CN103716263A - 大规模多天线系统中基于并行抵消的高效导频方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于并行抵消的大规模多输入多输出系统导频方法，步骤1）根据慢衰落系数值从大到小排列用户；步骤2）基站对第一个用户进行信道估计；步骤3）基站得到第一个用户数据估计值并抵消干扰，得到第二个用户信道估计值；步骤4）基站得到其他用户数据估计值并抵消干扰，获得各用户信道估计值；步骤5）进行上行数据传输；步骤6)进行下行数据传输；步骤7）下一个相干时间，基站得到所有用户信道估计值并进行上下行数据传输；步骤8)接下来的相干时间，若基站清空原有的信道估计值，则返回步骤2），否则重复步骤7），完成相干时间传输过程。该方法利用不同用户信道间近似正交特性，实现干扰抵消，提升系统总体数据传输性能。

Description

大规模多天线系统中基于并行抵消的高效导频方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体来说，涉及一种基于并行抵消的大规模多输入多输出系统导频方法。

背景技术

随着用户对高速数据服务的需求不断增加，以及不断增加的小区用户数，移动通信网络对频谱资源的需求日益增加，大规模多输入多输出（多输入多输出，文中简称：MIMO）系统通过增加基站天线数目提高系统频谱利用率，得到广泛关注。大规模MIMO系统在基站侧配备远比用户数更多的天线，而小区用户配备单个天线，基站用这大量的天线，在相同的时频资源里同时服务于多个终端用户，利用上行传输的导频以及TDD(时分双工)系统信道的互易性，获得所有用户的上下行信道估计值，从而进行上行链路数据接收以及下行链路预编码。

大规模MIMO系统的基本特征是基站侧的天线数目相比于传统多用户MIMO系统增加了一个量级以上。它相比于传统MIMO系统，具备特有的优点：获得更高倍数的容量；更高的功率利用率和频谱利用率；可以使用相对廉价、低功率的器件；更好的链路可靠性等。

传统的大规模MIMO系统，小区内所有用户采用正交导频，基站利用这些正交导频以及TDD系统信道互易性进行信道估计，从而获得所有用户的上下行信道估计信息。然而，为了满足小区内所有用户导频的正交性，导频的长度至少需要等于小区内用户数，如果小区内用户数较大，那么导频将占用较多的时频资源，尤其对于相干时间比较短的场景，导频的开销将更明显。其次，受相干时间长度的限制，导频序列的持续时间不能接近甚至超过信道相干时间，否则基站无法传输数据，因此相同的正交导频序列需要在多个小区中复用，从而基站在接收上行导频信息时将受到同频小区用户发送的导频信息的干扰，产生导频污染的问题。目前针对导频污染，主要有通过小区间协作消除导频污染、通过在时间和空间上调度导频来减轻导频污染以及导频污染预编码等方法，但还比较少有针对小区内导频的方法，通过小区内的导频配置，减轻导频给系统带来的问题。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于并行抵消的大规模多输入多输出系统导频方法，该方法利用大规模MIMO系统不同用户信道间近似正交的特性，实现干扰抵消，减小导频资源消耗，从而达到系统总体数据传输性能提升。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于并行抵消的大规模多输入多输出系统导频方法，该导频方法包括以下过程：

步骤1）小区中有一个基站和K个用户，用g_k＝[g_1k,g_2k,...,g_Mk]^T表示小区中第k个用户到基站的复传输矢量，其中，M为基站的天线总数，k＝1、2、3…K，小区中第k个用户终端到基站的第m根天线的复传输系数为g_mk，m为正整数，且1≤m≤M，

h_mk表示小区中第k个用户终端到基站的第m根天线的复快衰落因子，β_k表示小区中第k个用户终端到基站的慢衰落系数；用户采用长时估计方法获得慢衰落系数β_k；根据慢衰落系数β_k的值，从大到小排列小区中的所有用户，形成用户序列；

步骤2）基站首先进行信道估计，在第一个相干时间，第一个用户传输导频时，其他用户不进行数据传输，基站对第一个用户进行最小均方误差信道估计，得到第一个用户的信道估计值

