基于虚拟mimo的d-le终端省电机制研究

基于虚拟mimo的d-le终端省电机制研究

1td-lte传输系统移动通信设备是移动通信系统的重要组成部分，是移动通信系统与用户之间的“接口”。在综合评价终端整体性能时，不仅要考虑支持业务功能的能力，还要注意全球终端组件的性能。其中，终端的耗电性能是评价其总体性能的一项重要指标，一直是业界非常关注的问题。然而，对于TD终端而言，随着系统演进到LTE，将支持更高速数据传输和视频电话等丰富多媒体应用，为此增添了复杂的物理层数字信号处理和高层协议栈软件处理，大大增加了终端省电处理难度，也对终端的省电机制的性能提出了更高要求。TD-LTE系统的速率跃升为100Mbit/s级别以上，除了支持普通速率的数据业务以外，还支持高速率的下载和视频电话等丰富的多媒体应用。为此，终端必须支持更高的运算速度和传输速率，大大增加了基带部分和射频部分的能耗。TD-LTE系统采用了与早期系统不同的物理层关键技术，例如MIMO、OFDMA等，这些技术也必然增加系统的能耗。以MIMO为例，由于采用了更为复杂的数据处理技术，基带芯片需要完成更多的运算任务，芯片消耗的电能比SISO更多。因此，终端的能耗问题已经成为决定TD-LTE终端能否被用户广泛认可的主要因素之一。对于终端的上行传输而言，如果综合考虑传输能耗和电路能耗，MIMO的能量效率比较差。同时基于硬件复杂度考虑，TD-LTE标准中上下行传输采用虚拟MIMO(VirtualMIMO)技术来替代MIMO技术，以降低终端的能耗与硬件复杂度。虚拟MIMO的基本思想是终端上行传输仍然使用单天线，但多个终端的天线可以构成虚拟的多天线阵列，通过协同实现传输。目前关于蜂窝网络中虚拟MIMO的研究已经获得了丰富的成果。在文献中，最早提出虚拟MIMO的方案；文献在发射端利用空时分组码对发射数据进行编码，并分析了MQAM对能耗和发射速率的影响，得出了不同距离的最佳调制选择，在相同条件下，相比SISO能耗大大减少；文献利用V-BLAST结构，将簇内的单个节点看作一层，此方案比起文献中的方案，能实现更大的能耗节约，但接收机实现较复杂；文献针对3GLTE中的SC-FDMA和虚拟MIMO技术，展开了深入的无线资源管理技术研究，包括小区间干扰抑制、虚拟MIMO用户配对，跨层调度算法等；文献研究了基于几何统计信道模型虚拟MIMO系统的合作通信分集协议，通过高质量用户间信道的合作提高了虚拟MIMO系统的总吞吐量；文献研究了基于虚拟MIMO合作通信无线传感器网络的节能问题；文献为了解决无线传感器网络的节能问题提出了一种基于V-BLAST技术的虚拟MIMO传输方案，该方案比基于Alamouti的虚拟MIMO传输方案更适合用于能量高效的无线传感器网络。通过对上面的文献研究发现，现有虚拟MIMO的技术主要是针对如何实现协同以提高传输速率，虚拟MIMO的能量效率研究主要是针对无线传感器网络。因此，如何提高TD-LTE系统中MIMO的能量效率还有待进一步研究。本文中，第二部分介绍了虚拟MIMO系统原理，第三部分对虚拟MIMO现有配对准则进行了分析，第四部分，分析了虚拟MIMO技术在TD-LTE系统中用来提高能量有效性的可能，并提出了基于虚拟MIMO的TD-LTE终端省电机制的方案构想。2虚拟mimo中的算法优势TD-LTE上行系统中，采用上行的虚拟MIMO技术，来实现数据协同传输。该技术也可以看作是一种空分复用技术。此项技术可以动态的将多个基于单天线发送的终端配成一对，形成虚拟MIMO发送。这样，多个信道具有较好正交性的终端可以共享相同的时-频资源，从而提高上行系统的容量。在实际应用中，一般将2个终端配成一对，形成2×2的虚拟MIMO，如图1所示。虚拟MIMO相对传统的MIMO来说，除了每个用户只需要一根天线的设备复杂度的显著优势，主要还有以下的好处。(1）提高了多用户分集，对于传统的MIMO系统来说，所有的MIMO信号来自同个用户的所有天线，因此即使发送天线是不相关的，信道矩阵也不是很好；而对于虚拟MIMO而言，信号来自不同的用户，如果这些用户的信道衰落是不相关的，调度器便可根据各用户的瞬时信道质量来分配资源，获得多用户分集增益和更高的系统吞吐量；(2）可以通过基站调度器选择近似正交的信道来选择用户组成虚拟MIMO传输，这样在维持无线链路的鲁棒性的同时提高了系统吞吐量；(3）虚拟MIMO合作模式中，由于基站可以方便的知道所有用户的信道信息，用户决策反馈干扰消除的空间复用可以通过基站完成，用户终端除了导频需要正交外，和一般的终端没有区别，从而用户终端的复杂度可以大大减少；(4）虚拟MIMO合作模式中，由于是不同的用户组成的多天线发射，因此每个用户的发射功率还是一个单位，而不像传统的MIMO的多天线发射，是同个用户的不同天线，因此每根天线的发射功率只有1/M个单位（假设每个用户有M根天线）。