吳 波 何世文,2 余登高 李元穩(wěn) 黃永明 楊綠溪

(1.東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，南京,210096； 2.東南大學(xué)毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京,210096)

一種3D-MIMO動(dòng)態(tài)自適應(yīng)碼本設(shè)計(jì)方法*

吳 波1何世文1,2余登高1李元穩(wěn)1黃永明1楊綠溪1

(1.東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，南京,210096； 2.東南大學(xué)毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京,210096)

全維大規(guī)模三維多輸入多輸出天線(3D-MIMO)系統(tǒng)可以顯著地提高系統(tǒng)的空間分辨率和功率效率，降低干擾?；谄矫娲笠?guī)模天線陣列，本文提出了一種考慮大尺度衰落且δdB衰落波束覆蓋區(qū)域的動(dòng)態(tài)覆蓋區(qū)域非對(duì)稱的、新穎的3D-MIMO動(dòng)態(tài)自適應(yīng)的直積碼本設(shè)計(jì)方法。本文方法從基站覆蓋的邊緣開始，逐次計(jì)算每個(gè)碼字，加入碼本，碼本的覆蓋區(qū)域逐漸擴(kuò)大，直到碼本滿足基站的覆蓋要求。通過對(duì)比傳統(tǒng)的DFT碼本，分析了所提碼本的特性，結(jié)果顯示所設(shè)計(jì)的碼本可以有效地將水平面分割成環(huán)形區(qū)域，并提高了小區(qū)邊緣的波束覆蓋密度。最后分析了所提方法設(shè)計(jì)碼本的大小與衰減值δdB以及天線數(shù)的關(guān)系。

大規(guī)模MIMO；全維MIMO；功率準(zhǔn)則；碼本設(shè)計(jì)；有限反饋

引 言

眾所周知，多用戶多輸入多輸出(Multi-user multiple-input multiple-output, MU-MIMO)技術(shù)能夠顯著地增加通信系統(tǒng)的容量[1,2]，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于各種無線通信系統(tǒng)中，如無線局域網(wǎng)、第4代移動(dòng)通信系統(tǒng)等。最近，具有進(jìn)一步提升系統(tǒng)容量、改善系統(tǒng)功率效率及降低干擾等優(yōu)勢的大規(guī)模MIMO技術(shù)成為第5代移動(dòng)通信系統(tǒng)(5G)區(qū)別于現(xiàn)有系統(tǒng)的核心技術(shù)之一[3,4]。在大規(guī)模MIMO中，基站配置巨大數(shù)量天線單元，在同一個(gè)小區(qū)，相同的時(shí)頻資源上允許多個(gè)用戶同時(shí)接入。大規(guī)模MIMO在不需要增加額外的帶寬和基站密度的條件下，可以大幅度地提高頻譜效率[5，6]。大規(guī)模MIMO能提供頻譜效率和功率效率的折中，已證明在多小區(qū)MU-MIMO系統(tǒng)中，在保證一定的服務(wù)質(zhì)量和精確已知信道的前提下，用戶的發(fā)射功率和基站的天線數(shù)成反比[7]。大規(guī)模MIMO可以有效地對(duì)抗小尺度衰落，因?yàn)榇罅康奶炀€可以帶來巨大的空間分集。大規(guī)模MIMO可以使得基站和各個(gè)用戶之間的信道接近正交，這種正交性隨著天線數(shù)的增加更加明顯，使得即使普通的單用戶波束成形也可以獲得接近最優(yōu)的性能[8]。然而，隨著基站天線數(shù)的增加，信道狀態(tài)信息的獲取難度也相應(yīng)地增加，即大規(guī)模MIMO通信系統(tǒng)面臨著信道估計(jì)與導(dǎo)頻設(shè)計(jì)問題。最近，基于位置、接收信噪比等信息和碼本的波束成型算法研究也成為了學(xué)術(shù)領(lǐng)域的廣泛研究與探討的主要方向之一[9-11]。通過在三維空間中放置多個(gè)天線陣元，基站可以在垂直方向和水平方向同時(shí)進(jìn)行波束賦形[12,13]。常見的天線結(jié)構(gòu)為均勻平面陣列(Uniform planar array, UPA)，這極大地提高了鏈路增益，并且降低了對(duì)相鄰站點(diǎn)的干擾[14]?；赨PA的碼本可以由垂直和水平DFT碼本的碼字直積得到，通過調(diào)節(jié)垂直方向波束賦形可將能量集中到一個(gè)環(huán)形區(qū)域上，然而該方案沒有考慮到波束投影到地面時(shí)在環(huán)形區(qū)域的內(nèi)環(huán)和外環(huán)由于路徑長短的不同而造成的衰減不同[15]。 針對(duì)此問題，本文研究一種三維多輸入多輸出垂直碼本設(shè)計(jì)方法，使得碼本投影到水平面之后覆蓋范圍的衰減在δdB以內(nèi)。

