CN106027215A - 全双工双向大规模天线中继网络导频方案自适应选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全双工双向大规模天线中继网络导频方案自适应选择方法，包括如下步骤：步骤1：建立一个对称的全双工双向大规模天线中继网络；步骤2：所有用户终端向中继发送状态信息；步骤3：中继收集所有用户与中继之间的大尺度衰落的统计信息；步骤4：中继通过计算判断系统自适应选择第一导频方案或者第二导频方案。本发明中的方法利用了大尺度衰落的先验统计信息，计算方便、快速；并充分利用了信道相干时间，能显著的提高系统的可达速率。

Description

全双工双向大规模天线中继网络导频方案自适应选择方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体地，涉及一种全双工双向大规模天线中继网络导频方案自适应选择方法。

背景技术

大规模天线(massive Multiple Input Multiple Output，MIMO)技术作为一个无线通信技术的研究热点，近年来得到越来越广泛的研究。与传统多天线只采用少量天线相比，大规模天线通过采用几百甚至上千根天线能够提供极大的阵列增益和空间复用增益，因此能够实现较高的频谱效率和能量效率。因为天线数远大于用户数，因此可以使用简单的线性处理技术(比如最大比合并最大比发送技术：Maximum-Ratio Combining/Maximum-Ratio Transmission，MRC/MRT)获得近似非线性技术的性能。此外，大规模天线可以产生信道硬化作用(channel hardening)，即不同用户之间的信道近似相互正交，这样可以极大的降低用户间的干扰。因此，该技术被广泛的认为是下一代无线通信系统的一项基石技术。此外，全双工技术近来也引起了很大关注。通过在相同频段相同时间同时发送和接收信号，全双工比半双工更能充分利用频谱和时间资源，可以提供近乎半双工两倍的频谱效率。但是全双工自身的循环干扰是其一大缺点。为了抑制循环干扰，国内外研究人员已经做了很多工作，提出很多有效的循环干扰技术，比如采用天线隔离、射频干扰消除、数字域干扰消除和模拟域干扰消除技术等。近来，有文献提出将大规模天线和全双工技术结合，采用大规模天线技术来消除全双工中的循环干扰。另一方面，双向中继扩大了网络覆盖范围，使相距很远的用户之间通信成为可能，并且双向通信与单向通信相比更能充分利用时间和频谱资源。

在大规模天线系统中获取信道状态信息(Channel State Information，CSI)是一个挑战。一般来说，信道估计通过发送导频信息来获取信道信息。信道估计有两种方案：(Frequency-Division Duplex，FDD)频分双工模式和(Time-Division Duplex，TDD)时分双工模式。在FDD模式中，中继到用户的下行信道信息是通过中继向用户发送导频信息获取，用户基于接收到的导频信号来估计下行CSI，然后通过反馈链路将估计的下行CSI反馈给中继。这种FDD信道估计模式将不适用于大规模天线中继系统，因为需要的导频序列长度必须大于中继天线数，但是信道相干时间(信道状态保持不变的时间)是有限的。因此在大规模天线系统中一般考虑TDD信道估计模式，即用户向中继发送导频序列，中继根据信道互易性(channel reciprocity)将获取的用户到中继的上行信道信息认为是中继到用户的下行信道信息。

现有技术中已有考虑单向全双工中继系统的信道估计问题，以及双向半双工中继系统的信道估计问题，但涉及全双工双向大规模天线中继系统的信道估计并没有相关技术。并且之前考虑的信道估计技术只是考虑采用一种导频方案，即导频序列长度是固定的，因此并没有充分利用信道相干时间用于发送有效载荷数据，限制了系统的可达速率。比如当导频序列长度很大而信道相干时间很短时，只有很少部分的信道相干时间用于发送有效载荷，这样系统的频谱效率将会很低。

在全双工双向大规模天线中继网络中，中继对于接收到的信号要进行信号处理，比如采用MRC/MRT技术或者迫零发送迫零接收(Zero Forcing Reception/ZeroForcingTransmission，ZFR/ZFT)技术，这需要中继节点知道所有用户的信道状态信息。目前的信道估计只考虑一种导频方案，即导频序列的长度是固定的。当用户数很多而信道相干时间很短时，传统的信道估计导频方案不利于有效载荷数据的传输。针对该问题，本发明提出一种用于全双工双向大规模天线中继网络的信道估计导频方案的自适应选择方法。

