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论文研究-高速行车场景下基于大规模MIMO的波束成型设计 .pdf 评分:

高速行车场景下基于大规模MIMO的波束成型设计,安宁,滕颖蕾,5G时代的来临使得人们对数据传输速率要求越来越高,传统的高速行车场景下的传输方式和资源分配方案已经无法适应高速的行车环境和�
国科技论文在线 配有大规模天线,数量为N存在M个中继基站即{1,n2,…,n:…:∈R,设中继配有N 根天线。列车与中继通过波束成型矩阵米处理接收到的信号,如图所示,假设存在车到中 继的链路,同时存在车车直通链路。假设源车的移动速度为U,日的车的移动速度为v° 当车车相对速度较低时(冋向),车车链路多普勒相对影响小,而车车相对速度较高时(异 向),车地链路多普勒相对影响较大。 为了提高可靠性,本文采用地面基站协作的发送方式,即在第一个时隙中,源车s,以 预编码W发送信息x,中继采用解码转发( )转发方式,在成功解 码的前提卜,第二个时隙中继基站n向目的列车d以预编码W2发送解码信息,同时用 户S向用户d以预编码W进行重传x,假设第二时隙中继基站和源4向目的列 车d发送的信息同步,构成了虚拟多天线波束成型W(2 假设原发送信息量为 ,即κx‖=1,具体传输过程见图,表为两个时隙传输信息的帧结构。 表1列车传输信息的帧结构 信号 发送车载 预编码 信号 屮继 预编码 d 设第一时隙源车8到目的车d、源车S到中继Tn、第时隙源车S到目的车d、 中继r到目的车d的信道增益分别表示为 ∈ 别为源车6、中继Tn的发射功率。为服从CN(0,σ3)的高斯噪声。 设所有节点的帧结构同步,如图1为一对列车通过中继传输信息的场景。可见,本方案 中同时采用重传与办作多天线分集技术,通过波束成型矢量的设计能自适应信道环境,对抗 由于夲枘运动所造成的多普勒影响,提高了源车到目的车的传输可靠性。蓝色传输路径所受 的干扰为在中所有源车发送给其他中继和用广的信息,在中粉色路径所受的干 扰为中其他源车与协作中继发出的信息。 山国利技论文在线 系统模型 的传输过程 在中,源车S向目标列车d和中继r以预编码W以发送信息,目的车收到了 来自源车的有用信息、来自其他源车的干扰信息和噪声 h,,x+ ∑h4W +n(1) 目标列车d,在时刻的接收信干噪比( )为: h"1), wO SINRo , (2) ∑ s7,d. S, dk 则日标列车d,接收的信息速率为 h w g,1+ d ∑№"wA 在时刻,中继?接收到的信号为: ∑ +n(4) 中继r在时刻的接收信干噪比( )为 h w SINRO Sk,, 'mn sk. dk (5) , 则中继r接收的信息速率为: 山国利技论文在线 g (6) ∑ S∈S{5 的传输过程 在中,源车S向目标列车d以预编码W2进行二次重传,假设中继基站Tn采 用转发方式且中继对接收的信号判决正确,在时刻,中继T以预编码W2,向目 标列车d发送信息,则目标列车d同时接收到来自源车和中继的信息以及其他源车和其他 中继的干扰信息: h)wx +h-w d h(2)w(2 ∑ (7) h)W)x+ 目标列车d在时刻的接收信干噪比( )为: h2,w2)+h2)W r d (8) PaWe +2 则在时刻,目标列车d接收的信息速率为: (2) w2)+h W2) 2)21082 sk dks, dkm d rn C (9) ∑ d R\{n} 在时刻,目的车d,接收到的中继r的信号以及其他中继的干扰信号: h2).W h2).W n(10) T∈P{rn 中继Tn到日的车a链路的接收信干噪比( )为: (2) h w SINR (11) ∈f 则中继到目的车d,链路信息速率为 山国利技论文在线 2)w() , og21+ ron dk rm d (12) ∑ ,r4 通过对和两个时隙传输过程的分析,我们可以得出,在一个传输周期内 源车S到目的车d的有效信道容量是两个时隙内收到的信息速率的总和,用C表小 传输周期内的总速率,则: lotal 由于中继转发方式采用解码转发( 转发方式,正确解码要求第二跳的 转发速率小于等于第一跳的信道容量,即C0≥C(2) 问题构造 木文的目标是在给定发射功率条件卜,通过对两个时隙内波束成型方案的自适应调整, 实现系统总速率的最大化。优化变量包括源车的波束成型矩阵W①,、中继的波 束成型矩阵W2),以及源车的波束成型矩阵w(2)。综合系统的优化问题为 total (14) C1: trI w W P(1),ys(15-a) H C2: trI w (2) w P2),ys.(15-b) d k c3: t w2) 7k Vr(15-c) C4:((2),≤((15-d) 其C1,C2表示在两个时隙中,任意源车的发射功率分别小于等于阈值P以及 P2)。同埋,C3表示任意中继r的发射功率小于等于阈值P2)。C4表示,经过中继的正 确解码,第二跳的转发速率应小于等于第一跳的这率。