CN106027214B - 一种多小区大规模mimo系统导频分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多小区大规模MIMO系统导频分配方法，属于无线通信技术领域。本发明在使得目标小区中满足预设服务质量（Quality of Service，QoS）指标的用户尽可能多的前提下，以最大化目标小区所有用户的和速率为优化目标，对目标小区进行导频优化分配；目标小区中某一用户满足预设QoS指标，具体是指：目标小区基站与该用户之间大尺度衰落系数的平方，和目标小区基站与系统内其它小区中与该用户导频相同的各用户之间大尺度衰落系数的平方和的比值大于预设阈值。本发明充分考虑到目标小区基站对该小区用户的上行通信的服务质量要求，可在使得上行接收信号干扰噪声比(Signal to Interference and Noise Ratio，SINR)满足服务质量要求的用户数目最大的前提下，实现目标小区内所有用户和速率的最大化。

Description

一种多小区大规模MIMO系统导频分配方法

技术领域

本发明涉及一种多小区大规模MIMO系统导频分配方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

大规模MIMO(Large-scale MIMO或Massive MIMO)系统最早由美国贝尔实验室的Thomas L Marzetta等研究人员提出。在大规模MIMO系统中，基站配置大量的天线，天线数目通常有几十、几百甚至几千根，是现有MIMO系统天线数目的一到二个数量级以上，而基站所服务的用户数目少于基站天线数目；基站利用同一个时频资源同时服务若干个用户，充分发掘系统的空间自由度。

大规模MIMO系统最大的性能瓶颈在于导频污染。由于导频的时间长度必须小于信道相干时间，而导频的频域宽度受限于用户的上行带宽，若要为当前服务小区及所有相邻小区内的所有用户分配正交的导频，困难重重，尤其考虑到移动的用户时；因此，大规模MIMO系统优先考虑完全频率复用，所有小区都使用全部频率资源，以优先保证小区内所有用户导频正交；这样，不同小区的用户导频则无法保证正交，用户向当前小区和相邻小区同时发送导频信号，产生导频污染，基站接收到污染的导频信号后，无法对该用户的上行信道进行准确估计，导致系统整体性能出现瓶颈。

现有技术包括两种典型的导频分配方案。方案一是随机导频分配方案，目标小区的基站将导频随机分配给该小区的用户。而相关研究表明，当小区的基站天线数目趋于无穷时，加性高斯白噪声和瑞利衰落等负面影响全都可以忽略不计，数据传输速率能得到极大提高。此时上行接收SINR取决于用户与目标小区基站之间的大尺度衰落系数，因此有研究者提出了方案二的智能导频分配方案，通过建立SINR与大尺度衰落系数的关系，在目标小区内最大化最小的上行接收SINR，对该小区的用户进行导频分配，考虑了目标小区内各用户之间的公平性。

然而，上述智能导频分配方案并未考虑用户的上行QoS要求，因此无法充分满足目标小区内更多用户对服务质量的需求，而且该分配方案过于强调公平性，大大降低目标小区内所有用户的和速率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种多小区大规模MIMO系统导频分配方法，在使得目标小区中满足预设QoS指标的用户尽可能多的前提下，最大化目标小区所有用户的和速率。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种多小区大规模MIMO系统导频分配方法，所述多小区大规模MIMO系统包括具有相同用户数目的多个小区，在任意一个小区中，每个用户使用一个导频，不同用户的导频相互正交，构成一个导频集；不同小区共用同一个所述导频集；对于要进行导频分配的目标小区，系统中其余小区的导频分配已知；在使得目标小区中满足预设QoS指标的用户尽可能多的前提下，以最大化目标小区所有用户的和速率为优化目标，对目标小区进行导频优化分配；目标小区中某一用户满足预设QoS指标，具体是指：目标小区基站与该用户之间大尺度衰落系数的平方，和目标小区基站与系统内其它小区中与该用户导频相同的各用户之间大尺度衰落系数的平方和的比值大于预设阈值。

