CN105827273A - 多小区大规模mimo系统用户双天线导频干扰消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多小区大规模MIMO系统用户双天线导频干扰消除方法，将上行链路的导频污染和下行链路数据传输过程中的干扰通过考虑空间相关性和控制用户端的波束成型权值向量来减轻。同时将导频分配引入到前面所提的方法中来，提出了基于贪婪算法的导频分配策略，结合用户双天线装置，进一步的减轻了导频污染带来的影响，从而达到减轻信道估计误差，提升系统速率的目的。

Description

多小区大规模MIMO系统用户双天线导频干扰消除方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体地，涉及一种多小区大规模MIMO系统用户双天线导频干扰消除方法。

背景技术

近年来，随着无线通信技术的飞速发展，人们对于无线通信系统性能的要求也在不断提高。实现一个高速率、高稳定性、低功耗的移动通信网络来满足人们日益增加的需求，对于研究人员们来说既是一个机遇，也是一个挑战。

目前针对第五代(FifthGeneration,5G)无线通信网络的研究正在如火如荼的展开，预计到2020年5G系统就会得到部署和商用。在5G系统中有很多重点研究的关键技术，其中大规模多输入多输出技术(Multiple-inputMultiple-output,MIMO)因为众多的优点而备受瞩目。而大规模MIMO技术在大幅提升系统性能的同时，也面临着很多的挑战。大规模MIMO系统中的干扰，也就是俗称的导频污染问题，就是其中之一。因此，在保障系统性能的前提下，克服导频污染问题带来的影响，消除大规模MIMO系统中的干扰，是一个亟待解决的问题。

消除导频污染的方法分为几种，现有技术中公开了Y.Li,Y.Nam,B.L.Ng,andJ.C.Zhang的文献“Anon-asymptoticthroughputformassiveMIMOcellularuplinkwithpilotreuse(导频复用的大规模MIMO网络上行链路中一种非渐进吞吐率策略),”IEEEGlobecompp.4500-4504,2012,提出通过频率复用或者说减少使用非正交导频用户的数目来减轻导频污染的方法。在某些特殊场景下，这一方法可以提高性能，然而通常情况下由于服务的用户数减少即使特定用户的信干噪比增加也无济于事。从预编码角度考虑，J.Jose,A.Ashikhmin,T.L.MarzettaandS.Vishwanath的文献“Pilotcontaminationandprecodinginmulti-cellTDDsystems(多小区时分复用系统的导频污染和预编码),”IEEETransactiononWirelessCommunication,vol.10,no.8,pp.2640–2651,2011,提出一种分布式单小区预编码方法。根据这一方法，基站端的预编码矩阵是用来减少其自身小区内用户和其他小区用户干扰之间的均方误差。这种分布式预编码方法比传统的单小区迫零预编码方法性能要好。H.Q.NgoandE.G.Larsson的文献“EVD-basedchannelestimationsformulticellmultiuserMIMOwithverylargeantennaarrays(多天线多小区多用户MIMO系统中特征值分解基础上的信道估计),”IEEEICASSP,pp.3249–3252,2012,提出特征值分解基础上的信道估计和带投影的迭代最小二乘信道估计方法。特征值分解基础上的信道估计有一个前提假设，那就是不同用户的信道矢量相互正交。这一假设使得基站可以根据接收数据的统计信息来估计信道矢量。根据统计信息来估计的这种方法中固有的乘数标量不明的特性可以通过分配相互正交的导频序列来解决。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种多小区大规模MIMO系统用户双天线导频干扰消除方法。

根据本发明提供的多小区大规模MIMO系统用户双天线导频干扰消除方法，将上行链路的导频污染和下行链路数据传输过程中的干扰通过考虑空间相关性和控制用户端的波束成型权值向量来减轻。同时将导频分配引入到前面所提的方法中来，提出了基于贪婪算法的导频分配策略，包括如下步骤：

步骤1：设置多小区大规模MIMO系统的工作条件，并定义相关的系统参数；其中，相关的系统参数包括：复传播系数、导频分配矩阵、上行链路目标基站所接收到的信号以及下行链路中系统的可达合速率；

