CN105681009B - 用于多用户多输入多输出的导频优化分配联合预编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于多用户多输入多输出的导频优化分配联合预编码方法，基站将所有导频平均分为两个导频子组，分配给两类小区；获取终端的DOA并且进行小区内的导频分配；终端向所属小区基站发送导频信息，小区基站通过信道估计得到含导频污染的终端的信道信息，根据时分双工的信道互易获取信道信息；通过估计终端的DOA，搜索到终端的DOA，根据DOA对含导频污染的终端的信道信息进行重新计算得到优化的终端的信道信息；选取G个信道质量较好的终端作为用户组中心，计算其他终端与用户组中心的距离，根据距离的大小分配剩余终端，并更新用户组中心，迭代并将所有用户分组；计算用户组的信道的二阶统计量后发送数据。本发明优化信道估计，提升系统性能。

Description

用于多用户多输入多输出的导频优化分配联合预编码方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种用于多用户多输入多输出的导频优化分配联合预编码方法。

背景技术

随着智能终端的兴起及无线数据应用业务的丰富，无线通信系统中的数据用户数大幅增加，数据内容也不再限于传统的文字或者图像，未来用户对高清晰度视频、手机电视等多媒体业务的需求越来越多，导致无线网络流量呈现出爆炸式增长的态势，这对无线通信系统的网络容量提出了更高的要求。

相比于传统基站只配置了少于8根天线的多用户多输入多输出(Multi-userMultiple-Input Multiple-Output)系统，大规模多用户多输入多输出系统中的基站一般配置上百根天线，获得比传统天线阵列系统更为精确的波束控制能力，然后通过空间复用技术，在相同的时频资源上同时服务更多用户来提升无线通信系统的频谱效率，能获得更高倍数的系统容量、更低的能量消耗、更加精确的空间区分度、相对廉价的硬件组成等，从而满足未来超4代或第5代移动通信系统中海量信息的传输需求。大规模多用户多输入多输出系统以其独有的优势得到了广泛的关注和研究，是目前无线通信领域的主要发展趋势之一。

大规模多用户多输入多输出系统有频分双工系统和时分双工系统两种模式。频分双工系统采用不同的频率信道区分发送和接收，并通过反馈信息的方式获取信道状态信息，反馈信息的长度与发射端的天线数目成正比例关系，由于频率资源有限，很大程度上限制了频分双工系统的发展。时分双工系统在同一频率信道的不同时隙上进行通信，充分利用了频率资源；在时分双工模式下，上行与下行链路的信道具有互易性，基站根据上行链路传输的特定导频序列估计出期望的下行链路信道状态信息，此时导频序列的长度与发射端天线数目无关。

目前大规模多用户多输入多输出系统传输方案性能分析往往假设大规模多输入多输出信道是理想的独立同分布信道，在此条件下，导频污染被认为是大规模多输入多输出系统中的“瓶颈”问题。

在贝尔实验室提出的时分双工大规模多输入多输出传输方案中，小区中的各用户(通常假设配置单个天线)向基站发送相互正交的导频信号，基站利用接收到的导频信号，获得上行链路信道参数的估计值，再利用时分双工系统上下行信道的互易性，获得下行链路信道参数的估计值，由此实施上行检测和下行预编码传输。随着用户数目的增加，用于信道参数估计的导频开销随之线性增加，特别地，在中高速移动通信场景，导频开销将会消耗掉大部分的时频资源。在导频受限条件下的提升时分双工大规模多用户多输入多输出信道信息的准确性是目前非常具有价值的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种用于多用户多输入多输出的导频优化分配联合预编码方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明实施例提供一种用于多用户多输入多输出的导频优化分配联合预编码方法，该方法通过以下步骤实现：

