CN104144039B - 一种大规模mimo系统中基于相干时间的导频分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大规模MIMO系统中基于相干时间的导频分配方法，充分利用了不同用户可能具有互异的移动速度，其对应信道的相干时间不同，实现导频资源的优化分配，从而提升系统总体数据传输性能，具有一定的实用性。同时本发明在总传输资源受限的情况下，有效利用有限的传输资源，从而达到系统总体数据传输性能提升，有效降低导频污染。

Description

一种大规模MIMO系统中基于相干时间的导频分配方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种大规模MIMO系统中基于相干时间的导频分配方法。
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，大规模多用户多输入多输出(多用户多输入多输出，文中简称：MU-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MU-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，从而进行下行链路预编码。
大规模MU-MIMO系统的基本特征是基站侧的天线数目相比于传统MU-MIMO系统增加了一个量级以上。它相比于传统MU-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，由于相干时间以及用户数的限制，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。
发明内容
发明目的：本发明为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出一种能够实现导频资源的优化分配，提升系统总体数据传输性能，有效降低导频污染问题的大规模MIMO系统中基于相干时间的导频分配方法。
发明内容：为解决上述技术问题，本发明提供了一种大规模MIMO系统中基于相干时间的导频分配方法，包括以下步骤：
步骤1：将L个小区分成Lf个由快速移动的用户组成的小区和Ls个由慢速移动的用户组成的小区，每个小区有K个随机分布的用户，每个用户经历独立的信道信息，其中，Lf个小区组成集合Γf，Ls个小区组成集合Γs；
步骤2：在系统的载波频率下计算每个用户的相干时间；
步骤3：以集合Γf中用户的最小的相干时间长度设为单位相干时间T，T为集合Γf中的所有用户的信道估计间隔；选取集合Γs中最小的相干时间长度Tm，令则QT为集合Γs中的所有用户的信道估计间隔；单位相干时间个数为Nc；
步骤4：在第一个单位相干时间里，基站估计所有用户的信道信息，根据信道估计值进行下行数据传输，得到系统下行可达速率C1；
步骤5：在第n个单位相干时间，判断mod(n,Q)是否等于1或者Q是否等于1；其中，mod(·)表示取模运算；如果mod(n,Q)＝1或者Q＝1，则集合Γf和Γs中用户更新信道估计值；否则，仅有集合Γf中用户更新信道估计值；
步骤6：进入第n+1个单位相干时间，重复步骤5，直到第Nc个单位相干时间完成判断。
进一步，所述步骤1中的快速移动用户的速度范围是35-120km/h，慢速移动用户的速度范围是1-15km/h。
进一步，所述步骤3中单位相干时间个数Nc等于Q。
有益效果：与现有技术相比，本发明充分利用了不同用户可能具有互异的移动速度，其对应信道的相干时间不同，实现导频资源的优化分配，从而提升系统总体数据传输性能，具有一定的实用性。同时本发明在总传输资源受限的情况下，有效利用有限的传输资源，从而达到系统总体数据传输性能提升，有效降低导频污染。
附图说明
图1为采用本发明的导频分配方法和传统未分配方法的下行可达速率关于用户数的比较曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步解释。
本发明的一种大规模MIMO系统中基于相干时间的导频分配方法，该方案包括以下过程：
步骤1：有L个小区，每个小区中有一个基站和K个用户，M为基站的天线总数，用表示第i个小区中第k个用户到第j个小区的基站的信道矢量，其中，k＝1、2、3…K， 表示第i个小区中第k个用户终端到第j个小区的基站的复快衰落矢量，在一个相干时间长度Tik保持不变，Tik表示第i个小区中第k个用户终端的信道相干时间，表示第i个小区中第k个用户终端到第j个小区的基站的慢衰落系数；采用长时估计方法获得慢衰落系数
步骤2：L个小区中有Lf个由快速移动的用户和Ls个由慢速移动的用户组成的小区，分别为集合Γf和Γs，其中Lf+Ls＝L，Lf＞1，Ls＞1。令单位相干时间长度T为对于集合Γf中的所有用户，T为其信道估计间隔。对于Γs中的小区，计算相对于T的倍数并向下取整，记为Q，即则QT为Γs中的所有用户的信道估计间隔。方案中考虑的单位相干时间个数为Nc，Nc至少大于Q。
步骤3：在第一个单位相干时间T，L个小区所有用户首先同时进行上行导频传输，用ρk表示第k个用户发送的平均导频功率，则在信道估计阶段，第i个小区的基站的接收信号为：
其中是第k个用户的导频信号，为单位正交导频序列矩阵，τ为导频长度，τ≥K，这里取τ＝K，其中Z为加性高斯白噪声，Z的每个元素都服从 表示第j个小区中第k个用户终端到第i个小区的基站的慢衰落系数，表示第j个小区中第k个用户终端到第i个小区的基站的复快衰落矢量。采用最小均方误差(简称MMSE)估计，可以得到：
可以将第i个小区中第k个用户终端到本小区基站的信道矢量分解为信道估计矢量为 为第i个小区中第k个用户终端到本小区基站的慢衰落因子，为第i个小区中第k个用户终端到本小区基站的快衰落估计矢量，根据MMSE估计的性质，是相互独立的信道估计误差矢量，其中IM是M维的单位矩阵，是信道估计矢量每个元素的方差，是信道估计误差矢量每个元素的方差；
步骤4：接着基站进行下行数据传输；则第i个小区第k个用户接收的下行信号yik为：
其中，sjt是要传输给第j个小区第t个用户的信号，且E[|sjt|2]＝1，基站利用信道估计信息对要传输的信号进行线性预编码，pjt是第j个小区第t个用户的预编码矢量，Pd为下行数据功率，υik是单位加性噪声，由上式(3)可以看出，第i个小区第k个用户的下行接收信号受其他用户下行数据的干扰；
步骤5：计算第k个用户的下行可达速率，令其中，和为临时变量，没有具体含义，将式(3)重写为：
其中，(j,t)≠(i,k)(4)其中，pik是第i个小区第k个用户的预编码矢量式。
公式(4)标出了信号、干扰和噪声部分，从而得到第i个小区第k个用户的下行可达速率为：
其中，(j,t)≠(i,k) (5)
步骤6：计算系统下行可达速率；基于MF的预编码矢量为：
其中，是归一化因子，且从而，有：
对于t≠k，有
对于t＝k,j≠i，有
所以，第i个小区用户k的下行可达速率为：
则M无穷大时系统下行可达速率为：
步骤7：在第n个单位相干时间，其中，n≤Nc，根据mod(n,Q)是否等于1或者Q是否等于1来判断Γs中用户是否需要进行导频估计，这里mod(·)表示取模运算。如果mod(n,Q)＝1或者Q＝1，则给所有L个小区的用户分配导频，即Γs中用户更新信道估计值，与第一个单位相干时间的过程一样，按照步骤3到步骤6计算系统下行可达速率，否则，只有Γf中用户更新信道估计值，即Γs中用户不用分配导频，按照步骤3进行信道估计，但公式(1)和公式(2)中的L换成Lf。在计算系统下行可达速率时，重复公式(3)到公式(9)的过程，在采用公式(10)进行计算时，分别考虑i∈Γf和i∈Γs两种情况：
对于i∈Γf，其中
对于i∈Γs，当j∈Γs，否则代入后可以得到相应的下行系统可达速率。在第n个单位相干时间判断结束后，进入下一个单位相干时间，重复步骤7进行判断，直到第Nc个单位相干时间判断结束。
步骤8：将Nc个单位相干时间计算得到的下行可达速率相加，即可得到总的下行可达速率为：
仿真试验1
仿真场景参数：设有L＝4个小区，小区半径为500m，基站位于小区中心，用户均匀分布在距离基站至少35cm的小区范围内，大尺度衰落因子模型为平均衰落指数γ＝3.8dB的几何衰落以及标准差为σshadow＝8dB的对数正态分布的阴影衰落，其中，Lf＝Ls＝2，分别对应用户集合Γf和Γs，对于Γf中的用户，运动速度在35-120km/h，对于Γs中的用户，运动速度在1-15km/h，令最大运动速度用户的相干时间为Γf中所有用户的统一相干时间T，记Γs最小的相干时间长度为单位相干时间Tm，令则Γs中所有用户的统一相干时间为QT。试验中，采用蒙特卡洛方法，随机产生5000次独立的用户分布进行仿真，仿真结果是5000次的平均。
如图1所示，采用本发明的导频分配方法和传统未分配方法的下行可达速率关于用户数的比较曲线图。图1中，横坐标表示用户数，纵坐标表示下行可达速率，单位bps/Hz。图中实线是本发明导频分配方法的可达速率曲线，虚线是传统未分配方法的可达速率曲线。从图1中可以看出，在该仿真场景下，用户数从5到20，本发明的导频分配方法获得的下行可达速率均比传统未分配方法高。随着用户数的增加，性能增益变大。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (3)

