CN103298124B - 基于空间正交性的大规模mimo系统导频分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于信道空间正交性的大规模MIMO系统导频分配方法，包括如下步骤：1）基站获取各用户终端信道的统计协方差矩阵信息；2）在已知信道统计协方差矩阵信息的条件下，获取位于不同小区、同一时频资源块上的两个用户进行导频复用时，速率无损失传输的条件；3）根据步骤1）所获信息，基站对比计算不同用户之间的信道空间正交性程度，利用步骤2）中速率无损失传输的条件，以最大化系统和速率为准则对用户进行贪婪调度分组；4）对各用户组进行导频分配。本方法在用户端不知道瞬时信道状态信息的条件下，在实现导频复用的同时，有效减小导频污染问题带来的影响，提高系统的吞吐量性能。

Description

基于空间正交性的大规模MIMO系统导频分配方法

技术领域

本发明涉及大规模MIMO系统传输过程领域，特别是涉及一种基于空间正交性的大规模MIMO系统导频分配方法。

背景技术

大规模MIMO（VeryLargeMIMO或MassiveMIMO）以其特有的优点：获得更高倍数的信道容量，更低的能量消耗，十分精准的空间区分度，相对廉价的硬件实现等，获得了无线通信领域的相当关注。随着基站处天线数目的大量增加，传统的信道状态信息（CSI）反馈模式已无法适用，这是因为传统的CSI反馈量是随着天线数线性增长的，当天线数目很大时，反馈所需的时间将会远大于信道相干时间，因此，大规模MIMO应用目前主要考虑TDD系统，利用信道互易性来获得信道状态信息。但是由于导频信号空间的维数总是有限的，所以不可避免的总是存在不同小区的用户采用相同导频同时发射，从而导致基站无法区分，形成所谓的“导频污染”。理论研究表明，当基站不存在协作时，随着基站天线数的无限增加，非相关噪声和快衰落效应都能被平均掉，导频污染带来的干扰成为限制系统性能的主要因素。

在同一时频资源块上的用户，复用同一导频序列进行信道估计时，基站无法从时间域和频率域上区分来自不同用户的信号。研究结果表明，如果两个用户的AOA（到达角，AngleofArrival）域完全不重叠，那么他们可以共用同一导频序列进行无扰的信道估计，也就是说基站可以从空间域上进行信号的区分。

另一方面，在实际的大规模MIMO系统中，基站获取瞬时信道状态信息的误差很大，而信道的统计特性相对于瞬时信道状态信息变化缓慢，可以认为基站能够获得较为精确的统计信道状态信息。基于如上所述的背景，本发明给出一种在大规模MIMO系统中利用信道空间正交性和统计协方差信息进行用户调度的导频分配方法。

发明内容

本发明提供一种适用于大规模MIMO系统的导频分配方法，利用慢变的信道统计协方差信息，根据不同用户信道之间正交性的强弱，从空间域区分同一时频资源块上的不同用户，以此进行用户调度和导频分配，能够在实现导频复用的同时，有效减小导频污染问题带来的影响，提高系统吞吐量；假定该系统包括L个同步小区，每小区含有一个配置有M根天线的基站和K个单天线用户终端，采用时分双工（TDD）模式；该方法具体包含以下步骤：

步骤一、获取小区l中用户k到小区j中基站信道的统计协方差矩阵信息R_j,k,l,j,l∈{1,…,L},k∈{1,…,K}；

步骤二、根据步骤一所获得的信道统计协方差矩阵信息，获取位于不同小区、同一时频资源块上的两个用户进行导频复用时，速率无损失传输的条件；

步骤三、根据步骤一所获得的信道统计协方差矩阵信息，所有小区的基站对比计算不同用户信道之间的空间正交程度，利用步骤二中的速率无损失传输条件，以最大化系统和速率为准则，采用贪婪用户调度算法，对用户进行调度分组，将所有的用户分为K组；