步骤2：根据用户位置获得各自的上行链路到达角和大规模衰落系数计算出对应小组可达合速率的最大值，并形成相应维数的结果表；

步骤3：寻找结果表中最大的元素并获得该元素相应的用户分组，记录相应的用户分组后清空该结果表；

步骤4：判断用户分组是否全部记录完毕，若用户分组已全部记录完毕，则完成导频分配，得到分配策略；若否，则返回执行步骤3。

优选地，所述步骤1包括：

步骤1.1：设置多小区大规模MIMO系统的工作条件；

具体地，假定小区数目为L的大规模MIMO系统均复用相同的频带，每个小区内有一个基站，基站上有M根天线，每个小区内服务K个双天线的用户；在基站天线数目M趋向正无穷时，L个小区都复用相同的长度为τ的导频序列，每个小区内的用户复用K个相互正交的导频序列，并且每个小区内的K个用户使用的导频互相正交；

其中，第l个小区内第k个用户标记为〈k,l〉，并设集合设整个系统使用的导频序列组为S＝{s₁,…,s_K}，s₁表示目标小区内第1个用户所分配到的导频序列，s_K表示目标小区内第K个用户所分配到的导频序列；其中s_k＝[s_k1,s_k2]，s_k1表示第k个用户的第1根天线所使用的导频向量，s_k2表示第k个用户的第2根天线所使用的导频向量，s_ki＝[s_ki1s_ki2...s_kiτ]^T,i＝1,2；s_ki1表示第k个用户的第i根天线所使用的导频向量中第1个导频，s_kiτ表示第k个用户的第i根天线所使用的导频向量中第τ个导频；

导频序列的功率设为相等，则：|s_ki1|²+…|s_kiτ|²＝τ,i＝1,2,k＝1,…,K；

步骤1.2：定义h_mjnkl为用户〈k,l〉的第n根天线与第j个小区内基站第m根天线之间的复传播系数：

$h_{mjnkl}={{\mathrm{\β}}_{jkl}}^{\frac{1}{2}}\·z_{mjnkl}$

其中：m＝1,…,M；

j＝1,…,L；

k＝1,…,K；

n＝1,2；

l＝1,...,L；

式中：z_mjnkl表示第l小区内第k个用户的第n根天线与第j个小区内基站第m根天线之间的快衰落系数，β_jkl表示第l小区内第k个用户与第j个小区内基站之间的大规模衰落系数，即代表了传输过程中的路径损耗和几何衰减；定义H_jkl为用户〈k,l〉和第j个小区基站之间的信道矩阵；

步骤1.3：定义用户导频分配矩阵V：

式中：V₁表示导频分配矩阵的第1列，对应于使用第一个导频的所有用户，为定义运算符号，V_K表示导频分配矩阵的第K列，对应于使用第k个导频的所有用户，表示一个L×K维度的矩阵；

步骤1.4：当用户导频分配确定后，定义上行链路目标基站所接收到的信号：

式中：Y_j表示第j个小区的基站接收信号，N表示元素为加性复高斯白噪声，每个元素均值为零方差为 表示用户〈k,l〉到第j个小区基站的等效信道矢量；

步骤1.5：根据系统等效信干燥比定义下行链路中系统的可达合速率：

式中：表示下行链路中系统的可达合速率，表示下行链路中用户〈k,l〉端接收信号的信干燥比；

考虑天线之间的空间相关性后，上行链路用户〈k,l〉端接收信号的等效信干燥比为：

式中：θ_jkl表示用户〈k,l〉到第j个小区基站位置获得的上行链路到达角，β_jkl表示用户〈k,l〉到第j小区基站大规模衰落系数，β_jkj表示用户〈k,l〉到第j小区基站大规模衰落系数，其中j,l＝{1,…,L},k＝{1,…,K}，u_kj1表示用户〈k,l〉的第1根天线处的波束成型权值，u_kj2表示用户〈k,l〉的第2根天线处的波束成型权值，E表示求均值的运算符号；表示用户〈k,j>到第j个小区基站等效大规模衰落系数，表示用户<k,l>到第j个小区基站等效大规模衰落系数；

在用户双天线场景中的下行链路中用户〈k,l>端接收信号的信干燥比表示为：

下行链路中系统的可达合速率表示为：

作为平均可达合速率为：

$R_{mean}^{dw}=\frac{1}{LK}{R}_{sum}^{dw}.$

优选地，所述步骤2包括：

对于第k个导频序列s_k的用户集合V_k，列出所有K^L种可能的用户分组，针对每种可能的用户分组情况分别选择波束成型权值向量，计算出各个用户分组可达合速率的最大值，并形成K^L维的结果表P。