其中，

表示第一个相干时间内第一个用户传输导频时，基站的接收信号，ρ_p表示导频信噪比，

表示第一个用户传输的上行导频，

表示的共轭，β₁表示小区中第一个用户终端到基站的慢衰落系数；

步骤3）第二个用户传输导频时，第一个用户同时传输上行数据，其他用户仍然静止，基站利用式（1）计算出第一个用户传输的数据信息估计值

${\hat{q}}_1={\left({\hat{g}}_1^1\right)}^H{Y}_2^1/\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_r}{\left|\right|{\hat{g}}_1^1\left|\right|}^2$    式（1）

式（1）中，

表示第一个相干时间内第二个用户传输导频时，基站的接收信号；ρ_r表示上行链路信噪比，

表示

的共轭转置。

基站从接收信号中抵消第一个用户的干扰，然后进行最小均方误差信道估计，得到第二个用户的信道估计值

其中，

是第二个用户传输的上行导频，

表示的共轭，β₂表示小区中第二个用户终端到基站的慢衰落系数，

表示第一个相干时间基站从接收信号中抵消掉第一个用户干扰后剩余的干扰和白噪声的方差，

步骤4）基站按照步骤1）的用户序列，对排在第二个用户以后的每个用户，依次进行用户数据干扰抵消，并对所有用户完成信道估计，获得各用户的信道估计值

其中，

表示第一个相干时间内第k个用户传输上行导频时，基站的接收信号；

表示第一个相干时间内，第t个用户的信道估计值，表示第t个用户上行传输数据的估计值，

表示

的共轭转置；

表示第k个用户传输的上行导频，

表示的共轭，β_k表示小区中第k个用户终端到基站的慢衰落系数，

表示第一个相干时间基站从接收信号中抵消掉第k个用户以外的其他用户干扰后剩余的干扰和白噪声的方差，

表示第一个相干时间第t个用户的信道估计值的误差的方差，

β_t表示小区中第t个用户终端到基站的慢衰落系数，

表示第一个相干时间基站从接收信号中抵消掉第t个用户以外的其他用户的干扰后剩余的干扰和白噪声的方差；

步骤5）在完成各用户的信道估计后，根据相应的上下行链路配置进行数据传输，基站接收上行数据时，按照式（2）得到第k个用户的上行数据估计值

${\hat{a}}_k=\frac{1}{\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_r}{\left|\right|{\hat{g}}_k^1\left|\right|}^2}{\stackrel{\‾}{y}}_k$    式（2）

式（2）中， ${\stackrel{\‾}{y}}_k={\left({\hat{g}}_k^1\right)}^H(\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_r}\underset{j=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{g}_j{a}_j+n),$

表示第一个相干时间内第k个用户信道估计值的共轭转置，a_j表示第j个用户发送的上行数据，g_j表示第j个用户信道值，n表示加性高斯白噪声；

步骤6)进行下行数据传输：基站按照式（3）得到对应第k个用户的下行数据估计值

${\hat{s}}_k=\frac{x_k}{\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_f}\left|\right|{\hat{g}}_k^1\left|\right|}$    式（3）

式（3）中，x_k是第k个用户接收到的信号， $x_k=\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_f}{g}_k^H{p}_k{s}_k+\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_f}\underset{j=1,j\≠k}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{g}_k^H{p}_j{s}_j+n_k,$ s_k表示对应第k个用户的下行数据，p_k表示第k个用户的预编码矢量，

表示基站到第k个用户的下行信道值，p_j表示第j个用户的预编码矢量，

表示第一个相干时间内基站对第j个用户的信道估计值；s_j表示对应第j个用户的下行数据，ρ_f是下行链路信噪比，n_k是加性高斯白噪声；

步骤7）在下一个相干时间内，每个用户传输导频时，小区内其他用户同时进行上行数据传输，第k个用户传输导频时，基站利用式（4）计算出第t个用户传输的数据估计值

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{q}}_t={\left({\hat{g}}_t^2\right)}^H{Y}_k^2/\sqrt{{\mathrm{\&rho;}}_r}{\left|\right|{\hat{g}}_t^2\left|\right|}^2,1\&le;t\&le;k-1\\ {\hat{q}}_t={\left({\hat{g}}_t^1\right)}^H{Y}_k^2/\sqrt{{\mathrm{\&rho;}}_r}{\left|\right|{\hat{g}}_t^1\left|\right|}^2,k<t\&le;K\end{array}\right.$    式（4）