因此，从基站的角度而言，接收到的上行传输功率得到提高。3虚拟mimo系统的配对准则在TD-LTE虚拟MIMO系统中，为了最大化系统信道容量，在基站需要选择恰当的用户，配对成虚拟MIMO，以便利用配对而成的虚拟MIMO信道矩阵特性，最大化系统吞吐量。最基本的思想是让两个配对用户的信道彼此正交，因为实际网络中，用户信道往往并不正交，如果配对用户信道正交性不好，将导致严重的吞吐量衰减，所以需要通过调度来使得信道尽量正交化。文献中显示，如果采用随机配对方法，不考虑用户信道匹配性，虚拟MIMO相对SIMO的频谱效率提高非常有限。由于存在多小区干扰，以及网络规划的不完美，和部分覆盖不好的深度衰落区，即便在有功率控制补偿不同用户路径损耗和阴影衰落前提下，不同用户到达基站的信号SINR仍然不同，有部分用户可能SINR远低于其他用户。所以单纯正交不能保证系统总信道容量最大，需要以配对后的总信道容量作为配对准则。此外，使得虚拟MIMO配对矩阵最小奇异值最大化等配对方案，其调度精度相对较低。如何寻找一个简单的配对准则，成为提高虚拟MIMO系统效率的关键。文献中给出了若干种虚拟MIMO的用户配对准则，现介绍如下。3.1全会群机形式成二代所谓随机配对，就是随机挑选出2个用户搭配成一对，其优点是配对方式简单，配对用户的选择随机生成，计算复杂度低，缺点是无法合理利用信道矩阵特性，无法得到最大化的信道容量。3.2snr+c降清算法因为当MIMO矩阵列向量正交性越好时，就越容易将两发射信号分开，所以此调度算法选择正交因子最大的用户进行配对。此算法的优点是计算复杂度较低，缺点是只考虑了MIMO信道矩阵自身的正交性，没有考虑配对用户各自的SNR也就没有考虑到由于干扰、网络规划不当、或者某些地区深度衰落等问题。配对时如果只考虑正交因子最大，被选择的配对用户可能因为其中一方信道衰落较差，既招致严重的远近效应干扰，又会降低系统信道容量。3.3各用户配对前后的行列式因子结果的对照首先通过RoundRobin调度算法，选择任意用户，然后计算所有其他用户与该用户配对后的行列式因子，选择行列式因子最大的，与该用户完成配对。此算法的优点是考虑了信道容量，计算复杂度较低，缺点是对低SNR适应性不强，对信道容量表达式也没有完全到位。3.4用户调度控制策略文献提出了一种基于路径损耗和慢衰落排序的配对方法，但由于配对用户信道相关性可能较大，配对用户之间的干扰也比较大。文献提出了一种假设用户接收功率相等，寻找最佳用户的调度策略；文献则将发射功率控制与用户调度配对结合。但考虑到LTE实际系统中用户接收功率难以保证相等，以及每个子载波上做独立功控复杂度较高等前提，这些研究结果并不适合TD-LTE采用。4具体省电机制的研究目前关于蜂窝网络中虚拟MIMO的研究已经获得了丰富的成果，但主要是针对如何实现协同以提高传输速率，虚拟MIMO的能量效率研究主要是针对无线传感器网络。因此，如何提高TD-LTE系统中MIMO的能量效率还有待进一步研究。(1）缺乏针对TD-LTE系统的虚拟MIMO省电机制。无线传感器网络和TD-LTE系统具有很大的差异。无线传感器网络主要是承载低速率的业务，而TD-LTE系统可以承载高速率数据业务。低速率业务对QoS的要求比较低，相关约束比较简单，而高速率的混合业务对QoS的要求更高，分析模型中约束条件更复杂。为此，必须根据TD-LTE业务的特点，来制定适用于TD-LTE的虚拟MIMO省电机制；(2）缺乏系统级的虚拟MIMO省电机制。虚拟MIMO省电机制真正应用到蜂窝无线通信网络还面临一些问题。首先，目前大多数虚拟MIMO省电机制是针对参与协同终端的总体能耗，缺乏针对个体能耗的平衡性研究。其次，虚拟MIMO技术会增加终端算开销，使得信息处理的复杂度增加，带来了额外的能量消耗。为此，必须从系统的角度来研究如何平衡这些矛盾问题，获得希望得到的省电性能。