步骤四、根据步骤三中的分组结果，基站对各组进行导频分配，同一组内的用户分配使用相同的上行导频训练序列，不同用户组之间的用户分配使用相互正交的导频序列。

优选地，步骤一中，小区l中用户k到小区j中基站信道的统计协方差矩阵信息R_j,k,l定义为：g_j,k,l表示小区l中用户k到小区j中基站的窄带多径高斯信道，j,l∈{1,…,L},k∈{1,…,K}；在用户端通过对通信过程内所估计的瞬时信道状态信息进行统计并反馈给基站或者在基站端对所估计的瞬时信道状态信息反馈值进行统计，从而获取信道统计协方差矩阵信息。

优选地，步骤二中，位于不同小区、同一时频资源块上两个用户信道的空间正交性，即小区j中用户k与小区l中用户m之间的空间正交性度量标准定义为：

$d_{\mathrm{orth}}(\⟨k,j\⟩,\⟨m,l\⟩)=\frac{1}{2}(\frac{\mathrm{tr}\left\{R_{j,k,j}{R}_{j,m,l}\right\}}{\left|\right|R_{j,k,j}{\left|\right|}_f{\left|\right|R_{j,m,l}\left|\right|}_f}+\frac{\mathrm{tr}\left\{R_{l,m,l}{R}_{l,k,j}\right\}}{{\left|\right|R_{l,m,l}\left|\right|}_f{\left|\right|R_{l,k,j}\left|\right|}_f}),$

其中，||·||_f表示矩阵的弗罗贝尼乌斯范数，tr{·}为矩阵的求迹运算，d_orth∈[0,1]，当d_orth=0时，小区j中用户k与小区l中用户m的信道严格满足空间正交条件，d_orth越小，两个用户信道之间的正交性越强；

当满足：tr{R_j,k,jR_j,m,l}=0，且tr{R_l,m,lR_l,k,j}=0时，小区j中用户k与小区l中用户m共用同一导频序列进行上行信道估计时，与使用正交导频序列的情况相比，可以实现下行速率的无损失传输，此时，d_orth=0，两用户严格满足空间正交性条件。

优选地，步骤三中，所述分组过程，根据用户信道的空间正交性强弱依次从每个小区中选择一个用户组成一个含L个用户的组合 是第k个用户组中从小区l中选择出的用户指数，这样的用户组共有K个，记为Ω={Ω₁,Ω₂,…,Ω_K}，组合内用户复用同一导频序列进行信道估计，不同组合间的用户分配使用相互正交的导频序列，这样可以保证L个小区共享长度为K的导频序列，且小区内各用户互不干扰，定义用户组合Ω_k的平均正交度为：

$d_{\mathrm{orth}}\left({\mathrm{\Ω}}_k\right)=\frac{1}{L(L-1)}\underset{j=1}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l>j}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{\mathrm{tr}\left\{R_{j,{\mathrm{\κ}}_j^k,j}{R}_{j,{\mathrm{\κ}}_l^k,l}\right\}}{{\left|\right|R_{j,{\mathrm{\κ}}_j^k,j}\left|\right|}_f{\left|\right|R_{j,{\mathrm{\κ}}_l^k,l}\left|\right|}_f}+\frac{\mathrm{tr}\left\{R_{l,{\mathrm{\κ}}_l^k,l}{R}_{l,{\mathrm{\κ}}_j^k,j}\right\}}{{\left|\right|R_{l,{\mathrm{\κ}}_l^k,l}\left|\right|}_f{\left|\right|R_{l,{\mathrm{\κ}}_j^k,j}\left|\right|}_f})$

采用贪婪算法的用户调度步骤如下：

步骤31、根据步骤一中所获得的信道统计协方差矩阵信息R_j,k,l，对k∈{1,…,K},l∈{1,…,L}，遍历计算所有种可能用户组合的平均正交度，存入维d_orth表中；

