文摘
自干扰的影响由于MIMO信道空间相关性的增加已经成为限制因素对未来网络下行传输的实现。本文旨在减少自干扰的影响在下行多用户(μ)MIMO传输利用可用的空间和频率分集。副载波分配方案可以利用频率分集ESINR度量来确定自干扰,同时可以利用空间多样性通过引入局部反馈方案,提供知识的基站的信道条件,进一步减少分配过程发生前的效果。结果表明该下行传输方案提供了健壮的误比特率(BER)性能,即使在一个完全模拟相关频道,没有征收更高的反馈要求控制器固定在底座上。
1。介绍
动态资源分配的正交频分多址(OFDMA)结合乘法的吞吐量增加多输入多输出(MIMO)技术提供了改进的谱多样性无线下行传输。这种组合的结果是能够提供一种高效和低延迟增强频谱灵活无线电接口,可以看到从下行实现的长期演进(LTE)网络(1]。此外,从MU-MIMO LTE网络的好处,多用户分集技术,利用空间多样性知识频道的发射机,即信道状态信息(CSI),以改善性能。然而,获得准确的CSI的大量反馈开销。部分反馈方案,它是基于量化离散傅里叶变换(DFT),被认为是。而不是反馈完整的CSI,移动用户更新E-UTRAN节点B (eNodeB)首选预编码矩阵根据信道质量指示医院药学部()。
完整的反馈方案的实现是以牺牲CSI;因此,它需要大量的eNodeB反馈。下行实现这个场景是不切实际的,因为eNodeB需要更高层次的计算开销计算信道矩阵。这种情况恶化时,通道被通道缺陷严重受损,如空间相关性,也被Gesbert et al。2)的影响自干扰。这是因为MIMO系统容量主要取决于广播频道的空间相关性属性。之间的一个明显的方式来达到解相关的一组天线元素是将他们远离对方。然而,在大多数情况下,设备的性质将限制天线间距。
本文的核心新颖性在于,它认为的有效利用频率和空间的多样性。空间的多样性是利用MU-MIMO反馈计划,而频率分集实现通过动态子载波分配。两个多样性计划、空间多样性(MU-MIMO反馈方案)和频率分集(动态子载波分配),结合以降低自干扰的影响在用户设备(UE)和/或eNodeB(基站)。此外,两个反馈方案是:(i)完整的反馈,医院药学部完整信息的渠道和(2)部分反馈,以量化的形式代表医院药学部的通道。部分反馈方案旨在降低上行开销的要求。多样性计划的提出组合分析对不同MIMO-correlated通道环境和码书大小来实现不同程度的多用户的多样性。
本文的其余部分组织如下。部分2描述了MU-MIMO基础,部分3计划,提出了不同类型的反馈部分4介绍了副载波分配方案,部分5描述了系统设置和仿真参数表示的LTE下行传输部分6讨论并分析了仿真结果的意义,和部分7结论本文简要讨论。
2。空间多样性:多用户(μ)天线系统方案
那操作可分为两种模式:单用户——(SU)天线系统和多用户——(μ)天线系统。SU-MIMO只考虑访问多个天线,连接到一个单一的问题。然而,这种配置通道时并没有达到理想的信道容量之间高度相关,因此需要去相关的空间签名天线。在视线洛杉矶情况,很强的相关性之间的空间签名预计。这种相关性的限制的使用空间复用和降低整个系统的吞吐量。
通过安排不同的问题在不同的空间流相同的时频资源,可以利用额外的多样性在空间域。这叫做MU-MIMO空间多样性方案。MU-MIMO允许同时不同空间子信道分配到不同的问题在相同的时频资源。MU-MIMO的早期工作中可以追溯到2006年,由温嘉顿et al。3]。
MU-MIMO,空间上分离的负担问题在于eNodeB,从而提供比SU-MIMO降低复杂性的问题。MU-MIMO受益于信道状态信息(CSI)的知识正确空间多路复用用户服务。CSI,而不是SU-MIMO至关重要,是至关重要的,下行MU-MIMO预编码技术。
3所示。MU-MIMO反馈方案
预编码使用一个线性变换的发射机改善韧性的符号空间复用。在将系统中,沿着最强CSI允许发射机发送数据通道和有效应对衰退的固有模式从波束形成适当的权重。
然而,使用预编码是以牺牲通道的知识。预编码需要大量的反馈上行受益最完整的信道信息。因此,完整和准确的CSI反馈可能不会严重受损的通道,减少整个频谱效率的量化误差。这些挑战有动机研究部分反馈方案。
3.1。部分反馈与完整的反馈
