基于低復雜度接收機的上行大規模mimo系統功率控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于無線通信技術領域，具體涉及基于低復雜度接收機的上行大規模MM0 系統功率控制方法。
【背景技術】
[0002] 隨著智能終端普及應用及移動新業務需求持續增長，無線傳輸速率需求將在今后10年呈指數增長，大規模MMCKMassive MM0)時分雙工系統作為一種新穎的蜂窩網絡結 構成為當前的研宄熱點，在大規模MM0系統中，基站端有數量巨大的低功率小天線，天線 數目遠遠超過同時調度的單天線用戶數量，基站和用戶之間通過時分雙工進行通信。大規 模天線陣列提供了很高的陣列增益和很高的空間分辨率。在較好的傳播條件下，線性大規 模MM0接收機可以有效地消除小區內的干擾和噪聲。
[0003]在傳統的線性接收機中，麗SE接收機可以最大化接收速率。然而，麗SE接收機的 實現需要涉及所有用戶的聯合信道矩陣的求逆運算，當同時服務大量用戶時，如此龐大的 矩陣求逆運算量是不可行的。
[0004]另一方面，MM0能效傳輸方案作為新話題成為當前的研宄熱點，通過基站端的線 性處理，大規模MM0系統可以減少上行傳輸功率，提高能效，這對于沒有外接電源的用戶 來說是非常有意義的。然而，傳統的能效傳輸方案假設總功率平均分配給所有用戶，這樣并 不能充分挖掘大規模MIM0系統在單用戶功率控制方面的潛力。
【發明內容】
[0005]發明目的：本發明旨在提出一種功率損耗小、復雜度低的基于低復雜度接收機的 上行大規模M頂0系統功率控制方法。
[0006]技術方案：一種基于低復雜度接收機的上行大規模MM0系統的功率控制方法，包 括如下步驟：
[0007] 步驟一：在上行大規模MM0系統且信道為相關瑞利塊衰落信道情況下，采用TPE 接收機近似麗SE接收機，以截斷多項式來近似麗SE接收機中的矩陣的逆，從而降低復雜 度；
[0008]步驟二：采用確定性等價的方法，計算使用TPE接收機時的近似SINR ;
[0009] 步驟三：基于SINR的確定性等價近似，運用迭代算法來聯合優化TPE接收機的多 項式系數和用戶的功耗。
[0010] 所述步驟一中：
[0011] 1)上行大規模MM0系統模型：
[0012] 考慮單小區上行大規模MM0系統配備有M根天線的基站接收來自K個單天線用 戶的數據；通過基站端的線性檢測器處理后的接收信號reCA表示為：
[0013]
【主權項】
1. 一種基于低復雜度接收機的上行大規模MMO系統的功率控制方法，其特征在于，包 括如下步驟： 步驟一：在上行大規模MMO系統且信道為相關瑞利塊衰落信道情況下，采用TPE接收 機近似麗SE接收機，以截斷多項式來近似麗SE接收機中的矩陣的逆，從而降低復雜度； 步驟二：采用確定性等價的方法，計算使用TPE接收機時的近似SINR ; 步驟三：基于SINR的確定性等價近似，運用迭代算法來聯合優化TPE接收機的多項式 系數和用戶的功耗。
2. 根據權利要求1所述的基于低復雜度接收機的上行大規模MMO系統的功率控制方 法，其特征在于，所述步驟一中： 1) 上行大規模MMO系統模型： 考慮單小區上行大規模MIMO系統配備有M根天線的基站接收來自K個單天線用戶的 數據；通過基站端的線性檢測器:AeCmxa'處理后的接收信號reC表示為：
其中，基站端的接收信號，
為所有用戶的聯合信道矩 陣1一([^0 = 1,..,[)為第1^個用戶的信道矢量，對角矩陣
的對角線元素為每個用戶所分配的功率權重，x=h，...，^dTeCA'由所有用戶的上行發射 信號組成，A~CA/X〇,：〇為第k個用戶的發射數據符號，n~CA^O,Ik)為加性高斯白噪聲， Im為MXM的單位矩陣； 第k個用戶的處理后的SINR表示為：
其中，ak為A的第k列，G k為矩陣G移除了 g k列后的矩陣，P k為矩陣P移除了 p k列后 的矩陣； 2) 相關瑞利塊衰落信道模型： 相關瑞利塊衰落信道模型表示為：
