CN105790913B

CN105790913B - FDD模式massive-MIMO系统中上行导频的选择与分配方法

Info

Publication number: CN105790913B
Application number: CN201410852532.8A
Authority: CN
Inventors: 易辉跃; 徐景
Original assignee: Shanghai Research Center for Wireless Communications
Current assignee: Shanghai Research Center for Wireless Communications
Priority date: 2014-12-26
Filing date: 2014-12-26
Publication date: 2019-01-22
Anticipated expiration: 2034-12-26
Also published as: CN105790913A

Abstract

本发明提供一种FDD模式massive‑MIMO系统中上行导频的选择与分配方法，各小区中用户测量与各小区基站间具有最大增益的波束复用组的序号，并反馈给其服务基站；服务基站将反馈信息交互给其相邻各基站；基站根据来自相邻小区的交互信息，确定本小区中使用某一上行导频序列的用户的具有最大增益的波束及相邻小区中使用相同上行导频序列的用户的具有最大增益的波束，并判断本小区中的用户是否能与相邻小区中的用户使用使用相同的上行导频序列。本发明通过增加用户的测量量与反馈量，基站间的信息交互及用户与基站间的信息交互，有效地降低了FDD模式多小区massive MIMO系统中的上行导频污染。

Description

FDD模式massive-MIMO系统中上行导频的选择与分配方法

技术领域

本发明涉及一种5G系统中FDD模式多小区massive MIMO系统中的上行导频污染抑制方法，特别是涉及一种FDD(Frequency Division Duplexing，频分双工)模式massive-MIMO(massive Multiple Input Multiple Output，大规模多输入多输出)系统中上行导频的选择与分配方法。

背景技术

在FDD模式的massive MIMO系统的下行链路中，为了降低下行链路的导频开销，通常使用导频资源复用多个波束的方法，从而引入了多小区Massive MIMO系统中的上行导频污染。

如图1所示，TDD模式多小区大规模MU-MIMO系统中有L个小区。各小区有一个N天线的基站(Base State，BS)和K个单天线用户。假设所有L个小区使用相同的K个导频序列，并用τ×K维正交矩阵Φ表示，其满足Φ^HΦ＝τI。而且，假设不同小区的导频发射是同步的。那么，基站i的接收信号矩阵可表示为：

式中，H_i,l∈C^N×K为小区l中K个用户与基站i间的N×K维信道矩阵，为导频发射期间基站i处的噪声矩阵(其中各项为均值0，单位方差)，ρ_p为导频发射功率。

为了估计信道，基站i将其接收信号投影到Φ^*上，从而得到用于估计信道H_i,i的统计量。由式(1)可知，估计的信道矩阵为：

在上式的推导中，利用了Φ^HΦ＝τI。的第k列为信道矢量h_i,k,i的估计值。由式(2)可知，为不同小区中使用相同导频序列的那些用户信道矢量h_i,k,l(l＝1,…,L)的线性组合。这种现象称为导频污染。由于导频污染导致信道估计误差，不仅使得上行链路信号检测性能降低，而且如果采用该信道矩阵进行下行链路的预编码，则会对非期望用户造成很大的干扰。因此，很多研究者对降低导频污染的方法进行了大量的研究工作，提出了一些解决方案。

目前，已提出了一些抑制导频污染的方案。下面介绍几种典型的方案。

(1)基于协议的导频污染抑制方案

最直接的一种方法是通过频率复用或减少使用非正交导频序列的用户来减低导频污染效应。但是，一般而言，频率复用并没有能利用massive MIMO能同时复用大量用户的优势。这是因为该方法虽然提高了特定用户的信噪比SINR，但同时服务的用户数却减少了。在上述方法中，所有用户都同时发送导频序列，这就会出现导频污染。为了降低导频污染，现有技术提出了一种基于时移(非同步)传输协议的方案，其基本思想是将小区分成若干组A₁,…,A_Γ，并在各组内使用时移传输协议，图2即为Γ＝3的示例。当组A₁中用户发射导频时，组A₂中的基站则发送下行链路的数据信号。这样就避免了组A₁和组A₂中用户间的导频污染。与此同时，组A₁中基站需要在存在来自组A₂和组A₃中基站的下行链路发送信号时估计组A₁中用户的信道矩阵。由于下行链路的发射功率ρ_d通常远大于导频序列的功率ρ_p，因此目前尚不清楚该方法能提供多少增益。