其中，K表示小区内用户总数，

表示第一个相干时间内第t个用户的信道估计值，

表示

的共轭转置,

表示第二个相干时间内第t个用户的信道估计值，

表示

的共轭转置,表示第二个相干时间内第k个用户进行信道估计时，基站的接收信号。基站从接收信号中抵消掉第k个用户以外的其他用户的干扰，然后进行最小均方误差信道估计，得到第k个用户的信道估计值

其中，

表示第二个相干时间内基站从接收信号中抵消掉第k个用户以外的其他用户的干扰后剩余的干扰和白噪声的方差, ${\mathrm{\&sigma;}}_{N_k^2}^2=1+{\mathrm{\&rho;}}_r\underset{t=1}{\overset{k-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&sigma;}}_{{\mathrm{\&epsiv;}}_t^2}^2+{\mathrm{\&rho;}}_r\underset{t=k+1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&sigma;}}_{{\mathrm{\&epsiv;}}_t^1}^2,$

表示第一个相干时间第t个用户的信道估计值的误差的方差，

表示第二个相干时间第t个用户的信道估计值的误差的方差，i=1,2；β_t表示小区中第t个用户终端到基站的慢衰落系数，表示第一个相干时间内基站从接收信号中抵消掉第t个用户以外的其他用户的干扰后剩余的干扰和白噪声的方差，

表示第二个相干时间内基站从接收信号中抵消掉第t个用户以外的其他用户的干扰后剩余的干扰和白噪声的方差，信道估计完成后，重复步骤5）和步骤6），直至当前相干时间结束，完成上下行链路数据传输；

步骤8)在接下来的相干时间内，如果基站清空原有的信道估计值，则返回步骤2），否则重复步骤7），完成剩下的相干时间内信道估计和上下行链路数据传输过程，直至完成所有相干时间内的信道估计和上下行链路数据传输。

进一步，所述的大规模多输入多输出系统中选择N个相干时间为一个基本单元，其中N为正整数，每个基本单元一开始都清空原有的信道估计值，开始第一个相干时间的数据传输。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）充分利用了大规模MIMO系统中不同用户信道的近似正交性，提出了一种基于并行抵消的导频方法，在绝大部分应用场景下可以很好的提高系统性能，具有实用性。

（2）本发明提出的导频方法，充分考虑了导频的开销以及系统性能两方面，能够在绝大部分应用场景下减小导频资源消耗，从而达到系统总体数据传输性能提升。

附图说明

图1是以小区内三个用户为例，导频配置示意图。

图2是本发明仿真试验1的两种系统可达速率比较曲线图。

图3是本发明仿真试验2的不同系统的上行可达速率的比较曲线图。

图4是本发明仿真试验2的不同系统的下行可达速率的比较曲线图。

图5是本发明仿真试验2的不同系统的系统整体可达速率的比较曲线图。

图6是本发明仿真试验3的两种系统的可达速率之差与相干时间长度和信噪比关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明做进一步阐述。

本发明的一种基于并行抵消的大规模多输入多输出系统导频方法，该导频方法包括以下过程：

步骤1）小区中有一个基站和K个用户，用g_k＝[g_1k,g_2k,...,g_Mk]^T表示小区中第k个用户到基站的复传输矢量，其中，M为基站的天线总数，k＝1、2、3…K，小区中第k个用户终端到基站的第m根天线的复传输系数为g_mk，m为正整数，且1≤m≤M，

h_mk表示小区中第k个用户终端到基站的第m根天线的复快衰落因子，β_k表示小区中第k个用户终端到基站的慢衰落系数；用户采用长时估计方法获得慢衰落系数β_k；根据慢衰落系数β_k的值，从大到小排列小区中的所有用户，形成用户序列。

步骤2）基站首先进行信道估计，在第一个相干时间，第一个用户传输导频时，其他用户不进行数据传输，基站对第一个用户进行最小均方误差（MMSE）信道估计，得到第一个用户的信道估计值