优选地，所述步骤3包括：寻找结果表P中最大的元素并获得相应的用户分组情况，记为：

式中：表示当P中最大的元素时相应的用户分组情况，表示第1个小区中使用导频序列s_k的用户，表示第L个小区中使用导频序列s_k的用户，设G为集合记录后将结果表P清空，在剩下的用户组中继续选择，重新生成一个(K-1)^L维的结果表P，重复寻找结果表P中最大的元素并获得其相应的用户分组情况，记为：

优选地，所述步骤4包括：判断用户分组是否全部记录完毕，若用户分组已全部记录完毕即获得了全部的K个用户组，则完成导频分配，得到完整的分配策略若否，则返回执行步骤3，表示第K轮用户选择时结果表P相应的用户分组情况。

优选地，所述步骤1.1中的用户〈k,l〉和第j个小区基站之间的信道矩阵H_jkl是指：

式中：h_jkl1、h_jkl2分别表示用户〈k,l〉的两根天线到第j个小区基站的M×1维信道向量，表示用户〈k,l〉两根天线到第j个小区基站之间的相关性矩阵，协方差矩阵表示为：

优选地，所述步骤1.3中设表示第l个小区中使用导频序列s_k的用户，则使用第k个导频序列s_k的用户集合表示为：V_k有K^L种可能的组合；用户导频分配矩阵V的第l行向量p_l表示为：

即集合G内元素的一个重新组合，表示第l个小区内用户导频的分配情况，其中矩阵V有(K！)^L-1种可能的组合，V(l,:)表示矩阵V的第l行向量。

优选地，所述步骤1.4中用户到目标小区j基站的等效信道矢量表示为：

设：

式中：U_kl表示用户发送导频信号时的波束成型权值向量；u_kl1,u_kl2是实数且满足总功率约束，即u_kl1 ²+u_kl2 ²＝1，表示用户到目标小区j基站的等效信道矢量，表示用户到目标小区j基站的信道，z_jkl表示用户到目标小区j基站的快衰落系数，得到等效大规模衰落系数：

用户〈k,j〉到第j个小区基站之间的上行链路等效信道估计为：

式中：s_k ^*表示用户k使用的导频序列的共轭转置，τ表示导频序列的长度，u_kl1 ^*表示表示用户〈k,l〉的第1根天线处的波束成型权值的共轭转置，u_kl2 ^*表示用户〈k,l〉的第2根天线处的波束成型权值的共轭转置。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明利用用户端双天线装置来消除和减轻多小区大规模MIMO系统中导频污染，用户端多天线的大规模MIMO系统，上行链路的导频污染和下行链路数据传输过程中的干扰都可以通过考虑空间相关性和控制用户端的波束成型权值向量来减轻。考虑用户端双天线的情况，这样两根天线信道间的空间相关性可以得到利用。波束成型权值向量根据信道统计信息产生，因此可以避免获取实时信道状态信息。

2、本发明在上行链路导频传输时，由于波束直接射向目标基站，因此导频污染得到缓解，信道状态信息的准确性得到提升；在下行链路数据传输阶段，通过使用相同的波束，小区间的干扰进一步得到减轻。

3、本发明引入导频分配，提出了基于贪婪算法的导频分配策略，结合用户双天线装置，进一步的减轻了导频污染带来的影响，从而达到减轻信道估计误差，提升系统速率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的原理示意图；

图2为多小区大规模MIMO上行链路系统模型的示意图；

图3为不加导频分配时，用户单天线场景下最小二乘(LS)信道估计和我们提出的用户双天线波束成型权值向量方法信道估计误差的性能比较图；

图4为不加导频分配时，不同基站天线数目无干扰存在的理想最小二乘信道估计同传统的单天线场景下最小二乘信道估计以及本发明提出的用户双天线波束成型权值向量基础上的信道估计方法三者的信道估计误差比较图；

图5为K＝4,L＝2时，不同基站天线数目时基于贪婪算法导频分配的用户多天线最小二乘估计方法同无干扰存在的理想最小二乘信道估计、传统的单天线场景下最小二乘信道估计方法以及基于随机导频分配的用户双天线LS信道估计方法这四者的信道估计误差比较图；

图6为K＝4,L＝2时，基于贪婪算法导频分配的用户多天线干扰减轻方法的下行链路平均可达合速率的性能分析图。

图2中：

1-基站；

2-用户。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供的实例中蜂窝半径设为1000m，用户排除半径范围设为500m，小区边缘信噪比SNR为20dB，导频序列长度τ设为10，天线间距D设为半个波长，载波频率F为2GHz，多径数目P为50，路损因子设为3，用户到达角角度扩展设为20度。