步骤32、选择出d_orth中最小值对应的用户组Ω₁，即

${\mathrm{\Ω}}_1=\arg \underset{k\∈\{\mathrm{1,2},\·\·\·K\}}{\min }{d}_{\mathrm{orth}}\left(\right\{{\mathrm{\κ}}_1^k,{\mathrm{\κ}}_2^k,\·\·\·{\mathrm{\κ}}_l^k,\·\·\·{\mathrm{\κ}}_L^k\left\}\right);$

步骤33、不考虑d_orth中Ω₁各元素所在的行和列，选择出剩余的维中最小值对应的用户组Ω₂，重复该步骤，最终得到K个用户组：{Ω₁,Ω₂,…,Ω_K}，即Ω^opt={Ω₁,Ω₂,…,Ω_K}。

优选的，步骤四中，长度为K的导频序列在所有L个小区之间复用，确保同一小区内用户使用相互正交的导频序列，不同小区间、同一用户组内的用户复用同一导频序列。

本发明实例提供的基于空间正交性的大规模MIMO系统导频分配方法，具有如下优点：

1、本方法可以在不增加导频序列长度的前提下，从空间域角度区分同一时频资源块上的不同用户信号，实现导频的充分利用；

2、本方法利用慢变的信道统计协方差矩阵信息，在传输阶段可以只反馈统计信道协方差信息，从而能有效降低反馈开销，降低复杂度；

3、本方法可以在实现导频复用的前提下，有效减小导频污染问题带来的干扰，提高系统吞吐量性能。

附图说明

图1为本发明实例提供的基于空间正交性的大规模MIMO系统导频分配方法实施步骤的流程图；

图2为本发明实例提供的基于空间正交性的大规模MIMO系统导频分配方法的调度用户指数表。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行说明。

本发明实例提供了一种基于空间正交性的大规模MIMO系统导频分配方法，包括如下步骤：

步骤一、获取小区l中用户k到小区j中基站信道的统计协方差矩阵信息R_j,k,l,j,l∈{1,…,L},k∈{1,…,K}；

步骤二、根据步骤一所获得的信道统计协方差矩阵信息，获取位于不同小区、同一时频资源块上的两个用户进行导频复用时，速率无损失传输的条件；

步骤三、根据步骤一所获得的信道统计协方差矩阵信息，所有小区的基站对比计算不同用户信道之间的空间正交程度，利用步骤二中的速率无损失传输条件，以最大化系统和速率为准则，采用贪婪用户调度算法，对用户进行调度分组，将所有的用户分为K组；

步骤四、根据步骤三中的分组结果，基站对各组进行导频分配，同一组内的用户分配使用相同的上行导频训练序列，不同用户组之间的用户分配使用相互正交的导频序列。

上述方法中，在所述步骤一中，在用户端通过对通信过程内所估计的瞬时信道状态信息进行统计并反馈给基站或者在基站端对所估计的瞬时信道状态信息反馈值进行统计，从而获取信道统计协方差矩阵信息。

上述方法中，在所述步骤二中，小区j中用户k与小区l中用户m之间的空间正交性度量标准定义为：

$d_{\mathrm{orth}}(\⟨k,j\⟩,\⟨m,l\⟩)=\frac{1}{2}(\frac{\mathrm{tr}\left\{R_{j,k,j}{R}_{j,m,l}\right\}}{\left|\right|R_{j,k,j}{\left|\right|}_f{\left|\right|R_{j,m,l}\left|\right|}_f}+\frac{\mathrm{tr}\left\{R_{l,m,l}{R}_{l,k,j}\right\}}{{\left|\right|R_{l,m,l}\left|\right|}_f{\left|\right|R_{l,k,j}\left|\right|}_f}),$