(2)基于预编码的方法

基于多小区协作的预编码方法能抑制导频污染效应。但是，基站间需要的信息交互开销随着天线数的增加而增加。因此，这些方法仅适用于具有有限天线数的MIMO系统。为了获得协作的优势且限制信息交互开销，现有技术提出了一种导频污染预编码(PCP)方案。PCP方案基于两个假设：(a)各基站能获取所有小区中所有用户的源信号；(b)所有基站都能获得大尺度衰减系数d_i,k,l。由于导频污染，信道估计矢量为不同小区中使用相同导频序列的那些用户信道矢量h_i,k,l(l＝1,…,L)的线性组合。在PCP方案中，各基站并不是抑制由污染的信道估计值引起的干扰，而是利用导频污染为网络中所有用户发送信息。但是，有研究表明只有当天线数N>10⁶时，PCP方案才开始有性能增益。

(3)基于到达角(AOA)的导频污染抑制方法

有研究表明，在实际信道模型中，对于具有相同或非正交导频序列的某些用户，其相互之间可能并不存在干扰。根据关于均匀线阵(ULA)的多径信道模型，从小区l中用户k到基站i的信道矩阵具有如下形式：

式中，Θ为多径数，独立于路径序号θ，为用户的平均路径损耗，a(θ)为阵列的方向矢量。对于ULA，方向矢量可表示为：

式中，D为天线间距，λ为载波的波长，θ为具有概率密度函数(PDF)f(θ)的随机到达角(AOA)。经证明，即使用户使用相同的导频序列，但只要相互具有不重叠的AOA的PDF，则其导频难于相互干扰。根据该思想，现有技术还提出了一种降低导频污染的方案，即将相同的导频序列分配给相互具有不重叠AOA的PDF的那类用户。该方法要求各基站处各用户之间的相关矩阵满足其主要子空间不重叠这一条件，而且要求各基站知道其与所有用户间的相关矩阵。也就是说，如果有L个基站，各基站中有K个用户，则要求各基站能获得其与LK个用户间的LK个相关矩阵。

因此，该方法具有以下缺陷：

A、该方法要求各基站处各用户之间的相关矩阵满足其主要子空间不重叠这一条件，而且要求各基站知道其与所有用户间的相关矩阵。也就是说，如果有L个基站，各基站中有K个用户，则要求各基站能获得其与LK个用户间的LK个相关矩阵。但是，实际上基站难于获取LK个相关矩阵的信息。

B、当不同小区中2个用户到某一基站具有相近的AOA时，则该基站无法区分这两个用户，从而导致上行导频污染。

(4)基于子空间划分技术的导频污染盲抑制方法

基于子空间划分技术的方法同样能抑制导频污染。在现有技术中，提出了基于特征值分解(EVD)的信道估计和迭代投影最小二乘的信道矢量估计方法。基于特征值分解(EVD)的信道估计方法要求不同用户的信道矢量是正交的，该假设使得基站能利用接收数据的统计量来估计信道矢量。这类方法内在的乘性标量模糊度可利用相互正交的小区导频序列来解决。

该方法可总结如下：在上行链路传输阶段，用户先发送数据信号，然后发送小区导频序列。

估计过程包括如下步骤：

步骤1：估计接收信号的协方差矩阵：

式中，为第lth个基站在时刻t的接收信号。

步骤2：求解N×K维矩阵U_l，其第k列为对应于接近于特征值Nρ_ud_l,l,k的特征矢量。而且，借助于导频序列，可获得乘性矩阵Ξ_l的估计值

步骤3：计算估计值

但是，如果相邻两小区中使用相同导频序列的两个用户都位于边沿且相距较近时，两个用户很可能处于相同的子空间中，则EVD方法难于将两个用户的子空间分开。此时，基于EVD的盲方法将无法有效降低导频污染。