其中，

表示第一个相干时间内第一个用户传输导频时，基站的接收信号，ρ_p表示导频信噪比，

表示第一个用户传输的上行导频，表示的共轭，β₁表示小区中第一个用户终端到基站的慢衰落系数；

步骤3）第二个用户传输导频时，第一个用户同时传输上行数据，其他用户仍然静止，基站利用式（1）计算出第一个用户传输的数据信息

${\hat{q}}_1={\left({\hat{g}}_1^1\right)}^H{Y}_2^1/\sqrt{{\mathrm{\&rho;}}_r}{\left|\right|{\hat{g}}_1^1\left|\right|}^2$    式（1）

式（1）中，

表示第一个相干时间内第二个用户传输导频时，基站的接收信号；ρ_r表示上行链路信噪比，

表示

的共轭转置。

基站从接收信号中抵消第一个用户的干扰，然后进行最小均方误差信道估计，得到第二个用户的信道估计值

其中，

是第二个用户传输的上行导频，

表示的共轭，β₂表示小区中第二个用户终端到基站的慢衰落系数，

表示第一个相干时间基站从接收信号中抵消掉第一个用户干扰后剩余的干扰和白噪声的方差，

步骤4）基站按照步骤1）的用户序列，对排在第二个用户以后的每个用户，依次进行用户数据干扰抵消，并对所有用户完成信道估计，获得各用户的信道估计值

其中，

表示第一个相干时间内第k个用户传输上行导频时，基站的接收信号；

表示第一个相干时间内，第t个用户的信道估计值，

表示第t个用户上行传输数据的估计值，

表示

的共轭转置；表示第k个用户传输的上行导频，

表示

的共轭，β_k表示小区中第k个用户终端到基站的慢衰落系数，

表示第一个相干时间基站从接收信号中抵消掉第k个用户以外的其他用户干扰后剩余的干扰和白噪声的方差，

表示第一个相干时间第t个用户的信道估计值的误差的方差，

β_t表示小区中第t个用户终端到基站的慢衰落系数，表示第一个相干时间基站从接收信号中抵消掉第t个用户以外的其他用户的干扰后剩余的干扰和白噪声的方差。

的求解过程与

一样。

步骤5）在完成各用户的信道估计后，根据相应的上下行链路配置进行数据传输，基站接收上行数据时，按照式（2）得到第k个用户的上行数据估计值

${\hat{a}}_k=\frac{1}{\sqrt{{\mathrm{\&rho;}}_r}{\left|\right|{\hat{g}}_k^1\left|\right|}^2}{\stackrel{\&OverBar;}{y}}_k$    式（2）

式（2）中， ${\stackrel{\&OverBar;}{y}}_k={\left({\hat{g}}_k^1\right)}^H(\sqrt{{\mathrm{\&rho;}}_r}\underset{j=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{g}_j{a}_j+n),$

表示第一个相干时间内第k个用户信道估计值的共轭转置，a_j表示第j个用户发送的上行数据，g_j表示第j个用户信道值，n表示加性高斯白噪声。

步骤6)进行下行数据传输：基站按照式（3）得到对应第k个用户的下行数据估计值

${\hat{s}}_k=\frac{x_k}{\sqrt{{\mathrm{\&rho;}}_f}\left|\right|{\hat{g}}_k^1\left|\right|}$    式（3）

式（3）中，x_k是第k个用户接收到的信号， $x_k=\sqrt{{\mathrm{\&rho;}}_f}{g}_k^H{p}_k{s}_k+\sqrt{{\mathrm{\&rho;}}_f}\underset{j=1,j\&NotEqual;k}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{g}_k^H{p}_j{s}_j+n_k,$ s_k表示对应第k个用户的下行数据，p_k表示第k个用户的预编码矢量，

