一种大规模MIMO系统中跨层优化设计方法技术方案

本发明专利技术提供了一种大规模MIMO系统中结合AMC和HARQ的跨层优化设计方案。本发明专利技术以大规模MIMO系统的平均频谱效率最大化作为优化目标，以大规模MIMO系统数据传输的调制方式和HARQ机制的误包率作为优化变量，在最大丢包率的约束下，提出了针对大规模MIMO的跨层设计方案。本发明专利技术所提供的方法不仅不需要较高的计算复杂度，而且相对于传统的跨层优化方案，可以有效的提高系统的平均频谱效率。

【技术实现步骤摘要】
一种大规模MIMO系统中跨层优化设计方法
本专利技术属于移动通信领域，涉及移动通信系统的跨层优化设计方法，主要是关于大规模MIMO系统中的跨层优化设计方案及其次优简化方案。
技术介绍
在无线通信网络中，由于信道衰落的存在，系统的性能会被极大的削弱。一种能降低信道衰落对系统性能的影响的技术是自适应调制编码(AMC，AdaptiveModulationandCoding)技术，AMC能在时变信道下动态地调整发送速率，在物理层层面上已经有了广泛的研究和应用。然而，为了实现物理层的高可靠性，AMC技术必须要采用较小尺寸的星座图调制来降低发送速率。另一种减轻信道衰落影响的技术是数据链路层的自动重传请求(ARQ，AutomaticRepeatreQuest)协议，采用ARQ协议的通信网络在检测到错误数据包的时候会请求重传。这种协议由于只有在需要的时候才会重传，所以能有效的提高系统的吞吐量。传统的ARQ协议虽然在检测到错误的时候会请求重传来提高系统可靠度，但是发生错误的数据包就被直接丢弃。然而就算是错误的数据包，仍然含有大量有用的信息，因此人们又提出了混合ARQ(HARQ，HybridARQ)的方案，混合ARQ能够将出错的数据包和再次重传的数据包按照指定的方式进行合并，进而充分地利用所有发送的数据包，进一步提高了ARQ的性能。随着移动通信系统的不断发展，多输入多输出(MIMO，Multiple-InputMultiple-Output)系统应运而生。由于其能够极大地提高系统的性能，在4G中已经得到了广泛的应用。近年来的研究发现，随着MIMO系统发射天线数的大幅度增加，MIMO系统的性能能够得到进一步地提升，这就是大规模MIMO系统。大规模MIMO能提供许多传统MIMO所没有的优点，如信道正交、波束集中、能效较高等等，所以，在5G标准化的过程中，大规模MIMO逐渐成为了移动通信的核心技术，充分利用大规模MIMO的性能优势也成为近年来的热门研究课题。文献1(Liu，Qingwen，ShengliZhou，andGeorgiosB.Giannakis.Cross-layercombiningofadaptivemodulationandcodingwithtruncatedARQoverwirelesslinks.IEEETransactionsonwirelesscommunications3.5(2004)：1746-1755.)研究了AMC和中断式ARQ联合的跨层优化方案，系统建立在传统的SISO模型上，且并未考虑HARQ。文献2(Zhang，Peng，YuzhuangMiao，andYupingZhao.Cross-layerdesignofAMCandtruncatedHARQusingdynamicswitchingthresholds.WirelessCommunicationsandNetworkingConference(WCNC)，2013IEEE.IEEE，2013.)使用了动态门限来优化AMC结合HARQ的跨层设计。文献3(Aniba，Ghassane，andSoniaAissa.Cross-layerdesignedadaptivemodulationalgorithmwithpacketcombiningandtruncatedARQoverMIMONakagamifadingchannels.IEEETransactionsonWirelessCommunications10.4(2011)：1026-1031.)考虑了传统MIMO场景下的AMC结合HARQ的跨层设计方案。文献4(Zhou，Yuehao，etal.ALow-ComplexityMultiuserAdaptiveModulationSchemeforMassiveMIMOSystems.IEEESignalProcessingLetters23.10(2016)：1464-1468.)提出了一种低复杂度的大规模MIMO下的AMC方案。上述文献都没有针对大规模MIMO下的跨层优化问题做研究，因此亟需对大规模MIMO中的AMC结合HARQ跨层设计进行优化。
