[发明专利]基于不完全信道状态信息的大规模MIMO系统跨层设计方法

权利要求书

1.一种基于不完全信道状态信息的大规模MIMO系统跨层设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、建立大规模MIMO系统上行传输模型，模型中设有一个配备M根天线的基站与K个单天线用户，信道模型同时考虑大尺度与小尺度衰落，并且不能获得完全信道状态信息(CSI)，利用迫零检测的方法对信号处理，推出用户的有效信噪比(SNR)，并根据大规模MIMO信道趋近正交的特性得到近似SNR，推出给定近似SNR下有效SNR的条件概率密度函数(PDF)；

S2、给出不同调制方式下的近似误包率(PER)的公式，并求出在瞬时PER约束下的物理层AM的切换门限；

S3、推导近似SNR的PDF，从而计算系统物理层平均频谱效率(ASE)，并根据S1中的条件PDF和物理层ASE，分别推导出整个系统的ASE和平均PER；

S1包括以下子步骤：基站处的接收信号表示为

y＝GP^1/2x+n (1)

其中x代表用户的发射信号，且第k个用户的发射信号x_k满足E{|x_k|²}＝1，P＝diag{p₁,p₂,...,p_K}为对角矩阵，其对角线上第k个元素p_k表示第k个用户的发射功率， k＝1，2，...，K，n表示加性高斯白噪声，其期望为零，方差为1，并且

G＝HD^1/2 (2)

D是K维对角矩阵，其中r_k表示第k个用户到基站的距离，r_h为参考距离，v代表路径损耗系数，z_k为服从Gamma分布的阴影衰落z_k～Γ(a,b)，其概率密度函数(PDF,Probability Density Function)可表示为：

其中，a和b分别表示Gamma分布的两个参数，Γ(·)为伽马函数，H为M×K的小尺度衰落信道矩阵，其元素服从均值为零，方差为一的独立同分布复高斯分布，估计的小尺度衰落矩阵记为表示的第k列，估计错误矩阵为E，其第k列记为e_k，真实信道与估计信道之间的关系为：

其中，估计错误e_k服从期望为0，方差为ε_k的复高斯分布，e_k～CN(0,ε_kI_M)，由此得当ε_k为零时，系统获得完全CSI；

使用迫零检测矩阵，故第k个用户的有效信噪比为：

使用大数定理，得到近似SNR为：

由于故第k个用户的有效 信噪比γ_k关于的条件PDF为

S2包括以下子步骤：在数据链路层上采用等停式ARQ，故而假设系统最大重传次数目标丢包率为PLR₀，可计算出目标误包率PER₀：

在加性高斯白噪声信道下，通过拟合得出误包率的近似表达式为：

其中，{a_n,g_n,γ_pn}是与具体的调制方式有关的系数，γ_pn为满足PER≤1的最小值；

令PER_n(γ)＝PER₀，可得到系统的切换门限为：

γ_n＝-ln(PER₀/a_n)/g_n (10)；

S3包括以下子步骤：

S31、求出第k个用户的近似SNR，得出其PDF；

S32、根据S31的PDF公式，使用高斯拉盖尔公式推出系统中第k个用户的物理层ASE为系统物理层平均PER为APER；

S33、求出第k个用户的数据包的平均传输次数为结合S32中物理层平均频谱效率，大规模MIMO跨层设计系统的ASE为