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全双工双向大规模天线中继网络导频方案自适应选择方法。

根据本发明提供的全双工双向大规模天线中继网络导频方案自适应选择方法，包括如下步骤：

步骤1：建立一个对称的全双工双向天线中继网络；

步骤2：所有用户终端向中继发送状态信息；

步骤3：中继收集所有用户与中继之间的大尺度衰落的统计信息；

步骤4：中继通过计算判断自适应选择第一导频方案或者第二导频方案。

优选地，所述步骤1中对称的全双工双向大规模天线中继网络是指在中继网络中每一个用户对到中继的大尺度衰落相等；且所有用户及中继均工作在全双工模式，中继采用放大转发协议。

优选地，对称的全双工双向大规模天线中继网络包括K个用户对，每一个用户对之间通过中继相互交换信息，记(S_2i-1,S_2i)为一个第2i-1个用户和第2i个用户构成的用户对，i＝1,2,…,K；第k个用户收到来自第i个用户的干扰水平记为且i,k∈U_k，i≠k，k＝1,2,…,2K，其中U_k＝{1,3,…,2K-1}或者U_k＝{2,4,…,2K}；第k个用户的自循环干扰水平记为且k＝1,2,…,2K；中继的自循环干扰水平记为

优选地，所述步骤2中中继接收所有用户终端发来的状态信息，所述状态信息包括用户的发送功率信息、用户的信噪比SNR、用户间干扰信息、用户的循环干扰信息LI以及用户的位置信息。

优选地，所述步骤3包括：中继根据用户的位置信息，在已有的中继覆盖范围内大尺度衰落与位置的统计信息列表中收集所有用户与中继之间的大尺度衰落统计信息。

优选地，所述步骤4包括：

步骤4.1：计算每个用户的信干噪比SINR，计算公式如下：

${\mathrm{\γ}}_k=\frac{N_t}{A_k+{\mathrm{MP}}_k+{\mathrm{LIR}}_k+{\mathrm{NR}}_k+{\mathrm{MU}}_k+{\mathrm{AN}}_k};$

其中A_k＝κ+1；

$\mathrm{\κ}=\frac{N_t}{N_r};$

${\mathrm{MP}}_k=\underset{j\≠k,k^{\′}}{\overset{2K}{\underset{j=1}{\Σ}}}(\mathrm{\κ}\frac{{\mathrm{\β}}_{uj}}{{\mathrm{\β}}_{{\mathrm{uk}}^{\′}}}+\frac{{\mathrm{\β}}_{{\mathrm{dj}}^{\′}}{\mathrm{\β}}_{uj}^2}{{\mathrm{\β}}_{dk}{\mathrm{\β}}_{{\mathrm{uk}}^{\′}}^2});$

${\mathrm{LIR}}_k=\frac{P_R{\mathrm{\σ}}_{LI}^2}{P_S}\frac{\mathrm{\κ}}{{\mathrm{\β}}_{{\mathrm{uk}}^{\′}}};$

${\mathrm{NR}}_k=\frac{{\mathrm{\σ}}_{nr}^2}{P_S}\frac{\mathrm{\κ}}{{\mathrm{\β}}_{{\mathrm{uk}}^{\′}}};$

${\mathrm{MU}}_k=\frac{P_S}{P_R{\mathrm{\β}}_{dk}^2{\mathrm{\β}}_{{\mathrm{uk}}^{\′}}^2}\underset{i=1}{\overset{2K}{\Σ}}{\mathrm{\β}}_{di}{\mathrm{\β}}_{{\mathrm{ui}}^{\′}}^2\underset{i,k\∈U_k}{\Σ}{\mathrm{\σ}}_{k,i}^2;$

${\mathrm{AN}}_k=\frac{{\mathrm{\σ}}_n^2}{P_R{\mathrm{\β}}_{dk}^2{\mathrm{\β}}_{{\mathrm{uk}}^{\′}}^2}\underset{i=1}{\overset{2K}{\Σ}}{\mathrm{\β}}_{di}{\mathrm{\β}}_{{\mathrm{ui}}^{\′}}^2;$