步骤1：基站将所有导频平均分为两个导频子组，分配给两类小区，相同类型小区采用完全相同的导频子组；

步骤2：获取终端的波达方向(DOA)，并且根据所述获取的DOA进行小区内的导频分配，使得在具有严重导频污染的边缘终端分配不一样的导频；

步骤3：所述终端向所属小区基站发送导频信息，所述小区基站通过信道估计得到含导频污染的所述终端的信道信息，根据时分双工的信道互易，基站获取信道信息；

步骤4：所述基站通过估计终端的DOA，搜索到所述终端的波达方向，根据所述DOA对含导频污染的所述终端的信道信息进行重新计算得到优化的终端的信道信息；

步骤5：所述基站选取G个信道质量较好的终端作为用户组中心，计算其他终端与所述用户组中心的距离，根据距离的大小分配剩余终端，并更新用户组中心，迭代并将所有用户分组；

步骤6：通过计算用户组的信道的二阶统计量即信道协方差矩阵，获得预波束赋形矩阵后，降低信道维度，再进行简单的线性预编码发送数据。

上述方案中，所述步骤1中，基站将所有基站的导频的集合{A}平均分为两组{{A1}，{A2}}，{A1}{A2}组间以及组内的导频都完全正交，每组内的导频数大于等于单个小区内的用户数，将蜂窝小区平行分类，同类小区间导频完全复用，不同类小区间导频完全正交，不产生导频污染，即对某一小区C_j产生导频污染的只有与其左右相邻的小区C_j-1与C_j+1。

上述方案中，所述步骤2中，记基站为B_x(x＝1,2,3)，一个小区内只有一个基站，即C_j(j＝1,2,3)小区内的基站为B_x(x＝1,2,3,x＝j)，记为B_j，C₁小区内的基站为B₁，以此类推，不同小区的基站协作，共享用户信道信息，小区C_j(j＝1,2,3)内的所有K_j个终端到B_j基站的信道信息为H_j，用户集合记为S_j；

基站B_j获得小区C_j内第k(k＝1,2,…,K)个终端的波达方向DOA_kj，即C_j小区内的第k个终端到基站B_j的波达方向，并判断DOA_kj与若干预设固定取值范围的关系；

统计小区C_j内终端的波达方向DOA_kj属于某一固定取值范围内的终端记为集合终端数为K_j ^*，对小区C_j内所用的导频集合{A1}根据K_j ^*/K的比值大小按比例浮动进行动态分组{A1}＝{{A11}，{A12}}，并将{A11}导频分配给DOA_kj属于某一固定取值范围内的终端而{A12}则分配给DOA_kj属于取值范围外的用户S'_j；在与C_j相邻的C_j+1和C_j-1小区内的终端DOA_k(j+1)或DOA_k(j-1)属于固定范围内的终端或则分配导频{A12}，终端S'_j+1或S′_j-1则分配导频{A11}。

上述方案中，所述步骤3中，C_j小区内的K个终端到基站B_x的信道矩阵为H_xj＝[h_xj1,...,h_xjK]^T,j,x＝1,2,3，其中h_xjk∈C^M×1是C_j小区内的第k个终端到基站B_x的信道向量，M是基站的天线数，[·]^T表示矩阵的转置，小区C_j内的终端到第j基站B_x的信道向量简化为H_jx＝H_j,j＝x；

C_j小区内的所有终端发送的导频信息为Ψ_j＝[φ_j1,...,φ_jK]^T，其中φ_jk∈C^τ×1是C_j小区内第k个用户发送的导频向量，τ是导频长度；

基站B_x接收到的信号为w是均值为0，方差 为1的高斯白噪声，β_xj＝diag{β_xj1，...，β_xjK}∈C^K×K是Cj小区内的终端到基站B_x的大尺度衰 落，diag{…}表示对角矩阵，p_r是终端发射功率；

通过最小均方误差信道估计算法估计得到视为有效信道矩阵H_x和 相邻小区的干扰信道矩阵H_x,j,j＝1,2,3,j≠x以及噪声产生的干扰w_x的线性组合，其中χ_j,j＝1,2,3是K×K的对角矩阵，χ_j＝diag {χ_j1，...，χ_jK}∈C^K×K，其对角线元素χ_jk∈[0,1]；单个终端的信道向量估计为满足β_xk＞β_xjk,j≠x。

