CN103974270A - 一种多用户Massive MIMO无线移动通信系统容量增强方法 - Google Patents

Abstract

本发明方法涉及一种多用户massive MIMO无线移动通信系统容量增强方法，包括以下步骤：首先确定小区中各移动用户终端的信道相干时间，然后根据信道相干时间长短的不同将用户进行分类，令不同类别的用户终端在不同长度的时隙进行数据传输(信道相干时间较长的用户类别使用较长的时隙传输数据)，并为不同类别的用户分配不同的频带和带宽。由于信道相干时间长的用户使用较长的时隙长度传输数据，因而使可用于发送导频的时间变长，从而增加了小区可服务的最大用户数目，进而使小区容量得到增强。对于较长的时隙长度还可以通过对导频部分和数据部分分别采用不同的频率复用因子，提高数据传送能力，从而进一步增强系统容量。

Description

一种多用户Massive MIMO无线移动通信系统容量增强方法

技术领域

本发明涉及一种无线移动通信系统的容量增强方法，尤其涉及一种多用户Massive MIMO无线移动通信系统的容量增强方法，属于无线移动通信领域。

背景技术

Thomas L.Marzetta于2010年发表在IEEE上的“Noncooperative Cellular Wireless with Unlimited Numbers of Base Station Antennas”一文提出了一种由一个小区基站服务占用相同时频间隔的多个单天线终端的无线移动通信系统。文中指出当基站天线数不加限制时，系统将近似不受接收噪声和信道快衰落的影响，此时对系统造成影响的只有使用相同导频序列的小区间干扰，并针对移动速率低于288km/h的用户终端，在基站天线数不加限制及用户终端发送的信息符号服从高斯分布的情况下，分别就上、下行信道的信干比(SIR)和信道容量进行了仿真分析，对研究大规模多输入多输出天线(Massive MIMO)通信系统的性能做出极大的贡献。论文中的信道相干时间定义为终端移动1/4波长所需的时间，故不同移动速率的用户终端具有不同的信道相干时间。用户终端的移动速率小于20km/h时的信道相干时间可达到终端速率为288km/h时的信道相干时间的14倍以上。由于用户发送导频所需时间与小区所服务的终端数目成比例，而 发送导频时间受发送数据的时隙长度限制，在系统载波频率f_c＝1^.9GHz的情况下，当所有移动速率低于288km/h的移动终端设备全部在相同长度时隙进行数据信息的传输时，为了迁就快速移动终端，所有用户终端都必须在不大于500微秒的时隙进行数据传输，导致可用于发送导频的时间整体很短，从而使小区所能服务的用户终端设备数目受限，进而限制了整个小区总的吞吐量。

发明内容

本发明的目的是为解决现有多用户大规模MIMO无线移动通信系统中小区总的吞吐量受限的问题，提出了一种多用户Massive MIMO无线移动通信系统容量增强方法。

本发明技术方案的思想是首先确定小区中各移动用户终端的信道相干时间，然后根据信道相干时间长短的不同将用户进行分类，令不同类别的用户终端在不同长度的时隙进行数据传输(信道相干时间较长的用户类别使用较长的时隙传输数据)，并为不同类别的用户分配不同的频谱资源和带宽。由于使用较长的时隙长度传输数据使可用于发送导频的时间变长，从而增加了小区可服务的最大用户数目，进而使小区容量得到增强。对于较长时隙长度还可以通过对导频部分和数据部分分别采用不同的频率复用因子，提高数据传送能力，从而进一步增强系统容量。

本发明的具体实现步骤如下：

一种多用户Massive MIMO无线移动通信系统的容量增强方法， 包括以下步骤：

步骤一、基站和用户确定移动用户终端的信道相干时间T；

步骤二、将用户的信道相干时间T与预定的阈值对比，确定用户所属类别；

步骤三、根据用户类别，确定用户与基站间进行通信所占用的带宽、频带以及帧结构；

步骤四、移动用户终端使用根据步骤三确定的帧结构在对应的带宽和频带上向基站发送导频信息，基站由接收到的导频信息估计出信道状态信息；

步骤五、移动用户终端和基站间进行通信，包括上行通信和下行通信。

所述确定信道相干时间的方法有以下三种：

(1)、GPS定位：用户通过GPS定位确定移动用户终端的移动速率，从而确定信道相干时间，用户确定信道相干时间后，通过信令信道发送相干时间信息通知给基站。

(2)、小区定位：用户(基站)通过有效测量移动用户终端与最近三个基站间的距离，从而精确计算出移动终端位置及位置变化速率，进而确定信道相干时间，用户(基站)确定信道相干时间后，通过信令信道发送相干时间信息通知给基站(用户)。