在完整的反馈方案中,一个问题反馈通道质量指标医院药学部()值每码矩阵,如图1。当选择RB的预编码矩阵,可以填入相应的SINR调度器,医院药学部提供准确信息。每个空间的用户提供最高的SINR选择子通道,然后选中的用户将共享相同的时频资源网格。
而在部分反馈计划,发射机提供量化的信息,和大部分的收益将可以实现空间复用系统成本的一些反馈。例如,Sanayei和Nosratinia4)表明,一个位量化反馈可以保存多用户分集增益。用户选择一个或多个首选波束形成矩阵的电报密码本通过评估不同波束形成的SINRs组合。因此,每个用户必须信号优先向量的一个或几个指标。医院药学部的问题只反馈一个值为每个RB首选的预编码矩阵,通过选择最高平均SINR用户感知。根据反馈,调度器eNodeB选择最高的预编码矩阵之和平均SINR值的空间子信道和适用RB。
在完整的反馈方案中,相应的SINR已知调度器因为eNodeB从所有用户的信息。在部分反馈方案,只有用户声明相同的首选矩阵有资格选择。MU-MIMO,反馈方案必须共同设计适当的调度和多个访问方法最小化CSI准确和保留的反馈效率。
3.2。统一的预编码
在统一的预编码(),问题提供准确、有效的CSI反馈关于首选的预编码矩阵eNodeB上行控制信道。理想情况下,这些信息是可用的每个资源块,从而允许频道资源以有效的方式分配给不同的用户,允许反馈的数量大大减少。有几个预编码方法(引用(5,6)提供详细的概述与有限反馈预编码方案)已经被开发出来,其中之一,被称为codebook-based预编码方法,最近文献中得到了很多关注。
码由有限数量的可能的波束形成矩阵在发射机和接收机。而不是使用物理天线,通过codebook-based空间梁网络传输,从而确保统一的行业覆盖整个细胞,如埃尔和Grunheid所示7]。
本文认为使用DFT-based电报密码本,因为它所示(8- - - - - -10]DFT-based码是对范围广泛的传播情况,有效的不相关的(8,10)完全相关频道(9]。其他比它优秀的保护自干扰的影响,DFT-based速率也有低复杂度码书设计,如[5]。
DFT-based单一预编码器码书,由酉矩阵组,也就是说,,在那里是th预编码矩阵和是th预编码向量集。这是傅里叶中定义的基础上,按照(11]: 在哪里和分别接收和发射天线的数量;码书索引和吗是码书大小。从(1),预编码器矩阵集(也称为码)的大小2和4生成;他们如表所示1和2。
在码书酉预编码,码书大小包含一组预定义的和固定统一的波束形成矩阵的大小,在那里是一副载波分配空间子通道。使用的码书索引然后eNodeB构造预编码矩阵。为每个波束形成矩阵的电报密码本,每个问题计算为每个的SINR波束形成的向量矩阵假设定义的其他空间子信道向量用于干扰传输到另一个问题。
总的来说,问题计算SINRs和信号相对应的码书索引回eNodeB最好的SINR的价值。然后eNodeB利用这些信息来选择波束形成矩阵和进度传输的问题。部分反馈方案,eNodeB有一组非常有限的统一的预编码矩阵的选择,和多路复用增益的最大细胞有足够的问题时正交通道签名匹配的矢量码书的矩阵。
MU-MIMO和SU-MIMO情况下,反馈的数量与空间子信道的数量增加,。在完整的反馈MU-MIMO计划,反馈的数量进一步增加了码书大小(一个成倍增加),导致进一步增加上行开销。否则,相同的预编码矩阵之间共享的所有副载波RB。每个RB的反馈开销考虑天线系统方案的总结表3。医院药学部报告方案MU-MIMO方案是基于每层。位图(例如,4位)是用于信号MCS的水平。首选天线由医院药学部填写适当的隐含层。“1”位图的数量表示军衔天线选择,而医院药学部NULL指出相应的传输天线不是首选。矩阵指数代表的首选DFT矩阵表示“1”在相应的位置。
4所示。频率分集:Interference-Aware副载波分配
4.1。SINR规
接收信号的数学模型,在考虑MIMO-OFDMA系统,FFT和警卫队去除后,描述如下: 其中下标表示问题指数,表示副载波索引,是一个信道矩阵包含之间的空间子信道的频率响应和天线在副载波并应用于OFDMA的副载波信号在集群的基础上的问题,是预编码矩阵,表示一个复杂的循环对称的有色噪声可逆的协方差矩阵,和表示矩阵包含了传输信号。