表示基站到第k个用户的下行信道值，p_j表示第j个用户的预编码矢量，

表示第一个相干时间内基站对第j个用户的信道估计值；s_j表示对应第j个用户的下行数据，ρ_f是下行链路信噪比，n_k是加性高斯白噪声。

步骤7）在下一个相干时间内，每个用户传输导频时，小区内其他用户同时进行上行数据传输，第k个用户传输导频时，基站利用式（4）计算出第t个用户传输的数据估计值

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{q}}_t={\left({\hat{g}}_t^2\right)}^H{Y}_k^2/\sqrt{{\mathrm{\&rho;}}_r}{\left|\right|{\hat{g}}_t^2\left|\right|}^2,1\&le;t\&le;k-1\\ {\hat{q}}_t={\left({\hat{g}}_t^1\right)}^H{Y}_k^2/\sqrt{{\mathrm{\&rho;}}_r}{\left|\right|{\hat{g}}_t^1\left|\right|}^2,k<t\&le;K\end{array}\right.$    式（4）

其中，K表示小区内用户总数，

表示第一个相干时间内第t个用户的信道估计值，

表示

的共轭转置,

表示第二个相干时间内第t个用户的信道估计值，

表示

的共轭转置,

表示第二个相干时间内第k个用户进行信道估计时，基站的接收信号。基站从接收信号中抵消掉第k个用户以外的其他用户的干扰，然后进行最小均方误差信道估计，得到第k个用户的信道估计值

其中，

表示第二个相干时间内基站从接收信号中抵消掉第k个用户以外的其他用户的干扰后剩余的干扰和白噪声的方差, ${\mathrm{\&sigma;}}_{N_k^2}^2=1+{\mathrm{\&rho;}}_r\underset{t=1}{\overset{k-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&sigma;}}_{{\mathrm{\&epsiv;}}_t^2}^2+{\mathrm{\&rho;}}_r\underset{t=k+1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&sigma;}}_{{\mathrm{\&epsiv;}}_t^1}^2,$

表示第一个相干时间第t个用户的信道估计值的误差的方差，

表示第二个相干时间第t个用户的信道估计值的误差的方差，

i=1,2；β_t表示小区中第t个用户终端到基站的慢衰落系数，

表示第一个相干时间基站从接收信号中抵消掉第t个用户以外的其他用户的干扰后剩余的干扰和白噪声的方差，

表示第二个相干时间基站从接收信号中抵消掉第t个用户以外的其他用户的干扰后剩余的干扰和白噪声的方差，信道估计完成后，重复步骤5）和步骤6），直至当前相干时间结束，完成上下行链路数据传输。

求解过程与同

相同，求解过程中应用了迭代公式。

步骤8)在接下来的相干时间内，如果基站清空原有的信道估计值，则返回步骤2），否则重复步骤7），完成剩下的相干时间内信道估计和上下行链路数据传输过程，直至完成所有相干时间内的信道估计和上下行链路数据传输。

进一步，所述的大规模多输入多输出系统中选择N个相干时间为一个基本单元，其中N为正整数，每个基本单元一开始都清空原有的信道估计值，开始第一个相干时间的数据传输。

如图1所示，设小区内有三个用户，采用本发明的导频方法后的导频配置示意图。图1中，导频表示上行导频信息；上行表示上行数据传输；下行表示下行数据传输；无表示无数据传输。该导频方法的特点是不同用户在错开的时隙传输导频，某个用户传输导频时，对于基站已经获得信道信息的其他用户可以同时传输上行数据，对于基站不知道信道信息的其他用户则保持静止。现有的大规模MIMO系统小区内一般采用所有用户同时传输导频，且各用户的导频相互正交的方法，相比于现有的方法，本发明可以减小导频的资源开销，在部分场景下达到总体性能的提升。

本发明的导频方法是充分利用大规模MIMO系统中不同用户信道近似正交的特性，小区内不同用户在错开的时隙传输导频，导频的长度相比于现有正交导频方法短，因此在相同的相干时间内用于传输数据的资源增加，用简单的方法就可以在绝大部分应用场景下减小导频资源消耗，从而达到系统总体数据传输性能提升。

