文摘

在这项研究中,我们考虑一个大规模多路多输入多输出(MIMO)继电器网络Rician衰落通道上,所有用户打算与其他用户分享他们的信息通过amplify-and-forward (AF)继电器配备大量的天线。更实际的,不完美的信道状态信息(CSI)考虑在内。考虑网络的性能评估,我们推导的解析近似表达式与zero-forcing频谱效率(ZF)接收器在一个封闭的形式。获得更多的见解,渐近分析与中继天线的数量接近无穷。最后,分析了动力相似律两种情形。研究结果表明,(1)大规模分布式天线能够补偿Rician衰落造成的损失,(2)和频谱效率随Rician因素的增加,和(3)部署大规模天线是有效的节约成本,保持性能。

1。介绍

大规模多输入多输出移动通信技术网络极大地改善沟通的流畅性和稳定性,为用户提供更好的体验,被定义为一个第五代移动通信的核心技术(1,2]。大规模的MIMO技术是首先设置Marzetta [3人释放多单元的多用户非合作的系统,现在,它有关注行业和学术。通过部署几十或几百个天线的基站(BS)和服务许多用户来说,大规模的分布式天线的优势能力,提高频谱效率和能源效率的数量级(4),在某种程度上,排除interuser干扰(IUI)与低线性预编码/检测方案,诸如最大比合并(MRC),最大比传输(捷运),zero-forcing,最小均方误差(MMSE) [5,6]。

同时,多路继电器网络对实际应用场景有重要作用,例如,数据传输和交换信息在多媒体电话会议发生在传感器节点在无线通信和数据中心(7,8]。由于多路复用增益,多路继电器网络已经成为升级技术进一步推动继电器网络的频谱效率性能(9,10]。

为了获得巨大的优势MIMO和多个继电器,这两种技术的结合引起了极大的兴趣(11- - - - - -15]。在[11),作者研究了多路继电器网络的性能,计算出每个用户的发射功率和继电器保持在一个增加的趋势随着中继天线数量的减少。此外,作者在12]推导出多路大MIMO中继网络无线通信和权力的技术转移在同一时间。(所示13)用户和中继节点的传输能力可以减少大型天线阵和保持一个固定的多路大规模分布式天线网络的服务质量。在[14),作者研究多路继电器网络的性能和释放,成对多路继电器网络达到最大数量的多路复用增益时参与仅限于两个来源。在[15)的渐近性能MWRNs大量MIMO通过造型渠道调查,它的结论是,用户节点的传输功率天线的数量成反比,当通道是衰老。然而,上述作品的普遍假设所有通信完成的瑞利衰落信道条件下(16),这是不实际的一些场景的视线(LoS)环境中,如电视广播、卫星通信和无线电中继通信(17,18]。

出于上述的讨论,我们认为一个多路大规模MIMO中继网络Rician衰落信道与ZF处理在这个研究。更实际的,我们假设通道并不完美,可与MMSE估计的巨大MIMO中继。具体地说,通过利用ZFR可以/ ZFT算法,得到一个近似的分析评估频谱效率的考虑多路大规模MIMO中继网络关闭。获得更多的见解,探讨了动力相似律随着中继天线的数量增长到无穷。这项研究的主要贡献如下所示:(1)修复Rician因子的值和比较和频谱效率的趋势,我们发现大规模分布式天线可以补偿Rician衰落造成的损失;(2)频谱效率和生长对数当Rician衰落的因素K增长,此外,频谱效率提出了突出的时候K= 0;(3)使用获得的估计量,频谱效率的闭型ZF处理。此外,法律参与权力规模两个部分。在第一种情况下, ;我们发现随着天线的增加频谱效率增加。至于其他情况下,用户的传输功率降低米增长,估计误差和interpair干扰的影响可以忽略。

本研究的其余部分组织如下:在部分2,我们介绍了网络模型并给出了信道模型中,信道估计和信息传输。节3,我们分析频谱效率。比例法则被认为是部分的力量4,数值结果部分所示5。最后一部分总结了研究。

符号:上标 矩阵的转置 , 矩阵的共轭, 代表的埃尔米特矩阵a的同时, 和 分别代表了期望和方差运营商。 和 是kth列的矩阵a的符号 表示,一个是圆对称高斯分布的随机变量。

2。网络模型

我们考虑一个多路大规模分布式天线AF继电器网络如图1,其中包括一个米天线中继和N单天线用户。每个用户有一个天线试图与其他交换他们的信息N−1用户借助AF中继站,配备米天线(米> > N)。我们假设造成的直接链接无法实现高路径损耗和/或严重的阴影。


图1
系统模型。
2.1。通道模型

让 的信道矩阵N用户的继电器,其中包含的小规模和/或大规模的衰落,而且它可以写成 在哪里 是一个对角矩阵,包含大规模的衰减系数,抑制了吗 在Nth对角线元素。对比(19),由于通道Rician衰落,它可以写成20.]