上述方案中，所述步骤4中，基站B_x对小区C_j(j＝x)内的第k个终端进行最小均方误差信道估计后，通过频谱估计，根据谱峰高低来确定小区内终端的有效信道和来自干扰小区的终端的干扰信道并滤除干扰信道，得到最终估计信道

上述方案中，所述步骤5中，基站B_j将小区C_j内的所有终端分为G组，定义V_g为用户组中心的权值，其中g＝1,2,...,G，即：基站B_j在小区C_j内随机选择G(个信道质量较好，其中G＜K)并且大尺度衰落以及波达方向都有区别的终端作为初始的用户组中心；小区C_j内的每个终端的信道向量协方差矩阵进行奇异值分解()^H表示共轭转置，终端的信道向量相似，其协方差矩阵相似，令V_g＝U_g，g＝1,2,...,G，U_g为初始化的G个用户中心的协方差矩阵R_g的酉矩阵；

计算剩下K-G个终端到用户组中心的距离k＝G+ 1,…,K，表示求矩阵的2范数，将终端分配到距离最近的用户组里，即：其中S_g为第g个用户组里所包含的终端，表示用户组更新后多了第k个终端；

更新G个用户组中心Υ{·}表示求内部矩阵的酉矩阵，计算阈值ε满足0＜ε＜1，当|d_total-d'|＜εd'时，则用户组分配完毕，若不满足则令d'＝d_total(初始d'＝0)，重新计算所有K个终端到用户组中心的距离d(U_k,V_g)，重新迭代更新用户组中心直到满足条件|d_total-d'|＜εd'，完成终端分配。

上述方案中，所述步骤6，定义第g个用户组有K_g个终端，第g个用户组的信道矩阵 为同组用户信道协方差矩阵近似相等秩为r_g， 满足主要特征值数

令其中U'_g为矩阵，而为矩阵并包含了主要 特征值，令其酉矩阵为

的协方差矩阵令的酉矩阵其中包含了G_g的主要的特征值，令用户组g的预波束赋形矩阵计算B＝[B₁,...，B_G]作为总的预波束赋形矩阵；对终端再进行简单的迫零预 编码或者正则迫零预编码P，总的波束赋形矩阵V＝BP。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明通过分配给不同小区用户不同的导频来减轻因为小区间导频复用带来的导频污染，从而优化信道估计，并提取用户组的二阶统计量设计预波束赋形矩阵，在此基础上进行线性预编码，提升系统性能。

附图说明

图1为本发明实施例提供一种用于多用户多输入多输出的导频优化分配联合预编码方法的流程图；

图2为本发明实施例提供一种用于多用户多输入多输出的导频优化分配联合预编码方法的导频分配示意图；

图3为简化的有导频污染的三个小区内的导频分配示意图；

图4为简化的有导频污染的三个小区内上行信道的导频污染示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明实施例提供一种用于多用户多输入多输出的导频优化分配联合预编码方法，如图1所示，该方法通过以下步骤实现：

步骤1：基站将所有导频平均分为两个导频子组，分配给两类小区，相同类型小区采用完全相同的导频子组；

具体的，基站将所有基站的导频的集合{A}平均分为两组{{A1}，{A2}}，{A1}{A2}组间以及组内的导频都完全正交，每组内的导频数大于等于单个小区内的用户数，将蜂窝小区平行分类，同类小区间导频完全复用，不同类小区间导频完全正交，不产生导频污染，即对某一小区C_j产生导频污染的只有与其左右相邻的小区C_j-1与C_j+1。

步骤2：获取终端的波达方向(DOA)，并且根据所述获取的DOA进行小区内的导频分配，使得在具有严重导频污染的边缘终端分配不一样的导频；

具体的，记基站为B_x(x＝1,2,3)，一个小区内只有一个基站，即C_j(j＝1,2,3)小区内的基站为B_x(x＝1,2,3,x＝j)，记为B_j，C₁小区内的基站为B₁，以此类推，不同小区的基站协作，共享用户信道信息，小区C_j(j＝1,2,3)内的所有K_j个终端到B_j基站的信道信息为H_j，用户集合记为S_j；

