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

Автор(и)

  • Т. А. Шейк Северо-восточный региональный институт науки и техники, Нирджули, India https://orcid.org/0000-0002-6014-4263
  • Дж. Бора Северо-восточный региональный институт науки и техники, Нирджули, India
  • М. А. Хуссейн Северо-восточный региональный институт науки и техники, Нирджули, India

DOI:

https://doi.org/10.20535/S0021347019100017

Ключові слова:

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

Анотація

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.

Посилання

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.

##submission.downloads##

Опубліковано

2019-10-26

Як цитувати

Шейк, Т. А., Бора, Д., & Хуссейн, М. А. (2019). Исследование нижней границы спектральной эффективности в сверхбольшой MIMO-системе с полной информацией о состоянии канала и предварительным кодированием. Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка, 62(10), 579–592. https://doi.org/10.20535/S0021347019100017

Номер

Том 62 № 10 (2019)

Розділ

Оригінальні статті

Ліцензія

Авторське право (c) 2019 Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника

Издатель журнала Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника (сокр. "Известия вузов. Радиоэлектроника"), Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", учитывает, что доступ автора к его статье является важным как для самого автора, так и для спонсоров его исследований. Мы представлены в базе издателей SHERPA/RoMEO как зеленый издатель (green publisher), что позволяет автору выполнять самоархивирование своей статьи. Однако важно, чтобы каждая из сторон четко понимала свои права. Просьба более детально ознакомиться с Политикой самоархивирования нашего журнала.

Политика оплаченного открытого доступа POA (paid open access), принятая в журнале, позволяет автору выполнить все необходимые требования по открытому доступу к своей статье, которые выдвигаются институтом, правительством или фондом при выделении финансирования. Просьба более детально ознакомиться с политикой оплаченного открытого доступа нашего журнала (см. отдельно).

Варианты доступа к статье:

1. Статья в открытом доступе POA (paid open access)

В этом случае права автора определяются лицензией CC BY (Creative Commons Attribution).

2. Статья с последующим доступом по подписке

В этом случае права автора определяются авторским договором, приведенным далее.

  • Автор (каждый соавтор) уступает Издателю журнала «Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника» НТУУ «КПИ» на срок действия авторского права эксклюзивные права на материалы статьи, в том числе право на публикацию данной статьи издательством Аллертон Пресс, США (Allerton Press) на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems». Передача авторского права охватывает исключительное право на воспроизведение и распространение статьи, включая оттиски, переводы, фото воспроизведения, микроформы, электронные формы (он- и оффлайн), или любые иные подобные формы воспроизведения, а также право издателя на сублицензирование третьим лицам по своему усмотрению без дополнительных консультаций с автором. При этом журнал придерживается Политики конфиденциальности.
  • Передача прав включает право на обработку формы представления материалов с помощью компьютерных программам и систем (баз данных) для их использования и воспроизводства, публикации и распространения в электронном формате и внедрения в системы поиска (базы данных).
  • Воспроизведение, размещение, передача или иное распространение или использование материалов, содержащихся в статье должно сопровождаться ссылкой на Журнал и упоминанием Издателя, а именно: название статьи, имя автора (соавторов), название журнала, номер тома, номер выпуска, копирайт авторов и издателя "© Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт"; © автор(ы)".
  • Автор (каждый соавтор) материалов сохраняет все права собственника материалов, включая патентные права на любые процессы, способы или методы и др., а также права на товарные знаки.
  • Издатель разрешает автору (каждому соавтору) материалов следующее:
  1. Право пользоваться печатными или электронными вариантами материалов статьи в форме и содержании, принятыми Издателем для публикации в Журнале. Подробнее см. политики Оплаченного открытого доступа, подписки и самоархивирования.
  2. Право бесплатно копировать или передавать коллегам копию напечатанной статьи целиком или частично для их личного или профессионального использования, для продвижения академических или научных исследований или для учебного процесса или других информационных целей, не связанных с коммерческими целями.
  3. Право использовать материалы из опубликованной статьи в написанной автором (соавторами) книге, монографии, учебнике, учебном пособии и других научных и научно-популярных изданиях.
  4. Право использовать отдельные рисунки или таблицы и отрывки текста из материалов в собственных целях обучения или для включения их в другую работу, которая печатается (в печатном или электронном формате) третьей стороной, или для представления в электронном формате во внутренние компьютерные сети или на внешние сайты автора (соавторов).
  • Автор (соавторы) соглашаются, что каждая копия материалов или любая ее часть, распространенная или размещенная ими в печатном или электронном формате, будет содержать указание на авторское право, предусмотренное в Журнале и полную ссылку на Журнал Издателя.
  • Автор (соавторы) гарантирует, что материалы являются оригинальной работой и представлены впервые на рассмотрение только в этом Журнале и ранее не публиковались. Если материалы написаны совместно с соавторами, автор гарантирует, что проинформировал их относительно условий публикации материалов и получил их подписи или письменное разрешение подписываться от их имени.
  • Если в материалы включаются отрывки из работ или имеются указания на работы, которые охраняются авторским правом и принадлежат третьей стороне, то автору необходимо получить разрешение владельца авторских прав на использование таких материалов в первом случае и сделать ссылку на первоисточник во втором.
  • Автор гарантирует, что материалы не содержат клеветнических высказываний и не посягают на права (включая без ограничений авторское право, права на патент или торговую марку) других лиц и не содержат материалы или инструкции, которые могут причинить вред или ущерб третьим лицам. Автор (каждый соавтор) гарантирует, что их публикация не приведет к разглашению секретных или конфиденциальных сведений (включая государственную тайну). Подтверждением этого является Экспертное заключение (см. перечень документов в Правила для авторов).
  • Издатель обязуется опубликовать материалы в случае получения статьей положительного решения редколлегии о публикации на основании внешнего рецензирования (см. Политика рецензирования).
  • В случае публикации статьи на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems» (Издатель: Аллертон Пресс, США, распространитель Springer) автору (соавторам) выплачивается гонорар после выхода последнего номера журнала года, в котором опубликована данная статья.
  • Документ Согласие на публикацию, который подают русскоязычные авторы при подаче статьи в редакцию, является краткой формой данного договора, в котором изложены все ключевые моменты настоящего договора и наличие которого подтверждает согласие автора (соавторов) с ним. Аналогичным документом для англоязычных авторов является Copyright Transfer Agreement (CTA), предоставляемый издательством Allerton Press.
  • Настоящий Договор вступает в силу в момент принятия статьи к публикации. Если материалы не принимаются к публикации или до публикации в журнале автор (авторы) отозвал работу, настоящий Договор не приобретает (теряет) силу.