的性能下降的协方差矩阵估计,我们实现了参考方案在我们的模拟。BSs首先在参考方案,安排他们的细胞边缘独立分配资源海量存储系统(MSs)中,然后使用(计算协方差矩阵6)和波束形成加权假设完美的信道知识使用(4)。模拟延迟回程安排信息交换、调度决策是由完美的信道知识存在5 ms。

3.4。DL BS波束形成重量计算

只考虑BS的DL传输女士,接收信号在细胞边缘是一个向量。b如果DL传输波束形成的权向量和MSs的接收波束形成向量()已经正确设置,以下表达式将最小化忽略噪声项(因为DL是干扰有限公司): 在哪里是矩阵,所有零项除了在吗th位置;是BSs参与波束形成的数量和调零。的导数(7)对和设置的导数为零,我们有 在哪里 设置在(10),的复共轭(10),我们有 假设(因为QAM的符号通常标准化为1)等于UL和DL资源分配(这意味着相同的海量存储系统(MSs)中,UL标记这些从他们的服务将接收BSs DL和BS和索引将女士指相同的BSs和MSs UL和DL),结合(6)和(11),我们有由于BSs通常有低噪声图和较低的热噪声。从(9),我们有 因此,最优DL BS波束形成重量是派生的复共轭BS UL波束形成的重量。是使用的实际BS DL波束形成重量 正常化是用来确保应用DL BS波束形成重量信号不会改变其功率水平。TDD系统,而不是计算一个单独的DL BS波束形成重量,重量DL BS波束形成可以设置规范化的共轭BS UL波束形成重量(13)假设等于UL和DL资源分配。

3.5。在女士体重计算接收波束形成

如果女士有天线,它可以应用波束形成和调零的DL接收器,以进一步提高其SINR。注意,这是一个偏离的假设DL BS波束形成计算。然而,退化是最低报道我们的仿真结果如图所示部分4。在女士,估计DL接收信号后应用波束形成和调零的信号(1)是 波束形成女士的重量推导出通过最小化均方误差,是 再一次,可以衡量在DL传输和飞行员吗可以通过使用接收的数据估计中描述(1使用相同的移动平均法)和描绘在图4。

4所示。提出BFaN方案

在传统下行传输波束形成和调零方案TDD系统,每个BS获得UL接收波束形成体重使用信号获得UL。承担同等的UL和DL资源分配,每个的废话可以使用归一化共轭UL接收波束形成重量(13)为DL传输波束形成的重量。相比FDD或系统部署DL波束形成,这会节省通道反馈开销和避免通道BSs / MSs之间的信息交换。此外,它更加敏感通道交换,因为它避免了通道反馈延迟。然而,平等UL的限制和DL资源分配是不实际和产生废物利用信道资源由于不均匀的UL和DL交通模式。交通比UL DL的重得多。很有可能DL交通注定女士但没有任何女士的UL流量。因此,分配资源,用户在UL和让它只发送一些垃圾数据,使波束形成的重量计算后将剥夺另一个用户使用UL传播机会。去掉这个限制在资源分配和消除浪费,同时采取这个方案提供的优势,我们提出BFaN增加细胞边缘用户吞吐量。

我们BFaN方案由3个步骤:

(1)细胞边缘识别、女士(2)资源分配细胞边缘海量存储系统(MSs)中,(3)分布式调度。

我们BFaN方案提供了两个主要优势之前干预缓解方案。首先,它使用现有的反馈和UL测深机制在现有的IEEE 802.16系统。因此,该方案可以实现没有额外的标准的变化。第二,没有实时BS实时协作和信息交换在回程网络是必需的。

4.1。细胞边缘识别女士

细胞边缘海量存储系统(MSs)中被定义为海量存储系统(MSs)中,有温和的信噪比(信噪比_阈值),但低先生()的值。海量存储系统(MSs)中与低信噪比噪声限制。噪声有限海量存储系统(MSs)中,略有减轻SINR的干扰将会增加,这些海量存储系统(MSs)中可以更好促进BS DL传输功率。用户可以从多个BSs可以测量接收信号的功率电平前言通过这些BSs。IEEE 802.16 e允许用户报告他们的干涉测量服务b用于交接。