基站B_j获得小区C_j内第k(k＝1,2,…,K)个终端的波达方向DOA_kj，即C_j小区内的第k个终端到基站B_j的波达方向，并判断DOA_kj与若干预设固定取值范围的关系；

统计小区C_j内终端的波达方向DOA_kj属于某一固定取值范围内的终端记为集合终端数为K_j ^*，对小区C_j内所用的导频集合{A1}根据K_j ^*/K的比值大小按比例浮动进行动态分组{A1}＝{{A11}，{A12}}，并将{A11}导频分配给DOA_kj属于某一固定取值范围内的终端而{A12}则分配给DOA_kj属于取值范围外的用户S'_j；在与C_j相邻的C_j+1和C_j-1小区内的终端DOA_k(j+1)或DOA_k(j-1)属于固定范围内的终端或则分配导频{A12}，终端S'_j+1或S′_j-1则分配导频{A11}。

步骤3：所述终端向所属小区基站发送导频信息，所述小区基站通过信道估计得到含导频污染的所述终端的信道信息，根据时分双工的信道互易，基站获取信道信息；

具体的，C_j小区内的K个终端到基站B_x的信道矩阵为H_xj＝[h_xj1,...,h_xjK]^T,j,x＝1,2,3，其中h_xjk∈C^M×1是C_j小区内的第k个终端到基站B_x的信道向量，M是基站的天线数，[·]^T表示矩阵的转置，小区C_j内的终端到第j基站B_x的信道向量简化为H_jx＝H_j,j＝x；

C_j小区内的所有终端发送的导频信息为Ψ_j＝[φ_j1,...,φ_jK]^T，其中φ_jk∈C^τ×1是C_j小区内第k个用户发送的导频向量，τ是导频长度；

基站B_x接收到的信号为w是均值为0，方差 为1的高斯白噪声，β_xj＝diag{β_xj1，...，β_xjK}∈C^K×K是Cj小区内的终端到基站B_x的大尺度衰 落，diag{…}表示对角矩阵，p_r是终端发射功率；

通过最小均方误差信道估计算法估计得到视为有效信道矩阵H_x和 相邻小区的干扰信道矩阵H_x,j,j＝1,2,3,j≠x以及噪声产生的干扰w_x的线性组合，其中χ_j,j＝1,2,3是K×K的对角矩阵，χ_j＝diag {χ_j1，...，χ_jK}∈C^K×K，其对角线元素χ_jk∈[0,1]；单个终端的信道向量估计为满足β_xk＞β_xjk,j≠x。

步骤4：所述基站通过估计终端的DOA，搜索到所述终端的波达方向，根据所述DOA对含导频污染的所述终端的信道信息进行重新计算得到优化的终端的信道信息；

具体的，基站B_x对小区C_j(j＝x)内的第k个终端进行最小均方误差信道估计后，通过频谱估计，根据谱峰高低来确定小区内终端的有效信道和来自干扰小区的终端的干扰信道并滤除干扰信道，得到最终估计信道

步骤5：所述基站选取G个信道质量较好的终端作为用户组中心，计算其他终端与所述用户组中心的距离，根据距离的大小分配剩余终端，并更新用户组中心，迭代并将所有用户分组；

具体的，基站B_j将小区C_j内的所有终端分为G组，定义V_g为用户组中心的权值，其中g＝1,2,...,G，即：基站B_j在小区C_j内随机选择G(个信道质量较好，其中G＜K)并且大尺度衰落以及波达方向都有区别的终端作为初始的用户组中心；小区C_j内的每个终端的信道向量协方差矩阵进行奇异值分解()^H表示共轭转置，终端的信道向量相似，其协方差矩阵相似，令V_g＝U_g，g＝1,2,...,G，U_g为初始化的G个用户中心的协方差矩阵R_g的酉矩阵；

计算剩下K-G个终端到用户组中心的距离k＝G+ 1,…,K，表示求矩阵的2范数，将终端分配到距离最近的用户组里，即：其中S_g为第g个用户组里所包含的终端，表示用户组更新后多了第k个终端；