综合以上可以看出，虽然目前业界有关终端省电机制的研究成果非常丰富，但大多是以2G系统、3G系统早期版本或者其它类型移动通信系统为研究对象，针对TD-LTE终端省电机制的研究较少，还存在需要解决和完善的问题。尤其是针对TD-LTE新业务、新省电协议、新技术的研究需要继续深入和挖掘，以从根本上进一步提高终端的电源使用效率。TD-LTE系统在给定功率的前提下，虚拟MIMO具有比SIMO更好的上行系统容量；反之，如果给定传输速率，虚拟MIMO消耗的功率比SIMO更低。因此虚拟MIMO有更好的能量效率。然而在虚拟MIMO的实现过程中，有一些因素会影响其性能发挥，导致实际的省电性不能被充分体现。(1）虚拟MIMO技术实现过程中，成对的移动终端会使用相同的时-频资源，不同的配对方式会给配对终端之间带来大小不一的配对干扰，从而造成不同程度的误包率。如果干扰较大，会降低虚拟MIMO技术的上行系统吞吐量增益，降低虚拟MIMO技术的能量效率。因此有必要设计出一种能够降低干扰的配对算法；(2）由于虚拟MIMO中配对的两个终端必须使用相同的时-频资源，配对终端申请资源大小的差异以及功率控制后功率谱密度的限制，有些配对终端不能合理地利用资源，所以对单个终端来说，资源的分配并不是最合理的。因此可将两个配对终端作为一个整体来分配资源，从跨层调度和协调传输的角度，保证资源分配的灵活性以及能量消耗的公平性；(3）基于终端配对的协同上行传输调度机制会导致额外的计算开销，如果计算开销过大，将抵消虚拟MIMO带来的能耗性能增益。另一方面，终端的配对算法性能与复杂度之间存在平衡的问题。一般而言，如果配对算法比较简单则性能较差，导致的干扰较大，也会抵消能耗性能增益。复杂的算法虽然性能好，但算法复杂度开销会带来处理时延，也会降低能耗性能。因此，可以将提升能耗性能增益作为目的，实现机制、算法性能与复杂度的平衡。因此，本文针对省电机制的构想，首先要提出以降低配对干扰为目的、且复杂度合理的配对算法；在此基础上提出一种能够保证各终端业务QoS要求的公平能效传输调度机制，同时考虑该机制的实现复杂度，降低其计算开销。基于以上的技术路线，本部分的研究内容可以分为两个主要部分，每个部分的具体研究方法如下所述。4.1终端配对准则因为上行传输的能量效率和容量效率是可以置换的，因此可以借助上行传输容量最大化问题的分析方法，研究如何提高系统的能量效率。为了提高系统的能量效率，基站需要选择恰当的终端，配对成虚拟MIMO，以便利用配对而成的虚拟MIMO信道矩阵特性。最基本的思想是让两个配对终端的信道彼此正交。实际网络中，如果配对终端信道正交性不好，给定传输功率，将导致严重的吞吐量衰减，能量效率随之降低。例如采用随机配对方法，不考虑终端信道匹配性，虚拟MIMO相对SIMO的能量效率提升非常有限。另一方面，由于存在多小区干扰，以及网络规划的不完美，在部分覆盖不好的深度衰落区内，即便可以由功率控制补偿不同终端路径损耗和阴影衰落，不同终端到达基站的信号SINR仍然不同，有部分终端可能SINR远低于其它终端。所以，不能单纯考虑如何保证信道的正交性以提高能量效率，而是以配对后的总信道容量作为配对准则，提出一个简单的配对算法，从而提高虚拟MIMO系统的能量效率。由以上可知，新的虚拟MIMO终端配对算法应该能够体现两个终端配对后的信道容量，同时在数学表达式上尽可能简单。因而，每个配对终端自身的SINR必须在准则中加以体现。目前有一些文献研究了单个终端的天线选择问题，其中对于高、低SINR两种情况，分别存在对应的选择算法。基于这些算法，可以选择出能提供最大MIMO信道容量的天线组合。虚拟MIMO终端配对选择与天线选择非常类似，其区别在于虚拟MIMO终端彼此SINR不同，而单终端的各发射天线SINR相同。因此可借助天线选择的一些研究方法，并加以具体分析，得出以最大化能量效率为目标的低复杂度虚拟MIMO终端配对算法。4.2共享传输调度机制结合功率控制，从跨层优化的角度，提出兼顾物理层信道容量和MAC层业务时延的传输和调度机制。对虚拟MIMO而言，其跨层传输调度与传统MIMO的跨层传输调度有较大差异。后者的物理层信道性能一般只考虑同一时-频资源上仅有一个终端传输数据，或者虽有多个终端采用SDMA方式传输，但采用增强型技术，以保证终端间没有干扰，每个终端的传输速率与配对终端无关，调度机制只要考虑每个终端独立的信道性能和QoS需求。而前者的两个终端在同一时-频资源上进行传输，终端的传输速率将受到配对终端影响，而且配对终端的QoS需求并不相同。因此，可以以一