CN106936552B - 大规模mimo系统中上行导频序列分配方法及基站 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大规模MIMO系统中上行导频序列分配方法，该系统包括位于本小区的本基站和位于邻小区的邻基站，包括以下步骤：邻基站比较邻小区的用户组与邻基站间的主特征空间，与本小区的靠近邻基站的用户组与邻基站间的干扰特征空间，确定邻小区的用户组是否可以重用本小区的用户组使用的上行导频序列资源。本发明通过增加信息交互的方式，实现小区间协作上行导频序列分配，有效地降低了多小区大规模MIMO系统中的上行导频污染。

Description

大规模MIMO系统中上行导频序列分配方法及基站

技术领域

本发明涉及一种上行导频序列分配方法，尤其涉及一种在大规模MIMO系统中，基于用户特征空间的小区间协作的上行导频序列分配方法，同时也涉及使用该方法的基站，属于无线通信技术领域。

背景技术

如图1所示，在现有多小区大规模MU-MIMO系统中，假设有L个小区，各小区有一个N天线的基站(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，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。由此可知，

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。

图2给出了大规模MIMO系统中上行链路导频污染示意图。相对于基站1而言，如果小区1中的用户1和小区2中的用户2使用了相同的上行导频序列，则由于基站1无法分离这两个用户的信号(具有相同的特征空间)而产生导频污染问题。另一方面，如果小区1中的用户1和小区2中的用户4使用了相同的上行导频序列，那么基站1很容易通过特征分离法将这两个用户的信号(具有不同的特征空间)分离开来。此时，就不会产生导频污染问题。由此可见，导频污染产生于相邻小区的临近边沿用户之间，故需要为这些用户分配不同的导频序列。另一方面，对于小区中心的用户，其导频污染问题很容易解决(如通过特征空间分离方法)，故可为这些用户分配相同的导频序列。

由于导频污染产生于相邻小区的临近边沿用户之间，因为这些用户具有相同的特征空间而使得基站无法将不同用户的上行信号分离开来。因此，只需要考虑如何消除两个小区边沿用户间的导频污染。

针对大规模MIMO系统中的上行导频污染，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，并同时说明其不足之处。

(1)基于协议的导频污染抑制方法

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大规模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SINR，但同时服务的用户数却减少了。

现有的基于时移(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3给出了Γ＝3的例子加以说明。当组A₁中用户发射导频时，组A₂中的基站(BS)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。既然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，方向矢量可表示为：

上式中，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)。有文献证明：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。因此，有文献提出了一种降低导频污染的方案,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。但是该方法要求各基站的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。此外，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。

(3)基于子空间划分技术的导频污染盲抑制方法

有文献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，这样的基于子空间划分技术。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，该假设使得基站能够利用接收数据的统计量来估计信道矢量。

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的盲抑制方法无法有效降低导频污染。

发明内容

本发明所解决的首要技术问题在于提供一种大规模MIMO系统中上行导频序列分配方法。

本发明所解决的另一技术问题在于提供一种使用大规模MIMO系统中上行导频序列分配方法的邻基站。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种大规模MIMO系统中上行导频序列分配方法，所述系统包括位于本小区的本基站和位于邻小区的邻基站，包括以下步骤：

所述邻基站比较所述邻小区的用户组与所述邻基站间的主特征空间，与所述本小区的靠近所述邻基站的用户组与所述邻基站间的干扰特征空间，确定所述邻小区的所述用户组是否可以重用所述本小区的所述用户组使用的上行导频序列资源。