本发明提供一种多小区大规模MIMO系统用户双天线导频干扰消除方法，属于无线通信技术领域。用户端多天线的大规模MIMO系统，上行链路的导频污染和下行链路数据传输过程中的干扰都可以通过考虑空间相关性和控制用户端的波束成型权值向量来减轻。考虑用户端双天线的情况，这样两根天线信道间的空间相关性可以得到利用。波束成型权值向量根据信道统计信息产生，因此可以避免获取实时信道状态信息。用户端统计波束成型带来两方面的好处：在上行链路导频传输时，由于波束直接射向目标基站，因此导频污染得到缓解，信道状态信息的准确性得到提升；在下行链路数据传输阶段，通过使用相同的波束，小区间的干扰进一步得到减轻。这两方面的好处带来了整体小区容量的提升。同时将导频分配引入到前面所提的方法中来，提出了基于贪婪算法的导频分配策略，结合用户双天线装置，进一步的减轻了导频污染带来的影响，从而达到减轻信道估计误差，提升系统速率的目的。

本发明中的方法包括以下步骤：

第一步、设置多小区大规模MIMO系统的工作条件，并定义相关的系统参数；其中，相关的系统参数包括：复传播系数、导频分配矩阵、上行链路目标基站所接收到的信号以及下行链路中系统的可达合速率；

具体地，假定小区数目为L的大规模MIMO系统均复用相同的频带，每个小区内有一个基站，基站上有M根天线，每个小区内服务K个双天线的用户；在基站天线数目M趋向正无穷时，L个小区都复用相同的长度为τ的导频序列，每个小区内的用户复用K个相互正交的导频序列，并且每个小区内的K个用户使用的导频互相正交；

其中，第l个小区内第k个用户标记为〈k,l〉，并设集合设整个系统使用的导频序列组为S＝{s₁,…,s_K}，s₁表示目标小区内第1个用户所分配到的导频序列，s_K表示目标小区内第K个用户所分配到的导频序列；其中s_k＝[s_k1,s_k2]，s_k1表示第k个用户的第1根天线所使用的导频向量，s_k2表示第k个用户的第2根天线所使用的导频向量，s_ki＝[s_ki1s_ki2…s_kiτ]^T,i＝1,2；s_ki1表示第k个用户的第i根天线所使用的导频向量中第1个导频，s_kiτ表示第k个用户的第i根天线所使用的导频向量中第τ个导频；

导频序列的功率设为相等，则：|s_ki1|²+…|s_kiτ|²＝τ,i＝1,2,k＝1,…,K；

用户〈k,l〉和第j个小区基站之间的信道矩阵H_jkl是指：

式中：h_jkl1、h_jkl2分别表示用户<k,l>的两根天线到第j个小区基站的M×1维信道向量，表示用户<k,l>两根天线到第j个小区基站之间的相关性矩阵，协方差矩阵表示为：

定义h_mjnkl为用户<k,l>的第n根天线与第j个小区内基站第m根天线之间的复传播系数：

其中：m＝1,…,M；

j＝1,…,L；

k＝1,…,K；

n＝1,2；

l＝1,…,L；

式中：z_mjnkl表示第l小区内第k个用户的第n根天线与第j个小区内基站第m根天线之间的快衰落系数，β_jkl表示第l小区内第k个用户与第j个小区内基站之间的大规模衰落系数，即代表了传输过程中的路径损耗和几何衰减；定义H_jkl为用户〈k,l>和第j个小区基站之间的信道矩阵；

定义用户导频分配矩阵V：

式中：V₁表示导频分配矩阵的第1列，对应于使用第一个导频的所有用户，为定义运算符号，V_K表示导频分配矩阵的第K列，对应于使用第k个导频的所有用户，表示一个L×K维度的矩阵；

设表示第l个小区中使用导频序列s_k的用户，则使用第k个导频序列s_k的用户集合表示为：V_k有K^L种可能的组合；用户导频分配矩阵V的第l行向量p_l表示为：

即集合G内元素的一个重新组合，表示第l个小区内用户导频的分配情况，其中矩阵V有(K！)^L-1种可能的组合，V(l,:)表示矩阵V的第l行向量。

当用户导频分配确定后，定义上行链路目标基站所接收到的信号：

式中：Y_j表示第j个小区的基站接收信号，N表示元素为加性复高斯白噪声，每个元素均值为零方差为 表示用户<k,l>到第j个小区基站的等效信道矢量；

用户到目标小区j基站的等效信道矢量表示为：

设：

式中：U_kl表示用户发送导频信号时的波束成型权值向量；u_kl1,u_kl2是实数且满足总功率约束，即u_kl1 ²+u_kl2 ²＝1，表示用户到目标小区j基站的等效信道矢量，表示用户到目标小区j基站的信道，z_jkl表示用户到目标小区j基站的快衰落系数，得到等效大规模衰落系数：