本发明的大规模MIMO系统的导频方法，可以用来抵消干扰且提高数据传输效率。首先，根据用户信道估计得到的慢衰落系数从大到小排列小区中的用户，每个用户的导频以交错位置进行配置；其次，基站接收导频并按照用户顺序进行信道估计。每次信道估计时，已经得到信道估计值的部分用户提前开始传输上行链路数据，基站利用已经得到的信道估计值进行用户上行数据干扰抵消；最后，基站完成所有用户信道估计后利用信道估计值进行上下行链路的数据传输。本发明充分利用大规模MIMO系统不同用户信道间近似正交的特性，采用了一种基于并行抵消的导频方法，用简单的方法就可以在绝大部分应用场景下减小导频资源消耗，从而达到系统总体数据传输性能提升。

下面列举一些实例，具体说明本发明的技术方案具有的优良性能。

仿真试验1

仿真场景参数：基站天线总数M是128，小区用户数K是5，相干时间长度T是15，一个相干时间内下行数据长度是6。不失一般性，所有用户均假设具有相同的慢衰落系数，即均为1，且导频信噪比、上行链路信噪比和下行链路信噪相等。

图2给出了采用本发明方法以及采用传统正交导频方法两者的系统可达速率比较曲线图。图2中，横坐标表示导频信噪比，单位dB，纵坐标表示系统可达速率，单位bit/sec/user。图中实线是本发明方法的可达速率曲线，虚线是传统正交导频方法的可达速率曲线。从图2中可以看出，在该仿真场景下，导频信噪比从-40dB到40dB，采用本发明的导频方法获得的系统可达速率比传统正交导频方法的高。这表明该场景下，本发明的导频方法相比传统正交导频方法达到了性能提升。

仿真试验2

仿真场景参数：基站天线数M是128，小区用户数K是5，相干时间长度T是20，本发明的方法采用一个相干时间内下行数据长度是9，传统正交导频方法采用一个相干时间内下行数据长度是8。

图3给出了以2、3、4个相干时间为基本单元，采用本发明的方法与传统正交导频方法获得的上行可达速率的比较。图4给出了以2、3、4个相干时间为基本单元，采用本发明的方法与传统正交导频方法获得的下行可达速率的比较。图5给出了以2、3、4个相干时间为基本单元，采用本发明的方法与传统正交导频方法获得的系统整体可达速率的比较。

图3至图5中，横坐标表示导频信噪比，单位dB，纵坐标表示可达速率，单位bit/sec/user。虚线表示传统正交导频方法的上行可达速率、下行可达速率或系统整体可达速率曲线，实线表示相干时间为2时，本发明方法的上行可达速率、下行可达速率或系统整体可达速率曲线，点虚线表示相干时间为3时，本发明方法的上行可达速率、下行可达速率或系统整体可达速率曲线；加星号的实线表示相干时间为4时，本发明方法的上行可达速率、下行可达速率或系统整体可达速率曲线。

从图3的曲线可以看出，在高信噪比下，传统正交导频方法的上行可达速率曲线较本发明的方法更快趋于平稳，并且在高信噪比和低信噪比下，三种相干时间个数下采用本发明的方法获得的上行可达速率比正交导频方法的高。此外，相干时间个数对采用本发明的方法获得的上行可达速率影响不大。

从图4的曲线可以看出，在高信噪比下，传统正交导频方法的下行可达速率曲线较本发明的方法更快趋于平稳，并且在高信噪比和低信噪比下，三种相干时间个数下采用本发明的方法获得的下行可达速率比正交导频方法的高。此外，相干时间个数对采用本发明的方法获得的下行可达速率影响不大。

从图5的曲线可以看出，在高信噪比下，传统正交导频方法的系统可达速率曲线较本发明的方法更快趋于平稳，并且在高信噪比和低信噪比下，三种相干时间个数下采用本发明的方法获得的系统可达速率比正交导频方法的高。此外，相干时间个数对采用本发明的方法获得的系统可达速率影响不大。

仿真试验3

仿真场景参数：基站天线数M是128，小区用户数K是5，相干时间个数N是3，本发明的方法和传统正交导频方法采用的一个相干时间内下行数据长度均为

其中

表示向下取整，T表示相干时间长度，T是变量。

图6示出了上述两种方法总体可达速率之差与信噪比和相干时间长度两个参数的关系。图6中，横坐标表示导频信噪比，单位dB，纵坐标表示相干时间长度。

图6中示出了两种方法各自适合的信噪比和相干时间长度的范围，白色部分表示的是本发明的导频方法适应的范围，灰色部分表示的是正交导频方法适应的范围。从图6中可以看出，相干时间长度在38以下，导频信噪比从-40dB到40dB下采用本发明的导频方法获得的系统可达速率都比采用正交导频方法的高。相干时间长度38以上，低信噪比和高信噪比的时候本发明的导频方法获得的系统可达速率比正交导频方法的高。