(5)massive MIMO系统中基于空分复用技术的CSI-RS发送/接收方法

在massive MIMO系统中，如果采用传统的导频设计方案，则由于基站端具有很多天线，则CSI-RS中需要的导频子载波数将等于天线数，这将大大地消耗频谱资源，从而降低频谱利用效率。为了减少导频资源的开销，现有技术还提供了一种利用空分复用技术的CSI-RS发送/接收方案，允许多个波束复用相同的CSI-RS资源(将相同的资源分配给多个波束)。同时，还提供了一种最大增益波束形成矢量的确定方法。在基站发射端，基站结合如下两方面信息确定具有最大增益的波束：(1)移动用户反馈回的资源复用组的序号信息；(2)利用上行链路空间相关矩阵估计的CSI-RSs的平均信道增益。

在上述方法中，首先产生相应天线端口所发射波束的参考信号，其中波束是通过将波束形成矢量对参考信号进行预编码而形成的。这些波束根据复用的资源分成若干资源复用组。然后，发射机(BS)将这些波束发送出去。各用户确定具有最大增益的参考信号，并由此确定其资源复用组的序号。而且，各用户将该资源复用组的序号信息反馈回发射机(BS)。最后，发射机为该用户确定并选择具有最大增益的波束。

具体地，假设massive MIMO的基站端有M根天线。在基站端，首先波束信号产生器产生将由天线端口发送的N个每波束信号{R_n}_{n＝0,1,...,N-1}，其中每波束信号为发射机产生的随机序列。然后，基站利用N个M维波束形成矢量将N个每波束信号发送给移动用户。而且，给出了多个波束复用资源的方法，即基站将相同的资源分配给多个波束。

波束形成器利用由M×MDFT矩阵U中N列所构成的波束形成矢量U_N对N个每波束信号{R_n}_{n＝0,1,...,N-1}进行预编码后产生相应天线端口的发射波束。比如，对使用128根发射天线和128个波束的massive MIMO系统，如果16个波束复用1个资源，共需8个资源复用组.128发射天线的信道信息仅使用了8个资源，且使用第g个资源的资源复用组可表示为如下：

…

这样，属于各资源复用组的16个波束信号通过16个波束进行了空间复用。在接收端，各用户通过参考相应的CSI-RS资源来估计信道状态。式(2)给出了第k个移动用户关于由资源组R_g复用的CSI-RS资源的接收信号y_k,g。虽然波束携带的接收信号在相同资源上发送的资源组R_g，但是由于massive MIMO的高度方向性特性，故与下行链路信道h_k信道增益很弱的那些波束所携带的信号可忽略不计。因此，接收信号可近似等于由具有与h_k最大信道增益的波束所携带的信号。

移动用户通过比较信道h_k和波束形成矢量u_n间信道增益||h_ku_n||的大小来确定具有最大增益的波束形成矢量，并将其序号n^*反馈给基站。由于多个波束使用相同的CSI-RS资源，因此n^*表示的是资源复用组的序号，而不是单个波束的序号。因此，基站必须基于用户反馈回的资源复用组信息，从相应资源复用组的波束中为移动用户确定具有最大增益的波束。比如，针对利用8个CSI-RS资源发送128个波束的massive MIMO系统，基站必须从属于同一资源复用组的16个波束中确定具有最大增益的波束。为此，基站BS基于各移动用户发送的上行链路SRS估计上行链路的瞬时信道矢量t_k(1×M维)。然后，计算上行链路空间相关矩阵：

T_k＝E[t_k ^Tt_k] (8)

在FDD系统中，即使上行链路和下行链路使用不同的频段，其上行链路和下行链路的空间相关矩阵是匹配的。因此，由式(8)估计的上行链路空间相关矩阵可用于计算使用某一波束形成矢量时下行链路信道的平均信道增益。

基于上述讨论，基站可利用此估计的上行链路空间相关矩阵计算第n个波束上下行链路信道的平均信道增益如下

基站计算各移动用户在N个波束上的平均信道增益并确定包含平均信道增益高于某个预定门限值的那些波束序号的长期激活波束集Λ_k。波束集Λ_k根据信道的变化而变化，因此，基站将周期或非周期性地更新Λ_k。

