CN105634706B - 一种CoMP系统中导频图案设计和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种CoMP系统中导频图案设计和检测方法，属于移动通信技术领域。该方法针对CoMP系统中协作基站间的特点，首先根据最小化子载波矩阵列相干性的原则设计出最优的导频图案，然后采用在相同时频资源上插入同一用户不同信道的导频序列，在接收端对导频进行检测获得不同信道的独立导频，利用基于压缩感知的稀疏信道估计方法对每条信道进行独立估计。本发明的导频设计方案能够降低导频的干扰，同时采用基于压缩感知的信道估计方法降低频谱资源的浪费。

Description

一种CoMP系统中导频图案设计和检测方法

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，涉及一种CoMP系统中导频图案设计和检测方法，特别是一种在C-RAN下的CoMP通信系统中联合基站传输的导频图案设计和检测方法。

背景技术

由于移动通信的现实需求，集中式云架构无线接入网(C-RAN)应运而生。被视为未来无线通信的关键技术之一的CoMP技术是指地理位置上分离的多个传输点，协作参与为一个终端数据传输或联合接收来自一个终端的发送数据。根据小区间是否共享用户数据，CoMP又分为协作调度/波束赋形(CS/CB)和联合处理(JP)技术。

CoMP技术可以有效地提高系统的频谱效率，且作为未来无线通信的关键技术之一，在将来会被广泛应用。但C-RAN下影响CoMP技术的主要因素是信道估计。协作通信中不同协作基站和用户间的传输信道不同，而接收端在接收时可能会将多个基站发送的信息全部或者部分的重叠起来，造成相互间的干扰，从而使用户很难对各个独立信道进行估计，导致收发双方不能准确地获得信道参数。

文献“LTE-Advanced下行导频设计及其在CoMP中的应用研究”指出：CoMP下进行预编码，就必须得到每个小区的准确信道信息。如何获得独立、准确的信道信息至关重要。由于同频的协作小区间，服务基站和协作基站的导频信息会重叠在相同的时频单元上。如果不能将导频很好地分开，就会对信道估计造成干扰。因此文中采用Muting技术，在某小区放置导频的相同时频单元上其他小区进行空数据传输。该方法可以降低干扰。但是以牺牲频谱利用率为代价，不适用协作小区多的环境。

CoMP多用户系统中基于广义交替最大的信道估计方法(CN 102223327A)给出了一种基于广义交替最大的信道估计方法，该方法旨在解决CoMP多用户系统中联合信道估计算法复杂度高的问题，但该发明采用多次迭代，运算量依然较大。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种CoMP系统中导频图案设计和检测方法，该方法能够降低导频的干扰，同时降低频谱资源的浪费。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种CoMP系统中导频图案设计和检测方法，该方法首先根据最小化子载波矩阵列相干性的原则设计出最优的导频图案，然后采用在相同时频资源上插入同一用户不同信道的导频序列，在接收端对导频进行检测获得不同信道的独立导频，利用基于压缩感知的稀疏信道估计方法对每条信道进行独立估计。

进一步，该方法具体步骤为：

1)在N个子载波上选择n_p个子载波存放导频，对于任一条BS_m至UE_n(m＝1,2,...,M,n＝1,2,...,N)的信道，求得最优的导频图案，即将最优导频位置设计建模成下述的求最优解问题：

其中，L为信道长度，N_s表示子载波数，Ω＝{1,2,...,N_s}，P表示导频数(P取决于信道的稀疏度)，导频位置序号用Λ_m,n,i,m＝1,2,...,M,n＝1,2,...,N,i＝1,2,...,Q表示，其i为随机生成Λ的个数；

2)获得传输所用的所有导频位置信息；在协作系统中，针对用户UE_n，根据上述公式计算出第m＝1,2,...,M条链路的结果值最小的Λ_m,n,i作为最终的导频图案位置；Λ_m,n,i,i＝1,2,...,Q_m为导频位置序号集合；根据BS_m,m＝1,2,...,M到UE_n的最优导频位置Λ_m,n,i，利用下述公式

得到最终的n(Λ_i)＝N_p点导频图案；该做法可以避免因信道稀疏度不同而造成的各信道导频序列不等长的现象；

3)将所有协作基站BS到UE_n的对应子载波位置上按照集合Λ_i中的子载波位置序号插入导频；当用户多于一个时，采用步骤1)和2)的方法得到各用户的导频子载波位置，不同信道根据其导频子载波位置插入导频序列；

