王家南, 周小平, 李 莉, 向浩凱, 王 斌

(上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院,上海 200234)

大規(guī)模MIMO-FBMC系統(tǒng)下的空間消隱方法

王家南, 周小平, 李 莉, 向浩凱, 王 斌

(上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院,上海 200234)

在大規(guī)模多入多出正交頻分復(fù)用技術(shù)(MIMO-FBMC)下行鏈路系統(tǒng)中,大量微小區(qū)部署在宏小區(qū)覆蓋區(qū)域內(nèi),并且宏小區(qū)和微小區(qū)共享相同頻譜.在宏小區(qū)引入大規(guī)模多進(jìn)多出(MIMO)技術(shù),在相對(duì)較窄的角度擴(kuò)展下從宏小區(qū)可以看到同一熱點(diǎn)內(nèi)的用戶幾乎位于同一位置,這就引起了方向性的信道向量.利用這個(gè)信道向量的空間方向信息采用協(xié)調(diào)波束成形,獲得空間消隱,即將傳輸能量集中在某些特定的方向上,從而給位于其他方向上的微小區(qū)創(chuàng)造傳輸數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì),以減少對(duì)這些微小區(qū)的干擾.此方法類似于增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)(eICIC)中的幾乎空白子幀(ABS)方法.仿真結(jié)果表明,該方案能有效提高大規(guī)模MIMO-FBMC系統(tǒng)的容量.

大規(guī)模MIMO-FBMC; 微小區(qū); 空間消隱; 協(xié)調(diào)波束成形

0 引 言

由于先進(jìn)通信設(shè)備的引進(jìn),在典型的密集城市場(chǎng)景下[1],大部分?jǐn)?shù)據(jù)流量通過高度集中的用戶群產(chǎn)生熱點(diǎn)來傳輸.解決數(shù)據(jù)需求的一個(gè)可能方案是采用大規(guī)模多進(jìn)多出(MIMO)技術(shù)[2],例如一個(gè)基站配有600根天線也許只服務(wù)10個(gè)用戶,基站端采用大規(guī)模天線陣列,可以無需正交化時(shí)頻資源,就能提供干擾協(xié)調(diào).傳統(tǒng)的正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)難以實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格同步和非連續(xù)頻帶的傳輸,會(huì)有嚴(yán)重的頻譜泄露.而濾波器組多載波技術(shù)(FBMC)可以通過使用良好的濾波器解決上述問題,文獻(xiàn)[3]中研究了正交頻分復(fù)用技術(shù)/偏移正交幅度調(diào)制(FBMC/OQAM)系統(tǒng)下的信道估計(jì)方法.所以大規(guī)模MIMO和FBMC技術(shù)的結(jié)合受到廣泛關(guān)注與研究.

另一解決數(shù)據(jù)流量需求的可行方案是部署大量低功率基站(微小區(qū)),尤其是部署在更靠近高密度用戶區(qū)域,但代價(jià)是增加了干擾功率.因此研究者都集中在研究干擾協(xié)調(diào)策略,這也是3GPP下采用增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)(eICIC)技術(shù)的主要目標(biāo),該技術(shù)分別通過部分頻率復(fù)用方法和幾乎空白子幀方法來實(shí)現(xiàn)頻率和時(shí)間的正交化[4-5],從而減輕小區(qū)間干擾.文獻(xiàn)[6]提出了一種“認(rèn)知”微小區(qū)方法,其中微小區(qū)基站具有解碼宏小區(qū)基站控制信道的能力,利用解碼出來的控制信息,采用一種簡(jiǎn)單的功率控制方案來處理層間干擾,主要是調(diào)整它們的發(fā)送功率電平,使得在宏小區(qū)接收端的平均干擾功率不超過某個(gè)閾值k.

典型的宏基站是部署在一個(gè)很高的位置(如屋頂或塔式安裝),這樣在一個(gè)相對(duì)窄的角度擴(kuò)展下既能看到自己的用戶,也能看到被微小區(qū)服務(wù)的用戶,這樣就會(huì)產(chǎn)生方向性的信道向量.文獻(xiàn)[7-9]中提出宏小區(qū)利用這個(gè)空間方向信息通過聯(lián)合空分復(fù)用(JSDM)來減少對(duì)微小區(qū)的跨層干擾,主要原理是將用戶空間分成用戶組,使得用戶具有近似相同的協(xié)方差,將下行波束成形分為預(yù)波束成形矩陣和預(yù)編碼矩陣.本文作者提出利用這個(gè)信道向量的空間方向信息,基于協(xié)調(diào)波束成形的空間消隱算法,將傳輸數(shù)據(jù)集中在某些特定的方向上,從而給位于其他方向上的微小區(qū)創(chuàng)造傳輸數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì),以減少對(duì)這些微小區(qū)的干擾.