在接收机,提出了MIMO检测采用MMSE线性接收机: 在哪里数据流的数量和吗是能量传播的符号。数据流的数量在这个工作被认为是有限的。SU-MIMO而言,空间流去相同的问题。MMSE滤波是选择,因为它有能力减轻自干扰而不需要放大接收到的噪声。MMSE滤波也能够独立的空间子通道MIMO结构,如图所示,张成泽和李12]。接收到的信号乘以MMSE过滤器(3)获取检测数据流,:
为每个数据流在每个RB,问题然后计算每个副载波的SINR(副载波索引省略):为方便参考 在哪里是在每一个副载波和空间子通道吗表示元素位于行和列的矩阵。SINR度量目标计算的自干扰数据流组件和自干扰组件从其他相同的子通道内传输数据流。在这项工作中,提出将基于分配的和可以实现的能力的空间流。
在一个SU-MIMO系统,RB,表示开始副载波的指数和完成副载波用户的平均速度是由
每个RB eNodeB分配用户根据所选的资源分配算法。然后调度器使用反馈信息分配RB可实现的数据率最高的问题,。SU-MIMO相比,决策的调度选择最佳的预编码矩阵在MU-MIMO略复杂。MU-MIMO最大化系统容量,必须选择最合适的预编码矩阵的每个RB速率传输。基于所选的预编码矩阵,采用了一种动态子载波分配来选择最好的用户信道条件。然后将选中的用户共享相同的时间和频率资源最大化系统容量。
因为每个独立的空间流可以分配和安排在MU-MIMO问题计算每个空间层的数据速率和提要回BS。用户计算每个空间层的数据速率在RB的基础上。
每RB,调度程序分配每个空间层的问题最好的通道条件相应的层。
4.2。副载波分配
interference-aware副载波分配方案使用SINR性能指标来确定分配。SINR度量知识的一个特定的副载波自干扰的影响,尤其是在空间子信道相关性高。
分配用户排名从最低到最高的SINR度量在每个空间子通道。因此,下一个最好的等级次序副载波被分配给用户,让用户最低的SINR特定空间子通道的SINR可用传输。每个女士提供SINR信息b,然后副载波分配算法分配副载波海量存储系统(MSs)中。
术语是首先设置为引用。在接下来的算法,代表的有效空间子通道考虑分配算法。代表用户的平均SINR度量在th空间子通道,是用户的总数,是一个通过矩阵的每一行是一个向量包含指标可用的副载波的特定空间子通道(即,,在那里是可用的副载波的总数)。用户的SINR矩阵吗在副载波和空间子通道,是一个矩阵,它存储的副载波指数(副载波位置)副载波分配给用户吗和副载波。
下面的算法执行提出interference-aware副载波分配。(1)eNodeB后传输的数据矩阵,th问题计算MMSE过滤器(3)。(2)的移动电台然后计算SINR(5)的空间子通道。(3)从问题的反馈信息,eNodeB允许用户数据率最低的下一个选择的最佳副载波如下。(一)生成短的用户列表,并开始与用户最少的SINR,(第一次迭代的分配方案,没有副载波分配时,所有用户认为平等的SINR价值;因此,列表出现完全任意的)。找到用户令人满意的 (b)为用户在(a),找到副载波令人满意的 (c)更新,,与和在(b) 在哪里是一副载波分配空间子通道和副载波分配矩阵来记录分配吗为用户。(d)进入下一个用户名单中(一个),直到所有的用户都分配另一个副载波,在(c)。
在该算法中,用户不允许分享副载波,从而降低算法的复杂性。在输出的情况下,张成泽和李12]表明,能力只能最大化如果副载波分配给一个用户,因为其他用户的干扰信号,共享相同的副载波是减少。本文扩展了理论提出了(12到天线的情况下,数量的用户共享同一副载波的数量是有限的可用空间子信道(在这种情况下,两个子信道)。
5。模拟环境和参数
本文旨在应用反馈方案空间相关的子通道环境。在MU-MIMO下行的环境,必须考虑自干扰的影响,因为经历的空间相关性问题在实际信道环境可以改变从一个理想无关的通道完全相关频道。
本研究认为一个城市与500细胞微环境半径,户外终端,和2 GHz频段。这个环境是由3 gpp-scm城市微模型(13),251 ns的RMS时延扩展,过量延迟923 ns, Nonline-of-Sight(仿真结果传播场景。可用副载波的总数取决于整个系统的传输带宽。的对于这个仿真,表示LTE-OFDMA下行参数总结在表4。