1 系統(tǒng)模型

(1)

通常，針對(duì)均勻平面陣列的碼本設(shè)計(jì)方式是由垂直方向和水平方向進(jìn)行直積得到最終的碼字，可表示為

(2)

圖1 天線陣列模型 Fig.1 Antenna array model

(3)

由式(3)可以得出，方向圖函數(shù)是Θ，ψ以及碼字cm×Nh+n的函數(shù)。令

(4)

(5)

式(3)可進(jìn)一步變形為

(6)

(7)

(8)

2 垂直方向碼字設(shè)計(jì)

垂直碼字的主要作用是將水平區(qū)域劃分成多個(gè)環(huán)形區(qū)域，使得碼字所對(duì)應(yīng)的環(huán)形區(qū)域接收信號(hào)強(qiáng)度較大，環(huán)形區(qū)域外的接收信號(hào)強(qiáng)度較小。本文所提的方法考慮大尺度衰落的前提下，實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的垂直碼字所覆蓋的范圍環(huán)形區(qū)域內(nèi)任何位置的功率不低于波束方向?qū)?yīng)位置幅值的δdB。

(9)

接收信號(hào)強(qiáng)度可寫為

(10)

(11)

式中hBS表示基站相對(duì)于接收點(diǎn)的高度。

圖2 垂直碼字設(shè)計(jì)示意圖 Fig.2 Diagram of vertical code word designing

(12)

(13)

(14)

初始化階段：

算法步驟：

(15)

類似于式(12)的推導(dǎo)，可以得出

(16)

(17)

初始化階段：

算法步驟：

3 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的垂直碼字的有效性，在表1仿真環(huán)境下，仿真了垂直碼字對(duì)應(yīng)的的波束方向圖在水平面上的投影，其結(jié)果如圖3所示。

表1 仿真參數(shù)

圖3 垂直碼字對(duì)應(yīng)的天線方向圖在水平面上的投影Fig.3 Projection of antenna pattern on horizon plane of different vertical codewords

從圖3可看出，具有相同俯仰角的位置，對(duì)應(yīng)的接收能量相同。碼字對(duì)應(yīng)的波束將水平面分割成環(huán)形區(qū)域，小的碼字號(hào)對(duì)應(yīng)于小區(qū)邊緣的波束，大的碼字號(hào)對(duì)應(yīng)于小區(qū)內(nèi)部的波束。小區(qū)邊緣的波束對(duì)應(yīng)的環(huán)形區(qū)域比較寬，小區(qū)內(nèi)部的波束對(duì)應(yīng)的環(huán)形區(qū)域較窄。如果兩個(gè)用戶處于不同的環(huán)形區(qū)域，通過使用各自對(duì)應(yīng)的碼字，則可以提高接收信噪比，減小傳輸?shù)母蓴_。

(18)

式中β因子用于調(diào)整子集的大小。本文所提碼本與傳統(tǒng)碼本對(duì)應(yīng)波束方向的比較如圖4所示。從仿真圖4可以看出相對(duì)于傳統(tǒng)的DFT碼本，新的垂直碼本在小區(qū)邊緣放置了較多的碼字，小區(qū)內(nèi)部放置了較少的碼字，大尺度衰落下傾角的余弦值呈線性關(guān)系，即當(dāng)下傾角的值較小時(shí)，隨著角度變化，大尺度衰落變化較小，當(dāng)下傾角的值較大時(shí)，隨著角度的變化，大尺度衰落的變化較大。