更新G个用户组中心Υ{·}表示求内部矩阵的酉矩阵，计算阈值ε满足0＜ε＜1，当|d_total-d'|＜εd'时，则用户组分配完毕，若不满足则令d'＝d_total(初始d'＝0)，重新计算所有K个终端到用户组中心的距离d(U_k,V_g)，重新迭代更新用户组中心直到满足条件|d_total-d'|＜εd'，完成终端分配。

步骤6：通过计算用户组的信道的二阶统计量即信道协方差矩阵，获得预波束赋形矩阵后，降低信道维度，再进行简单的线性预编码发送数据。

具体的，定义第g个用户组有K_g个终端，第g个用户组的信道矩阵为同组用户信道协方差矩阵近似相等秩为r_g，满足 主要特征值数

令其中U'_g为矩阵，而为矩阵并包含了主要 特征值，令其酉矩阵为

的协方差矩阵令的酉矩阵其中包含了G_g的主要的特征值，令用户组g的预波束赋形矩阵计算B＝[B₁,...,B_G]作为总的预波束赋形矩阵；对终端再进行简单的迫零预 编码或者正则迫零预编码P，总的波束赋形矩阵V＝BP。

实施例：

以小区C₁为例，本发明实施例提供一种用于多用户多输入多输出的导频优化分配联合预编码方法，具体通过以下步骤实现：

步骤1，基站将所有导频的集合{A}平均分为两组{{A1}，{A2}}，{A1}{A2}组间以及组内的导频都完全正交，每组内的导频数大于等于单个小区内的终端数，导频分配方式如图2所示，相同色块的小区为一类小区使用同一组导频，同类小区间的导频完全复用，不同类小区间导频完全正交，不产生导频污染，对某C₁小区内的终端产生导频污染的只有与其相邻的两个小区C₂与C₃。

步骤2，一个小区对应一个基站，基站B₁在已知小区C₁内的终端信道信息H₁的同时与基站B₂，B₃协作，共享终端信道信息，小区C_j(j＝1,2,3)内的所有K_j个终端到B_j基站的信道信息为H_j，用户集合记为S_j。

通过基站间协作，基站B_j可以获得小区C_j内第k(k＝1,2,…,K)个终端的波达方向DOA_kj，即C_j小区内的第k个终端到基站B_j的波达方向，并判断DOA_kj是否属于范围{θ|θ₁＜θ＜θ₂}内，0°＜θ₁,θ₂＜180°，可以动态调节其取值范围。

统计小区C₁内终端的波达方向DOA_k1属于某一固定取值范围内的终端记为集合用户数为K₁ ^*，对小区C₁内所用的导频集合{A1}根据K₁ ^*/K的比值大小按一定比例浮动进行动态分组{A1}＝{{A11}，{A12}}，而{A12}则分配给DOA_k1不属于范围{θ|θ₁＜θ＜θ₂}内的终端；在C₂和C₃小区内的终端DOA_k2或DOA_k3属于范围{θ|θ₁＜θ＜θ₂}的终端则分配导频{A12}，DOA_k2或DOA_k3不属于范围{θ|θ₁＜θ＜θ₂}内的终端则分配{A11}。

通过图3可以看到终端DOA_k2或DOA_k3属于范围{θ|θ₁＜θ＜θ₂}的终端更接近基站B₁，大尺度衰落较小，特别是两个小区边缘的终端，更容易对小区C₁内的终端造成导频污染。

步骤3，C_j小区内的K个终端到基站B_x的信道矩阵为H_xj＝[h_xj1,...，h_xjK]^T,j,x＝1,2,3，其中h_xjk∈C^M×1是Cj小区内的第k个终端到基站B_x的信道向量，M是基站的天线数，[·]^T表示矩阵的转置，小区C_j内的终端到第基站B_x的信道向量简化为H_jx＝H_j,j＝x。

导频在三个小区内完全复用，C_j小区内的所有终端发送的导频信息为Ψ_j＝[φ_j1,...,φ_jK]^T，其中φ_jk∈C^τ×1是C_j小区内第k个终端发送的导频向量，τ是导频长度。