Claims (2)

1.一种基于并行抵消的大规模多输入多输出系统导频方法，其特征在于，该导频方法包括以下过程：

步骤1）小区中有一个基站和K个用户，用g_k＝[g_1k,g_2k,...,g_Mk]^T表示小区中第k个用户到基站的复传输矢量，其中，M为基站的天线总数，k＝1、2、3…K，小区中第k个用户终端到基站的第m根天线的复传输系数为g_mk，m为正整数，且1≤m≤M，

h_mk表示小区中第k个用户终端到基站的第m根天线的复快衰落因子，β_k表示小区中第k个用户终端到基站的慢衰落系数；用户采用长时估计方法获得慢衰落系数β_k；根据慢衰落系数β_k的值，从大到小排列小区中的所有用户，形成用户序列；

步骤2）基站首先进行信道估计，在第一个相干时间，第一个用户传输导频时，其他用户不进行数据传输，基站对第一个用户进行最小均方误差信道估计，得到第一个用户的信道估计值

其中，

表示第一个相干时间内第一个用户传输导频时，基站的接收信号，ρ_p表示导频信噪比，表示第一个用户传输的上行导频，

表示

的共轭，β₁表示小区中第一个用户终端到基站的慢衰落系数；

步骤3）第二个用户传输导频时，第一个用户同时传输上行数据，其他用户仍然静止，基站利用式（1）计算出第一个用户传输的数据信息估计值

${\hat{q}}_1={\left({\hat{g}}_1^1\right)}^H{Y}_2^1/\sqrt{{\mathrm{\&rho;}}_r}{\left|\right|{\hat{g}}_1^1\left|\right|}^2$    式（1）

式（1）中，

表示第一个相干时间内第二个用户传输导频时，基站的接收信号；ρ_r表示上行链路信噪比，

表示的共轭转置。

基站从接收信号中抵消第一个用户的干扰，然后进行最小均方误差信道估计，得到第二个用户的信道估计值

其中，

是第二个用户传输的上行导频，

表示

的共轭，β₂表示小区中第二个用户终端到基站的慢衰落系数，表示第一个相干时间基站从接收信号中抵消掉第一个用户干扰后剩余的干扰和白噪声的方差，

步骤4）基站按照步骤1）的用户序列，对排在第二个用户以后的每个用户，依次进行用户数据干扰抵消，并对所有用户完成信道估计，获得各用户的信道估计值

其中，

表示第一个相干时间内第k个用户传输上行导频时，基站的接收信号；

表示第一个相干时间内，第t个用户的信道估计值，

表示第t个用户上行传输数据的估计值，

表示

的共轭转置；

表示第k个用户传输的上行导频，表示

的共轭，β_k表示小区中第k个用户终端到基站的慢衰落系数，

表示第一个相干时间基站从接收信号中抵消掉第k个用户以外的其他用户干扰后剩余的干扰和白噪声的方差，

表示第一个相干时间第t个用户的信道估计值的误差的方差，

β_t表示小区中第t个用户终端到基站的慢衰落系数，

表示第一个相干时间基站从接收信号中抵消掉第t个用户以外的其他用户的干扰后剩余的干扰和白噪声的方差；

步骤5）在完成各用户的信道估计后，根据相应的上下行链路配置进行数据传输，基站接收上行数据时，按照式（2）得到第k个用户的上行数据估计值

${\hat{a}}_k=\frac{1}{\sqrt{{\mathrm{\&rho;}}_r}{\left|\right|{\hat{g}}_k^1\left|\right|}^2}{\stackrel{\&OverBar;}{y}}_k$    式（2）

式（2）中， ${\stackrel{\&OverBar;}{y}}_k={\left({\hat{g}}_k^1\right)}^H(\sqrt{{\mathrm{\&rho;}}_r}\underset{j=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{g}_j{a}_j+n),$

