一种基于无小区大规模MIMO系统的底层认知用户功率分配方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于无小区大规模MIMO系统的底层认知用户功率分配方法，包括：PU

【技术实现步骤摘要】
一种基于无小区大规模MIMO系统的底层认知用户功率分配方法


[0001]本专利技术属于无线通信
，涉及一种基于无小区大规模MIMO系统的底层认知用户功率分配方法。

技术介绍

[0002]随着通信用户数量历年来的激增，传统蜂窝系统中小区边缘用户受多个基站的影响，小区间干扰日益严重，为了解决这一问题，无小区大规模MIMO系统应运而生。在无小区大规模MIMO中，一个区域内分布大量接入点(AP)，用户在此区域内随机分布，但数量远少于接入点数，AP通过回程网络与中央处理器(CPU)进行信道统计信息和功率控制系数的交换。无小区大规模MIMO和认知无线电技术作为新一代移动通信中的关键技术，两者的结合是通信研究热点之一，无小区大规模MIMO天线分布众多，覆盖率高，用户与AP距离近，抗阴影衰弱的能力比较强，但频谱利用率仍然没有大幅提升，而认知无线电能通过区分主次用户充分利用频谱，在兼容更多用户的同时仍能提升频谱利用率。
[0003]目前在无小区大规模MIMO系统中，大多数考虑的都是对未分类的用户进行功率分配或者AP选择提升信道速率，没有考虑将用户分为主用户和次用户后再进行功率分配和AP选择。
[0004]中国专利申请CN113365334A公开了一种无小区大规模MIMO系统中的导频分配和功率控制方法，该方法采用迫零预编码提前对发送信号进行处理，并在发送过程中通过max
‑
min功率控制算法，优化了下行链路速率；中国专利CN110166088A公开了以用户为中心的无小区大规模MIMO系统的功率控制算法，该方法通过搜索最佳的功率控制系数实现最小用户速率的最大化；国际会议《ICC 2019
‑
2019IEEE International Conference on Communications(ICC)》中《Cell
‑
Free Massive MIMO with Underlay Spectrum
‑
Sharing》(Diluka Loku Galappaththige and Gayan Amarasuriya)将无小区大规模MIMO系统与认知无线系统相结合，研究了基于时分双工的无小区大规模MIMO和底层频谱共享共存的可行性。然而，以上技术存在以下缺陷：1.没有清晰划分主次用户，频谱利用率不高；2.用户和AP都是单天线，没有考虑多天线情况；3.将AP划分为主AP和辅助AP，在主用户过多次用户偏少的情况下造成了AP资源的浪费。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种基于无小区大规模MIMO系统的底层认知用户功率分配方法，将用户分为主用户和次用户后，在尽可能减少占用主用户资源和降低对主用户干扰的前提下。通过综合考虑信道大尺度衰落系数、AP功率权重系数，选择最少的AP数目得到最优功率分配方案，最大化次用户接收速率，提升次用户通信质量，从而有效解决频谱利用率不足和多天线AP的分布式传输问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案。
[0007]一种基于无小区大规模MIMO系统的底层认知用户功率分配方法，在无小区大规模MIMO系统区域内随机分布L个带有N根天线的AP，K个主用户PU，一个次用户SU，主用户和次用户均为单天线用户，L＞＞K；所述的L>0、N>0、K>0；用和分别表示AP集合和PU集合，用AP
l
表示集合中第l个AP，PU
k
表示集合中第K个PU；SU作为短暂出现在该区域中的单天线用户，进入区域后尽可能选取最少数量AP进行连接，用动态集合表示选取的AP集合，其中某个元素用AP
m
来表示；
[0008]所述方法，包括以下步骤：
[0009]步骤一、PU
k
和SU分别向AP
l
和AP
m
发送导频信号，导频信号在经过信道传输后到达AP；
[0010]步骤二、先将AP
l
和AP
m
接收到的信号投影到和上，再进行最小均方误差估计；
[0011]步骤三、AP
l
和AP
m
对发送信号进行共轭预编码处理；
[0012]步骤四、先根据接收信号的结构得到PU
k
、SU的接收速率表达式，然后建立功率分配函数和环境相关函数的关系式，之后通过关系式计算SU所需的最小AP连接数M；
[0013]步骤五、计算SU最优功率分配方案；
[0014]在得到SU所需的最小AP连接数M后，需要对集合中每个AP应该分配多少功率给SU进行计算。
[0015]具体地，在步骤一中，所述的PU
k
和SU分别向AP
l
和AP
m
发送导频信号，导频信号在经过信道传输后到达AP，具体过程包括：
[0016]S1.1.PU
k
和SU分别向AP
l
和AP
m
发送导频信号：
[0017]利用时分复用，将每个相干间隔分为三个部分：上行链路训练、上行链路数据传输、下行链路数据传输，不考虑上行链路数据传输；设τ
c
＝196为相干间隔长度，τ
u
为上行链路训练相干间隔长度，τ
d
＝τ
c
‑
τ
u
为下行链路数据传输相干间隔长度，τ