各个用户终端发送导频信息到基站的有效信道以及干扰信道如图4所示，带箭头实线表示有效信道，带箭头虚线表示干扰信道。

基站B_x接收到的信号为w是均值为0，方差 为1的高斯白噪声，β_xj＝diag{β_xj1□...□β_xjK}∈C^K×K是Cj小区内的终端到基站B_x的大尺度 衰落，diag{…}表示对角矩阵，p_r是终端发射功率。

通过最小均方误差信道估计算法估计得到可视为有效信道矩阵H_x 和相邻小区的干扰信道矩阵H_x,j,j＝1,2,3,j≠x以及噪声产生的干扰w_x的线性组合，其中χ_j,j＝1,2,3是K×K的对角矩阵，χ_j＝diag {χ_j1，...，χ_jK}∈C^K×K，其对角线元素χ_jk∈[0,1]；单个终端的信道向量估计为一般情况下满足β_xk＞β_xjk,j≠x。

步骤4，当小区C₁内的第k个终端处于{A11}导频组分配区域，则相邻干扰小区内的采用相同导频终端处于干扰小区内的{A11}导频组分配区域，此时干扰终端的大尺度衰落系数较小，对对基站B₁进行信道估计造成的误差较小，导频污染并不严重。

当小区C₁内的第k个终端处于{A12}导频组分配区域，则干扰小区内的采用相同导频终端处于相邻干扰小区内的{A12}导频组分配区域，此时干扰小区的边缘终端的大尺度衰落系数较大，对基站B₁进行信道估计造成的误差较大，造成严重导频污染。

基站B₁进行最小均方误差信道估得到的终端k的信道向量进行波达方向DOA_k1的估计，的空间谱因为干扰的存在，有两个或三个谱峰，分别对应于三个信道向量h_1k，h_12k，h_13k的波达方向。

由于导频分配的原因，干扰信道向量h_12k，h_13k的波达方向和有效信道向量h_1k的所在范围不相同，三个谱峰是并不重叠的，在得到的信道向量搜索使波达方向最大DOA_1k的信道向量作为h_1k的信道估计，得到最终小区C₁内的所有终端估计信道

同时利用上述得到的信道向量更新该终端的波达方向DOA_1k'，判断DOA_1k'的大小，当DOA_1k'∈(θ₁,θ₂)，则终端分配到的导频是集合{A11}里面的，反之当终端分配到的导频集合{A12}。

步骤5，基站B₁将小区C₁内的所有终端分为G组，定义V_g为用户组中心的权值，其中g＝1,2,...，G，即：基站B₁在小区C₁内随机选择G(G＜K)个信道质量较好，并且大尺度衰落以及波达方向都有一定区别的终端作为初始的用户组中心。

小区C₁内的每个终端的估计信道向量满足并且有协方差矩阵进行奇异值分解如果终端的信道向量相似，则其协方差矩阵相似令V_g＝U_g，g＝1,2,...,G，U_g为初始化的G个用户中心的协方差矩阵R_g的酉矩阵。

计算剩下K-G个终端到用户组中心的距离k＝G+1,…,K，将终端分配到距离最近的用户组里，即： 其中S_g为第g个用户组里所包含的终端，表示用户组更新后多了第k个终端。

更新G个用户组中心并计算所有终端到各个用户组中心的距离设定一个阈值ε，0＜ε＜1，当|d_total-d'|＜εd'时，则终端组分配完毕，若不满足则令d'＝d_total(初始d'＝0)，并将所有选择的用户组清空，重新计算所有K个终端到用户组中心的距离其中k＝1,...,K,g＝1,...,G，搜索到每个终端距离最近的用户组中心，并将这些终端分配到这些用户组里，即 其中S_g为g用户组里所包含的终端。

更新G个用户组中心Υ{.}表示求矩阵的酉矩阵。计算所有终端到各个用户组中心的距离设定一个阈值ε，0＜ε＜1，当|d_total-d'|＜εd'时，则用户组分配完毕，若不满足则令d'＝d_total，重新迭代直到满足条件|d_total-d'|＜εd'，完成终端分配。