表示第一个相干时间内第k个用户信道估计值的共轭转置，a_j表示第j个用户发送的上行数据，g_j表示第j个用户信道值，n表示加性高斯白噪声；

步骤6)进行下行数据传输：基站按照式（3）得到对应第k个用户的下行数据估计值

${\hat{s}}_k=\frac{x_k}{\sqrt{{\mathrm{\&rho;}}_f}\left|\right|{\hat{g}}_k^1\left|\right|}$    式（3）

式（3）中，x_k是第k个用户接收到的信号， $x_k=\sqrt{{\mathrm{\&rho;}}_f}{g}_k^H{p}_k{s}_k+\sqrt{{\mathrm{\&rho;}}_f}\underset{j=1,j\&NotEqual;k}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{g}_k^H{p}_j{s}_j+n_k,$ s_k表示对应第k个用户的下行数据，p_k表示第k个用户的预编码矢量， 表示基站到第k个用户的下行信道值，p_j表示第j个用户的预编码矢量，

表示第一个相干时间内基站对第j个用户的信道估计值；s_j表示对应第j个用户的下行数据，ρ_f是下行链路信噪比，n_k是加性高斯白噪声；

步骤7）在下一个相干时间内，每个用户传输导频时，小区内其他用户同时进行上行数据传输，第k个用户传输导频时，基站利用式（4）计算出第t个用户传输的数据估计值

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{q}}_t={\left({\hat{g}}_t^2\right)}^H{Y}_k^2/\sqrt{{\mathrm{\&rho;}}_r}{\left|\right|{\hat{g}}_t^2\left|\right|}^2,1\&le;t\&le;k-1\\ {\hat{q}}_t={\left({\hat{g}}_t^1\right)}^H{Y}_k^2/\sqrt{{\mathrm{\&rho;}}_r}{\left|\right|{\hat{g}}_t^1\left|\right|}^2,k<t\&le;K\end{array}\right.$ 式（4）

其中，K表示小区内用户总数，

表示第一个相干时间内第t个用户的信道估计值，

表示

的共轭转置,

表示第二个相干时间内第t个用户的信道估计值，

表示

的共轭转置,表示第二个相干时间内第k个用户进行信道估计时，基站的接收信号。基站从接收信号中抵消掉第k个用户以外的其他用户的干扰，然后进行最小均方误差信道估计，得到第k个用户的信道估计值

其中，

表示第二个相干时间内基站从接收信号中抵消掉第k个用户以外的其他用户的干扰后剩余的干扰和白噪声的方差, ${\mathrm{\&sigma;}}_{N_k^2}^2=1+{\mathrm{\&rho;}}_r\underset{t=1}{\overset{k-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&sigma;}}_{{\mathrm{\&epsiv;}}_t^2}^2+{\mathrm{\&rho;}}_r\underset{t=k+1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&sigma;}}_{{\mathrm{\&epsiv;}}_t^1}^2,$

表示第一个相干时间第t个用户的信道估计值的误差的方差，

表示第二个相干时间第t个用户的信道估计值的误差的方差，

i=1,2；β_t表示小区中第t个用户终端到基站的慢衰落系数，

表示第一个相干时间内基站从接收信号中抵消掉第t个用户以外的其他用户的干扰后剩余的干扰和白噪声的方差，

表示第二个相干时间内基站从接收信号中抵消掉第t个用户以外的其他用户的干扰后剩余的干扰和白噪声的方差，信道估计完成后，重复步骤5）和步骤6），直至当前相干时间结束，完成上下行链路数据传输；

步骤8)在接下来的相干时间内，如果基站清空原有的信道估计值，则返回步骤2），否则重复步骤7），完成剩下的相干时间内信道估计和上下行链路数据传输过程，直至完成所有相干时间内的信道估计和上下行链路数据传输。

2.按照权利要求1所述的基于并行抵消的大规模多输入多输出系统导频方法，所述的大规模多输入多输出系统中选择N个相干时间为一个基本单元，其中N为正整数，每个基本单元一开始都清空原有的信道估计值，开始第一个相干时间的数据传输。

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