技术实现思路
专利技术目的：为提高大规模MIMO系统的性能，本专利技术提出了一种上行大规模MIMO系统中结合AMC和HARQ的跨层设计优化方案。该方案可以在给定目标丢包率的要求下，动态地调整每次重传的误包率，尽可能地提高系统性能，同时，该方案利用了大规模MIMO信道趋于正交的特性，能极大降低优化过程的复杂度。本专利技术的技术方案是一种大规模MIMO系统中跨层设计的优化方法，其设计的要点包括以下几个步骤：(1)对于移动台k，首先估计其信噪比其中Pk为移动台k的发送功率，βk为其大尺度衰落信息，M为发送天线数。(2)分别计算不同调制方式下每次传输的平均误包率其中，i表示第i次传输，Nmax为最大允许传输次数，表示第i次传输中采用第n种调制方式的平均误包率。(3)在第(2)步计算得到的所有的中，选择符合丢包率要求的组合使得其中ni表示组合中第i次传输所采用的调制方式，为平均丢包率限制。计算不同误包率组合下平均频谱效率其中为每个数据包的平均发送次数，为第ni种调制方式的速率，为任意一个数据包是第i次发送的数据包的概率。(4)比较(3)中得到的不同误包率组合下的平均频谱效率，选择频谱效率最大的组合作为最优组合，该组合包含了AMC调制方式的选择和HARQ最优误包率的配置，在数据传输过程中，根据得到的最优组合采用相应的调制方式，然后在接收端将接收到的数据包进行比特级的ChaseHARQ合并，合并后的数据包如果检测到错误，则给发送端回馈一个重传请求，否则直接输出。有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：利用大规模MIMO的信道正交特性，将传统的连续跨层优化问题简化为离散有限集的优化问题，极大地降低的多维搜索的成本。另外，本专利技术考虑到连续两次重传很难保证在相干时间内完成，因此每次重传的信道条件是不同的，更加符合实际的信道模型。附图说明图1为本专利技术实施例的流程图；图2为本专利技术实施例中跨层系统的模型图；图3为实施例的仿真结果与传统跨层设计的仿真结果对比图。具体实施方式为了阐明本专利技术的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施方式对本专利技术做进一步的介绍。本专利技术方法中涉及到的硬件装置包括安置在小区中心的集中式大规模天线基站(BS，BaseStation)、小区内的移动台(MS，MobileStation)。在本实施方式中，基站装配有M根天线，小区内有K个单天线移动台。定义G＝HD1/2为上行信道矩阵，其中H∈CM×K为移动台到基站的小尺度衰落矩阵，D∈CK×K为移动台到基站的大尺度衰落对角矩阵，包括阴影衰落和路径损耗，其对角元素为[D]kk＝βk＝sk(d0/dk)v，其中sk为阴影衰落，dk为第k个移动台距基站的距离，d0为参考距离，v为路径损耗因子。跨层系统工作流程如图2所示。本专利技术是一种大规模MIMO系统中跨层设计的优化方法，包括以下步骤：步骤1基站端通过估计信道信息，采用特定的检测算法对接收到的信号进行检测。为了消除用户间的干扰，基站采用迫零(ZF，Zero-Forcing)算法进行信号检测，因本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大规模MIMO系统中跨层设计的优化方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)对于移动台k，首先估计其信噪比

【技术特征摘要】
1.一种大规模MIMO系统中跨层设计的优化方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)对于移动台k，首先估计其信噪比其中Pk为移动台k的发送功率，βk为其大尺度衰落信息，M为发送天线数。(2)分别计算不同调制方式下每次传输的平均误包率其中，i表示第i次传输，Nmax为最大允许传输次数，表示第i次传输中采用第n种调制方式的平均误包率。(3)在第(2)步计算得到的所有的中，选择符合丢包率要求的组合使得其中ni表示组合中第i次传输所采用的调制方式，为平均丢包率限制。计算不同误包率组合下平均频谱效率其中为每个数据包的平均发送次数，为第ni种调制方式的速率，PiN为任意一个数据包是第i次发送的...

【专利技术属性】
技术研发人员：文犇犇，虞湘宾，潘青，腾涛，储君雅，汪曦，柳涛，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32