1.一种大规模MIMO系统中基于相干时间的导频分配方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：将L个小区分成Lf个由快速移动的用户组成的小区和Ls个由慢速移动的用户组成的小区，每个小区有K个随机分布的用户，每个用户经历独立的信道信息，其中，Lf个小区组成集合Γf，Ls个小区组成集合Γs；
步骤2：在系统的载波频率下计算每个用户的相干时间；
步骤3：以集合Γf中用户的最小的相干时间长度设为单位相干时间T，T为集合Γf中的所有用户的信道估计间隔；选取集合Γs中最小的相干时间长度Tm，令则QT为集合Γs中的所有用户的信道估计间隔；单位相干时间个数为Nc；
步骤4：在第一个单位相干时间里，基站估计所有用户的信道信息，根据信道估计值进行下行数据传输，得到系统下行可达速率C1；
步骤5：在第n个单位相干时间，判断mod(n,Q)是否等于1或者Q是否等于1；其中，mod(·)表示取模运算；如果mod(n,Q)＝1或者Q＝1，则集合Γf和Γs中用户更新信道估计值；否则，仅有集合Γf中用户更新信道估计值；
步骤6：进入第n+1个单位相干时间，重复步骤5，直到第Nc个单位相干时间完成判断。
2.根据权利要求1所述的大规模MIMO系统中基于相干时间的导频分配方法，其特征在于：所述步骤1中的快速移动用户的速度范围是35-120km/h，慢速移动用户的速度范围是1-15km/h。
3.根据权利要求1所述的大规模MIMO系统中基于相干时间的导频分配方法，其特征在于：所述步骤3中单位相干时间个数Nc等于Q。
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