步骤6，定义第g个用户组有K_g个终端，令第g个用户组的信道矩阵为用户组里的终端有相似的信道协方差矩阵其 秩为r_g，并且满足主要特征值数

令其中U'_g为矩阵，而为矩阵并包含了主要特 征值。令其维度为同时令Ξ_g经过奇异值分解后的 酉矩阵为其中维度为构成了Ξ_g的正交空间的一组正交 基。

那么的协方差矩阵令的酉矩阵其中包含了G_g的主要的特征值，令用户组g的预波束赋形矩阵则下行用户组g等效信道为等效信道的维度显著降 低，可见B_g可以视为与主要的特征模式g'≠g正交，而与用户组g内的特征模式匹配。

计算B＝[B₁,...,B_G]作为总的预波束赋形矩阵，在预波束赋形后，对终端再进行简单的迫零预编码或者正则迫零预编码P，即总的波束赋形矩阵V＝BP，发送下行数据。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于多用户多输入多输出的导频优化分配联合预编码方法，其特征在于，该方法通过以下步骤实现：

步骤1：基站将所有导频平均分为两个导频子组，分配给两类小区，相同类型小区采用完全相同的导频子组；

步骤2：获取终端的波达方向(DOA)，并且根据所述获取的DOA进行小区内的导频分配，使得在具有严重导频污染的边缘终端分配不一样的导频；

步骤3：所述终端向所属小区基站发送导频信息，所述小区基站通过信道估计得到含导频污染的所述终端的信道信息，根据时分双工的信道互易，基站获取信道信息；

步骤4：所述基站通过估计终端的DOA，搜索到所述终端的波达方向，根据所述DOA对含导频污染的所述终端的信道信息进行重新计算得到优化的终端的信道信息；

步骤5：所述基站选取G个信道质量较好的终端作为用户组中心，计算其他终端与所述用户组中心的距离，根据距离的大小分配剩余终端，并更新用户组中心，迭代并将所有用户分组；

步骤6：通过计算用户组的信道的二阶统计量即信道协方差矩阵，获得预波束赋形矩阵后，降低信道维度，再进行简单的线性预编码发送数据。

2.根据权利要求1所述的用于多用户多输入多输出的导频优化分配联合预编码方法，其特征在于：所述步骤1中，基站将所有基站的导频的集合{A}平均分为两组{{A1}，{A2}}，{A1}{A2}组间以及组内的导频都完全正交，每组内的导频数大于等于单个小区内的用户数，将蜂窝小区平行分类，同类小区间导频完全复用，不同类小区间导频完全正交，不产生导频污染，即对某一小区C_j产生导频污染的只有与其左右相邻的小区C_j-1与C_j+1。

3.根据权利要求1所述的用于多用户多输入多输出的导频优化分配联合预编码方法，其特征在于：所述步骤2中，记基站为B_x(x＝1,2,3)，一个小区内只有一个基站，即C_j(j＝1,2,3)小区内的基站为B_x(x＝1,2,3,x＝j)，记为B_j，C₁小区内的基站为B₁，以此类推，不同小区的基站协作，共享用户信道信息，小区C_j(j＝1,2,3)内的所有K_j个终端到B_j基站的信道信息为H_j，用户集合记为S_j；

基站B_j获得小区C_j内第k(k＝1,2,…,K)个终端的波达方向DOA_kj，即C_j小区内的第k个终端到基站B_j的波达方向，并判断DOA_kj与若干预设固定取值范围的关系；

统计小区C_j内终端的波达方向DOA_kj属于某一固定取值范围内的终端记为集合终端数为K_j ^*，对小区C_j内所用的导频集合{A1}根据K_j ^*/K的比值大小按比例浮动进行动态分组{A1}＝{{A11}，{A12}}，并将{A11}导频分配给DOA_kj属于某一固定取值范围内的终端而{A12}则分配给DOA_kj属于取值范围外的用户S'_j；在与C_j相邻的C_j+1和C_j-1小区内的终端DOA_k(j+1)或DOA_k(j-1)属于固定范围内的终端或则分配导频{A12}，终端S＇_j+1或S＇_j-1则分配导频{A11}。