(3)、信道估计：通过用户(基站)发送一个用以进行信道参数估计的参考信号，基站(用户)可根据此信号信道相干时间，基站(用户)确定信道相干时间后，通过信令信道发送相干时间信息通知 给用户(基站)。

所述上行通信是基站根据估计出来的信道状态信息直接对接收到的用户所发送的信息进行恢复；下行通信是基站根据估计出来的信道状态信息进行预编码,使基站将其发送的下行信号能量集中在用户方向，从而实现基站向该用户传输信息。

有益效果

本发明方法中通过将小区移动用户终端根据信道相干时间长短的不同进行分类，令不同类别的用户终端在不同频带内使用不同长度的时隙传输信息，从而使小区可服务的最大移动用户终端数目增加，进而使小区总的吞吐量得以提高。且对于较长时隙长度通过对导频部分和数据部分分别采用不同的频率复用因子，可进一步提高小区总的吞吐量。

附图与附表说明

图1为实施例中快速类移动用户终端的帧结构示例图。

图2为实施例中慢速类移动用户终端的帧结构示例图。

图3为实施例中不同频率复用因子α下的19小区蜂窝示例图。

图4为实施例中用户导频放置的示意图，图中“用户x”表示该子载波承载的是用户x的导频。

图5为用户不分类时的上行信道SIR与用户分类时上行信道SIR的对比图。

图6为用户不分类时上行终端吞吐量与用户分类时上行终端吞吐 量的对比图。

图7为用户不分类时的下行信道SIR与用户分类时下行信道SIR的对比图。

图8为用户不分类时下行终端吞吐量与用户分类时下行终端吞吐量的对比图。

图9为导频部分采用频率复用因子7，数据部分采用频率复用因子1时的一种慢速类移动用户终端的帧结构示例图。

具体实施方式

下面是结合具体实施例对本发明方法做的进一步说明和详细描述。

本实施例假设小区中所有用户终端的移动速率均在0—280km/h范围内，且采用f_c＝1.9GHz的系统载波频率、20MHz的系统带宽、Δf＝15kHz的子载波间隔和附图4所示的导频放置方法，并以不同频率复用因子α下如附图3所示进行复用组划分的19小区蜂窝作为仿真背景。

本实施例中所设定的环境仅为本实施例分析所用，实际中可根据系统需求做不同设定，并且还可以将小区内用户分为三类、四类等等，并分别为不同类用户设计时隙长度。

本实施例中按如下方式进行用户分类：将小区中的所有移动用户终端分为快速和慢速两类，信道相干时间小于等于阈值T_c＝7100μs，即时速在20—280km/h的用户归为快速类，信道相干时间大于阈值T_c＝7100μs，即时速在0—20km/h的用户归为慢速类。

对于快速类移动用户终端，最小信道相干时间约为508μs，本实施例中采用长度为500μs的时隙用于此类用户的信息传输。实施例中设计一个时隙有7个OFDM符号，即OFDM符号间隔为T_s＝500/7≈71.4μs，在这7个OFDM符号中，发送数据信息占用3个OFDM符号，发送导频信息占用3个OFDM符号，剩余1个OFDM符号用作附加开销。实施例中每两个时隙构成一个长度为1ms的子帧，一个无线帧共包含10个这样的子帧，即一个无线帧的长度为10ms。帧结构如附图1所示。