在上面的公式中, 是RicianK因素系数相结合N−1用户组和继电器,时间 是随机的一部分Rician衰落信道的通信吗N−1用户继电器,所有元素是独立和恒等分布的先验知识。 随机变量(21]。 是确定性的一部分Rician衰落信道的限制N−1用户,这是一个任意的排名 ,在哪里 是波长, 是天线间距, 代表的到达角Nth用户。

在时分双工(TDD)操作,信息交换时的传输协议可以被描述是完全完成在所有N用户。使用TDD操作时,有三个部分每个一致性区间:信道估计、多阶段,和广播阶段。

2.2。信道估计

在无线通信系统中,它是一个挑战来获得完美的CSI,特别是在大规模的MIMO系统,配备了大量的天线阵在BS。在[21),我们假设确定的组件和Rician因素在传输过程中。我们定义的T的长度是一致的间隔, 代表的培训时间在每一个连贯的间隔,并设置 。在训练阶段,我们假设所有用户发送导频序列的继电器同时,飞行员的序列是相互正交的。在这种情况下,我们需要 ,然后, 可以写成(19] 在哪里 是确定性成分 ,和 估计信道的随机组件。

在训练步骤中,正交导频序列实现矩阵 ,约束与 ,在哪里 ,和 是传播试点。基站收到的飞行员与噪声矩阵可以表示为 在哪里 继电器是AWGN向量。剩下的接收矩阵

然后,我们可以使用MMSE估计的随机组件 如下: 在哪里 。

与公式(5),我们有 在哪里 , 摘要向量, ,和 。

用(7)(3),信道估计的矩阵G可以获得(22] 在哪里 和 是相互独立的, 介绍了估计误差矩阵。此外, 和 ,在哪里 和 是对角矩阵,其对角元素是什么 和 ,分别。

2.3。信息传输
2.3.1。多路访问阶段

根据估计的通道,数据由所有用户同时发送到继电器。让 传输信号kth用户提供 。因此,继电器,收到信号

在上面的公式, ,和 指出了AWGN向量的继电器。的援助估计通道和ZF处理技术,从所有继电器将接收到的信号米天线作为 在哪里 是ZF接收器和可以获得的23]

2.3.2。广播阶段

在这种状态下,它需要K−1时段向所有用户发送信号继电器的帮助。火炬接力试图发送 用户k,当tth时间槽。因此,在继电器,tth时段,传输信号向量可以写成(9] 在哪里 和 ,和 是选择满足功率约束的继电器。和 置换矩阵的吗tth时间槽(8]。,代表了ZF预编码矩阵,可以写成

用(12)(14),我们可以 在哪里

从(12),传输信号,和K用户见面 在哪里 最后是AWGN向量。

3所示。频谱效率分析

在本节中,我们得出一个封闭表达式大规模multirelay系统的频谱效率Rician衰落通道。在其他时间段,同样的分析可以满足要求。根据的努力24),接收到的信号nth用户 可以显示为 在哪里

为kth用户,最坏的高斯噪声产生的光谱效率,和公式

获得封闭形式的光谱效率,我们需要计算 和 。由于独立性的关系 和E,我们可以获得

因为 有一个复杂的表单,它不能计算,而且,很难得到的确切形式 。然而,利用大数定律(9),我们可以有以下近似。

定理1。与 ,谱效率可以评估 在哪里

证明。请参阅附录。

4所示。权力扩展法

在本部分中,动力相似律的研究被认为是网络。我们主要集中在这两种情况:(1)修复 , ,并设置 的抑制 ;(2)修复 , ,和 ,并设置 和 ,的抑制 > 0, > 0。