基站从属于长期激活波束集Λ_k的波束中，在属于用户反馈回的资源复用组序号指示的资源复用组中的波束中选定一个波束，并将其作为相应移动用户的具有最大增益的波束。但是，该方法没有解决小区间的上行导频污染问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种FDD模式massive-MIMO系统中上行导频的选择与分配方法，通过增加用户的测量量与反馈量，基站间的信息交互及用户与基站间的信息交互，有效地降低了FDD模式多小区massive MIMO系统中的上行导频污染。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种FDD模式massive-MIMO系统中上行导频的选择与分配方法，假设massive MIMO系统有L个小区，各基站有M根天线；波束信号产生器产生L个长度为N的每波束信号序列且该L个序列是正交的，分别分配给L个小区的基站；小区l的基站利用N个M维波束形成矢量将N个每波束信号发送给移动用户；基站将相同的资源分配给多个波束，复用N个波束信号的资源复用组分为J＝M/N个，同时不同小区的每波束信号是正交的，小区l中第k个移动用户关于资源复用组R_g的接收信号y_k,g表示为：

g＝1,2,…,J

其中，为小区中用户k与小区l的基站之间的信道矩阵；假设小区j中用户k的上行导频序列为a_k，且该用户的DTX模式为p_j,k，j＝1,2,…,L；

上行导频的选择与分配方法包括如下步骤：

步骤S1：小区l中移动用户k确定其与各小区基站之间的具有最大增益的波束形成矢量及其资源复用组序号；

步骤S2：各小区将信息通知相邻的(L-1)个小区；其中，信息包括小区l的ID号、小区l中用户k上行导频序列a_k的序号，DTX模式p_l,k，小区l中用户k与小区j的基站间具有最大增益的波束形成矢量的资源复用组序号

步骤S3：小区l的基站根据所获得的来自其相邻(L-1)小区的信息，确定相邻小区j中用户k与小区l的基站之间最大增益的波束及其序号并确定本小区中用户k与小区l的基站之间最大增益的波束及其序号最后确定本小区中用户k能否与相邻小区j中用户k使用相同的上行导频信号a_k。

根据上述的FDD模式massive-MIMO系统中上行导频的选择与分配方法，其中：所述步骤S1包括以下步骤：

a)小区l中移动用户k将其接收信号与小区j的每波束信号R_n ^l进行相关，得到来自小区j基站发射的下行信号：

b)小区l中移动用户k通过比较信道和波束形成矢量u_n间信道增益的大小来确定具有最大增益的波束形成矢量u_n，并得到具有最大增益的波束形成矢量u_n的资源复用组序号

c)小区l中移动用户k以小区j识别号、小区l中用户k与小区j的基站间具有最大增益的波束形成矢量的资源复用组序号的格式保存其与各小区的基站之间具有最大增益的波束形成矢量的资源复用组序号，并将上述信息反馈给其服务基站。

根据上述的FDD模式massive-MIMO系统中上行导频的选择与分配方法，其中：所述步骤S3中确定本小区中用户k能否与相邻小区j中用户k使用相同的上行导频信号a_k时，包括以下步骤：

a)在上行导频序列a_k的发送期间，小区l的基站的上行链路接收信号为：

其中，ρ_p表示上行导频的发射功率，G_l,j,k表示小区j中使用导频序列a_k的用户k与小区l的基站之间的信道矩阵，为加性高斯白噪声；

根据L小区中用户k的DTX模式p_j,k，j＝1,…,L，小区l的基站确定小区l中用户k的DTX模式p_j,k中发送导频信号a_k期间其他(L-1)个小区中也发送导频信号a_k的用户集A_l,k，小区l的基站确定小区l中用户k的DTX模式p_j,k中不发送导频信号a_k而其他(L-1)个小区中发送导频信号a_k的用户集B_l,k；