对于慢速类移动用户终端，最小信道相干时间为7100μs，本实施例中采用长度为7000μs的时隙用于此类用户的信息传输。因系统OFDM符号间隔T_s＝500/7≈71.4μs，故一个时隙有个OFDM符号，本实施例中设计在这98个OFDM符号中，发送数据信息占用84个OFDM符号，发送导频信息占用6个OFDM符号，剩余8个OFDM符号用作附加开销。实施例中每两个时隙构成一个长度为14ms的子帧，一个无线帧共包含10个这样的子帧，即一个无线帧的长度为140ms。帧结构如附图2所示。

由于本实施例中采用子载波间隔为Δf＝15kHz，因而有用符号长度为T_u＝1/Δf≈66.7μs，保护间隔长度为T_g＝T_s-T_u＝4.76μs(保护间隔为OFDM符号中所插入的循环前缀的长度)，故信道平坦衰落内可支持的子载波数为 $N_{\mathrm{smooth}}=\frac{1}{\mathrm{\Δf}\·T_g}=14.$

本实施例中采用附图3所示的19小区蜂窝和附图4所示的导频放 置方法。

不进行用户分类时，由于快速类移动用户受最小信道相干时间的限制，所有用户均使用如附图1所示的帧结构传输信息。同一复用组的小区中所有用户在整个20MHz系统带宽上同时传输信息，不同复用组的小区在不同的时间进行信息传输。对于导频信息的传输，每个子载波分时携带τ个用户导频，如附图4，由于每个N_smooth中的14个子载波携带不同用户的导频，且一个时隙中有3个OFDM符号用于发送导频，则一个时隙可支持42个不同的用户导频，即每个小区可服务的最大用户数为42；

进行用户分类时，快、慢速类用户分别使用如附图1和附图2所示的帧结构传输信息。将20MHz系统带宽划分为至少两份，每一类用户各占其中至少一份(所有频带份额全部分配给用户类，且不同用户类占用不同份额)。本实施例中将20MHz系统带宽等分为两部分，每个复用组的小区中的所有快速类用户在1.89—1.9GHz的频带上同时传输信息，所有慢速类用户在1.9—1.91GHz的频带上与同一复用组中的快速类用户同时传输信息。对于导频信息的传输，同样，每个子载波分时携带τ个用户导频，如附图4，由于每个N_smooth中的14个子载波携带不同用户的导频，对于快速类用户τ＝3，对于慢速类用户τ＝6，即对于快速类用户，每个子载波分时携带3个不同用户的导频，而对于慢速类用户，每个子载波分时携带6个不同用户的导频。因此，用户分类情况下，每个小区可最多支 持42个快速类移动用户终端和84个慢速类移动用户终端，即小区可服务的最大用户总数为42+84＝126。由此看出，用户分类使小区可服务的用户数目增加。应该指出，慢速类用户的时隙包含了较多的OFDM符号，分配更多的符号传送导频可以支持更多的用户，从而进一步提高吞吐量。但从实际考虑，由于Massive MIMO的天线数实际上是有限的，我们限定每个小区支持的慢速用户数小于100。本实施例选取慢速用户数量为84(用于发送导频的OFDM符号数选为6)。

从资源开销方面考虑，用户不分类时，发送导频的开销占时隙的3/7，发送数据部分占时隙的3/7。用户分类的情况下，快速用户发送导频的开销占时隙的3/7，发送数据部分占时隙的3/7；而慢速用户发送导频的开销仅占时隙的6/98，发送数据部分占时隙的84/98。故从整体来看，用户分类使发送导频的开销占时隙比例减小，而发送数据部分占时隙比例增加。由此看出，用户分类可大大从而提高了资源利用率。

下面以19小区蜂窝为例介绍用户分类通信系统的信息传输过程(蜂窝中各个小区采用相同的导频序列)：

步骤一、移动用户终端根据GPS定位方法计算用户的信道相干时间T，即用户通过GPS定位确定自己的移动速率，并计算自己移动1/4波长所需的时间T，确定T后，通过信令信道发送信道相干时间T信息通知给基站；

步骤二、用户将T与预定的阈值T_c＝7100μs对比，当T＜＝T_c时，为快速类用户，采用如图1所示的帧结构，占用频带为1.89—1.9GHz， 带宽为10MHz；当T＞T_c时，为慢速类用户，采用如图2所示的帧结构，占用频带为1.9—1.91GHz，带宽为10MHz；