其中，||·||_f表示矩阵的弗罗贝尼乌斯范数，tr{·}为矩阵的求迹运算，d_orth∈[0,1]，当d_orth=0时，小区j中用户k与小区l中用户m的信道严格满足空间正交条件，d_orth越小，两个用户信道之间的正交性越强；

当满足：tr{R_j,k,jR_j,m,l}=0，且tr{R_l,m,lR_l,k,j}=0时，小区j中用户k与小区l中用户m共用同一导频序列进行上行信道估计时，与使用正交导频序列的情况相比，可以实现下行速率的无损失传输，此时，d_orth=0，两用户严格满足空间正交性条件。

上述方法中，在所述步骤三的分组过程中，根据用户信道的空间正交性强弱依次从每个小区中选择一个用户组成一个含L个用户的组合 ${\mathrm{\Ω}}_k=\{{\mathrm{\κ}}_1^k,{\mathrm{\κ}}_2^k,\·\·\·{\mathrm{\κ}}_l^k,\·\·\·{\mathrm{\κ}}_L^k\},$ ${\mathrm{\κ}}_l^k\∈\{\mathrm{1,2},\·\·\·,K\}$ 是第k个用户组中从小区l中选择出的用户指数，这样的用户组共有K组，记为Ω={Ω₁,Ω₂,…,Ω_K}，组合内用户复用同一导频序列进行信道估计，不同组合间的用户分配使用相互正交的导频序列，这样可以保证L个小区共享长度为K的导频序列，且同一小区内各用户互不干扰，定义用户组合Ω_k的平均正交度为：

$d_{\mathrm{orth}}\left({\mathrm{\Ω}}_k\right)=\frac{1}{L(L-1)}\underset{j=1}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l>j}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{\mathrm{tr}\left\{R_{j,{\mathrm{\κ}}_j^k,j}{R}_{j,{\mathrm{\κ}}_l^k,l}\right\}}{{\left|\right|R_{j,{\mathrm{\κ}}_j^k,j}\left|\right|}_f{\left|\right|R_{j,{\mathrm{\κ}}_l^k,l}\left|\right|}_f}+\frac{\mathrm{tr}\left\{R_{l,{\mathrm{\κ}}_l^k,l}{R}_{l,{\mathrm{\κ}}_j^k,j}\right\}}{{\left|\right|R_{l,{\mathrm{\κ}}_l^k,l}\left|\right|}_f{\left|\right|R_{l,{\mathrm{\κ}}_j^k,j}\left|\right|}_f})$

采用贪婪算法的用户调度步骤如下：

步骤31、根据步骤一中所获得的信道统计协方差矩阵信息R_j,k,l，对k∈{1,…,K},l∈{1,…,L}，遍历计算所有种可能用户组合的平均正交度，存入维d_orth表中；

步骤32、选择出d_orth中最小值对应的用户组Ω₁，即

${\mathrm{\Ω}}_1=\arg \underset{k\∈\{\mathrm{1,2},\·\·\·K\}}{\min }{d}_{\mathrm{orth}}\left(\right\{{\mathrm{\κ}}_1^k,{\mathrm{\κ}}_2^k,\·\·\·{\mathrm{\κ}}_l^k,\·\·\·{\mathrm{\κ}}_L^k\left\}\right);$

步骤33、不考虑d_orth中Ω₁各元素所在的行和列，选择出剩余的维中最小值对应的用户组Ω₂，重复该步骤，最终得到K个用户组：{Ω₁,Ω₂,…,Ω_K}，即Ω^opt={Ω₁,Ω₂,…,Ω_K}。

上述方法中，在所述步骤四中，长度为K的导频序列在所有L个小区之间复用，确保同一小区内用户使用相互正交的导频序列，不同小区间、同一用户组内的用户复用同一导频序列。

本发明实例提供的基于信道空间正交特性的大规模MIMO系统导频分配方法，利用慢变的信道统计协方差矩阵信息，从空间域的角度区分同一时频资源块上的不同用户，可以在实现导频复用的前提下，有效减小导频污染问题带来的干扰，提高系统吞吐量性能。

