DOI: https://doi.org/10.20535/S0021347019100017
Открытый доступ Открытый доступ  Ограниченный доступ Доступ по подписке
Модель сверхбольшой MIMO системы (H-MIMO)

Исследование нижней границы спектральной эффективности в сверхбольшой MIMO-системе с полной информацией о состоянии канала и предварительным кодированием

Т. А. Шейк, Дж. Бора, М. А. Хуссейн

Аннотация


Аналитическое рассмотрение нижней границы спектральной эффективности (СЭ) канала нисходящей передачи в сверхбольшой MIMO-системе H-MIMO (hyper MIMO) является важным аспектом для понимания роли различных факторов, участвующих в этом процессе. В данной работе получено математическое выражение для нижней границы СЭ H-MIMO системы при использовании линейных методов предварительного кодирования, таких как метод обнуления ZF (zero-forcing) и метод минимальной среднеквадратичной ошибки MMSE (minimum mean square error). Анализ СЭ предусматривает рассмотрение трех алгоритмов совместного планирования для пользователей и антенн, таких как полуортогональный и случайный алгоритмы, и алгоритм планирования пользователей на основе расстояния, тогда как антенны выбираются на основе максимального отношения сигнал–шум SNR (signal-to-noise ratio) для зарегистрированных пользователей. Предполагается, что канал между пользователем и передатчиком имеет характеристики мелкомасштабного SSF (small scale fading) и крупномасштабного LSF (large scale fading) затухания при использовании рэлеевской распределенной блочной модели замирания. Исследовано влияние изменения мощности передачи, количества антенн базовой станции M и радиуса соты на СЭ. Проведено моделирование передачи по нисходящему каналу системы H-MIMO и выполнено сравнение результатов моделирования с аналитическими результатами. Можно отметить, что тренды изменения результатов при варьировании различных факторов подобны, и разница между нижней границей СЭ при моделировании и аналитическом расчете составляет порядка 1–1,5 бит, причем аналитическое значение нижней границы является меньшим из двух указанных значений.

Ключевые слова


спектральная эффективность; параметры крупномасштабного замирания; технология massive MIMO; M-MIMO; пятое поколение; предварительное кодирование

Полный текст:

PDF

Литература


Sheikh, T.A.; Bora, J.; Hussain, A. “A survey of antenna and user scheduling techniques for massive MIMO-5G wireless system,” Proc. of 2017 Int. Conf. on Current Trends in Computer, Electrical, Electronics and Communication, CTCEEC, 8-9 Sept. 2017, Mysore, India. IEEE, 2017, p.578-583. DOI: https://doi.org/10.1109/ctceec.2017.8455177.

Larsson, E.G.; Edfors, O.; Tufvesson, F.; Marzetta, T.L. “Massive MIMO for next generation wireless systems,” IEEE Commun. Mag., v.52, n.2, p.186, 2014. DOI: https://doi.org/10.1109/mcom.2014.6736761.

Ngo, H.Q. “Massive MIMO: Fundamentals and system designs,” Linkoping Studies in Science and Technology, Dissertations, No. 1642, Linkoping University. 2015, SE-581 83 Linkoping, Sweden. DOI: https://doi.org/10.3384/lic.diva-112780.

Rusek, F.; Persson, D.; Lau, B.K.; Larsson, E.G.; Marzetta, T.L.; Edfors, O.; Tufvesson, F. “Scaling up MIMO: Opportunities and challenges with very large arrays,” IEEE Signal Processing Mag., v.30, n.1, p.40, 2013. DOI: https://doi.org/10.1109/msp.2011.2178495.

Selvan, V.P.; Iqbal, M.S.; Al-Raweshidy, H.S. “Performance analysis of linear precoding schemes for very large multi-user MIMO downlink system,” Proc. of IEEE Fourth Int. Conf. on Innovative Computing Technology, INTECH, 13-15 Aug. 2014, Luton, UK. IEEE, 2014, p.219-224. DOI: https://doi.org/10.1109/intech.2014.6927765.

Шейк, Т. А.; Бора, Дж.; Хуссейн, А. “Суммарная скорость больших MIMO-систем с полуортогональной и произвольной выборкой пользователей в каналах с высоким рассеиванием,” Известия вузов. Радиоэлектроника, Т. 61, № 12, С. 688–698, 2018. DOI: https://doi.org/10.20535/S0021347018120026.

Zhao, L.; Zheng, K.; Long, H.; Zhao, H.; Wang, W. “Performance analysis for downlink massive multiple-input multiple-output system with channel state information delay under maximum ratio transmission precoding,” IET Commun., v.8, n.3, p.390, 2014. DOI: https://doi.org/10.1049/iet-com.2013.0209.