步骤三、移动用户终端根据自己所属的类别采用相应的帧结构在对应的频带上向基站发送导频信息，基站由接收到的导频信息估计出信道状态信息；

步骤四、移动用户终端和基站间进行通信。上行通信：基站根据估计出来的信道状态信息直接对接收到的用户所发送的信息进行恢复；下行通信：基站根据估计出来的信道状态信息采用最大比合并方式进行预编码,使基站将其发送的下行信号能量集中在用户方向，从而实现基站向该用户传输信息。其中，预编码有多种实现方式。如：预编码可以是最大比合并方式，即基站将估计出来的上行信道状态信息矩阵求共轭，与发送的多用户信号矩阵相乘；预编码还可以是伪逆方式，即基站将估计出来的上行信道状态信息矩阵求伪逆，与发送的多用户信号矩阵相乘。

下面结合一个仿真实施例具体说明上述用户分类方法所能带来的性能改善。

实施例中采用上述所有仿真环境，并以上述19小区蜂窝(见附图3)作为仿真背景。小区几何形状采用半径为1600m的正六边形，基站位于小区中心，且对基站天线数目不加限制，即通信系统仅受使用相同导频的小区间干扰的影响。移动用户终端均匀随机地分布在距离小区中心不小于100m的整个小区。本实施例就19小区蜂窝中位于最中心的小区进行仿真。

实施例中分别对频率复用因子α＝1,3,7下用户不分类和用户分类的蜂窝进行仿真，仿真结果见附图5～8以及表1和表2；表1为用户不分类时的上行性能和用户分类时上行性能的对比表，表2为用户不分类时的下行性能和用户分类时下行性能的对比表。下面对仿真结果进行分析：

表1

表2

从附图5、附图7及表1和表2均可看出，上、下行信道SIR并没有 因用户分类而得到改善；从附图6和附图8可以看出，用户分类后吞吐量在中等水平的终端所占比例较分类前更大，处于两端水平的终端比例较分类前更小，但从表1和表2看出平均终端吞吐量并未得到改善；从表1和表2还可看出，用户分类的平均小区吞吐量提高为未进行用户分类时平均小区吞吐量的约2.5倍，大大改善了系统的通信性能。小区平均吞吐量的改善主要是由小区服务的移动用户终端数目的增加和发送导频所占开销的减少带来的。

基于本发明，还可对数据传送部分采用频率复用因子为1的频率复用方法进一步提高小区吞吐量。以频率复用因子7为例，对于慢速类用户，当导频和数据采用同样的频率复用因子时，一个时隙包含98个OFDM符号，其中导频占用6个OFDM符号(支持84个用户)，附加开销占用8个OFDM符号，数据部分占用84个OFDM符号，每个OFDM符号持续时间为T_S＝71.4us。每小区的信息速率为 $R_1=\frac{1}{7}\×\frac{84}{{98T}_S}\×84\×N_C{\log }_2(1+\mathrm{SIR})=10.3\×\frac{N_C{\log }_2(1+\mathrm{SIR})}{T_S}.$ 其中N_C为慢速用户类分配的子载波数量，log₂(1+SIR)为每个子载波载荷的平均比特数，SIR为信干比。现对导频部分和数据部分采用不同的频率复用因子进行信号传送：导频部分频率复用因子为7，数据部分频率复用因子为1。导频部分采用高于1的频率复用因子进行发送，在同一时间，间隔若干小区的基站使用同一频率发送导频，基站通过导频估计出的信道只包含来自同一复用小区组的信道干扰，减小了导频复用造成的污染(即导频污染)，提高了信干比；由于信道状态信息已经通过基站对导频信号进行估计获得，故数据部分可采用频率复用因子 1进行发送，从而获得更高的数据吞吐能力。在这类情况下，一个时隙包含98个OFDM符号，导频部分占用6×7＝42个OFDM符号，所有小区均可根据自己小区的6个OFDM符号的导频获得84个用户的信道。在数据发送阶段，所有小区同时占用整个慢速用户类信道发送数据。这样，每个时隙的98个OFDM符号中，42个符号为导频开销，8个符号为附加开销，48个符号为数据。每小区的信息速率为 $R_2=\frac{48}{{98T}_S}\×84\×N_C{\log }_2(1+\mathrm{SIR})=41.14\×\frac{N_C{\log }_2(1+\mathrm{SIR})}{T_S}.$ 计算可得增益即对于慢速类用户，每小区可获得约3倍吞吐量的提高。