用户〈k,j〉到第j个小区基站之间的上行链路等效信道估计为：

式中：s_k ^*表示用户k使用的导频序列的共轭转置，τ表示导频序列的长度，u_kl1 ^*表示表示用户〈k,l>的第1根天线处的波束成型权值的共轭转置，u_kl2 ^*表示用户<k,l>的第2根天线处的波束成型权值的共轭转置。

根据系统等效信干燥比定义下行链路中系统的可达合速率：

式中：表示下行链路中系统的可达合速率，表示下行链路中用户<k,l>端接收信号的信干燥比；

考虑天线之间的空间相关性后，上行链路用户〈k,l〉端接收信号的等效信干燥比为：

式中：θ_jkl表示用户〈k,l〉到第j个小区基站位置获得的上行链路到达角，β_jkl表示用户〈k,l〉到第j小区基站大规模衰落系数，β_jkj表示用户〈k,l〉到第j小区基站大规模衰落系数，其中j,l＝{1,…,L},k＝{1,…,K}，u_kj1表示用户〈k,l〉的第1根天线处的波束成型权值，u_kj2表示用户〈k,l〉的第2根天线处的波束成型权值，E表示求均值的运算符号；表示用户〈k,j〉到第j个小区基站等效大规模衰落系数，表示用户〈k,l〉到第j个小区基站等效大规模衰落系数；

在用户双天线场景中的下行链路中用户〈k,l〉端接收信号的信干燥比表示为：

下行链路中系统的可达合速率表示为：

作为平均可达合速率为：

第二步、根据用户位置获得各自的上行链路到达角和大规模衰落系数计算出对应小组可达合速率的最大值，并形成相应维数的结果表；

对于第k个导频序列s_k的用户集合V_k，列出所有K^L种可能的用户分组，针对每种可能的用户分组情况分别选择波束成型权值向量，计算出各个用户分组可达合速率的最大值，并形成K^L维的结果表P。

第三步、寻找结果表中最大的元素并获得该元素相应的用户分组，记录相应的用户分组后清空该结果表；

寻找结果表P中最大的元素并获得相应的用户分组情况，记为：

式中：表示当P中最大的元素时相应的用户分组情况，表示第1个小区中使用导频序列s_k的用户，表示第L个小区中使用导频序列s_k的用户，设G为集合记录后将结果表P清空，在剩下的用户组中继续选择，重新生成一个(K-1)^L维的结果表P，重复寻找结果表P中最大的元素并获得其相应的用户分组情况，记为：

第四步、判断用户分组是否全部记录完毕，若用户分组已全部记录完毕，则完成导频分配，得到分配策略；若否，则返回执行第三步。

判断用户分组是否全部记录完毕，若用户分组已全部记录完毕即获得了全部的K个用户组，则完成导频分配，得到完整的分配策略若否，则返回执行第三步，表示第K轮用户选择时结果表P相应的用户分组情况。

图3为不加导频分配时，用户单天线场景下最小二乘(LS)信道估计和本发明提出的用户双天线波束成型权值向量方法信道估计误差的性能比较图。图中可以看出，本发明提出的用户双天线波束成型权值向量方法相比于用户单天线场景下的信道估计可以大大减轻导频污染对于信道估计造成的影响

图4为不加导频分配时，不同基站天线数目无干扰存在的理想最小二乘信道估计同传统的单天线场景下最小二乘信道估计以及本发明提出的用户双天线波束成型权值向量基础上的信道估计方法三者的信道估计误差比较图。从图中可以看出，传统的单天线场景下最小二乘信道估计与基站天线数无关，而其余两者随着基站天线数目增加信道估计的性能越好。而本发明提出的用户双天线波束成型权值向量基础上的信道估计方法在性能上远优于传统的单天线场景下最小二乘信道估计，同时用户双天线波束成型权值向量基础上的信道估计方法也比较接近理想状态下的无干扰场景。