4)导频位置选定后，根据3GPPLTE标准采用ZC序列生成导频；

5)分解ZC序列集；根据协作发射基站的个数对该ZC序列集Z进行分解；M个发射基站BS₁,...,BS_m，对于同一个用户，其协作基站在同一个频段上传输信息，而多用户时，协作基站间可以协调工作在不同的时域、频域空间上；因此多用户导频不需要绝对正交，也就是说不同用户间导频可以重复利用；对于一个用户来说，只需利用等间隔原则将ZC序列分为M个子集：

因多径稀疏信道固有的稀疏性，导致大部分的信道参数值趋于零，仅有少部分非零值，故可通过压缩感知技术利用较少的导频获得更多、更准确的有用信息，因此可将ZC序列集合分为多个子集同时用于多条信道也是满足的；

6)协作多基站将导频信息传输到接收端后，需要对各独立信道进行估计；由于传输存在时延，且同一频段进行传输数据会造成信息的叠加，因此需要对信道的独立导频进行检测和分离；假设接收端UE_n接收到的导频信息为r_n，需要估计BS_m至UE_n间的信道脉冲响应利用选择矩阵S_m,n与r_n相乘后得到有用导频信息，同时除去干扰导频的方法进行导频选择；

7)去除其他基站带来的导频干扰；检测、分离导频的核心思想是矩阵零空间方法，各基站发射的导频数量相同，每次检测出当前信道的导频图案(长度为N_p)，然后利用稀疏信道的估计方法获得(BS_m和UE_n之间的信道信息)；为了除去的干扰，将接收信号当作M-1维信号处理；根据条件利用零空间的思想

同时满足

条件，得到矩阵S_m,n，再从S_m,n中选择max(ζ)对应的一列向量ζ_j，记作为x_m,p(BS_m与UE_n信道的导频序列)的选择向量，式中，

其中由于发射端在发送数据前根据步骤3)对导频进行了扩展，即发射端使用的导频数为接收端对导频进行检测，获得的导频个数是扩展后的N_p个；若接收端直接利用N_p导频去估计效果可能不够理想；因此首先要从集合中分离出Λ_m,i，然后根据Λ_m,i集合中的n_p导频进行信道估计；

8)根据接收端接收到的导频信号：

Y_p＝X_pF_ph+Z_p

估计出信道参数

其中，式中，ω＝e^-j2π/N。

本发明的有益效果在于：本发明提出的一种导频图案设计和检测方法，包括利用压缩感知的方法获得最优导频图案；协作间基站在相同的时频资源上传输各自的导频信息，提高了频谱的利用率；采用ZC序列降低导频之间的相关性，接收端在收到导频时能够更好地分离出有用导频和干扰导频；利用有用导频对信道参数进行估计。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为CoMP系统工作框图；

图2为多基站多用户协作传输；

图3为用户接收信号模型。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为CoMP系统工作框图，在N个子载波上选择n_p个子载波存放导频。对于任一条BS_m到UE_n(m＝1,2,...,M,n＝1,2,...,N)的信道，获得最优的导频图案。即将最优导频位置设计建模成下述的求最优解问题：

其中，L为信道长度，N_s表示子载波数，Ω＝{1,2,...,N_s}，n_p表示导频数(n_p取决于信道的稀疏度)，导频位置序号用Λ_m,n,i,m＝1,2,...,M,n＝1,2,...,N,i＝1,2,...,Q表示，其i为随机生成Λ的个数。

在协作系统中，针对用户UE_n，每个协作基站到用户的数据传输通道可以看作一条链路，链路数目{1,2,...,M}，第m条链路的导频位置序号表示为Λ_m,n,i,i＝1,2,...,Q_m。针对不同Λ_m,n,i，根据公式(1)，选择其中结果值最小的Λ_m,i作为最终的导频位置。

根据上述得到BS_m,m＝1,2,...,M到UE_n的最优导频位置Λ_m,n,i,m＝1,2,...,M，利用

得到最终导频个数n(Λ_i)＝N_p。将所有协作基站BS到UE_n对应子载波位置按照集合Λ_i中的子载波位置序号插入导频。当多于一个用户时，对每个用户来说，独立重复上述方法获得各自的总导频位置，然后在不同信道的相同子载波位置插入导频序列。