式中：(k,k')表示一个用户对，(k,k')＝(2m-1,2m)或者(k,k')＝(2m,2m-1)，m＝1,2,…,K；γ_k表示用户k的信干噪比SINR，A_k表示利用信道统计信息带来的计算误差，MP_k表示用户对之间的干扰，LIR_k表示中继自循环干扰的影响，NR_k表示来自中继噪声的影响，MU_k表示用户间干扰和用户自循环干扰的影响，AN_k表示用户噪声的影响，κ表示中继发送天线N_t和中继接收天线N_r的比值，β_uj表示用户j到中继接收天线的大尺度衰落增益，β_uk'表示第k'个用户到中继接收天线的大尺度衰落增益，β_dj′表示中继发送天线到第j'个用户的大尺度衰落增益，β_dk表示中继发送天线到第k个用户的大尺度衰落增益，P_R表示中继的发送功率，P_S表示用户的发送功率，表示表示中继端的白噪声水平，β_di表示中继发送天线到第i个用户的大尺度衰落增益，β_ui′表示第i'个用户到中继接收天线的大尺度衰落增益，表示用户端的白噪声水平，U_k＝{1,3,…,2K-1}或者U_k＝{2,4,…,2K}，i,k∈U_k表示i和k同时包含在集合U_k；

步骤4.2：计算变量T_c ^E，计算公式如下：

$T_c^E=(1+\frac{1}{2(g-1)})\mathrm{\τ},$

其中

式中：T_c ^E表示所要计算的导频序列长度参考值，g表示两种导频方案的和速率的比值，τ表示传统导频序列长度，τ≥2K；

步骤4.3：若当前信道相干时间长度T_c满足T_c∈(τ,T_c ^E)时，选择第一导频方案；若当前信道相干时间长度T_c满足T_c∈(T_c ^E,∞)时或者T_c等于T_c ^E时，选择第二导频方案。

优选地，第一导频方案所需导频序列长度为τ_c≥K，其中则在一个相干时间长度内，用于发送有效载荷的时间为(T_c-τ_c)；

第二导频方案所需导频序列长度为τ≥2K，则在一个相干时间长度内，用于发送有效载荷的时间为(T_c-τ)。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明进行了全双工双向大规模天线中继网络的系统建模，并提供了一种信道估计的导频方案自适应选择方法。

2、本发明提出的导频方案自适应选择方法利用了大尺度衰落的先验统计信息，计算方便、快速。

3、本发明提出的导频方案自适应选择方法充分利用了信道相干时间，能显著的提高系统的可达速率。

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为本发明提供的全双工双向大规模天线中继网络模型示意图；

图2为本发明提供的信道估计导频方案的自适应选择方法流程框图。

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。

根据本发明提供的用于全双工双向大规模天线中继网络的信道估计导频方案的自适应选择方法，包括如下步骤：

步骤1：建立一个对称的全双工双向大规模天线中继网络；

步骤2：所有用户终端向中继发送状态信息；

步骤3：中继收集所有用户与中继之间的大尺度衰落的统计信息；

步骤4：中继通过计算判断系统自适应选择第一导频方案或者第二导频方案。

所述步骤1包括：建立一个对称的全双工双向大规模天线中继网络，其中，对称表示每一个用户对到中继的大尺度衰落相等(可理解为用户对到中继的距离相等，因为大尺度衰落与距离有关)。所有用户及中继均工作在全双工模式，中继采用放大转发协议。中继信号处理技术采用最大比合并最大比发送技术。初始化系统参数，包括用户对数K，中继发送天线数N_t，中继接收天线数N_r。

具体地，如图1所示：K个用户对通过中继相互交换信息，其中(S_2i-1,S_2i)为一个用户对，i＝1,2,…,K，每一个用户对之间进行通信。中继发送和接收天线数分别为N_t和N_r，每个用户只有一根天线同时用于发送和接收。用户对之间由于距离太远没有直接链路，但临近用户之间会有相互干扰，用户k收到的来自用户i的用户间干扰水平用表示。由于所有节点均工作在全双工模式，所以所有节点都受到自循环干扰的影响，用户k端的自循环干扰水平用表示，中继端的自循环干扰水平用表示。

所述步骤2包括：中继接收所有用户发来的状态信息，所述状态信息包括用户的发送功率信息，用户的信噪比(SNR)，用户间干扰信息，用户的循环干扰信息(LI)，用户的位置信息。

所述步骤3包括：中继根据用户的位置信息，在已有的中继覆盖范围内大尺度衰落与位置的统计信息列表中收集所有用户与中继之间的大尺度衰落统计信息。

具体地，如图2所示，图中给出了信道估计导频方案自适应选择方法。

所述步骤4包括：

步骤4.1：中继首先计算每个用户的信干噪比(SINR)。该计算是假设用户采用传统信道估计导频方案，即用户发送的导频序列长度大于等于用户数(τ≥2K)。计算公式如下：

${\mathrm{\γ}}_k=\frac{N_t}{A_k+{\mathrm{MP}}_k+{\mathrm{LIR}}_k+{\mathrm{NR}}_k+{\mathrm{MU}}_k+{\mathrm{AN}}_k},$