c
＜τ
d
；PU
k
和SU分别向AP
l
和AP
m
发送长度为τ
u
的导频序列其中其中
[0018]S1.2.导频信号在经过信道传输后到达AP：
[0019]信道模型为：
[0020][0021]式中，g
ab
表示第a个AP与第b个用户之间的信道向量，表示第a个AP与第b个用户之间的大尺度衰落系数，d
ab
表示第a个AP与第b个用户之间的距离，η表示路径衰落影响因子，取τ＝0.5，h
ab
表示第a个AP与第b个用户之间的小尺度衰落向量，为N
×
1的向量，并且假设h
ab
服从瑞利衰落，其中各元素为服从的随机变量，表示均值为0，方差为1的圆对称复高斯分布；
[0022]AP
l
和AP
m
端接收到的信号分别为：
[0023][0024][0025](2)(3)式中，p
p
为每个导频符号的归一化发射信噪比，W
pl
、W
pm
为对应接收信号中N
×
τ
u
的噪声矩阵，其中各元素为服从的随机变量；g
lk
、g
mSU
分别表示AP
l
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于无小区大规模MIMO系统的底层认知用户功率分配方法，其特征在于，在无小区大规模MIMO系统区域内随机分布L个带有N根天线的AP，K个主用户PU，一个次用户SU，主用户和次用户均为单天线用户，L＞＞K；所述的L>0、N>0、K>0；用和分别表示AP集合和PU集合，用AP
l
表示集合中第l个AP，PU
k
表示集合中第K个PU；SU作为短暂出现在该区域中的单天线用户，进入区域后尽可能选取最少数量AP进行连接，用动态集合表示选取的AP集合，其中某个元素用AP
m
来表示；所述方法，包括以下步骤：步骤一、PU
k
和SU分别向AP
l
和AP
m
发送导频信号，导频信号在经过信道传输后到达AP；步骤二、先将AP
l
和AP
m
接收到的信号投影到和上，再进行最小均方误差估计；步骤三、AP
l
和AP
m
对发送信号进行共轭预编码处理；步骤四、先根据接收信号的结构得到PU
k
、SU的接收速率表达式，然后建立功率分配函数和环境相关函数的关系式，之后通过关系式计算SU所需的最小AP连接数M；步骤五、计算SU最优功率分配方案；在得到SU所需的最小AP连接数M后，需要对集合中每个AP应该分配多少功率给SU进行计算。2.根据权利要求1所述的一种基于无小区大规模MIMO系统的底层认知用户功率分配方法，其特征在于，在步骤一中，所述的PU
k
和SU分别向AP
l
和AP
m
发送导频信号，导频信号在经过信道传输后到达AP，具体过程包括：S1.1.PU
k
和SU分别向AP
l
和AP
m
发送导频信号：利用时分复用，将每个相干间隔分为三个部分：上行链路训练、上行链路数据传输、下行链路数据传输，不考虑上行链路数据传输；设τ
c
＝196为相干间隔长度，τ
u
为上行链路训练相干间隔长度，τ
d
＝τ
c
‑
τ
u
为下行链路数据传输相干间隔长度，τ
c
＜τ
d
；PU
k
和SU分别向AP
l
和AP
m
发送长度为τ
u
的导频序列其中其中S1.2.导频信号在经过信道传输后到达AP：信道模型为：式中，g
ab
表示第a个AP与第b个用户之间的信道向量，表示第a个AP与第b个用户之间的大尺度衰落系数，d
ab
表示第a个AP与第b个用户之间的距离，η表示路径衰落影响因子，取η＝0.5，h
ab
表示第a个AP与第b个用户之间的小尺度衰落向量，为N
×
1的向量，并且假设h
ab
服从瑞利衰落，其中各元素为服从的随机变量，表示均值为0，方差为1的圆对称复高斯分布；AP
l
和AP
m
端接收到的信号分别为：
(2)(3)式中，p
p
为每个导频符号的归一化发射信噪比，W
pl
、W
pm
为对应接收信号中N
×
τ
u
的噪声矩阵，其中各元素为服从的随机变量；g
lk
、g
mSU
分别表示AP
l
到PU
k
信道和AP
m
到SU的信道；分别表示PU
k
和SU发送的导频序列的共轭转置。3.根据权利要求1所述的一种基于无小区大规模MIMO系统的底层认知用户功率分配方法，其特征在于，在步骤二中，所述的先将AP
l
和AP
m
接收到的信号投影到和上，再进行最小均方误差估计，其过程包括：S2.1.将Y
pl
和Y
pm
分别投影到和上：投影结果分别表示为分别表示为S2.2.进行最小均方误差估计：对信道g
lk
和g
mSU
进行最小均方误差MMSE估计，计算得到的估计值和分别为：分别为：(6)(7)式中，表示期望运算，和有N个独立相同的高斯分量；第n个分量的均方和可由υ
lk
和υ
mSU
表示：表示：4.根据权利要求1所述的一种基于无小区大规模MIMO系统的底层认知用户功率分配方法，其特征在于，在步骤三中，所述的AP
l
和AP
m
对发送信号进行共轭预编码处理，其过程包括：AP
l
向PU
k
发送的信号和AP
m
向SU发送的信号，分别为向SU发送的信号，分别为<...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴予成，解志斌，王亚军，苏胤杰，练柱先，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：