其中较优地，所述邻基站是从所述本基站交互得到所述干扰特征空间的信息，以及所述本小区的所述用户组使用的所述上行导频序列的信息。

其中较优地，所述本小区的所述用户组与所述邻基站间的参考信号强度大于预定阀值。

其中较优地，所述本小区的所述用户组与所述本基站间的主特征模式具有相似性。

其中较优地，所述邻小区的用户组与所述邻基站的主特征空间，与所述本小区的靠近所述邻基站的用户组与所述邻基站的干扰特征空间不重叠。

其中较优地，所述邻基站为所述邻小区的所述用户组与所述本小区的所述用户组重用所述上行导频序列。

其中较优地，所述邻小区的用户组与所述邻基站的主特征空间，与所述本小区的靠近所述邻基站的用户组与所述邻基站的干扰特征空间重叠。

其中较优地，所述邻基站确定是否可以重用所述本小区的所述用户组使用的上行导频序列资源时，

如果所述邻小区内能够调整，那么所述邻基站通知所述本基站消除了上行导频污染，并将所述邻小区的边沿用户组的导频使用信息交互给所述本基站。

其中较优地，所述邻基站确定是否可以重用所述本小区的所述用户组使用的上行导频序列资源时，如果所述邻小区无法调整，那么所述邻基站需要与所述本基站协商解决。

其中较优地，还包括以下步骤：

所述本小区的各个用户，测量其与所述本基站的主特征空间，及其与所述邻基站的参考信号强度；

所述本基站对所述本小区的所述用户进行分组，找到靠近邻小区的用户组，并确定所述用户组与所述邻基站间的干扰特征空间；

所述本基站向所述邻基站交互所述干扰特征空间和所述用户组使用的所述上行导频序列。

一种大规模MIMO系统中上行导频序列分配方法的邻基站，所述系统包括位于本小区的本基站和位于邻小区的邻基站，其中：

所述邻基站比较所述邻小区的用户组与所述邻基站间的主特征空间，以及所述本小区的靠近所述邻基站的用户组与所述邻基站间的干扰特征空间，确定所述邻小区的所述用户组是否可以重用所述本小区的所述用户组使用的上行导频序列资源。

本发明通过比较邻小区用户组与邻基站间的主特征空间，以及本小区用户组与邻基站间的干扰特征空间，判断邻小区用户组是否可以重用本小区用户组的上行导频序列，从而实现仅对处于小区边沿的用户组避免使用上行导频序列的重用，避免导频污染。利用本发明，能够最大限度地让处于小区中心的用户组能够重用上行导频序列资源，提高资源利用率。

附图说明

图1为小区大规模MU-MIMO系统的示意图；

图2为大规模MIMO系统中上行链路导频污染的示意图；

图3为现有基于时移的导频序列分配方法的流程图；

图4为小区中基于特征空间相似度的用户分组示意图；

图5为本发明所提供的大规模MIMO系统中上行导频序列分配方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容进行详细具体的说明。

本发明针对大规模MIMO(massive MIMO)系统的上行导频序列分配，提出一种基于特征空间中导频序列使用信息交互的小区间协作上行导频分配方法，以抑制上行导频污染。

S1：本小区基站根据用户特征空间的相似度对用户进行分组，确定与邻小区最邻近的用户组，并确定该用户组与邻小区基站间的干扰特征空间。

S2：本小区基站将交互信息(该用户组与邻小区基站间的干扰特征空间，该用户组的上行导频使用信息)交互给邻小区的基站。

S3：邻小区基站依据该交互信息，确定该邻小区中邻近该本小区的用户组能否与干扰特征空间所在的用户组使用相同的上行导频序列。

具体为：如果邻小区中用户组的主特征空间与干扰特征空间相似度高，则这两个用户组中的用户不能使用相同的上行导频序列；否则，这两个用户组中的用户能使用相同的上行导频序列。

这样，就可以实现大规模MIMO系统中基于用户特征空间分组和参考信号强度相对强弱排序的小区间协作上行导频序列分配方法。

下面结合附图进行具体说明。图4给出了多小区大规模MIMO系统中基于特征空间相似度的用户分组示意图；图5给出了大规模MIMO系统中基于特征空间中导频序列使用信息交互的小区间协作上行导频分配方法的信令流程图。

如前述，由于导频污染产生于相邻小区的临近边沿用户之间，因为这些用户具有相同的特征空间而使得基站无法将不同用户的上行信号分离开来。因此，只需要考虑如何消除两个小区边沿用户间的导频污染。

如图4所示，上行导频污染可能产生于相邻两个小区的边沿用户组之间。比如，对于小区1中用户组1和小区2中用户组1，如果小区1中用户组1与基站1之间的主特征空间

与小区2中用户组1与基站1之间的干扰特征空间

位于相同的特征空间中，即

则这两个组中的用户不能使用相同的上行导频序列，否则会产生严重的上行导频污染问题。反之，如果相邻两个小区中的用户组离得比较远，比如小区1中用户组1和小区2中的用户组3，这两个用户组中的用户能使用相同的上行导频序列，这是因为这两个用户组位于不同的特征空间中，通过特征分解(EVD)方法很容易将这两个组中用户的上行信号分开。因此，很容易消除这两个用户组的上行导频污染。

本发明重在消除两个小区边沿的用户组之间用户的上行导频污染，针对大规模MIMO系统，给出了一种基于特征空间中导频使用信息交互的小区间协作上行导频序列分配方法，如图4和图5所示，具体步骤如下所述。