从上面的式子我们可以看出,由于限 制条件C4,两时隙的问题是耦合的,考虑到原始问题是非凸优化问题,所以拟采用放松条 件C4,将原问题解耦成两个时隙的子问题分別求解,再映射回原来的限条件中寻找符合 条件的解。因此,我们将分解成两个子问题 1:max h=1 (16) H C1:tr willIwo 4(s 山国利技论文在线 2. max C2:trw(2(w))≤P(17) C3 tr w2)w 两个时隙问题的求解 问题求解 P1: nax 2cs CI:tr w,w d (Sk 观察C的具体形式,可以看出,该问题是非凸优化问题。对于非凸优化问题,已有的 硏究己经提出了一些解决方法。比如凸松弛技术、梯度下降沄、传统的智能搜索算法等等 考虑到高速行车场景下信道的时变特性,我们考虑∫信道估计算法,即为∫消除信道的时变 特性的影响,在接收端对信道进行估计,并根据估计出的逆系统对信道进行均衡。木文主要 研究基于最小均方误差法( 根据文献,我们可以将目标函数转化为: m∑u(nB4)-∑ 1gdn(19) ttrl wo 其中a为加权矩阵,可以由得到 (20) 改信号的估计为,则信号c的均方误差为: E . T-UmhW①)(r-U5W) (21) 81441(w1(1)20my+,2UmUm +∑U mmsel( 其中UJ为接收波束成型矩阵,最优接收波束成型矩阵由解得到: Umm8e=K-ho) w()(22) d 山国利技论文在线 其中 K,会∑bW(W)h”+T 且 H =1-W()ha)吗,hw/u rinse %x(24) 由式子(19)可以看出,W与a是待求的木知数,W的更新转化为解如下的优化问 题,通过固定WA,日标函数是关于加权矩阵a,的凸函数,目标图效简化为 min∑tr|a.(I-UhW(I-Uh①)w) draAK 47k°5752y2 (25) s Ltr wi)(wa)|≤P s:2(s 这是 问趣,米用凸优化工只箱求解,问题求解的伪代码如下: 表2基于 算法的问题的求解 问题的求解 初始化w(),生成信道状态 1.根据(22)计算U 2.利用上一步得到的U根据(21)很同小 3.利用上一步计算的E,根据(20)得到加权矩阵 4.判断是否满足迭代停止条件,若满足,则输出W①,若不满足,则继续步骤1 第一时隙顶编码W 问题求解 通过观察C2)的形式,将分子h2)W(2)+h2)W2),合并成一个分块大矩阵,即: h HW(2) m减4」w(2 由于源车的个数与中继的个数不同,分母的形式 ∑w2+∑ hW2‖不能合并,本文考虑了迭代的方法,即先初始 LERm 化W2,w2,则间题(26)变成一个关于W的凸优化间题: 山国利技论文在线 ∑ C2: tr we,(W P(26) C3:tr w(2.(we P 2) maX g w (2 51s2d P1{ s t. tI (2) 2)B trI w +tr w ≤P+P sk,dk 通过化简目标函数,我们可以进一步得到问题简式 p2: min-1og(fa, +tr(HW W2 H")) H . tr WIsP (28) hwf+∑|w ∈S{ 对于上述的目标函数我们引入了拉格朗日乘子与梯度下降法。对于P2,其对应的拉格 朗日表达式为: L =1og, (x,+tr )-∑a(r(vg) (29) 82(xa, +tr(vH)-2a (tr(va)-P-P) 对L进行关于V的求导,可以得到: (r"m) -c.E(30) x +tr() 2 HH E=0(31) +trvH'h))In 2 通过引入梯度下降法,即选取适当的,的初值,不断地迭代更新a,以及V(的值, 使得目标函数的最小化,直到收敛为止。所以原问题相当于求解以下优化问题: 山国利技论文在线 HH min x1+tr(v2H“m)E(32) 2)1n2o C1: trV=P +P 具体求解的伪代码如下: 表3基于拉格朗日算法的问题的求解 问题的求解 :初始化w,W2 初始化的值,求解,直到前后的变化小于某一阙值 2.将上一步得到的W2映射到式(26)的约束条件中,如不满足,重新初始化,若满 足,则进行下一步。 3.判断W2,w2),是否满足迭代停止条件,若满足,则输出W2,w2),若不满足, 则继续步骤1 r, d 当两个时隙的问题求解结束时,将所求得的波束成型矩阵W,W2,W2)映射回限 制条件(15-d),若满足条件,则输岀最终的波朿成型矩阵,若不满足条件,另 W,W,W== arg min((mnCm,将所求得的解W,W0,W投影 到{W①,w,w}解集上,以此保证结果满足条件,即 d min w(2)*-w'2) (33) min w(2) 4-W2) C4: C 其中C2与C可分别由式(6)和(12)得到。 表4原问题的求解 原闩趣的求解 初始化W,W2,W2,牛成信道状态 1.根据算法1更新W Sk. dK

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2019-08-16 上传 大小:473KB
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