图1为本发明基于空间正交性的大规模MIMO系统导频分配方法的实施步骤流程图，该方法包括以下步骤：

步骤101：小区中各基站对用户信道统计协方差矩阵信息进行统计，得到各用户信道的统计协方差矩阵；各用户信道统计协方差矩阵信息的统计可以在各用户设备处进行，也可以在基站处实施；

步骤102：根据获得的信道统计协方差矩阵信息，获取位于不同小区、同一时频资源块上的两个用户进行导频复用时，速率无损失传输的条件；

步骤103：基站根据所获取的信道统计协方差矩阵信息和速率无损失传输条件，计算不同用户信道空间正交性的强弱，依据最大化系统和速率的原则，采用贪婪用户调度算法，将用户进行分组；

步骤104：根据上面得到的分组，对各组进行导频分配，同一组内用户复用同一导频序列，不同组间的用户分配使用相互正交的导频序列。

图2为本发明实例提供的基于空间正交性的大规模MIMO系统导频分配方法的调度用户指数表。

其中，表示第k个用户组中从小区l中选择出的用户指数，表格的每一列代表一个含L各个用户的用户组，共有K组：{Ω₁,Ω₂,…,Ω_K}，每一行表示同一小区中的参与调度的用户指数。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干可以预期的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于空间正交性的大规模MIMO系统导频分配方法，其特征在于，假定该系统包括L个同步小区，每小区含有一个配置有M根天线的基站和K个单天线用户终端，采用时分双工TDD模式；该方法具体包括以下步骤：

步骤一、获取小区l中用户k到小区j中基站信道的统计协方差矩阵信息R_j,k,l,j,l∈{1,…,L},k∈{1,…,K}；

步骤二、根据步骤一所获得的信道统计协方差矩阵信息，获取位于不同小区、同一时频资源块上的两个用户进行导频复用时，基于其信道空间正交性的速率无损失传输条件；

步骤三、根据步骤一所获得的信道统计协方差矩阵信息，所有小区的基站根据步骤一中所获得的信道统计协方差矩阵信息，对比计算不同用户信道之间的空间正交程度d_orth，利用步骤二中的速率无损失传输条件，以最大化系统和速率为准则，采用贪婪用户调度算法，对用户进行调度分组，将所有的用户分为K组，所述对比计算指计算不同信道之间的空间正交程度，并对程度进行对比，以实现最大化系统和速率准则；

步骤四、根据步骤三中的分组结果，基站对各组进行导频分配，同一组内的用户分配使用相同的上行导频训练序列，不同用户组之间的用户分配使用相互正交的导频序列。

2.根据权利要求1所述基于空间正交性的大规模MIMO系统导频分配方法，其中步骤一所述小区l中用户k到小区j中基站信道的统计协方差矩阵信息R_j,k,l定义为：g_j,k,l表示小区l中用户k到小区j中基站的窄带多径高斯信道，j,l∈{1,…,L},k∈{1,…,K}；

在用户端通过对通信过程内所估计的瞬时信道状态信息进行统计并反馈给基站或者在基站端对所估计的瞬时信道状态信息反馈值进行统计，从而获取信道统计协方差矩阵信息。

3.根据权利要求1所述基于空间正交性的大规模MIMO系统导频分配方法，其中步骤二所述位于不同小区、同一时频资源块上两个用户信道的空间正交性，即不同用户信道之间的空间正交程度d_orth定义为：

$d_{orth}(<k,j>,<m,l>)=\frac{1}{2}(\frac{tr\left\{R_{j,k,j}{R}_{j,m,l}\right\}}{\left|\right|R_{j,k,j}\left|{|}_f\right|\left|R_{j,m,l}\right|{|}_f}+\frac{tr\left\{R_{l,m,l}{R}_{l,k,j}\right\}}{\left|\right|R_{l,m,l}\left|{|}_f\right|\left|R_{l,k,j}\right|{|}_f}),$