其中，用户集A_l,k中用户相对应的最大增益的资源复用组序号用集合表示，而用户集B_l,k中用户相对应的最大增益的资源复用组序号用集合表示；

b)小区l中基站分别计算小区l中用户k的DTX模式p_l,k的发送导频信号a_k期间和不发送导频信号a_k期间的空间相关矩阵，并分别确定小区l中用户k、用户集A_l,k和用户集B_l,k 中各用户的具有最大增益的波束和及序号；

c)小区l的基站根据所获取的和确定本小区中用户k是否能与其邻小区i中用户k使用相同的上行导频序列a_k。

进一步地，根据上述的FDD模式massive-MIMO系统中上行导频的选择与分配方法，其中：所述步骤b)中又包括以下步骤：

b11)在小区l中用户k的DTX模式p_l,k的发送导频信号a_k期间，小区基站l的接收信号表示为

在p_l,k的发送信号期间的空间相关矩阵如下：

第n个波束上下行链路信道的平均信道增益如下

小区l的基站计算各移动用户在M个波束上的平均信道增益并确定包含平均信道增益高于某个预定门限值的那些波束序号的长期激活波束集Λ_l,k；

小区l的基站从属于长期激活波束集Λ_l,k的波束中，为集合A_l,k中各用户i∈A_l,k在属于该用户反馈回的资源复用组中的波束中选定一个波束并将其作为用户i∈ A_l,k的具有最大增益的波束，A_l,k中所有用户的最大增益波束构成一个集合

b12)在小区l中用户k的DTX模式p_l,k的不发送导频信号a_k期间，小区基站l基站BS的接收信号表示为

在p_l,k的不发送信号期间的空间相关矩阵如下：

第n个波束上下行链路信道的平均信道增益如下

小区l的基站从属于长期激活波束集Λ_l,k的波束中，为集合B_l,k中各用户i∈B_l,k在属于该用户反馈回的资源复用组中的波束中选定一个波束并将其作为用户i∈B_l,k的具有最大增益的波束；B_l,k中所有用户的最大增益波束构成一个集合

更进一步地，根据上述的FDD模式massive-MIMO系统中上行导频的选择与分配方法，其中：波束集Λ_l,k根据信道的变化而变化，基站周期或非周期性地更新Λ_l,k。

进一步地，根据上述的FDD模式massive-MIMO系统中上行导频的选择与分配方法，其中：所述步骤c)中确定本小区中用户k是否能与其邻小区i中用户k使用相同的上行导频序列a_k时，根据以下原则：

如果小区l中用户k的最大增益的波束序号和小区i中用户k的最大增益的波束序号位于不能复用的波束中，则表明小区l中用户与其邻小区i中用户k不能使用相同的上行导频序列a_k；否则，小区l中用户与其邻小区i中用户k能使用相同的上行导频序列a_k；

如果小区l中用户k的最大增益的波束序号和小区i中用户k的最大增益的波束序号位于不能复用的波束中，则表明小区l中用户与其邻小区i中用户k不能使用相同的上行导频序列a_k；否则，小区l中用户与其邻小区i中用户k能使用相同的上行导频序列a_k。

根据上述的FDD模式massive-MIMO系统中上行导频的选择与分配方法，其中：还包括步骤S4：当小区l中使用上行导频序列a_k的用户k和某一相邻小区中使用上行导频序列a_k的干扰用户位于同一个波束空间，而且两者都无DTX时，小区l的基站为本小区中使用导频a_k序列的用户k配置一个短期的DTX传输模式p_l,k，并通知该用户进入DTX传输模式p_l,k；收到该配置信息后，该用户进入该DTX传输模式p_l,k；然后执行步骤S1至步骤S3。

如上所述，本发明的FDD模式massive-MIMO系统中上行导频的选择与分配方法，具有以下有益效果：

(1)通过增加用户的测量量与反馈量，基站间的信息交互及用户与基站间的信息交互，有效地降低了FDD模式多小区massive MIMO系统中的上行导频污染；

(2)上述用户的测量量与反馈量，基站间的信息交互，都有可能在未来的massiveMIMO系统中被标准化。

附图说明

图1显示为现有技术中小区大规模MU-MIMO系统的示意图；

图2显示为现有技术中基于时移的导频方案的示意图；

图3显示为本发明的FDD模式massive-MIMO系统中上行导频的选择与分配方法的流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