图5为K＝4,L＝2时，不同基站天线数目时本发明提出的基于贪婪算法导频分配的用户多天线最小二乘估计方法同无干扰存在的理想最小二乘信道估计、传统的单天线场景下最小二乘信道估计方法以及基于随机导频分配的用户双天线LS信道估计方法这四者的信道估计误差比较图。图中可以看出，传统的单天线场景下最小二乘信道估计与基站天线数无关，而其余方法随着基站天线数目增加信道估计的性能越好。而本发明提出的方法在性能上优于基于随机导频分配的用户双天线信道估计方法，同时也更为接近理想状态下的无干扰场景。

图6为K＝4,L＝2时，本发明提出的基于贪婪算法导频分配的用户多天线干扰减轻方法的下行链路平均可达合速率的性能分析图。图中可以看出，本发明提出的方法能够有效的提升系统速率。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种多小区大规模MIMO系统用户双天线导频干扰消除方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：设置多小区大规模MIMO系统的工作条件，并定义相关的系统参数；其中，相关的系统参数包括：复传播系数、导频分配矩阵、上行链路目标基站所接收到的信号以及下行链路中系统的可达合速率；

步骤2：根据用户位置获得各自的上行链路到达角和大规模衰落系数计算出对应小组可达合速率的最大值，并形成相应维数的结果表；

步骤3：寻找结果表中最大的元素并获得该元素相应的用户分组，记录相应的用户分组后清空该结果表；

步骤4：判断用户分组是否全部记录完毕，若用户分组已全部记录完毕，则完成导频分配，得到分配策略；若否，则返回执行步骤3。

2.根据权利要求1所述的多小区大规模MIMO系统用户双天线导频干扰消除方法，其特征在于，所述步骤1包括：

步骤1.1：设置多小区大规模MIMO系统的工作条件；

具体地，假定小区数目为L的大规模MIMO系统均复用相同的频带，每个小区内有一个基站，基站上有M根天线，每个小区内服务K个双天线的用户；在基站天线数目M趋向正无穷时，L个小区都复用相同的长度为τ的导频序列，每个小区内的用户复用K个相互正交的导频序列，并且每个小区内的K个用户使用的导频互相正交；

其中，第l个小区内第k个用户标记为〈k,l〉，并设集合设整个系统使用的导频序列组为S＝{s₁,…,s_K}，s₁表示目标小区内第1个用户所分配到的导频序列，s_K表示目标小区内第K个用户所分配到的导频序列；其中s_k＝[s_k1,s_k2]，s_k1表示第k个用户的第1根天线所使用的导频向量，s_k2表示第k个用户的第2根天线所使用的导频向量，s_ki＝[s_ki1s_ki2…s_kiτ]^T,i＝1,2；s_ki1表示第k个用户的第i根天线所使用的导频向量中第1个导频，s_kiτ表示第k个用户的第i根天线所使用的导频向量中第τ个导频；

导频序列的功率设为相等，则：|s_ki1|²+…|s_kiτ|²＝τ,i＝1,2,k＝1,…,K；

步骤1.2：定义h_mjnkl为用户〈k,l〉的第n根天线与第j个小区内基站第m根天线之间的复传播系数：

$h_{mjnkl}={{\mathrm{\&beta;}}_{jkl}}^{\frac{1}{2}}\&CenterDot;z_{mjnkl}$

其中：m＝1,…,M；

j＝1,…,L；

k＝1,…,K；

n＝1,2；

l＝1,…,L；

式中：z_mjnkl表示第l小区内第k个用户的第n根天线与第j个小区内基站第m根天线之间的快衰落系数，β_jkl表示第l小区内第k个用户与第j个小区内基站之间的大规模衰落系数，即代表了传输过程中的路径损耗和几何衰减；定义H_jkl为用户〈k,l>和第j个小区基站之间的信道矩阵；

步骤1.3：定义用户导频分配矩阵V：

式中：V₁表示导频分配矩阵的第1列，对应于使用第一个导频的所有用户，为定义运算符号，V_K表示导频分配矩阵的第K列，对应于使用第k个导频的所有用户，表示一个L×K维度的矩阵；

步骤1.4：当用户导频分配确定后，定义上行链路目标基站所接收到的信号：

$Y_j=\underset{l=1}{\overset{L}{\&Sigma;}}{\stackrel{\&OverBar;}{h}}_{jkl}^u{s_k}^T+N;$