其中，以小区j中用户k与小区l中用户m之间的空间正交性度量，||·||_f表示矩阵的弗罗贝尼乌斯范数，tr{·}为矩阵的求迹运算，d_orth∈[0,1]，当d_orth＝0时，小区j中用户k与小区l中用户m的信道严格满足空间正交条件，d_orth越小，两个用户信道之间的正交性越强；当满足：tr{R_j,k,jR_j,m,l}＝0，且tr{R_l,m,lR_l,k,j}＝0时，小区j中用户k与小区l中用户m共用同一导频序列进行上行信道估计时，与使用正交导频序列的情况相比，可以实现下行速率的无损失传输，此时，d_orth＝0，两用户严格满足空间正交性条件。

4.根据权利要求1所述基于空间正交性的大规模MIMO系统导频分配方法，其中步骤三所述分组为根据用户信道的空间正交性强弱依次从每个小区中选择一个用户组成一个含L个用户的组合 ${\mathrm{\&Omega;}}_k=\{{\mathrm{\&kappa;}}_1^k,{\mathrm{\&kappa;}}_2^K,...{\mathrm{\&kappa;}}_l^k,...{\mathrm{\&kappa;}}_L^k\},{\mathrm{\&kappa;}}_l^k\&Element;\{1,2,...,K\}$ 表示第k个用户组中从小区l中选择出的用户指数，这样的用户组共有K个，记为Ω＝{Ω₁,Ω₂,…,Ω_K}，组合内用户复用同一导频序列进行信道估计，不同组合间的用户分配使用相互正交的导频序列，这样可以保证L个小区共享长度为K的导频序列，且小区内各用户互不干扰，定义用户组合Ω_k的平均正交度为：

，

其中||·||_f表示矩阵的弗罗贝尼乌斯范数，tr{·}为矩阵的求迹运算，

步骤三所述采用贪婪用户调度算法步骤如下：

步骤31、根据步骤一中所获得的信道统计协方差矩阵信息R_j,k,l，对 ${\mathrm{\&Omega;}}_k=\{{\mathrm{\&kappa;}}_1^k,{\mathrm{\&kappa;}}_2^k,...{\mathrm{\&kappa;}}_l^k,...{\mathrm{\&kappa;}}_L^k\},$ k∈{1,…,K},l∈{1,…,L}，遍历计算所有种可能用户组合的平均正交度，存入维d_orth表中；

步骤32、选择出d_orth中最小值对应的用户组Ω₁，即

${\mathrm{\&Omega;}}_1=\arg \underset{k\&Element;\{1,2,\mathrm{...}K\}}{\min }{d}_{orth}\left(\right\{{\mathrm{\&kappa;}}_1^k,{\mathrm{\&kappa;}}_2^k,...{\mathrm{\&kappa;}}_l^k,...{\mathrm{\&kappa;}}_L^k\left\}\right);$

步骤33、不考虑d_orth中Ω₁各元素所在的行和列，选择出剩余的维 $d_{orth}\left(\right\{{\mathrm{\&kappa;}}_1^k,{\mathrm{\&kappa;}}_2^k,...{\mathrm{\&kappa;}}_l^k,...{\mathrm{\&kappa;}}_L^k\left\}\right)$ 中最小值对应的用户组Ω₂，重复该步骤，最终得到K个用户组：{Ω₁,Ω₂,…,Ω_K}，即Ω^opt＝{Ω₁,Ω₂,…,Ω_K}。

5.根据权利要求1所述基于空间正交性的大规模MIMO系统导频分配方法，其中步骤四所述导频分配，可以确保长度为K的导频序列在所有L个小区之间复用，且同一小区内用户使用相互正交的导频序列，不同小区间的用户复用同一导频序列。