针对FDD模式的多小区massive MIMO系统，在你本发明的FDD模式massive-MIMO系统中上行导频的选择与分配方法中，首先，各小区中用户测量与各小区基站间具有最大增益的波束复用组的序号，并以格式(小区识别号、其与该小区基站间具有最大增益的波束复用组的序号)反馈给其服务基站；然后，服务小区基站收到其用户的反馈信息后，将信息以格式(小区识别号、用户序号、用户使用的上行导频序号、用户的DTX传输模式、用户与邻小区基站间具有最大增益的波束复用组的序号)交互给其相邻各基站；最后，基站根据来自相邻小区的交互信息，确定本小区中使用某一上行导频序列的用户的具有最大增益的波束及相邻小区中使用相同上行导频序列的用户的具有最大增益的波束，并由此判断本小区中的用户是否能与相邻小区中的用户使用使用相同的上行导频序列。因此，本发明通过增加用户的测量量与反馈量，基站间的信息交互及用户与基站间的信息交互，有效地降低了FDD模式多小区massive MIMO系统中的上行导频污染。

假设massive MIMO系统有L个小区，各基站有M根天线。首先波束信号产生器产生L个长度为N的每波束信号序列假设这L个序列是正交的。而且，这L个序列将分配给L个小区的基站。将由天线端口发送N个每波束信号其中每波束信号为发射机产生的随机序列。

然后，小区l的基站利用N个M维波束形成矢量将N个每波束信号发送给移动用户。其中，为了降低导频开销，基站将相同的资源分配给多个波束。此时，复用N个波束信号的资源复用组分为J＝M/N个。而且，假设不同小区的每波束信号是正交的。在上述假设下，小区l中第k个移动用户关于资源复用组R_g的接收信号y_k,g可表示为：

式中，为小区中用户k与小区l的基站之间的信道矩阵。而且，假设小区j中用户k的上行导频序列为a_k，且该用户的DTX(用户断续传播)模式为p_j,k 基于以上假设和信号模型，参照图3，本发明的FDD模式massive MIMO系统的上行导频选择与分配方法包括如下步骤：

步骤S1：小区l中移动用户k确定其与各小区基站之间的具有最大增益的波束形成矢量及其资源复用组序号。

具体地，步骤S1包括以下步骤：

a)小区l中移动用户k将其接收信号与小区j的每波束信号进行相关，得到来自小区j基站发射的下行信号：

b)小区l中移动用户k通过比较信道和波束形成矢量u_n间信道增益的大小来确定具有最大增益的波束形成矢量u_n，并由此得到其资源复用组序号以小区j识别号、小区l中用户k与小区j的基站间具有最大增益的波束形成矢量的资源复用组序号的格式来保存。

c)小区l中移动用户k以小区j识别号、小区l中用户k与小区j的基站间具有最大增益的波束形成矢量的资源复用组序号的格式保存其与各小区的基站之间具有最大增益的波束形成矢量的资源复用组序号，并将这些信息反馈给其服务基站。

步骤S2：各小区将信息通知其相邻的(L-1)个小区；其中，信息包括小区l的ID号、小区l中用户k上行导频序列a_k的序号，其DTX模式p_l,k，小区l中用户k与小区j的基站间具有最大增益的波束形成矢量的资源复用组序号

步骤S3：小区l的基站根据所获得的来自其相邻(L-1)小区的信息，确定相邻小区j中用户k与小区l的基站之间最大增益的波束及其序号并确定本小区中用户k与小区l的基站之间最大增益的波束及其序号并确定本小区中用户k能否与相邻小区j中用户k使用相同的上行导频信号a_k。

具体地，步骤S3中确定本小区中用户k能否与相邻小区j中用户k使用相同的上行导频信号a_k时，包括以下步骤：

其中，ρ_p表示上行导频的发射功率，G_l,j,k表示小区j中使用导频序列a_k的用户k与小区l的基站之间的信道矩阵，为加性高斯白噪声。

根据L小区中用户k的DTX模式p_j,k(j＝1,…,L)，小区l的基站确定小区l中用户k的DTX模式p_j,k中发送导频信号a_k期间其他(L-1)个小区中也发送导频信号a_k的用户集A_l,k，小区l的基站确定小区l中用户k的DTX模式p_j,k中不发送导频信号a_k而其他(L-1)个小区中发送导频信号a_k的用户集B_l,k。