式中：Y_j表示第j个小区的基站接收信号，N表示元素为加性复高斯白噪声，每个元素均值为零方差为 表示用户〈k,l〉到第j个小区基站的等效信道矢量；

步骤1.5：根据系统等效信干燥比定义下行链路中系统的可达合速率：

$R_{sum}^{dw}=\underset{j=1}{\overset{L}{\&Sigma;}}\underset{k=1}{\overset{K}{\&Sigma;}}{\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_{kj}^{dw});$

式中：表示下行链路中系统的可达合速率，表示下行链路中用户〈k,l〉端接收信号的信干燥比；

考虑天线之间的空间相关性后，上行链路用户〈k,l〉端接收信号的等效信干燥比为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{SINR}}_{kj}^{up}=\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&beta;}}}_{jkj}^2}{{\mathrm{\&Sigma;}}_{l\&NotEqual;j}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&beta;}}}_{jkl}^2}\\ =\frac{{\left({\mathrm{\&beta;}}_{jkj}\right({u_{kj1}}^2+2E\left\{cos\right(\mathrm{\&pi;}cos\left({\mathrm{\&theta;}}_{jkj}\right)\left)\right\}{u}_{kj1}{u}_{kj2}+{u_{kj2}}^2\left)\right)}^2}{{\mathrm{\&Sigma;}}_{l\&NotEqual;j}{\left({\mathrm{\&beta;}}_{jkl}\right({u_{kl1}}^2+2E\left\{\cos \right(\mathrm{\&pi;}\cos \left({\mathrm{\&theta;}}_{jkl}\right)\left)\right\}{u}_{kl1}{u}_{kl2}+{u_{kl2}}^2\left)\right)}^2}\end{array}$

式中：θ_jkl表示用户〈k,l〉到第j个小区基站位置获得的上行链路到达角，β_jkl表示用户〈k,l〉到第j小区基站大规模衰落系数，β_jkj表示用户〈k,l〉到第j小区基站大规模衰落系数，其中j,l＝{1,…,L},k＝{1,…,K}，u_kj1表示用户〈k,l〉的第1根天线处的波束成型权值，u_kj2表示用户<k,l>的第2根天线处的波束成型权值，E表示求均值的运算符号；表示用户<k,j>到第j个小区基站等效大规模衰落系数，表示用户<k,l>到第j个小区基站等效大规模衰落系数；

在用户双天线场景中的下行链路中用户<k,l〉端接收信号的信干燥比表示为：

${\mathrm{SINR}}_{kj}^{dw}=\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&beta;}}}_{jkj}^2}{{\mathrm{\&Sigma;}}_{l\&NotEqual;j}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&beta;}}}_{lkj}^2};$

下行链路中系统的可达合速率表示为：

$R_{sum}^{dw}=\underset{j=1}{\overset{L}{\&Sigma;}}\underset{k=1}{\overset{K}{\&Sigma;}}{\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_{kj}^{dw});$

作为平均可达合速率为：

$R_{mean}^{dw}=\frac{1}{LK}{R}_{sum}^{dw}.$

3.根据权利要求1所述的多小区大规模MIMO系统用户双天线导频干扰消除方法，其特征在于，所述步骤2包括：

对于第k个导频序列s_k的用户集合V_k，列出所有K^L种可能的用户分组，针对每种可能的用户分组情况分别选择波束成型权值向量，计算出各个用户分组可达合速率的最大值，并形成K^L维的结果表P。

4.根据权利要求1所述的多小区大规模MIMO系统用户双天线导频干扰消除方法，其特征在于，所述步骤3包括：寻找结果表P中最大的元素并获得相应的用户分组情况，记为：

式中：表示当P中最大的元素时相应的用户分组情况，表示第1个小区中使用导频序列s_k的用户，表示第L个小区中使用导频序列s_k的用户，设G为集合记录后将结果表P清空，在剩下的用户组中继续选择，重新生成一个(K-1)^L维的结果表P，重复寻找结果表P中最大的元素并获得其相应的用户分组情况，记为：

5.根据权利要求1所述的多小区大规模MIMO系统用户双天线导频干扰消除方法，其特征在于，所述步骤4包括：判断用户分组是否全部记录完毕，若用户分组已全部记录完毕即获得了全部的K个用户组，则完成导频分配，得到完整的分配策略若否，则返回执行步骤3，表示第K轮用户选择时结果表P相应的用户分组情况。

6.根据权利要求2所述的多小区大规模MIMO系统用户双天线导频干扰消除方法，其特征在于，所述步骤1.1中的用户〈k,l〉和第j个小区基站之间的信道矩阵H_jkl是指：