拟议中的interference-aware副载波分配模拟正交相移编码,用速度调制和编码方案(MCS)。这种组合是一个可用的MCS,指定在1]。选择QPSK调制的仿真由于其鲁棒性和容忍更高水平的自干扰的能力,这使得它适合在低信噪比地区传播的传输比特率较低。
副载波分配的性能结合局部反馈方案将模拟对不同空间相关性MIMO环境,也就是说,自干扰的效果。因此,城市微通道模型进一步扩展为两个相关信道环境:(i)一个不相关的频道,代表了理想的信道条件,自干扰的影响是最小的,(2)“完全”相关的渠道,代表一个坏的情况下空间相关性的场景。完全相关渠道,有效的MIMO信道的输出系统相似。空间相关矩阵的MIMO信道,的克罗内克积空间相关矩阵的废话和女士,提出的,本·et al。14]。总结在表提出的相关场景5。
三个不同的反馈方案被认为是:(i)完整的反馈,(2)部分反馈(这两种应用于MU-MIMO)和(iii) SU-MIMO,代表没有任何形式的反馈。一组2000个独立同分布(先验知识)静态瑞利分布时间每用户用于模拟样品。医院药学部单一,基于平均SINR的12副载波分组,每个资源块反馈(RB),它被认为是完美的。结果是模拟基于10个用户,除非另有说明。一个天线配置被认为是模拟。由于增加了计算复杂度和无关紧要的功率控制增益在频域动态分配,平等的权力分配是假定在整个模拟。
6。错误的性能分析
6.1。比较不同的反馈方案
拟议中的interference-aware副载波分配方案对另一个副载波分配方案相比,称为动态子载波分配(DSA),提出了(15]。DSA计划,副载波分配在每个独立空间层处理,和通道增益作为性能指标确定副载波分配。
图2说明了误码性能完全不相关的和相关的通道。MU-MIMO显示SU-MIMO显著提高;的区别是大约4 dB。这个结果证实MU-MIMO可以提供的多用户受益。SU-MIMO的情况下,表现不佳,可以解释为空间相关系数();在这种情况下,有效的通道SU-MIMO系统类似于一个输出(即。一个单独的数据流)。数量的增加获得MU-MIMO和SU-MIMO之间是显著的,特别是在更高的信噪比。DSA在不相关的模拟通道时提供更好的性能;然而,患有严重的误码率损失作为通道,实现了完整的相关性。这个损失是因为没有知识的通道条件副载波分配方案因为通道增益作为性能指标。因此,结果SU-MIMO不考虑。
干扰注意分配方案的优势是重要的在一个完全相关通道,如图3。完整的反馈比SU-MIMO MU-MIMO提供更高的系统性能,而差异大约是2.5 dB的保证金在一个完全相关频道。MU-MIMO反馈方案,完整的反馈提供了优越的误码率改善局部反馈,而差异大约是2 dB的保证金。
然而,MU-MIMO可以实现更多的数量获得通过多样性在空间域的额外维度相关环境利用空间子通道作为资源配置额外的维度。利用interference-aware分配方案在每个空间维度,自干扰的影响进一步降低。MU-MIMO也有一个大的波长之间的分离问题,从而允许更高程度的解相关。
6.2。不同的码书大小的性能
在本节中,四个码书大小比较,。完全相关频道,在较小的大码书大小的优点是显而易见的,特别是对部分反馈方案,如图4。然而,在一个不相关的频道,误码性能只比的。缺乏改善发生由于较低的多用户分集增益,可以通过局部反馈计划,因为调度器反馈信息是有限的。在完整的反馈方案,获得较高的误码率可以通过更大的码书大小,如图5。作为一个例子,码书大小的实现3分贝增益码书大小的在一个完全相关的通道。
从这些结果,可以普遍表示,更大的码书大小导致更好的误码性能完整的反馈机制,这有助于减少自干扰的影响。这个进步是因为更大的选择的预编码矩阵。更大码包含更多不同的码字,这就增加了可能性,每个空间子通道都可以找到一个更好的在编码码字匹配。因此,大码损失,更可能有一个较低的误码率信道条件的允许更精确的表示。进一步,利用DFT-based电报密码本预编码有效地降低自干扰的影响在一个高度相关的通道。
文德兰花和金达尔[发表的结果16)也证实了这些发现,显示在一个完全相关频道,DFT-based码可以减少通道信息振幅之间的区别不同的发射天线,而恒模DFT码书生成量化误差小于非常数的模量Grassmannian-based电报密码本预编码。最近的一份刊物杨et al。9)也证明了DFT-based码是对空间相关性的有效MU-MIMO系统。