上述技术方案中的双目标优化模型如采用穷举法进行求解，则会产生复杂度高、实时性差的问题，为此，本发明提出以下进一步改进方案：

设每个小区中的用户总数以及所述导频集中的导频总数均为K，以系统中所有L个小区中的第l个小区作为目标小区，所述导频优化分配具体包括以下步骤：

步骤1、初始化Q等于K，初始化集合为空集。

步骤2、定义集合对中所有元素按升序排序，排序结果表示为其中α₁≤α₂≤…≤α_Q，α₁,α₂,…,α_Q分别对应于中元素的位置m₁,m₂,…,m_Q，定义集合Ω＝{m₁,m₂,…,m_Q}；定义集合对中所有元素按升序排序，排序结果表示为其中γ₁≤γ₂≤…≤γ_Q，γ₁,γ₂,…,γ_Q分别对应于中元素的位置n₁,n₂,…,n_Q，定义集合Λ＝{n₁,n₂,…,n_Q}；其中，β_jlk表示目标小区基站与第j个小区中第k个用户之间的大尺度衰落系数；

步骤3、判断Q是否为0，若为0，执行步骤7；否则，判定是否α₁/γ_Q≥QoS，如是，则执行步骤4，如否，继续判定是否α₁/γ₁≥QoS，如是，则执行步骤5；否则，执行步骤6；其中，QoS为所述预设阈值；

步骤4、将n_Q与m₁构成二元组(m₁,n_Q)，将n_Q-1与m₂构成二元组(m₂,n_Q-1)，以此类推，直到将n₁与m_Q构成二元组(m_Q,n₁)，将上述Q个二元组加入执行步骤7；

步骤5、继续比较α₁/γ₂、α₁/γ₃、……、α₁/γ_Q与QoS的大小，直到找到满足α₁/γ_q-1≥QoS且α₁/γ_q<QoS的某个q，将n_q-1与m₁构成二元组(m₁,n_q-1)并加入从中删除α₁，从Ω中删除m₁，从中删除γ_q-1，从Λ中删除n_q-1，使用Q-1作为新的Q，得到删除元素以后的集合Ω＝{m₁,m₂,…,m_Q}，Λ＝{n₁,n₂,…,n_Q}，然后转至步骤3；

步骤6、将n_Q与m₁构成二元组(m₁,n_Q)并加入从中删除α₁，从Ω中删除m₁，从中删除γ_Q，从Λ中删除n_Q，使用Q-1作为新的Q，得到删除元素以后的集合Ω＝{m₁,m₂,…,m_Q}，Λ＝{n₁,n₂,…,n_Q}，然后转至步骤3；

步骤7、对于中每个二元组，为该二元组中第一个元素对应的目标小区中的用户，分配该二元组的第二个元素所对应的导频。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明充分考虑到目标小区基站对该小区用户的上行通信质量的QoS要求，可在使得上行接收SINR满足服务质量要求的用户数目最大的前提下，实现目标小区内所有用户和速率的最大化。

本发明进一步改进方案所使用的导频分配算法复杂度低，计算效率高，更好地满足了基站在进行导频分配时的实时性要求。

附图说明

图1是本发明所适用的多小区大规模MIMO系统的结构示意图；

图2是具体实施方式中本发明导频分配方法的流程图；

图3是本发明与两种现有导频分配方案的目标小区和速率随基站天线数目的变化趋势对比图；

图4是本发明与两种现有导频方案的目标小区满足服务质量的平均用户数目随服务质量标准的变化曲线对比图。

具体实施方式

针对多小区大规模MIMO系统，本发明的主要思想是充分考虑QoS要求，建立最大化满足QoS要求用户数和最大化和速率的双目标导频分配优化模型，通过优化求解来获得最优的导频分配方案，具体方案为：在使得目标小区中满足预设QoS指标的用户尽可能多的前提下，以最大化目标小区所有用户的和速率为优化目标，对目标小区进行导频优化分配；目标小区中某一用户满足预设QoS指标，具体是指：目标小区基站与该用户之间大尺度衰落系数的平方，和目标小区基站与系统内其它小区中与该用户导频相同的各用户之间大尺度衰落系数的平方和的比值大于预设阈值。