$\begin{array}{c}{H}_{jkl}=\&lsqb;h_{jkl1},h_{jkl2}\&rsqb;{\stackrel{\&OverBar;}{R}}_{jkl}\\ =\&lsqb;z_{jkl1},z_{jkl2}\&rsqb;{{\mathrm{\&beta;}}_{jkl}}^{\frac{1}{2}}{\stackrel{\&OverBar;}{R}}_{jkl}\\ =z_{jkl}{{\mathrm{\&beta;}}_{jkl}}^{\frac{1}{2}}{\stackrel{\&OverBar;}{R}}_{jkl}\\ =z_{jkl}{R}_{jkl}^{\frac{1}{2}}\end{array}$

式中：h_jkl1、h_jkl2分别表示用户〈k,l〉的两根天线到第j个小区基站的M×1维信道向量，表示用户〈k,l〉两根天线到第j个小区基站之间的相关性矩阵，协方差矩阵表示为：

7.根据权利要求2所述的多小区大规模MIMO系统用户双天线导频干扰消除方法，其特征在于，所述步骤1.3中设表示第l个小区中使用导频序列s_k的用户，则使用第k个导频序列s_k的用户集合表示为：V_k有K^L种可能的组合；用户导频分配矩阵V的第l行向量p_l表示为：

即集合G内元素的一个重新组合，表示第l个小区内用户导频的分配情况，其中矩阵V有(K！)^L-1种可能的组合，V(l,:)表示矩阵V的第l行向量。

8.权利要求1所述的多小区大规模MIMO系统用户双天线导频干扰消除方法，其特征在于，所述步骤1.4中用户到目标小区j基站的等效信道矢量表示为：

${\stackrel{\&OverBar;}{h}}_{jkl}^u=H_{jkl}^u{U}_{kl}=z_{jkl}{\mathrm{\&beta;}}_{jkl}^{1/2}{\stackrel{\&OverBar;}{R}}_{jkl}{U}_{kl}=z_{jkl}{R}_{jkl}^{1/2}{U}_{kl};$

设：

式中：U_kl表示用户发送导频信号时的波束成型权值向量；u_kl1,u_kl2是实数且满足总功率约束，即u_kl1 ²+u_kl2 ²＝1，表示用户到目标小区j基站的等效信道矢量，表示用户到目标小区j基站的信道，z_jkl表示用户到目标小区j基站的快衰落系数，得到等效大规模衰落系数：

$\begin{array}{c}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&beta;}}}_{jkl}=E\left\{{{\stackrel{\&OverBar;}{h}}_{jkl}^u}^H{\stackrel{\&OverBar;}{h}}_{jkl}^u\right\}=E\left\{{\left(H_{jkl}^u{U}_{kl}\right)}^H{H}_{jkl}^u{U}_{kl}\right\}\\ =E\{\&lsqb;{u_{kl1}}^{*},{u_{kl2}}^{*}\&rsqb;{{\mathrm{(R}}_{jkl}^{\frac{1}{2}})}^H{z_{jkl}}^H{z}_{jkl}{R}_{jkl}^{\frac{1}{2}}\left[\begin{array}{c}{u}_{kl1}\\ u_{kl2}\end{array}\right]\}\\ =M\&lsqb;{u_{kl1}}^{*},{u_{kl2}}^{*}\&rsqb;R_{jkl}\left[\begin{array}{c}{u}_{kl1}\\ u_{kl2}\end{array}\right]\end{array}$

用户〈k,j〉到第j个小区基站之间的上行链路等效信道估计为：

$\begin{array}{c}{{\hat{h}}_{jkj}^u}^{LS}={\stackrel{\&OverBar;}{h}}_{jkj}^u+\underset{l\&NotEqual;j}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\stackrel{\&OverBar;}{h}}_{jkl}^u+{{\mathrm{Ns}}_k}^{*}/\mathrm{\&tau;}\\ =H_{jkj}^u{U}_{kj}+\underset{l\&NotEqual;j}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}{H}_{jkl}^u{U}_{kl}+{{\mathrm{Ns}}_k}^{*}/\mathrm{\&tau;}\end{array}$

式中：s_k ^*表示用户k使用的导频序列的共轭转置，τ表示导频序列的长度，u_kl1 ^*表示表示用户〈k,l〉的第1根天线处的波束成型权值的共轭转置，u_kl2 ^*表示用户〈k,l〉的第2根天线处的波束成型权值的共轭转置。