1 系統(tǒng)模型

圖1 系統(tǒng)模型示意圖

研究場(chǎng)景的系統(tǒng)模型如圖1所示,在該場(chǎng)景下的一個(gè)小區(qū)中有一個(gè)宏基站(MBS),宏小區(qū)的覆蓋半徑為Rmc,單天線用戶非均勻分布在宏小區(qū)中,假設(shè)用戶聚集在某些高密度熱點(diǎn),本文作者稱之為用戶組.假設(shè)Nu個(gè)用戶組均勻且獨(dú)立分布在宏小區(qū),每一個(gè)用戶組集中的區(qū)域遠(yuǎn)小于宏小區(qū)覆蓋區(qū)域.在該系統(tǒng)下有Nf個(gè)微小區(qū)(Nf≤Nu),每一個(gè)微小區(qū)覆蓋一個(gè)用戶組,這些用戶組的集合為Ω.剩下的Nu-Nf個(gè)用戶組的集合為R.宏基站的天線數(shù)為Nm,微小區(qū)基站的天線數(shù)為Ns,宏基站考慮大規(guī)模MIMO體制[10],即Nm≥Ns≥1.

微小區(qū)通過空間復(fù)用服務(wù)多個(gè)用戶,一個(gè)微小區(qū)服務(wù)組內(nèi)Sf個(gè)用戶.所有活躍微小區(qū)信號(hào)以峰值功率P1傳輸,由于存在多用戶,所以會(huì)產(chǎn)生區(qū)內(nèi)干擾,這可以通過迫零波束形成消除.g組的一個(gè)用戶k和f組的一個(gè)微小區(qū)之間的信道向量hgk,f大小為Ns×1,服從獨(dú)立同分布CN(0,a(g,f)),a(g,f)是g組用戶和f組微小區(qū)之間的距離路徑損耗系數(shù),表示為[11]:

(1)

其中d(g,f)是g組用戶和f組微小區(qū)之間的距離,d0是截止距離,α是路徑損耗系數(shù),w是墻穿透損失,nw(g,f)是用戶組g和f組微小區(qū)之間墻壁個(gè)數(shù):

(2)

在宏小區(qū)和每個(gè)用戶組之間考慮一環(huán)信道模型,同一組內(nèi)的用戶與宏基站天線陣列的信道向量是相互獨(dú)立但又同分布的,而且具有相同的協(xié)方差矩陣.在每個(gè)傳輸時(shí)頻時(shí)隙上,宏小區(qū)調(diào)度G個(gè)用戶組(G≤Nu),其中g(shù)組中被服務(wù)的用戶數(shù)為Ng,其取決于用戶組信道協(xié)方差矩陣的秩.g組的一個(gè)用戶k和宏基站之間的瞬時(shí)信道在任何給定的傳輸時(shí)頻時(shí)隙上是一個(gè)大小為Nm×1的高斯隨機(jī)向量,表示為hgk,0,用KL變換表示為:

(3)

(4)

式中Rg是秩為r的信道協(xié)方差矩陣,Ug∈CNm×r是Rg的特征向量組成的高酉矩陣,Λg∈Cr×r是Rg的特征值構(gòu)成的的對(duì)角正定矩陣.wgk～CN(0,Ir)是隨機(jī)向量.

根據(jù)一環(huán)散射模型[12],其中用戶組到基站的到達(dá)角(AOA)為θg,角度擴(kuò)展(AS)為Δg.則Rg的第(m,n)個(gè)元素表示為:

(5)

式中ag,0為由于傳播環(huán)境造成的路徑損耗.宏小區(qū)的總發(fā)射功率為P0.本文作者考慮等功率分配,所有宏小區(qū)下行數(shù)據(jù)流分配到相同的功率P0/S,其中S是在所有組中被服務(wù)的總用戶數(shù).