上述双目标优化问题可采用穷举法进行求解，然而这种方法存在复杂度高、实时性差的问题，为此，本发明又进一步提出了一种优化算法来进行导频优化分配。

为了便于公众理解，下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明所适用的多小区大规模MIMO系统模型如图1所示。该大规模MIMO系统有L个蜂窝小区构成，每个小区任意分布有K个单天线用户，每个用户的服务质量要求设为QoS，小区中心配备一个拥有M根天线的基站，通信过程采用时分双工(Time Division Duplexing，TDD)模式。用g_jlk表示目标小区l中的基站与第j(j＝1,2,…,L)个小区的用户k(k＝1,2,…,L)的信道矢量，其中大尺度衰落系数为β_jlk,表示基站与用户之间的整体信道状况，与用户和基站间的距离以及阴影衰落有关，小尺度衰落系数为h_jlk,表示基站各个天线在传播时信道状况的个体差异，每个天线的小尺度衰落独立同分布，且

所有小区复用同一组正交导频，导频序列长度τ＝K。以第l个小区为目标小区，除目标小区外，所有L-1个周围小区基站为所在小区内的用户随机分配正交导频，并设定该L-1个小区内的第k(k＝1,2,…,K)个用户使用第k个导频。在用户与基站通信过程中，上行导频训练阶段采用匹配滤波进行信道估计，上行信道估计的结果表示为：

这里表示第j个小区所有用户与第l个小区基站间的信道矩阵，D_jl＝diag{β_jl1,β_jl2,…,β_jlK}，z_l表示目标小区内的噪声项。

上行数据传输阶段采用最大比合并进行数据处理，上行数据处理的结果表示为：

这里表示估计信道的共轭转置；x_l表示基站接收到的来自各小区的用户发送的数据。x_l中的表示第j个小区中的每个用户同时发送一个数据符号，设定由用户发送的数据相互独立，且均服从均值为0、方差为1的复高斯分布，该小区所有K个用户发送的数据构成向量a_j；ρ_r表示每个用户发送数据的平均功率，表示第l个小区内的加性高斯白噪声。

目标小区内用户k的信号干扰噪声比(SINR)为:

这里表示不同小区之间的干扰(Inter-cellInterference，ICI)；表示噪声项；表示目标小区l内的其它用户对用户k干扰(Multi-userInterference，MUI)。

当M→∞时，用表征目标小区基站接收用户信号平均功率，用表征目标小区内的用户使用不同导频受到的干扰和噪声功率。

如图1所示的MIMO系统模型，设需要进行导频优化分配的第l(l＝1,2,…,L)个小区为目标小区，其中L是包含目标小区在内的小区的总数。每个小区包含相同数目的K个用户，每个用户使用一个导频，不同用户的导频相互正交，构成一个导频集。不同小区共用同一个导频集，目标小区周围的L-1个小区的导频分配方式已知，并设定目标小区周围L-1个小区内的第k(k＝1,2,…,K)个用户使用第k个导频。目标小区中的基站可获取其与所有第j(j＝1,2,…,L)个小区的第k(k＝1,2,…,K)个用户的大尺度衰落系数β_jlk，目标小区中的基站与目标小区的第k(k＝1,2,…,K)个用户的大尺度衰落系数为β_llk。

则本实施例中本发明导频分配方法的流程如图2所示，具体包括以下步骤：

步骤1、初始化Q等于K，初始化集合为空集。

步骤2、定义集合表征基站接收用户信号平均功率。对中所有元素按升序排序，排序结果表示为其中α₁≤α₂≤…≤α_Q，α₁,α₂,…,α_Q分别对应于中元素的位置m₁,m₂,…,m_Q，定义集合Ω＝{m₁,m₂,…,m_Q}。定义集合表征目标小区内的用户使用不同导频受到的干扰和噪声功率。对中所有元素按升序排序，排序结果表示为其中γ₁≤γ₂≤…≤γ_Q，γ₁,γ₂,…,γ_Q分别对应于中元素的位置n₁,n₂,…,n_Q，定义集合Λ＝{n₁,n₂,…,n_Q}。