为了说明本发明的内容及实施方法，本说明书给出了具体实施例。在实施例中引入细节的目的不是限制权利要求书的范围，而是帮助理解本发明所述方法。本领域的技术人员应理解：在不脱离本发明及其所附权利要求的精神和范围内，对最佳实施例步骤的各种修改、变化或替换都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例及附图所公开的内容。

Claims (5)

1.一种多用户Massive MIMO无线移动通信系统的容量增强方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：基站和用户确定移动用户终端的信道相干时间T；

步骤2：将用户的信道相干时间T与预定的阈值对比，确定用户所属类别；

步骤3：根据用户类别，确定用户与基站间进行通信所占用的频带以及帧结构；

步骤4：移动用户终端使用根据步骤3确定的帧结构在对应的频带上向基站发送导频信息，基站由接收到的导频信息估计出信道状态信息；

步骤5：移动用户终端和基站间进行通信，包括上行通信和下行通信。

2.根据权利要求1所述的一种多用户Massive MIMO无线移动通信系统的容量增强方法，其特征在于，所述确定移动用户终端的信道相干时间T的方法有以下三种：

(1)GPS定位法：用户通过GPS定位确定移动用户终端的移动速率，从而确定信道相干时间，用户确定信道相干时间后，通过信令信道发送相干时间信息通知给基站；

(2)小区定位法：用户(基站)通过有效测量移动用户终端与最近三个基站间的距离，从而精确计算出移动终端位置及位置变化速率，进而确定信道相干时间，用户(基站)确定信道相干时间后，通过信令信道发送相干时间信息通知给基站(用户)；

(3)信道估计法：通过用户(基站)发送用以进行信道参数估计的参考信号，基站(用户)根据此信号确定信道相干时间，基站(用户)确定信道相干时间后，通过信令信道发送相干时间信息通知给用户(基站)。

3.根据权利要求1所述的一种多用户M_assi_ve MIMO无线移动通信系统的容量增强方法，其特征在于，所述用户类别包括快速类用户和慢速类用户，其中快速类用户为移动用户终端的信道相干时间小于等于预先设定阈值的用户，慢速类用户为移动用户终端的信道相干时间大于预先设定阈值的用户。

4.根据权利要求3所述的一种多用户Massive MIMO无线移动通信系统的容量增强方法，其特征在于，所述根据用户类别，确定用户与基站间进行通信所占用的带宽、频带以及帧结构，包括以下内容：

将全部可用带宽划分为至少两份，其中慢速类用户和快速类用户各占至少

一份(所有频带份额全部分配给慢速类用户和快速类用户，且慢速类用户

和快速类用户占用不同份额)；

慢速类用户和快速类用户在各自所占的频带上传输信息；

不同类用户采用不同的帧结构传输信息，其帧结构可以按下述两种方法进行设计：

(1)信道相干时间短的用户采用较短的时隙长度；信道相干时间长的用户采用较长的时隙长度；通过提高时隙长度，使时隙容纳更多用户的导频，增大基站可服务的用户数量，以及增大数据部分在时隙中的比例，从而增强系统容量；

(2)对于方法(1)中较长的时隙长度包含的导频部分和数据部分采用不同的频率复用因子，导频部分采用高于1的频率复用因子，降低导频污染；数据部分采用频率复用因子1，提高数据传送能力，从而进一步增强系统容量。

5.根据权利要求1—4任一所述的一种多用户massive MIMO无线移动通信系统的容量增强方法，其特征在于，上行通信是基站根据估计出来的信道状态信息直接对接收到的用户所发送的信息进行恢复；下行通信是基站根据估计出来的信道状态信息进行预编码，使基站将其发送的下行信号能量集中在用户方向，从而实现基站向该用户传输信息。