导频位置选定后，本发明根据3GPPLTE标准采用ZC序列生成导频。根据标准，第u^th个根ZC序列由下式定义

N_zc：前导序列长度(标准中为839)。通过u^th根ZC序列，具有零相关、长度为N_CS-1的随机接入前导由循环偏移定义，根据下式

x_u,v(n)＝x_u((n+C_v)modN_ZC) (4)

其中循环偏移

(5)式针对无限制集而言。

计算得到整体ZC序列集后，根据协作发射基站的个数对该ZC序列集Z进行分解。发射基站BS₁,...,BS_mM个，对于同一个用户，其协作基站在同一个频段上传输信息；多用户时，协作基站间可以协调工作在不同的时域、频域空间上，因此多用户导频不需要绝对正交，也就说是不同用户间导频可以重复利用。对于一个用户来说，只需利用等间隔原则将ZC序列分为M个子集。

第一步：获得ZC序列的长度；

第二步：根据公式

其中，，得到每条信道的导频序列。

多径稀疏信道固有的稀疏性，导致大部分的信道参数值趋于零，仅有少部分非零值，故可通过压缩感知技术通过较少的导频获得更多、更准确的有用信息。因此将ZC序列集合分为多个子集同时用于多条信道也是满足的。

针对BS_m到UE_n传输信道可看作SISO系统，L长度信道的信道冲激响应

稀疏信道中，h＝[h₀,...,h_L-1]^T中大部分的h_i值趋于零，只有极少个非零值。据图1，导频确定后，放入子载波相应位置后进行IFFT变换后进行发送。在发送过程中，因路径不同，到达时间会有差异，会产生时延，因此频域响应表示为

τ_m,n,l为第l径的采样时延。

将根据式(6)计算得到的ZC序列分别作为1,2,…,M基站的导频。传输过程中，因为不同导频在相同位置传输，在接收端容易出现混叠，因此就需要检测和分离各信道的传输导频序列。对于基站BS_m，导频序列为Z_m，Z_m′,m′＝1,2,...,M,m′≠m视为干扰信号，需要减弱甚至去除该干扰信号。上述给出协作小区的基站数为M，边缘服务小区数为N。图2为多基站多用户协作传输，如图2，协作基站采用MU-JP传输技术对边缘用户传输信息x_i,p＝(x_1,p,..._,x_N,p)^T,i∈{1,2,...,M}，用户UE_n接收的混合导频信息

其中，r_n,p＝[r_1,p,...,r_M,p]^T。BS_m和UE_n之间的H_m,n为公式(8)中的协作基站间存在不同传输延时的等效信道。

接收端接收导频信息后，为了获得每条独立信道的信道参数，需要排除其他信道对其干扰。那么r_n,p中除BS_m和UE_n之间的信道信息H_m,nx_m,p外的剩余各项和可看作干扰信号，需要减弱或去除。

本发明采用矩阵零空间的思想去除干扰导频。由于各基站的发送导频相同，为了降低甚至去除干扰，就需要去除接收端其他信道导频的影响。即{r_n,p\r_m,p}的干扰。令r_n\m,p＝{r_n,p\r_m,p}＝[r_1,p,...,r_m-1,p,r_m+1,p,...,r_M,p]^T，矩阵r_n\m,p当作M-1维信号处理，如图3所示。

首先根据条件利用零空间的思想

N(B)＝{x:Bx＝0,x∈R^n} (10)

其中B为一个(m*n)矩阵，进行干扰消除。

令

根据上述公式，计算得到同时满足(9)和(10)的矩阵S_m,n，再从S_m,n中选择max(ζ)对 应的一个列向量ζ_j，记作为x_m,p的选择矩阵。式中，

然后，向量右乘公式(9)，

根据公式(11)、(12)，公式(13)等式右侧第二项为零，则令

其中，为发送方导频；选择矩阵 表示为等效发送导频；H_m,n＝diag(H_m,n(1),...,H_m,n(N_p))为导频位置对应的信道频率响应；为等效噪声；Y_n,p＝diag(Y_n(1),...,Y_n(N_p))为等效接收导频。

最后进行信道估计。以上得到的Y_n,p不能直接用于稀疏信道的估计，是因为在发送数据时，发射端使用的导频数为如果接收端利用N_p导频序列估计效果可能不够理想。因此首先要从集合中得到子集合Λ_m,i，然后根据Λ_m,i中的n_p个导频进行信道估计。