其中，(k,k')表示一个用户对，(k,k')＝(2m-1,2m)或者(k,k')＝(2m,2m-1)，m＝1,2,…,K。A_k＝κ+1，

以上公式中，β_uk(β_dk)表示用户k到中继接收天线(中继发送天线到用户k)的大尺度衰落增益，P_R表示中继的发送功率，P_S表示用户的发送功率，表示中继端(用户k端)的循环干扰水平，表示用户k收到的来自用户i的用户间干扰水平，表示中继端(用户端)的白噪声水平，U_k＝{1,3,…,2K-1}或者U_k＝{2,4,…,2K}，i,k∈U_k表示i和k同时包含在集合U_k。

步骤4.2：计算如下变量T_c ^E：

$T_c^E=(1+\frac{1}{2(g-1)})\mathrm{\τ},$

其中τ表示传统导频序列长度(τ≥2K)。

步骤4.3：如果当前信道相干时间长度T_c满足T_c∈(τ,T_c ^E)，选择导频方案1；如果当前信道相干时间长度T_c满足T_c∈(T_c ^E,∞)，选择导频方案2。

所述步骤4中的第一导频方案所需导频序列长度为τ_c≥K(不失一般性，本发明要求则在一个相干时间长度内，用于发送有效载荷的时间为(T_c-τ_c)。

具体地，所有用户同时向中继发送导频序列，每个用户对中的两个用户采用相同的导频序列，不同用户对之间的导频序列相互正交。中继的发送天线和接收天线同时接收导频信号，中继接收天线根据接收到的导频信号估计出用户到中继的CSI，中继发送天线根据接收到的导频信号估计出CSI，并根据信道互易性将该CSI认为是中继到用户的下行CSI。

所述步骤4中的第二导频方案所需导频序列长度为τ≥2K，则在一个相干时间长度内，用于发送有效载荷的时间为(T_c-τ)。

具体地，所有用户同时向中继发送导频序列，所有不同用户之间的导频序列相互正交。中继的发送天线和接收天线同时接收导频信号，中继接收天线根据接收到的导频信号估计出用户到中继的上行CSI，中继发送天线根据接收到的导频信号估计出CSI，并根据信道互易性将该CSI认为是中继到用户的下行CSI。

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 (7)

1.一种全双工双向大规模天线中继网络导频方案自适应选择方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：建立一个对称的全双工双向天线中继网络；

步骤2：所有用户终端向中继发送状态信息；

步骤3：中继收集所有用户与中继之间的大尺度衰落的统计信息；

步骤4：中继通过计算判断自适应选择第一导频方案或者第二导频方案。

2.根据权利要求1所述的全双工双向大规模天线中继网络导频方案自适应选择方法，其特征在于，所述步骤1中对称的全双工双向大规模天线中继网络是指在中继网络中每一个用户对到中继的大尺度衰落相等；且所有用户及中继均工作在全双工模式，中继采用放大转发协议。

3.根据权利要求2所述的全双工双向大规模天线中继网络导频方案自适应选择方法，其特征在于，对称的全双工双向大规模天线中继网络包括K个用户对，每一个用户对之间通过中继相互交换信息，记(S_2i-1,S_2i)为一个第2i-1个用户和第2i个用户构成的用户对，i＝1,2,…,K；第k个用户收到来自第i个用户的干扰水平记为且i,k∈U_k，i≠k，k＝1,2,…,2K，其中U_k＝{1,3,…,2K-1}或者U_k＝{2,4,…,2K}；第k个用户的自循环干扰水平记为且k＝1,2,…,2K；中继的自循环干扰水平记为

4.根据权利要求1所述的全双工双向大规模天线中继网络导频方案自适应选择方法，其特征在于，所述步骤2中中继接收所有用户终端发来的状态信息，所述状态信息包括用户的发送功率信息、用户的信噪比SNR、用户间干扰信息、用户的循环干扰信息LI以及用户的位置信息。

5.根据权利要求4所述的全双工双向大规模天线中继网络导频方案自适应选择方法，其特征在于，所述步骤3包括：中继根据用户的位置信息，在已有的中继覆盖范围内大尺度衰落与位置的统计信息列表中收集所有用户与中继之间的大尺度衰落统计信息。

6.根据权利要求1所述的全双工双向大规模天线中继网络导频方案自适应选择方法，其特征在于，所述步骤4包括：

步骤4.1：计算每个用户的信干噪比SINR，计算公式如下：

${\mathrm{\γ}}_k=\frac{N_t}{A_k+{\mathrm{MP}}_k+{\mathrm{LIR}}_k+{\mathrm{NR}}_k+{\mathrm{MU}}_k+{\mathrm{AN}}_k};$