步骤3、判断Q是否为0，若为0，执行步骤7；否则，判定是否α₁/γ_Q≥QoS，如是，则执行步骤4，如否，继续判定是否α₁/γ₁≥QoS，如是，则执行步骤5；否则，执行步骤6；其中，QoS为所述预设阈值，其取值范围优选为0～12dB。

步骤4、将n_Q与m₁构成二元组(m₁,n_Q)，将n_Q-1与m₂构成二元组(m₂,n_Q-1)，以此类推，直到将n₁与m_Q构成二元组(m_Q,n₁)，将上述Q个二元组加入执行步骤7。

步骤5、继续比较α₁/γ₂、α₁/γ₃、……、α₁/γ_Q与QoS的大小，直到找到满足α₁/γ_q-1≥QoS且α₁/γ_q<QoS的某个q，将n_q-1与m₁构成二元组(m₁,n_q-1)并加入从中删除α₁，从Ω中删除m₁，从中删除γ_q-1，从Λ中删除n_q-1，使用Q-1作为新的Q，得到删除元素以后的集合Ω＝{m₁,m₂,…,m_Q}，Λ＝{n₁,n₂,…,n_Q}，然后转至步骤3。

步骤6、将n_Q与m₁构成二元组(m₁,n_Q)并加入从中删除α₁，从Ω中删除m₁，从中删除γ_Q，从Λ中删除n_Q，使用Q-1作为新的Q，得到删除元素以后的集合Ω＝{m₁,m₂,…,m_Q}，Λ＝{n₁,n₂,…,n_Q}，然后转至步骤3。

步骤7、对于中每个二元组，为该二元组中第一个元素对应的目标小区中的用户，分配该二元组的第二个元素所对应的导频。

为了验证本发明方法的效果，将本发明方法与现有的随机导频分配方案、智能导频分配方案进行了以下对比验证实验：

场景参数设置：设定小区数目L＝7，每个小区的单天线用户数目K＝16，所有小区复用同一组正交导频，设导频序列长度τ＝K。小区半径R＝1000m，基站设置在每个小区中心，配备有M根天线，8≤M≤512，小区用户随机分布在距离基站至少100m的小区范围内。大尺度衰落模型中，衰落因子α＝3，阴影衰落服从标准差为σ_shadow＝8dB的对数正态分布。所有小区向目标小区基站发送导频和数据的功率均为10dBm，信噪比均为20dB。对导频分配方案进行蒙特卡洛仿真，随机生成500次用户位置，仿真结果是500次的平均。

图3显示了本发明与两种现有导频分配方案的目标小区和速率随基站天线数目的变化趋势对比，横坐标表示目标小区基站的天线数目，纵坐标表示在不同基站天线数目下，几种导频分配方案对应的目标小区用户上行和速率，单位是bps/Hz；图4显示了本发明与两种现有导频方案的目标小区满足服务质量的平均用户数目随服务质量标准的变化曲线对比，横坐标表示QoS值，单位是dB，纵坐标表示目标小区内满足服务质量要求的平均用户数。

根据图3所给出的目标小区内所有K个用户的上行和速率随基站天线数M的变化曲线(本发明方法中设定QoS＝10dB)可见，随着基站天线数目增加，三种方案的和速率均迅速增长，差距也逐渐增大，提出的导频分配方案优于另外两种方案。当M＝512时，本发明(图中表示为提出的导频分配方案)与随机导频分配方案相比，和速率提高了3bps/Hz，有近8％的增幅；与智能导频分配方案相比，和速率提高了5.5bps/Hz，有近19％的增幅。

图4给出了不同导频分配方案随着QoS不断增加，目标小区满足QoS的用户数目的变化趋势。设定M＝300。值得注意的是，本发明(图中表示为提出的导频分配方案)基于M→∞时的获得导频优化分配时的QoS标准，考虑到实际中M并不是无限大，在评价性能时，有必要对QoS进行修正，即采用λ*QoS代替真实的QoS，若用户满足α/γ>λ*QoS，则判定该用户满足上行通信服务质量要求。其中，m_k是与M和用户k有关的补偿系数，λ其实为用户实际受到的干扰和噪声功率与M→∞时受到的干扰和噪声功率之比。当M＝300时，λ≈0.2。可见，当QoS较小时，提出的方案与智能导频分配方案差不多，均优于随机导频分配方案；当QoS逐渐增大，提出的导频分配方案逐渐优于智能导频分配方案，并且始终优于随机导频分配方案。