在收到干扰女士报告,BS确定哪些MSs将细胞边缘海量存储系统(MSs)中。b将报告其细胞边缘MSs总数RRM在回程(无线资源管理)单位。BS只需要更新这个信息时RRM数量的细胞边缘MSs显著变化。

4.2。资源分配细胞边缘MSs

收到细胞边缘用户的数量从BSs, RRM单元决定了资源分配在所有BSs细胞边缘海量存储系统(MSs)中。分数的比例公平调度类型,资源分配给每一个女士从长远来看是相等的。因此,我们可以分配资源服务细胞边缘MSs成比例的分数细胞边缘MSs系统中存在。要有每帧调度广达电脑可用,调度广达电脑分配给服务只细胞边缘MSs ()可以确定 RRM单位分配调度广达为细胞边缘海量存储系统(MSs)中,把分配给所有BSs的大小和位置。再一次,这只分配比例时需要更新显著变化。

4.3。分布式调度

每个BS时间表的细胞边缘海量存储系统(MSs)中分配资源以分布式方式不协调与其他BSs。常规波束形成和调零方案提出了限制等于UL和DL资源分配。UL,每个废话可以计算一个近似的协方差矩阵UL的接收信号,用它来计算UL波束形成体重(4)和DL波束形成的重量(13)。消除限制等于UL和DL资源分配和仍然能够计算协方差矩阵的估计和计算UL / DL波束形成重量,我们提出一个特殊的上行探测机制BFaN计划在下一节。

4.4。特殊的上行测深

使用特殊的上行测深BSs估计协方差矩阵和计算UL / DL波束形成体重而消除了平等的UL和DL资源分配限制。这听起来设计使每个BS估计协方差矩阵这是需要在计算波束形成重量所示(4)和(13)。

细胞边缘海量存储系统(MSs)中,相同的资源分配在DL执行UL测深UL使用相同的资源。这使得BSs估计协方差矩阵。UL测深区分配跨度相同的频率范围细胞边缘DL用户资源分配。这确保了男朋友的体重计算在每个BS考虑通道在DL频率选择性分配。此外,这种特殊的测深应该执行前的UL子帧对DL子帧通道差异最小化UL(当男朋友重量计算)和DL(当男朋友权重应用)。

资源分配图描述了一个例子5来说明我们的特别UL测深设计作品。在图5,有8个资源块分配为细胞边缘海量存储系统(MSs)中。8块分散/ 2时间单位和4频率的单位。因此,8测深地区(SR)需要在测深特区估计协方差矩阵8资源块(RB)。第一个特殊的上行测深块跨度相同的4频率单位资源块。接下来,副载波频率在每个单位特殊测深地区分为两个截然不同的集(虚线和实线副载波)支持的声音资源块在两个时间单位。因此,有8个地区。当前上行测深分配802.16 e支持我们的特别上行测深分配。

在图5BS 1分配资源块1 5和2女士1和2 BS分配资源块1,2,6 - 2女士。因此,女士1将执行测深探测区域1,5日和2和2女士将执行测深探测区域1,2,6。后特别UL测深,每个BS应该能够计算协方差矩阵的近似使用平均计划图4并计算BS波束形成加权使用(4)和(13)。

5。仿真结果

链路级仿真无法准确量化的性能干扰缓解方案。这是由于这样的事实,实际干扰存在于系统资源调度执行的函数在每个BS。没有实际的调度功能,实际干扰环境不能被捕获和性能无法衡量。我们实现BFaN方案在系统级仿真器开发的英特尔和符合IEEE 802.16评价方法文献[11]。系统级仿真满比例公平调度程序和缓冲区交通模型BSs和海量存储系统(MSs)中执行调查BFaN的系统吞吐量的改进方案。降低成本和功耗在海量存储系统(MSs)中,假设每个女士使用1传输UL和2个接收天线的DL。仿真参数的总结可以在表中找到1。