4.根据权利要求1所述的用于多用户多输入多输出的导频优化分配联合预编码方法，其特征在于：所述步骤3中，C_j小区内的K个终端到基站B_x的信道矩阵为H_xj＝[h_xj1,...,h_xjK]^T,j,x＝1,2,3，其中h_xjk∈C^M×1是C_j小区内的第k个终端到基站B_x的信道向量，M是基站的天线数，[·]^T表示矩阵的转置，小区C_j内的终端到第j基站B_x的信道向量简化为H_jx＝H_j,j＝x；

C_j小区内的所有终端发送的导频信息为Ψ_j＝[φ_j1,...,φ_jK]^T，其中φ_jk∈C^τ×1是C_j小区内第k个用户发送的导频向量，τ是导频长度；

基站B_x接收到的信号为w是均值为0，方差为1的高斯白噪声，β_xj＝diag{β_xj1，...，β_xjK}∈C^K×K是Cj小区内的终端到基站B_x的大尺度衰落，diag{…}表示对角矩阵，p_r是终端发射功率；

通过最小均方误差信道估计算法估计得到视为有效信道矩阵H_x和相邻小区的干扰信道矩阵H_x,j,j＝1,2,3,j≠x以及噪声产生的干扰w_x的线性组合，其中χ_j,j＝1,2,3是K×K的对角矩阵，χ_j＝diag{χ_j1，...，χ_jK}∈C^K×K，其对角线元素χ_jk∈[0,1]；单个终端的信道向量估计为满足β_xk>β_xjk,j≠x。

5.根据权利要求1所述的用于多用户多输入多输出的导频优化分配联合预编码方法，其特征在于：所述步骤4中，基站B_x对小区C_j(j)＝x内的第k个终端进行最小均方误差信道估计后，通过频谱估计，根据谱峰高低来确定小区内终端的有效信道和来自干扰小区的终端的干扰信道并滤除干扰信道，得到最终估计信道

6.根据权利要求1所述的用于多用户多输入多输出的导频优化分配联合预编码方法，其特征在于：所述步骤5中，基站B_j将小区C_j内的所有终端分为G组，定义V_g为用户组中心的权值，其中g＝1,2,…,G，即：基站B_j在小区C_j内随机选择G(个信道质量较好，其中G<K)并且大尺度衰落以及波达方向都有区别的终端作为初始的用户组中心；小区C_j内的每个终端的信道向量协方差矩阵进行奇异值分解()^H表示共轭转置，终端的信道向量相似，其协方差矩阵相似，令V_g＝U_g，g＝1,2,...,G，U_g为初始化的G个用户中心的协方差矩阵R_g的酉矩阵；

计算剩下K-G个终端到用户组中心的距离k＝G+1,…,K，表示求矩阵的2范数，将终端分配到距离最近的用户组里，即：其中S_g为第g个用户组里所包含的终端，表示用户组更新后多了第k个终端；

更新G个用户组中心Υ{·}表示求内部矩阵的酉矩阵，计算阈值ε满足0<ε<1，当|d_total-d'|<εd'时，则用户组分配完毕，若不满足则令d'＝d_total(初始d'＝0)，重新计算所有K个终端到用户组中心的距离d(U_k,V_g)，重新迭代更新用户组中心直到满足条件|d_total-d'|<εd'，完成终端分配。

7.根据权利要求1所述的用于多用户多输入多输出的导频优化分配联合预编码方法，其特征在于：所述步骤6，定义第g个用户组有K_g个终端，第g个用户组的信道矩阵为同组用户信道协方差矩阵近似相等秩为r_g，满足主要特征值数

令其中U'_g为矩阵，而为矩阵并包含了主要特征值，令其酉矩阵为

的协方差矩阵令的酉矩阵其中包含了G_g的主要的特征值，令用户组g的预波束赋形矩阵计算B＝[B₁,…,B_G]作为总的预波束赋形矩阵；对终端再进行简单的迫零预编码或者正则迫零预编码P，总的波束赋形矩阵V＝BP。