Claims (3)

1.一种多小区大规模MIMO系统导频分配方法，所述多小区大规模MIMO系统包括具有相同用户数目的多个小区，在任意一个小区中，每个用户使用一个导频，不同用户的导频相互正交，构成一个导频集；不同小区共用同一个所述导频集；对于要进行导频分配的目标小区，系统中其余小区的导频分配已知；其特征在于，在使得目标小区中满足预设QoS指标的用户尽可能多的前提下，以最大化目标小区所有用户的和速率为优化目标，对目标小区进行导频优化分配；目标小区中某一用户满足预设QoS指标，具体是指：目标小区基站与该用户之间大尺度衰落系数的平方，和目标小区基站与系统内其它小区中与该用户导频相同的各用户之间大尺度衰落系数的平方和的比值大于预设阈值。

2.如权利要求1所述导频分配方法，其特征在于，设每个小区中的用户总数以及所述导频集中的导频总数均为K，以系统中所有L个小区中的第l个小区作为目标小区，所述导频优化分配具体包括以下步骤：

步骤1、初始化Q等于K，初始化集合为空集；

步骤2、定义集合β_llk表示第l个小区中的第k个用户到第l个小区中的基站的大尺度衰落系数；对中所有元素按升序排序，排序结果表示为 其中α₁≤α₂≤…≤α_Q，α₁，α₂，…，α_Q分别对应于中元素的位置m₁，m₂，…，m_Q，定义集合Ω＝{m₁，m₂，…，m_Q}；定义集合β_jlq表示第j个小区内使用第q个导频的用户到第l个小区中的基站的大尺度衰落系数；对中所有元素按升序排序，排序结果表示为其中γ₁≤γ₂≤…≤γ_Q，γ₁，γ₂，…，γ_Q分别对应于中元素的位置n₁，n₂，...，n_Q，定义集合Λ＝{n₁，n₂，...，n_Q}；

步骤3、判断Q是否为0，若为0，执行步骤7；否则，判定是否α₁/γ_Q≥QoS，如是，则执行步骤4，如否，继续判定是否α₁/γ₁≥QoS，如是，则执行步骤5；否则，执行步骤6；其中，QoS为所述预设阈值；

步骤4、将n_Q与m₁构成二元组(m₁，n_Q)，将n_Q-1与m₂构成二元组(m₂，n_Q-1)，以此类推，直到将n₁与m_Q构成二元组(m_Q，n₁)，将上述Q个二元组加入执行步骤7；

步骤5、继续比较α₁/γ₂、α₁/γ₃、......、α₁/γ_Q与QoS的大小，直到找到满足α₁/γ_q-1≥QoS且α₁/γ_q＜QoS的某个q，将n_q-1与m₁构成二元组(m₁，n_q-1)并加入从中删除α₁，从Ω中删除m₁，从中删除γ_q-1，从Λ中删除n_q-1，使用Q-1作为新的Q，得到删除元素以后的集合Ω＝{m₁，m₂，...，m_Q}，Λ＝{n₁，n₂，...，n_Q}，然后转至步骤3；

步骤6、将n_Q与m₁构成二元组(m₁，n_Q)并加入从中删除α₁，从Ω中删除m₁，从中删除γ_Q，从Λ中删除n_Q，使用Q-1作为新的Q，得到删除元素以后的集合 Ω＝{m₁，m₂，...，m_Q}，Λ＝{n₁，n2，...，n_Q}，然后转至步骤3；

步骤7、对于中每个二元组，为该二元组中第一个元素对应的目标小区中的用户，分配该二元组的第二个元素所对应的导频。

3.如权利要求1所述导频分配方法，其特征在于，所述阈值的取值范围为0～12dB。