各协作基站进行导频扩展前将根据式(1)求得的导频子载波索引值接收端已知，利用已知的索引值从集合Λ_i中检索出扩展前的导频图案。然后从接收端Y_n,p中提取n_p个导频对应的再根据发送端的导频信号，利用稀疏信道的信道估计方法

估计出信道参数其中，表示从中选出的该 信道固有导频图案；式中，ω＝e^-j2π/N。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (2)

1.一种CoMP系统中导频图案设计和检测方法，其特征在于：该方法首先根据最小化子载波矩阵列相干性的原则设计出最优的导频图案，然后采用在相同时频资源上插入同一用户不同信道的导频序列，在接收端对导频进行检测获得不同信道的独立导频，利用基于压缩感知的稀疏信道估计方法对每条信道进行独立估计。

2.根据权利要求1所述的一种CoMP系统中导频图案设计和检测方法，其特征在于：该方法具体步骤为：

1)在N个子载波上选择n_p个子载波存放导频，对于任一条BS_m至UE_n(m＝1,2,...,M,n＝1,2,...,N)的信道，求得最优的导频图案，即将最优导频位置设计建模成下述的求最优解问题：

其中，L为信道长度，N_s表示子载波数，Ω＝{1,2,...,N_s}，P表示导频数，取决于信道的稀疏度，导频位置序号用Λ_m,n,i,m＝1,2,...,M,n＝1,2,...,N,i＝1,2,...,Q表示，其i为随机生成Λ的个数；

2)获得传输所用的所有导频位置信息；在协作系统中，针对用户UE_n，根据上述公式计算出第条链路的结果值最小的Λ_m,n,i作为最终的导频图案位置；Λ_m,n,i,i＝1,2,...,Q_m为导频位置序号集合；根据BS_m,m＝1,2,...,M到UE_n的最优导频位置Λ_m,n,i，利用下述公式

得到最终的n(Λ_i)＝N_p点导频图案；

3)将所有协作基站BS到UE_n的对应子载波位置上按照集合Λ_i中的子载波位置序号插入导频；当用户多于一个时，采用步骤1)和2)的方法得到各用户的导频子载波位置，不同信道根据其导频子载波位置插入导频序列；

4)导频位置选定后，根据3GPPLTE标准采用ZC序列生成导频；

5)分解ZC序列集；根据协作发射基站的个数对该ZC序列集Z进行分解；M个发射基站BS₁,...,BS_m，对于同一个用户，其协作基站在同一个频段上传输信息，而多用户时，协作基站间可以协调工作在不同的时域、频域空间上；因此多用户导频不需要绝对正交，也就是说不同用户间导频可以重复利用；对于一个用户来说，只需利用等间隔原则将ZC序列分为M个子集：

因多径稀疏信道固有的稀疏性，导致大部分的信道参数值趋于零，仅有少部分非零值，故可通过压缩感知技术利用较少的导频获得更多、更准确的有用信息，因此可将ZC序列集合分为多个子集同时用于多条信道也是满足的；

6)协作多基站将导频信息传输到接收端后，需要对各独立信道进行估计；由于传输存在时延，且同一频段进行传输数据会造成信息的叠加，因此需要对信道的独立导频进行检测和分离；假设接收端UE_n接收到的导频信息为r_n，需要估计BS_m至UE_n间的信道脉冲响应利用选择矩阵S_m,n与r_n相乘后得到有用导频信息，同时除去干扰导频的方法进行导频选择；

7)去除其他基站带来的导频干扰；检测、分离导频的核心思想是矩阵零空间方法，各基站发射的导频数量相同，每次检测出当前信道的导频图案，该图案长度为N_p，然后利用稀疏信道的估计方法获得 为BS_m至UE_n间的信道脉冲响应估计；为了除去的干扰，将接收信号当作M-1维信号处理；根据条件利用零空间的思想

同时满足

条件，得到矩阵S_m,n，再从S_m,n中选择max(ζ)对应的一列向量ζ_j，记 作为BS_m与UE_n信道的导频序列x_m,p的选择向量，式中，

其中由于发射端在发送数据前根据步骤3)对导频进行了扩展，即发射端使用的导频数为接收端对导频进行检测，获得的导频个数是扩展后的N_p个；若接收端直接利用N_p导频去估计效果可能不够理想；因此首先要从集合中分离出Λ_m,i，然后根据Λ_m,i集合中的n_p导频进行信道估计；

8)根据接收端接收到的导频信号：

Y_p＝X_pF_ph+Z_p

估计出信道参数

其中，式中，ω＝e^-j2π/N。