圖4 所提碼本和DFT碼本對(duì)應(yīng)的波束方向比較

Fig.4 Beam direction comparison of proposed codebook with DFT codebook

圖5 碼本大小和衰減值的關(guān)系

Fig.5 Relationship of codebook size and attenuation

圖6 碼本大小和天線數(shù)關(guān)系

Fig.6 Relationship of codebook size and the number of antennas

4 結(jié)束語

本文提供了一種面向大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的垂直碼本設(shè)計(jì)方法，該方法適用于基站配置均勻平板陣列并且基于水平碼字和垂直碼字直積構(gòu)成整個(gè)碼字的情形。首先分析了均勻平板陣列的波束方向圖，得到了垂直碼字對(duì)波束方向圖的函數(shù)關(guān)系式；然后結(jié)合大尺度效應(yīng)，提出了一種基于水平面接收信號(hào)幅值不低于波束中心信號(hào)幅值δdB的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，在該準(zhǔn)則下，設(shè)計(jì)了一種迭代計(jì)算碼字的設(shè)計(jì)方法；最后分析了新碼本的特性。相比于傳統(tǒng)的DFT碼字，新的碼字不僅可以有效地將覆蓋區(qū)域劃分為環(huán)狀區(qū)域，而且可以更好地改善小區(qū)邊緣的信號(hào)接收。

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Novel Dynamic and Adaptive Method to Design Codebook for 3D-MIMO

Wu Bo1, He Shiwen1,2, Yu Denggao1, Li Yuanwen1, Huang Yongming1, Yang Lüxi1

(1.School of Information Science and Engineering, Southeast University, Nanjing, 210096, China; 2. The State Key Laboratory of Millimeter Waves, Southeast University, Nanjing, 210096, China)

Full dimension massive multiple-input multiple-output(MIMO) system can significantly improve spatial resolution, reduce inference and improve power efficiency. When uniform planar array is configured at the base station and path loss is taken into consideration, this paper proposes a nonsymmetrical, dynamic and adaptive codebook design method based on the Kronecker product codebook. The method requires that the amplitude of the beam coverage area is not less thanδdB attenuation of that of the beam center. Starting from the edge of the coverage of the base station, the proposed method calculates each code word and puts it into codebook, thereby leading to larger coverage until the whole area is covered. Compared with the conventional DFT codebook, characteristics of the proposed codebook are analyzed. The new codebook can effectively partition the area into several circular areas and improve the density of beams at the edge of the cell. Finally, the size of the proposed code is analyzed in terms ofδdB attenuation and number of antennas.

massive multiple-input multiple-output(MIMO); full dimension MIMO; power criteria; codebook design; limited feedback

國家科技重大專項(xiàng)(2013ZX03003006-02)資助項(xiàng)目；國家自然科學(xué)基金(61471120,61271018,61372101)資助項(xiàng)目；江蘇省自然科學(xué)基金(BK20130019,BK2011597)和工業(yè)支撐項(xiàng)目(BE2012167)資助項(xiàng)目；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才資助計(jì)劃(NCET-11-0088)資助項(xiàng)目。

2015-02-06；

2015-04-20

TN914

A

吳波(1991-)，男，碩士研究生，研究方向：無線局域網(wǎng)中的通信信號(hào)處理、大規(guī)模多輸入多輸出通信，E-mail:220130654@seu.edu.cn。

何世文(1978-)，男，博士后，研究方向：多輸入多輸出通信、協(xié)作通信、綠色通信、毫米波無線局域網(wǎng)通信技術(shù)和優(yōu)化理論，E-mail：shiwenhe@seu.edu.cn。

余登高(1990-)，男，碩士研究生，研究方向：毫米波頻段無線局域網(wǎng)技術(shù)，E-mail: 220130708@seu.edu.cn。

李元穩(wěn)(1988-)，女，碩士研究生，研究方向：毫米波頻段無線局域網(wǎng)技術(shù)，E-mail: seu_dlpu_yuanwenli@163.com。

黃永明(1977-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：MIMO通信、協(xié)作通信和衛(wèi)星移動(dòng)通信，E-mail：huangym@seu.edu.cn。

楊綠溪(1964-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：移動(dòng)通信中的MIMO空時(shí)信號(hào)處理、中繼協(xié)作通信與網(wǎng)絡(luò)編碼、盲信號(hào)處理與陣列信號(hào)處理，E-mail：lxyang@seu.edu.cn。