Lin, Y.; Li, X.; Fu, W.; Hei, Y. “Spectral efficiency analysis for downlink massive MIMO systems with MRT precoding,” China Commun., v.12, n.Suppl., p.67, 2015. DOI: https://doi.org/10.1109/cc.2015.7386172.

Sheikh, T.A.; Bora, J.; Hussain, M.A. “Combined user and antenna selection in massive MIMO using precoding technique,” Int. J. Sensors, Wireless Commun. Control, v.9, n.2, p.214, 2019. DOI: https://doi.org/10.2174/2210327908666181112144939.

Sheikh, T.A.; Bora, J.; Hussain, M.A. “Capacity maximizing in massive MIMO with linear precoding for SSF and LSF channel with perfect CSI,” Digital Commun. Networks, in press, 2019. DOI: https://doi.org/10.1016/j.dcan.2019.08.002.

Lu, L.; Li, G.Y.; Swindlehurst, A.L.; Ashikhmin, A.; Zhang, R. “An overview of massive MIMO: benefits and challenges,” IEEE J. Selected Topics Signal Process., v.8, n.5, p.742, 2014. DOI: https://doi.org/10.1109/jstsp.2014.2317671.

Ngo, H.Q.; Larsson, E.G.; Marzetta, T.L. “Energy and spectral efficiency of very large multiusers MIMO systems,” IEEE Trans. Commun., v.61, n.4, p.1436, 2013. DOI: https://doi.org/10.1109/tcomm.2013.020413.110848.

Yang, A.; He, Z.; Xing, C.; Fei, Z.; Kuang, J. “The role of large-scale fading in uplink massive MIMO systems,” IEEE Trans. Vehicular Technol., v.65, n.1, p.477, 2016. DOI: https://doi.org/10.1109/TVT.2015.2397553.

Parfait, T.; Kuang, Y.; Jerry, K. “Performance analysis and comparison of ZF and MRT based downlink massive MIMO systems,” Proc. of 2014 Sixth Int. Conf. on Ubiquitous and Future Networks, ICUFN, 8-11 Jul. 2014, Shanghai, China. IEEE, 2014, p.383-388. DOI: https://doi.org/10.1109/icufn.2014.6876818.

Yang, H.; Marzetta, T.L. “Performance of conjugate and zero-forcing beamforming in large-scale antenna systems,” IEEE J. Selected Areas Commun., v.31, n.2, p.172, 2013. DOI: https://doi.org/10.1109/jsac.2013.130206.

Ngo, H.Q.; Larsson, E.G.; Marzetta, T.L. “Massive MU-MIMO downlink TDD systems with linear precoding and downlink pilots,” Proc. of 2013 51st Annual Allerton Conf. on Communication, Control, and Computing, 2-4 Oct. 2013, Monticello, IL, USA. IEEE, 2013, p.293-298. DOI: https://doi.org/10.1109/allerton.2013.6736537.

Bjornson, E.; Sanguinetti, L.; Hoydis, J.; Debbah, M. “Optimal design of energy-efficient multi-user MIMO systems: Is massive MIMO the answer?,” IEEE Trans. Wireless Commun., v.14, n.6, p.3059, 2015. DOI: https://doi.org/10.1109/TWC.2015.2400437.

Zhao, L.; Zhao, H.; Hu, F.; Zheng, K.; Zhang, J. “Energy efficient power allocation algorithm for downlink massive MIMO with MRT precoding,” Proc. of 2013 IEEE 78th Vehicular Technology Conf., VTC Fall, 2-5 Sept. 2013, Las Vegas, USA. IEEE, 2013, p.1-5. DOI: https://doi.org/10.1109/VTCFall.2013.6692185.

He, C.; Sheng, B.; Zhu, P.; You, X. “Energy efficiency and spectral efficiency tradeoff in downlink distributed antenna systems,” IEEE Wireless Commun. Lett., v.1, n.3, p.153, 2012. DOI: https://doi.org/10.1109/WCL.2012.022812.120048.

Tulino, A.; Verdu, S. Random Matrix Theory and Wireless Communications. Now Foundations and Trends, 2004. DOI: https://doi.org/10.1561/0100000001.


Метрики статей

Загрузка метрик ...

Metrics powered by PLOS ALM





© Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника, 2004–2020
При копировании активная ссылка на материал обязательна
ISSN 2307-6011 (Online), ISSN 0021-3470 (Print)
т./ф. +38044 204-82-31, 204-90-41
Условия использования сайта