一种3D-MIMO动态自适应码本设计方法*

2017-04-27何世文余登高李元稳黄永明杨绿溪

数据采集与处理 2017年2期

关键词：码本码字波束

吴波何世文,2 余登高李元稳黄永明杨绿溪

(1.东南大学信息科学与工程学院，南京,210096； 2.东南大学毫米波国家重点实验室,南京,210096)

一种3D-MIMO动态自适应码本设计方法*

吴波1何世文1,2余登高1李元稳1黄永明1杨绿溪1

(1.东南大学信息科学与工程学院，南京,210096； 2.东南大学毫米波国家重点实验室,南京,210096)

全维大规模三维多输入多输出天线(3D-MIMO)系统可以显著地提高系统的空间分辨率和功率效率，降低干扰。基于平面大规模天线阵列，本文提出了一种考虑大尺度衰落且δdB衰落波束覆盖区域的动态覆盖区域非对称的、新颖的3D-MIMO动态自适应的直积码本设计方法。本文方法从基站覆盖的边缘开始，逐次计算每个码字，加入码本，码本的覆盖区域逐渐扩大，直到码本满足基站的覆盖要求。通过对比传统的DFT码本，分析了所提码本的特性，结果显示所设计的码本可以有效地将水平面分割成环形区域，并提高了小区边缘的波束覆盖密度。最后分析了所提方法设计码本的大小与衰减值δdB以及天线数的关系。

大规模MIMO；全维MIMO；功率准则；码本设计；有限反馈

引言

众所周知，多用户多输入多输出(Multi-user multiple-input multiple-output, MU-MIMO)技术能够显著地增加通信系统的容量[1,2]，已经被广泛地应用于各种无线通信系统中，如无线局域网、第4代移动通信系统等。最近，具有进一步提升系统容量、改善系统功率效率及降低干扰等优势的大规模MIMO技术成为第5代移动通信系统(5G)区别于现有系统的核心技术之一[3,4]。在大规模MIMO中，基站配置巨大数量天线单元，在同一个小区，相同的时频资源上允许多个用户同时接入。大规模MIMO在不需要增加额外的带宽和基站密度的条件下，可以大幅度地提高频谱效率[5，6]。大规模MIMO能提供频谱效率和功率效率的折中，已证明在多小区MU-MIMO系统中，在保证一定的服务质量和精确已知信道的前提下，用户的发射功率和基站的天线数成反比[7]。大规模MIMO可以有效地对抗小尺度衰落，因为大量的天线可以带来巨大的空间分集。大规模MIMO可以使得基站和各个用户之间的信道接近正交，这种正交性随着天线数的增加更加明显，使得即使普通的单用户波束成形也可以获得接近最优的性能[8]。然而，随着基站天线数的增加，信道状态信息的获取难度也相应地增加，即大规模MIMO通信系统面临着信道估计与导频设计问题。最近，基于位置、接收信噪比等信息和码本的波束成型算法研究也成为了学术领域的广泛研究与探讨的主要方向之一[9-11]。通过在三维空间中放置多个天线阵元，基站可以在垂直方向和水平方向同时进行波束赋形[12,13]。常见的天线结构为均匀平面阵列(Uniform planar array, UPA)，这极大地提高了链路增益，并且降低了对相邻站点的干扰[14]。基于UPA的码本可以由垂直和水平DFT码本的码字直积得到，通过调节垂直方向波束赋形可将能量集中到一个环形区域上，然而该方案没有考虑到波束投影到地面时在环形区域的内环和外环由于路径长短的不同而造成的衰减不同[15]。针对此问题，本文研究一种三维多输入多输出垂直码本设计方法，使得码本投影到水平面之后覆盖范围的衰减在δdB以内。

1 系统模型

(1)

通常，针对均匀平面阵列的码本设计方式是由垂直方向和水平方向进行直积得到最终的码字，可表示为

(2)

图1 天线阵列模型 Fig.1 Antenna array model

(3)

由式(3)可以得出，方向图函数是Θ，ψ以及码字cm×Nh+n的函数。令

(4)

(5)

式(3)可进一步变形为

(6)

(7)

(8)

2 垂直方向码字设计

垂直码字的主要作用是将水平区域划分成多个环形区域，使得码字所对应的环形区域接收信号强度较大，环形区域外的接收信号强度较小。本文所提的方法考虑大尺度衰落的前提下，实现所设计的垂直码字所覆盖的范围环形区域内任何位置的功率不低于波束方向对应位置幅值的δdB。

(9)

接收信号强度可写为

(10)

(11)

式中hBS表示基站相对于接收点的高度。

图2 垂直码字设计示意图 Fig.2 Diagram of vertical code word designing

(12)

(13)

(14)

初始化阶段：

算法步骤：

(15)

类似于式(12)的推导，可以得出

(16)

(17)

初始化阶段：

算法步骤：

3 仿真结果

为了验证所设计的垂直码字的有效性，在表1仿真环境下，仿真了垂直码字对应的的波束方向图在水平面上的投影，其结果如图3所示。

表1 仿真参数

图3 垂直码字对应的天线方向图在水平面上的投影Fig.3 Projection of antenna pattern on horizon plane of different vertical codewords

从图3可看出，具有相同俯仰角的位置，对应的接收能量相同。码字对应的波束将水平面分割成环形区域，小的码字号对应于小区边缘的波束，大的码字号对应于小区内部的波束。小区边缘的波束对应的环形区域比较宽，小区内部的波束对应的环形区域较窄。如果两个用户处于不同的环形区域，通过使用各自对应的码字，则可以提高接收信噪比，减小传输的干扰。