值得注意的是，用户集A_l,k和用户集B_l,k中可能有些用户相同。此外，用户集A_l,k中用户相对应的最大增益的资源复用组序号用集合表示，而用户集B_l,k中用户相对应的最大增益的资源复用组序号用集合表示。

b)小区l中基站分别计算小区l中用户k的DTX模式p_l,k的发送导频信号a_k期间和不发送导频信号a_k期间的空间相关矩阵，并分别确定小区l中用户k、用户集A_l,k和用户集B_l,k中各用户的具有最大增益的波束及序号。

具体地，步骤b)中又包括以下步骤：

然后，计算在p_l,k的发送信号期间的空间相关矩阵如下：

在FDD系统中，即使上行链路和下行链路使用不同的频段，其上行链路和下行链路的空间相关矩阵是匹配的。因此，由式(14)估计的上行链路空间相关矩阵可用于计算使用某一波束形成矢量时下行链路信道的平均信道增益。基于上述讨论，基站可利用此估计的上行链路空间相关矩阵计算第n个波束上下行链路信道的平均信道增益如下

小区l的基站计算各移动用户在M个波束上的平均信道增益并确定包含平均信道增益高于某个预定门限值的那些波束序号的长期激活波束集Λ_l,k。波束集Λ_l,k根据信道的变化而变化，因此，基站将周期或非周期性地更新Λ_l,k。

小区l的基站从属于长期激活波束集Λ_l,k的波束中，为集合A_l,k中各用户i∈A_l,k在属于该用户反馈回的资源复用组中的波束中选定一个波束并将其作为用户i∈A_l,k的具有最大增益的波束。而且，A_l,k中所有用户的最大增益波束构成一个集合

此外，小区l的基站从属于长期激活波束集Λ_lk的波束中，为本小区用户k在该用户反馈回的资源复用组中的波束中选定一个波束并将其作为该用户的具有最大增益的波束。

b12)在小区l中用户k的DTX模式p_l,k的不发送导频信号a_k期间，小区基站l基站BS的接收信号可表示为

然后，计算在p_l,k的不发送信号期间的空间相关矩阵如下：

在FDD系统中，即使上行链路和下行链路使用不同的频段，其上行链路和下行链路的空间相关矩阵是匹配的。因此，由式(17)估计的上行链路空间相关矩阵可用于计算使用某一波束形成矢量时下行链路信道的平均信道增益。基于上述讨论，基站可利用此估计的上行链路空间相关矩阵计算第n个波束上下行链路信道的平均信道增益如下

小区l的基站从属于长期激活波束集Λ_l,k的波束中，为集合B_l,k中各用户i∈B_l,k在属于该用户反馈回的资源复用组中的波束中选定一个波束并将其作为用户i∈B_l,k的具有最大增益的波束。而且，B_l,k中所有用户的最大增益波束构成一个集合

步骤c)中确定本小区中用户k是否能与其邻小区i中用户k使用相同的上行导频序列a_k时，根据以下原则：

如果小区l中用户k的最大增益的波束序号和小区i中用户k的最大增益的波束序号位于不能复用的波束中(根据实际情况而定，比如可选取则表明小区l中用户与其邻小区i中用户k不能使用相同的上行导频序列a_k；否则，小区l中用户与其邻小区i中用户k能使用相同的上行导频序列a_k。

优选地，还包括步骤S4：当小区l中使用上行导频序列a_k的用户k和某一相邻小区中使用上行导频序列a_k的干扰用户位于同一个波束空间，而且两者都无DTX时，小区l的基站为本小区中使用导频a_k序列的用户k配置一个短期的DTX传输模式p_l,k(无需通知其相邻基站)，并通知该用户进入DTX传输模式p_l,k；收到该配置信息后，该用户进入该DTX传输模式p_l,k；然后执行步骤S1至步骤S3。