突出的性能BFaN计划,我们比较仿真结果与基线系统提出了(11]。选择这个基线系统由于所有干扰缓解计划提出WiMAX标准基线系统比较他们的结果。因此,我们可以间接的比较我们的方案的性能干扰缓解计划WiMAX如果我们使用相同的基准系统展示结果。在基线系统,我们之间切换摘要(Alamouti)或空间复用MIMO (SM)根据信道条件。在模拟基准系统,延迟完美信道知识。BSs使用完美的通道,这意味着存在5 ms前计算调度指标和做出调度决策。当我们BFaN计划启用,BSs将使用DL传输波束形成与细胞边缘用户通信时使用2或4 BS天线单元中心海量存储系统(MSs)中使用摘要/ SM方案。

5.1。仿真结果和比较在低流动性

仿真结果在3公里/小时19细胞呈现在表2。一个简单的经验法则(12)表明,天线配置,我们的BFaN可以空出重要的BS陷。废话,它可以形成null和点细胞边缘海量存储系统(MSs)中,其他BSs。这意味着干扰BSs的总数所经历过的任何细胞边缘女士是减少了。女士,可以形成null,点干扰BSs不空点,因此,使用我们BFaN BSs,干扰BSs的数量在一个细胞边缘女士是减少了。

为天线配置,我们BFaN方案只能空出2 BS陷。在系统频率复用1中,很有可能找到3或更重要的BS陷。因此,我们BFaN提供适度的细胞边缘不减少细胞中心获得吞吐率比基线系统。相比之下,PMI限制促进细胞边缘细胞中心的性能,但牺牲性能。总之,我们BFaN优于PMI限制在细胞整体吞吐量,但一个更小的细胞边缘改进比PMI限制。

为天线配置,我们BFaN可以空出大约4 BS陷。有高概率,最重要的陷可以取消和高吞吐率是通过我们系统。模拟显示,我们的方案优于PMI限制普通用户吞吐率和细胞边缘用户吞吐率。女士的CDF实验组的平均吞吐率可以在图中找到6。细胞边缘用户吞吐率的定义提供曲线的吞吐率为5%。平均吞吐率被定义为提供曲线的吞吐率为50%。

的参考方案优于我们BFaN计划81%细胞边缘用户吞吐量。这是由于这一事实的协方差矩阵计算参考方案使用完美执行(但延迟)频道信息。的协方差矩阵计算BFaN设计使用UL测深和执行可以遭受大的交叉项(见附录)和近似错误由于热噪声。交叉项的影响可以减少通过扩大副载波的平均数量。然而,这增加了系统开销。

5.2。仿真结果为更高的移动速度

正如前面所讨论的那样,反馈和计算延迟时间之间的5女士介绍波束形成的权值计算当波束形成的权值实际上是应用。这导致通道失配(增加移动速度)之间的时间计算BS波束形成加权BS应用波束形成权的时候。从图7女士,可以看出在细胞边缘吞吐率下降随着女士的速度增加。然而,如果女士速度保持在每小时60公里/小时,我们BFaN方案仍然可以提供获得基线系统。

有两个其他有趣的观察。首先,参考方案更敏感比我们BFaN通道失配引起的用户迁移方案。这是由于这一事实BFaN方案形式广泛的梁和浅比参考设计null。因此,通道不匹配会导致更大的错误在波束形成和零形成和参考方案中指向更高的移动速度和降低系统性能。第二,随着移动速度的增加,性能基线系统的下降比我们BFaN计划女士温和速度高达30公里/小时。女士只有在更高的速度,我们BFaN计划开始下降更多的基线系统相比,系统性能。

6。结论

BFaN方案的最优性和效率和量化证明推导和系统级仿真,分别。它增加了细胞边缘女士吞吐率相对于基线女士实现高达60 km / h的速度。我们的特别上行探测提供一种优雅的方式使UL / DL BS波束形成重量计算和消除了平等的UL和DL的限制资源分配和实时信息交换在回程。干扰提出了缓解最近的调查方案,其中一个比较方案。我们的计划很简单实现,因为它已经由目前的802.16 e消息交换和测深机制。

附录

假设通道是平的副载波和符号,协方差矩阵是扩大

引用

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