MU-MIMO反馈方案的误码性能和大的码书大小预计将进一步增加。然而,使用一个码书大小太大也会造成一些问题。首先,一个更大的码书大小降低上行信道的频谱效率,因为反馈信息大大增加。增加医院药学部在量化码书大小带来指数复杂性,如图所示的本·[17),从而击败渠道反馈的主要目的,特别是在部分反馈方案。在撰写本文时,只有一个码书大小的由3 gpp规范支持发表在[18因为它性能增益和反馈开销之间的交易了。
它也表明,在一个完全相关频道,较大的码书大小(提供性能优越的小码书大小()。这个结果表明,码书的大小影响所需的数字信号比特之间的权衡,表示一个特定的矩阵码书和适用性产生的光束传播方向。它是由谢霆锋和Viswanath显示19码书大小)有一个轻微的多用户分集增益比当模拟部分反馈方案。这个改进是观察到的,因为用户选择相同的码书的数量矩阵是大的码书大小的减少,导致较小的用户数量将在相同的时频资源。由于这些原因,重要的是要选择一个合适的码书大小的MU-MIMO下行传输。
6.3。部分和全部反馈方案之间的性能比较
数据6和7比较之间的误码性能部分反馈,反馈方案不同数量的用户完全不相关的和相关渠道,分别。随着用户数量的增加从1到25日的误码性能显著增加,由于丰富的光谱多用户分集收益。当用户的数量增加(例如,从10到50),可以观察到多用户分集增益的增加缓慢,这表明多用户分集增益达到饱和度随着用户数量的增加。这个结果符合理论观察证交所和Viswanath [17),更大的获得可以通过额外的维度空间域的多样性。MU-MIMO可以达到类似水平的分集增益,系统中甚至用更少的用户。
这个结果也证实,除了能够缓解自干扰的影响,提出interference-aware分配方案还考虑多址干扰(MAI)的影响时,在MU-MIMO模拟。在MU-MIMO,由此产生的多用户干扰主要是由多个天线,提供所需的自由度空间分离的用户,以及链接的多样性。为更多的用户在一个完整的反馈方案中,一个更大的码书大小可以进一步改善结果。
6.4。吞吐量分析
图8比较不相关的平均带宽效率和高度相关的信道环境。策划的输出系统的带宽效率作为参考。仿真结果认为10个用户在两个相关案例。
从这些数据,MIMO系统在不相关的频道有更好的带宽效率比“完全”相关的渠道。有额外的空间可以利用的多样性,MU-MIMO可以提供几乎两倍于吞吐量在整个信噪比范围。“完全”的相关频道,MU-MIMO SU-MIMO达到带宽效率显著增加。部分反馈方案略次于完整的反馈方案在不相关的和相关的渠道。
在较低信噪比、带宽效率MU-MIMO类似于不相关的MU-MIMO和其他反馈计划因为QPSK调制的使用是健壮的通道缺陷的影响(尤其是通道相关性)。在高信噪比,更高层次的MCS容易受到通道退化。采用一种自适应调制方案,提出interference-aware分配也能够减少所有信噪比自干扰的影响。
考虑相关环境模拟通道完全相关(相关系数为0.99),该interference-aware分配方案预计将提供更高的吞吐量增加实际应用基于本文中给出的结果。
7所示。结论
本文结果表明,拟议中的interference-aware分配方案(频率分集),结合反馈方案从MU-MIMO(空间多样性),可以提高误码性能快速时变信道模拟时,患有严重的发射和接收天线之间的空间相关性。
有两种类型的MU-MIMO反馈:(i)全部反馈和(2)部分的反馈。完整的反馈可以提供更高的性能和部分反馈相比,但高上行开销为代价,而部分反馈提供了一个权衡多用户分集增益和降低上行反馈要求。
一般来说,一个更大的码书意味着更准确的知识MIMO信道在发射机,导致改善多样性。之间没有显著差异在误码性能码书大小通道时不相关的和操作在单用户(SU-MIMO)传播。DFT-based速率适应使量化利用信道固有的空间相关性。
这些结果表明,码书大小的组合与部分反馈方案达到边际误码性能比高大小与完整的反馈方案。利用动态子载波分配有助于减少自干扰的影响,利用频率分集。减少自干扰和性能之间的权衡收益证明码书大小的选择和反馈方案在LTE下行的环境。
承认
作者要感谢马来西亚国立大学的金融支持这项工作,在格兰特计划ukm - ggpm ict - 032 - 2011。作者还想感谢匿名评论者的有价值的反馈。