具体地，当小区l中使用上行导频序列a_k的用户k和某一相邻小区中使用上行导频序列a_k的干扰用户位于同一个波束空间，而且两者都无DTX时，此时上述步骤S1到步骤S3的上行导频污染解决方案无法解决此种情况时的导频污染问题。为了解决此时的上行导频污染问题，此时小区l的基站可为本小区中使用导频a_k序列的用户k配置一个短期的DTX传输模式p_l,k(无需通知其相邻基站)，并通知该用户进入DTX传输模式p_l,k。收到该配置信息后，该用户进入该DTX传输模式p_l,k。然后就可利用上述步骤S1到步骤S3的上行导频污染解决方案来解决这种情况时的上行导频污染问题。

综上所述，本发明的FDD模式massive-MIMO系统中上行导频的选择与分配方法通过增加用户的测量量与反馈量，基站间的信息交互及用户与基站间的信息交互，有效地降低了FDD模式多小区massive MIMO系统中的上行导频污染；上述用户的测量量与反馈量，基站间的信息交互，都有可能在未来的massive MIMO系统中被标准化。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种FDD模式massive-MIMO系统中上行导频的选择与分配方法，其特征在于：假设massive MIMO系统有L个小区，各基站有M根天线；波束信号产生器产生L个长度为N的每波束信号序列且该L个序列是正交的，分别分配给L个小区的基站；小区l的基站利用N个M维波束形成矢量将N个每波束信号发送给移动用户；基站将相同的资源分配给多个波束，复用N个波束信号的资源复用组分为J＝M/N个，同时不同小区的每波束信号是正交的，小区l中第k个移动用户关于资源复用组R_g的接收信号y_k,g表示为：

上行导频的选择与分配方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的FDD模式massive-MIMO系统中上行导频的选择与分配方法，其特征在于：所述步骤S1包括以下步骤：

3.根据权利要求1所述的FDD模式massive-MIMO系统中上行导频的选择与分配方法，其特征在于：所述步骤S3中确定本小区中用户k能否与相邻小区j中用户k使用相同的上行导频信号a_k时，包括以下步骤：

b)小区l中基站分别计算小区l中用户k的DTX模式p_l,k的发送导频信号a_k期间和不发送导频信号a_k期间的空间相关矩阵，并分别确定小区l中用户k、用户集A_l,k和用户集B_l,k中各用户的具有最大增益的波束和及序号；

4.根据权利要求3所述的FDD模式massive-MIMO系统中上行导频的选择与分配方法，其特征在于：所述步骤b)中又包括以下步骤：

在p_l,k的发送信号期间的空间相关矩阵如下：

第n个波束上下行链路信道的平均信道增益如下

小区l的基站从属于长期激活波束集Λ_l,k的波束中，为集合A_l,k中各用户i∈A_l,k在属于该用户反馈回的资源复用组中的波束中选定一个波束并将其作为用户i∈A_l,k的具有最大增益的波束，A_l,k中所有用户的最大增益波束构成一个集合

在p_l,k的不发送信号期间的空间相关矩阵如下：

第n个波束上下行链路信道的平均信道增益如下

5.根据权利要求4所述的FDD模式massive-MIMO系统中上行导频的选择与分配方法，其特征在于：波束集Λ_l,k根据信道的变化而变化，基站周期或非周期性地更新Λ_l,k。

6.根据权利要求3所述的FDD模式massive-MIMO系统中上行导频的选择与分配方法，其特征在于：所述步骤c)中确定本小区中用户k是否能与其邻小区i中用户k使用相同的上行导频序列a_k时，根据以下原则：

7.根据权利要求1所述的FDD模式massive-MIMO系统中上行导频的选择与分配方法，其特征在于：还包括步骤S4：当小区l中使用上行导频序列a_k的用户k和某一相邻小区中使用上行导频序列a_k的干扰用户位于同一个波束空间，而且两者都无DTX时，小区l的基站为本小区中使用导频a_k序列的用户k配置一个短期的DTX传输模式p_l,k，并通知该用户进入DTX传输模式p_l,k；收到该配置信息后，该用户进入该DTX传输模式p_l,k；然后执行步骤S1至步骤S3。