(18)

式中β因子用于调整子集的大小。本文所提码本与传统码本对应波束方向的比较如图4所示。从仿真图4可以看出相对于传统的DFT码本，新的垂直码本在小区边缘放置了较多的码字，小区内部放置了较少的码字，大尺度衰落下倾角的余弦值呈线性关系，即当下倾角的值较小时，随着角度变化，大尺度衰落变化较小，当下倾角的值较大时，随着角度的变化，大尺度衰落的变化较大。

图4 所提码本和DFT码本对应的波束方向比较

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

图5 码本大小和衰减值的关系

Fig.5 Relationship of codebook size and attenuation

图6 码本大小和天线数关系

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

4 结束语

本文提供了一种面向大规模MIMO系统的垂直码本设计方法，该方法适用于基站配置均匀平板阵列并且基于水平码字和垂直码字直积构成整个码字的情形。首先分析了均匀平板阵列的波束方向图，得到了垂直码字对波束方向图的函数关系式；然后结合大尺度效应，提出了一种基于水平面接收信号幅值不低于波束中心信号幅值δdB的设计准则，在该准则下，设计了一种迭代计算码字的设计方法；最后分析了新码本的特性。相比于传统的DFT码字，新的码字不仅可以有效地将覆盖区域划分为环状区域，而且可以更好地改善小区边缘的信号接收。

[1] Choi L U, Murch R D. A transmit preprocessing technique for multiuser MIMO systems using a decomposition approach[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2004, 3(1): 20-24.

[2] Kusume K, Dietl G, Abe T, et al. System level performance of downlink MU-MIMO transmission for 3GPP LTE-advanced[C]// 2010 IEEE 71st Vehicular Technology Conference (VTC 2010-Spring). [S. l.]: IEEE, 2010: 1-5.

[3] 尤肖虎, 潘志文, 高西奇, 等. 5G 移动通信发展趋势与若干关键技术[J]. 中国科学: 信息科学, 2014, 44(5): 551-563.

You Xiaohu, Pan Zhiwen, Gao Xiqi, et al. The 5G mobile communication: The development trends and its emerging key techniques[J]. Scientia Sinica Informationis, 2014, 44(5): 551-563.

[4] Larsson E G, Tufvesson F, Edfors O, et al. Massive MIMO for next generation wireless systems[J]. IEEE Commun Mag,2014, 52: 186-195.

[5] Hoydis J, Ten Brink S, Debbah M. Massive MIMO in the UL/DL of cellular networks: How many antennas do we need?[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2013, 31(2): 160-171.

[6] Rusek F, Persson D, Lau B K, et al. Scaling up MIMO: Opportunities and challenges with very large arrays[J]. IEEE Signal Processing Magazine, 2013, 30(1): 40-60.

[7] Ngo H Q, Larsson E G, Marzetta T L. Energy and spectral efficiency of very large multiuser MIMO systems[J]. IEEE Transactions on Communications, 2013, 61(4): 1436-1449.

[8] Andrews J G, Buzzi S, Choi W, et al. What will 5G be[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2014, 32(6): 1065-1082.

[9] Love D J, Heath R W, Santipach W, et al. What is the value of limited feedback for MIMO channels[J]. IEEE Communications Magazine, 2004, 42(10): 54-59.

[10]Choi J, Heath R W. Interpolation based transmit beamforming for MIMO-OFDM with limited feedback[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 2005, 53(11): 4125-4135.

[11]Nam J, Ahn J Y, Adhikary A, et al. Joint spatial division and multiplexing: Realizing massive MIMO gains with limited channel state information[C]//2012 46th Annual Conference on Information Sciences and Systems (CISS). [S. l.]: IEEE, 2012: 1-6.

[12]Nam Y H, Ng B L, Sayana K, et al. Full-dimension MIMO (FD-MIMO) for next generation cellular technology[J]. IEEE Communications Magazine, 2013, 51(6): 172-192.

[13]Lu X, Tolli A, Piirainen O, et al. Comparison of antenna arrays in a 3-D multiuser multicell network[C]//2011 IEEE International Conference on Communications (ICC). [S. l.]: IEEE, 2011: 1-6.

[14]Xie Y, Jin S, Wang J, et al. A limited feedback scheme for 3D multiuser MIMO based on Kronecker product codebook[C]//2013 IEEE 24th International Symposium on Personal Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC). [S. l.]: IEEE, 2013: 1130-1135.

[15]张帆,何世文,黄永明,等.基于有限反馈胡大规模3DMIMO多用户传输方法及其码本设计[J].数据采集与处理,2014,29(3):384-389.

Zhang Fan, He Shiwen, Huang Yongming, et al. Limited feedback based massive 3D MIMO multi-user tranmission method and its codebook design[J]. Journal of Data Acquisition and Processing, 2014, 29(3):384-389.

[16]Balanis C A. Antenna theory: Analysis and design[M]. Hoboken: John Wiley & Sons, 2012:334-340.

[17]Goldsmith A. Wireless communications[M]. Oxford:Cambridge University Press, 2005:46-47.

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

国家科技重大专项(2013ZX03003006-02)资助项目；国家自然科学基金(61471120,61271018,61372101)资助项目；江苏省自然科学基金(BK20130019,BK2011597)和工业支撑项目(BE2012167)资助项目；教育部新世纪优秀人才资助计划(NCET-11-0088)资助项目。

2015-02-06；

2015-04-20

TN914