為了提高系統(tǒng)的頻譜利用率,發(fā)送給g組用戶的數(shù)據(jù)符號(hào)向量Xg∈RNg×1在發(fā)送端發(fā)送之前首先被預(yù)編碼,所以g組用戶接收到的信號(hào)表示為:

(6)

其中Hg,0=[hg1,0…h(huán)gNg,0]是宏基站天線陣列與g組內(nèi)被服務(wù)用戶的信道矩陣.Mg∈CNm×Ng是g組的發(fā)送預(yù)編碼矩陣,Hg,f=[hg1,f…h(huán)gNg,f]是g組用戶與微小區(qū)f間的信道矩陣,Mf和Xf分別是微小區(qū)f的預(yù)編碼矩陣和發(fā)送數(shù)據(jù)符號(hào)向量.zg是加性高斯白噪聲,服從獨(dú)立同分布CN(0,1).式(6)中第一項(xiàng)為g組用戶的有效數(shù)據(jù),第二和第三項(xiàng)是其他用戶組對(duì)g組的干擾,而第二項(xiàng)的干擾可以通過塊對(duì)角化波束成形來消除[7].

由相應(yīng)微小區(qū)服務(wù)的f組用戶接收到的信號(hào)表示為:

(7)

式中Hf,f′=[hf1,f′…h(huán)fSf,f′]是f組內(nèi)用戶與f′組微小區(qū)陣列的信道矩陣,zf是加性高斯白噪聲.f組用戶除了受到由其他微小區(qū)服務(wù)的用戶組的干擾(此項(xiàng)可通過塊對(duì)角化消除),也受到由宏小區(qū)服務(wù)的用戶組的干擾.

從(6)和(7)式可以分別得知宏小區(qū)調(diào)度g組的一個(gè)用戶k的接收SINR(λ)和由微小區(qū)服務(wù)的f組的一個(gè)用戶k的接收SINR,表示如下:

(8)

(9)

2 基于協(xié)調(diào)波束成形的空間消隱

當(dāng)基站發(fā)射的信號(hào)只被用戶部分有效接收時(shí),很自然想到通過波束成形技術(shù)使陣列天線發(fā)射的電磁波的主瓣方向?qū)?zhǔn)期望用戶,而零瓣方向?qū)?zhǔn)干擾源,由此提高信噪比,增加系統(tǒng)容量.第1節(jié)已提到本系統(tǒng)場(chǎng)景下能得到有方向性的信道向量,通過進(jìn)行聯(lián)合波束成形設(shè)計(jì),使得信號(hào)在空間上相互隔開,將傳輸數(shù)據(jù)高度集中在某些特定的方向上,從而給位于其他方向上的微小區(qū)創(chuàng)造傳輸數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì),以大大減少對(duì)這些微小區(qū)的干擾,由此(6)式的第三項(xiàng)和(7)式的第三項(xiàng)可近似忽略.由于區(qū)內(nèi)組間用戶干擾可通過塊對(duì)角化預(yù)編碼算法消除,所以(6)和(7)式分別簡(jiǎn)化為:

(10)

(11)

將解碼也考慮進(jìn)去,則只要將(10)、(11)式的接收信號(hào)乘以譯碼矩陣即可.以g組用戶接收到的信號(hào)(10)為例,為簡(jiǎn)化方便,以下將各字母下標(biāo)g省略.用聯(lián)合迭代法更新預(yù)編碼矩陣和譯碼矩陣,首先定義一個(gè)等效信道矩陣Heq:

(12)

式中D∈RNg×Ng是實(shí)值譯碼矩陣,將g組預(yù)編碼矩陣M分解成兩部分,表示為:

(13)

式中M1∈CNm×Nx,M2∈RNx×Ng.

協(xié)調(diào)波束成形算法主要步驟如下:

第1步:初始化譯碼矩陣D(0),設(shè)置一個(gè)閾值ε作為停止標(biāo)準(zhǔn).如果當(dāng)前子載波是第一個(gè),則譯碼矩陣是隨機(jī)生成的.否則將當(dāng)前譯碼矩陣設(shè)置成前一個(gè)子載波所計(jì)算出的譯碼矩陣.

第2步:設(shè)置p=p+1,并計(jì)算第p次迭代的等效信道矩,

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

當(dāng)使用MMSE接收機(jī)時(shí),譯碼矩陣表示為:

(20)

第5步:計(jì)算Δ(M),

(21)

如果Δ(M)<ε,則收斂,并且迭代過程結(jié)束.否則返回到第2步.