其中，Z = [Z1，…，zK]，Zk~CN(0，IM)，信道的協方差矩陣；當M-①時， 協方差矩陣的譜范數I I Φ I I2是有界的； 3) 麗SE接收機和TPE接收機 麗SE接收機表示為：
在大規模MMO系統下，采用麗SE接收機，近似的處理后的SINR表示為：ymmse， k = Mcpk, c為^行的2范數的平方； 通過矩陣多項式來TPE接收機矩陣求逆，即：
其中，IwJ是一序列實參數，用于提高性能J是TPE階數，J-I是多項式階數；AtlJ勺第 k列表示為
第k個用戶SINR的確定性等價表示為：
3.根據權利要求1所述的基于低復雜度接收機的上行大規模MIMO系統的功率控制方 法，其特征在于，所述步驟二具體為： 1) 確定優化目標為在滿足每個用戶SINR需求和功率限制的條件下，最小化總發射功 率； 2) 將優化問題描述為：
3) 解決優化問題：將優化問題P1分解為2個步驟分別求解；首先固定{p k}，使得P1R 僅與W有關；此時，目標函數不存在，最大化γ 來滿足SINR的要求；γ 是瑞利熵，解 決如下的優化問題來得到w :
的最 大特征值對應的特征向量； 給定w和{pk}，計算ytpe;，k;如果;解是不可行的； 接下來固定w以解決下面的優化問題得到最佳的發送功率{pk}
P3的最優解為 P(n) = I(p(n-1));
其中I(P) = Ψ(Ερ+1κχ1)，1表示全1矩陣，下標是矩陣維度；
當ΨΕ的最大特征值小于1，即λ_(ΨΕ) <l，p為可行解； 如果I (P)是標準的，只要可行解存在，給定任意初始值，均收斂到唯一的定點最優解。
4.根據權利要求1所述的基于低復雜度接收機的上行大規模MMO系統的功率控制方 法，其特征在于，所述步驟三中聯合優化TPE接收機的多項式系數和用戶功耗的迭代算法 為： 1) 初始化：令 nout= n in= I ;p in(nJ = pini;p out(nout) = pini，wout(nout) = Wini，設置 flag = 0,初始化門限ε ; 2) 開始外層循環： n〇ut n out+1
3) 優化系數： 固定 PQUt (nQUt_l)，更新 wQUt (nQUt); 給定wMt (γ〇，計算γ k, Ψ和E ; 重置 nin=l，pin(nj =pout(nout-l),和 ε?η= ε ; 正 7；^ 之，▽女，λ·(ΨΕ) < I 4) 開始內層循環：功控 While ε in^ ε nin= nin+l ； 固定 wMt (Iut)，更新 Pin (nin)
Endwhile ELSE flag = I ； wOUt(nOUt) =W〇ut(n〇ut_l); ENDIF 5) 在內層循環結束后 Pout (nOUt) = Pin (nin); 1?亡1&8=1或者卩。也〇1祕）-卩_〇1_-1)<￡ break ； ENDIF ENDWHILE 6) 返回 p〇ut(n〇ut)and w〇ut(n〇ut)〇
【專利摘要】本發明公開了一種基于低復雜度接收機的上行大規模MIMO系統的功率控制方法。在上行大規模MIMO系統且信道為相關瑞利塊衰落信道情況下，為了避免MMSE接收機的大維矩陣運算，采用基于截斷多項式展開(TPE)接收機來降低復雜度，同時使用上行功率控制來節省所有用戶的功率損耗。基于SINR的確定性等價近似，運用迭代算法來聯合優化TPE接收機的多項式系數和用戶的功耗。此算法只采用信道統計信息而不是瞬時信道信息，并且已經證明了該算法是收斂的。當多項式階數足夠高時，本發明消耗的功率接近MMSE接收機。
【IPC分類】H04W52-14, H04W52-24, H04B7-04
【公開號】CN104869626
【申請號】CN201510219672
【發明人】黃永明, 范立行, 張帆, 楊綠溪
【申請人】東南大學
【公開日】2015年8月26日
【申請日】2015年4月30日