第一个例子:权力扩展法律时可以计算如下 有一个趋势无穷。

定理2。修复 , ,和 ;集 ,的抑制 ,我们有 在哪里

证明。用 并使米到无穷。
注1:定理2显示和频谱效率并不相关 ,由于估计误差的原因,当成为一个常规号码 。此外,天线有增长的趋势,频谱效率增加。
案例二:用户传输功率降低天线的数量米增加。

定理3。修复 , ,和 ,当 和 ,与约束 > 0, > 0。

证明。用 , ,并米到无穷。
注2:表明估计误差的影响和interpair干扰时可以忽略米爬到正无穷。当满足条件,0 < , < 1,用户频谱效率的增长在一个无限的趋势。当 = = 1,用户的频谱效率是固定的。当 > 1, > 1,频谱效率下降为零 。

5。数值结果

频谱效率之和作为我们的性能指标。和频谱效率可以改写如下:

图2显示多路大规模分布式天线系统频谱效率和ZF处理与天线不同值的数量K。钻石虚线代表的蒙特卡罗结果多通道的频谱效率大规模MIMO中继,而圆的点线代表了第三部分的分析结果。在这个图中,我们修复 ,N= 8, ,和 。在这个图中,我们可以发现模拟值与蒙特卡罗结果一致。此外,我们可以很容易地得出结论,ZF处理经济增长缓慢时,天线的增加严重。


图2
通过的天线和频谱效率K5 = 10。

图3考虑系统的显示和频谱效率与ZF和信噪比时K设置为10 - 5。从图可以看出3与信噪比的增加,频谱效率增大。我们可以学习,ZF处理有一个更好的性能与信噪比的多路大规模分布式天线系统。此外,频谱效率随K增长,这意味着考虑系统的性能受限于Rician因素。


图3
通过信噪比和频谱效率K5 = 10。

图4调查和频谱效率与不同的值K。如图,的增加K,和频谱效率可以得到一个明显下降,这是说,与Rician和频谱效率下降的因素K上升。


图4
通过Rician衰落和频谱效率的因素。

图5显示了标度律与力量米为每个用户的传输功率 和继电器 考虑系统。在这个图中,我们设置N= 8, , , ,K= 10 dBT= 200。正如我们可以看到,当 , > 1,频谱效率和降低为零,可以得到,当传输能量减少太多的每个用户和继电器,和频谱效率将大大降低。当 , < 1,频谱效率随着天线数量的总和米增加。当 = = 1,和频谱效率成为一个常数,这表明我们不能促进和频谱效率,使天线的数量增加。


图5
频谱效率和通过米。

6。结论

在这项研究中,我们总结了影响Rician因子的多路大规模MIMO中继网络的性能与ZF处理。我们推导出一个近似频谱效率的表达式在一个封闭的形式。此外,Rician因子之间的关系和频谱效率之和。和大规模分布式天线有能力Rician衰落造成的损失进行补偿。此外,我们表明,ZF处理在大多数情况下提供更高的频谱效率。

附录

1

引理1。让 , 。每一行的 是 ,在哪里 是一个对角矩阵。此外,让 是另一个对角矩阵。然后,我们有

证明。通过表达 ,在哪里 是一个 中央Wishart矩阵 自由度,和使用10),引理2.10。
2

引理2。让 ,和 。然后, 3

证明。定理1(1)派生的 :从(10),计算 ,我们需要计算 , ,和 。用(5)和(7)(11)的收益率 在过去的平等,我们使用引理吗1。来计算 ,我们的替代品(5)和(7)(12)获得 从大数定律,我们有 ,因此, 可以近似为 再次,我们使用引理吗1获得最后一个平等。同样的,我们获得 用(各),(本)和(要求寄出)(16),我们获得(24)。(2)派生的 :从(20.),我们有 (一)计算 ,我们有 在哪里 这个词 可以计算为 同样的,我们获得 ,和 。因此, (b)计算 ,我们得到了 在哪里 , ,和 。我们获得 同样,我们有 接下来,我们计算 。我们获得 用(所以)和(A.16)(A.13),我们得到 (c)计算 ,我们获得 (d)计算 ,我们获得 用(A.11),(A.16),(A.18)和(A.19)(A.7)收益率(23)。

数据可用性

(软件代码)数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作的部分支持由河南省重点科技项目,中国(没有。192102210123),河南大学重点科研基金,中国(没有。20 a520015),河南省科学技术和项目开发,中国(没有。212102210092)。