空間消隱方法是將傳輸能量高度集中在某些特定的方向上,從而降低其他方向上微小區(qū)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)所受到的干擾,即可近似忽略宏小區(qū)和微小區(qū)間的層間干擾.那么到底宏小區(qū)選擇哪些用戶來服務(wù)又是一個(gè)問題,根據(jù)用戶組選擇算法[7],來確保每個(gè)用戶組都有平等被服務(wù)的機(jī)會(huì),另外此算法保證了被同時(shí)服務(wù)的用戶組的信道協(xié)方差特征空間近似相互正交.

(22)

(23)

(24)

(25)

(26)

第五步尋找用戶組g*,

(27)

3 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證所提出算法的有效性,對(duì)該算法進(jìn)行了仿真.仿真實(shí)驗(yàn)帶寬為10 MHz,宏基站配置天線數(shù)為50,微小區(qū)基站天線數(shù)為4,被宏小區(qū)服務(wù)的用戶組數(shù)為4,微小區(qū)個(gè)數(shù)為3.仿真了文獻(xiàn)[7]提出的JSDM算法和本算法下用戶接收的平均信干噪比累積分布函數(shù),如圖2所示,圖3給出了文獻(xiàn)[7]方案和本提出的方案對(duì)系統(tǒng)容量的仿真.從圖2中可以看出基于協(xié)調(diào)波束成形的空間消隱算法的用戶信干噪比優(yōu)于JSDM算法,而且本算法具有收斂性快的優(yōu)點(diǎn).在用戶平均信干噪比為40 dB時(shí),分布趨于穩(wěn)定.從圖3曲線中系統(tǒng)容量隨著信干噪比的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)的趨勢(shì),可以看出所提出的方案優(yōu)于基于JSDM方案.

圖2 所有用戶得接收平均信干噪比的累積分布函數(shù)圖

圖3 系統(tǒng)容量仿真圖

4 結(jié) 論

在大規(guī)模MIMO-FBMC下行鏈路系統(tǒng)中,微小區(qū)部署在宏小區(qū)覆蓋區(qū)域內(nèi)將產(chǎn)生方向性的信道向量,本文作者利用這個(gè)信道向量的空間方向信息采用協(xié)調(diào)波束成形,將傳輸能量集中在某些特定的方向上,降低其他方向上的微小區(qū)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)所受到的干擾,以獲得空間消隱.根據(jù)用戶組選擇算法,服務(wù)具有最高優(yōu)先級(jí)且對(duì)已選擇的用戶組干擾最小的用戶組.在下一步的研究中將考慮微小區(qū)在宏小區(qū)部署的不同位置對(duì)用戶的影響.

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(責(zé)任編輯：馮珍珍,包震宇)

Spatial blanking method for massive MIMO-FBMC system

Wang Jia′nan, Zhou Xiaoping, Li Li, Xiang Haokai, Wang Bin

(College of Information,Mechanical and Electrical Engineering,Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China)

In this paper,we study the downlink performance of MIMO-FBMC system where small cells are deployed under a macrocell,both macro and small cells share the same spectrum.Assume the regime of massive MIMO in the macrocell,the users of the same hotspot are seen under a relatively narrow angular spread from the macrocell appearing almost co-located to the macrocell.This leads to directional channel vectors,which can be exploited to simplify coordinated beamforming techniqueand obtain spatial blanking,a means of concentrating energy only in certain directions while creating transmission opportunities for the small cells lying in the other directions,and mitigating interference to the small cells.It is in analogy with the almost-blank subframes approach of eICIC.Simulation results show that the proposed algorithm can improve the system capacity of massive MIMO-FBMC.

massive MIMO-FBMC; small cells; spatial blanking; coordinated beamforming

10.3969/J.ISSN.1000-5137.2017.01.014

2016-11-29

上海市自然基金項(xiàng)目(16ZR1424500)

王家南(1991-),女,碩士研究生,主要從事無線通信方面的研究.E-mail:773674945@qq.com

導(dǎo)師簡(jiǎn)介: 周小平(1981-),男,博士,副教授,主要從事寬帶無線通信,新一代移動(dòng)通信和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方面的研究.E-mail:zxpshnu@163.com(通信聯(lián)系人)

TN 911.7

A

1000-5137(2017)01-0079-07