其中A_k＝κ+1；

$\mathrm{\κ}=\frac{N_t}{N_r};$

${\mathrm{MP}}_k=\underset{j\≠k,k^{\′}}{\overset{2K}{\underset{j=1}{\mathrm{\Σ}}}}(\mathrm{\κ}\frac{{\mathrm{\β}}_{uj}}{{\mathrm{\β}}_{{\mathrm{uk}}^{\′}}}+\frac{{\mathrm{\β}}_{{\mathrm{dj}}^{\′}}{\mathrm{\β}}_{uj}^2}{{\mathrm{\β}}_{dk}{\mathrm{\β}}_{{\mathrm{uk}}^{\′}}^2});$

${\mathrm{LIR}}_k=\frac{P_R{\mathrm{\σ}}_{LI}^2}{P_S}\frac{\mathrm{\κ}}{{\mathrm{\β}}_{{\mathrm{uk}}^{\′}}};$

${\mathrm{NR}}_k=\frac{{\mathrm{\σ}}_{nr}^2}{P_S}\frac{\mathrm{\κ}}{{\mathrm{\β}}_{{\mathrm{uk}}^{\′}}};$

${\mathrm{MU}}_k=\frac{P_S}{P_R{\mathrm{\β}}_{dk}^2{\mathrm{\β}}_{{\mathrm{uk}}^{\′}}^2}\underset{i=1}{\overset{2K}{\Σ}}{\mathrm{\β}}_{di}{\mathrm{\β}}_{{\mathrm{ui}}^{\′}}^2\underset{i,k\∈U_k}{\Σ}{\mathrm{\σ}}_{k,i}^2;$

${\mathrm{AN}}_k=\frac{{\mathrm{\σ}}_n^2}{P_R{\mathrm{\β}}_{dk}^2{\mathrm{\β}}_{{\mathrm{uk}}^{\′}}^2}\underset{i=1}{\overset{2K}{\Σ}}{\mathrm{\β}}_{di}{\mathrm{\β}}_{{\mathrm{ui}}^{\′}}^2;$

式中：(k,k')表示一个用户对，(k,k')＝(2m-1,2m)或者(k,k')＝(2m,2m-1)，m＝1,2,…,K；γ_k表示用户k的信干噪比SINR，A_k表示利用信道统计信息带来的计算误差，MP_k表示用户对之间的干扰，LIR_k表示中继自循环干扰的影响，NR_k表示来自中继噪声的影响，MU_k表示用户间干扰和用户自循环干扰的影响，AN_k表示用户噪声的影响，κ表示中继发送天线N_t和中继接收天线N_r的比值，β_uj表示用户j到中继接收天线的大尺度衰落增益，β_uk'表示第k'个用户到中继接收天线的大尺度衰落增益，β_dj′表示中继发送天线到第j'个用户的大尺度衰落增益，β_dk表示中继发送天线到第k个用户的大尺度衰落增益，P_R表示中继的发送功率，P_S表示用户的发送功率，表示表示中继端的白噪声水平，β_di表示中继发送天线到第i个用户的大尺度衰落增益，β_ui′表示第i'个用户到中继接收天线的大尺度衰落增益，表示用户端的白噪声水平，U_k＝{1,3,…,2K-1}或者U_k＝{2,4,…,2K}，i,k∈U_k表示i和k同时包含在集合U_k；

步骤4.2：计算变量T_c ^E，计算公式如下：

$T_c^E=(1+\frac{1}{2(g-1)})\mathrm{\τ},$

其中

式中：T_c ^E表示所要计算的导频序列长度参考值，g表示两种导频方案的和速率的比值，τ表示传统导频序列长度，τ≥2K；

步骤4.3：若当前信道相干时间长度T_c满足T_c∈(τ,T_c ^E)时，选择第一导频方案；若当前信道相干时间长度T_c满足T_c∈(T_c ^E,∞)时或者T_c等于T_c ^E时，选择第二导频方案。

7.根据权利要求6所述的全双工双向大规模天线中继网络导频方案自适应选择方法，其特征在于，第一导频方案所需导频序列长度为τ_c≥K，其中则在一个相干时间长度内，用于发送有效载荷的时间为(T_c-τ_c)；

第二导频方案所需导频序列长度为τ≥2K，则在一个相干时间长度内，用于发送有效载荷的时间为(T_c-τ)。