首先，假设有K个正交的上行导频序列

各小区中有K个用户，且各小区中K个用户复用该K个正交的上行导频序列

而且，为了便于描述，假设FDD模式大规模MIMO系统中至少有两个小区，一个是本基站所在的本小区，另一个是邻基站所在的邻小区(图中基站1为本小区，基站2为邻小区)，且假设各小区中的用户k使用导频序列a_k(k＝1,2,…,K)。

步骤1：本小区用户测量其与本基站和邻基站的主特征空间及参考信号强度。

对于本基站(本小区)l(l＝1,2)中的用户k(k＝1,2,…,K)，其与邻基站j(j＝1,2)间的信道相关矩阵R_l,j,k相对于瞬时信道矩阵H_l,j,k的相干时间是慢变的，故各用户可利用下行链路训练阶段采用子空间估计和跟踪算法来获取其主特征模式

并以低频度反馈给其服务基站(BS)。同时，本小区l(l＝1,2)中的用户k测量并反馈其与基站j间的参考信号强度γ_l,j,k。

步骤2：本小区基站对用户进行分组，找到靠近邻小区的用户组，并确定该用户组与邻基站间的干扰特征空间。

当本基站l接收到其K个用户反馈回来的主特征模式

后(l＝1,2)，利用k-均值聚类方法或固定量化方法将K个用户依据其主特征空间

的相似性分成G_l个用户组，且用户组g_l(1≤g_l≤G_l)的组主特征空间表示为

假设K_l,g表示本小区l中用户组g中的用户数，这样有

而且，本基站l对于其本小区中的G_l个用户组，选取用户组g_l(1≤g_l≤G_l)中用户与邻基站j间的最大参考信号强度(表示为

)或平均参考信号强度(表示为

)，并将

(或

)作为本小区l中用户组g_l与邻基站j间的参考信号强度。

本基站l对参考信号强度设定一个阈值，本基站l确定本小区中与邻小区j的参考信号强度大于阈值的用户组(假设有d₀个)。首先进行用户特征空间分组，然后按照参考信号强度大小对各用户组排序,这样，排序最前的用户组则越靠近邻小区。需要说明的是，可以采用别的方式选择出参考信号强度最大的用户组，以该用户组的参考信号强度作为分组参考信号强度，例如用参考信号强度的平均值或者其他计算方式。

而且，本基站l确定d₀个用户组中各用户组d与邻基站j间的干扰特征空间

d＝1,2,…,d₀。

步骤3：本小区基站向邻基站交互干扰特征空间信息以及用户组中导频序列使用信息。

本基站l将其本小区中邻近邻小区j的d₀个用户组的如下信息交互给邻基站j：({本小区l中用户组d与邻基站j间的干扰特征空间信息

用户组d中上行导频序列使用信息}，d＝1,2,…,d₀)。

步骤4：邻基站比较邻小区用户组的主特征空间与步骤3中交互得到的干扰特征空间，确定是否可以重用上行导频序列。

当邻基站j收到其邻小区的基站l交互的信息后，通过比较邻小区j中邻近本小区l的用户组g_j(组特征空间

)与干扰特征空间

(d＝1,2,…,d₀),确定本小区j中邻近本小区l的用户组g_j能否使用本小区l中用户组d(d＝1,2,…,d₀)中的导频序列。

如果主特征空间与干扰特征空间满足以下关系：

则表明两个用户组的主特征空间

和

不重叠，则可为这两个用户组中的用户分配相同的上行导频序列或分配相同的下行时频资源。由于邻小区的用户组与邻基站的主特征空间，与本小区的靠近邻基站的用户组与邻基站的干扰特征空间不重叠；这时，邻基站为邻小区的用户组分配，与所述本小区的所述用户组重用的所述上行导频序列。

如果

表明两个用户组的主特征空间

和

重叠，则不能为这两个用户组中的用户分配相同的上行导频序列或分配相同的下行时频资源。

根据边沿用户组的比较结果，基站j首先在其本小区内的不同组间进行导频序列分配的调整，避免在主特征空间重叠的用户组内使用与邻小区的用户组相同的上行导频序列，会出现如下两种情况：

(a)如果在本小区内能够调整，那么邻基站j通知本基站l消除了上行导频污染，并将其边沿用户组的导频使用信息交互给本基站l。

(b)否则，如果本小区无法调整，那么邻基站j需要与本基站l进行协商解决。此时，邻基站j通知本基站l无法消除上行导频污染，并向本基站l交互其边沿用户组所在特征空间的导频序列使用信息。

然后，本基站l根据邻基站j交互的其边沿用户组所在特征空间的导频序列使用信息，进行小区内调整。这样，本基站l在其本小区内的不同组间进行调整，避免在主特征空间重叠的用户组内使用与邻小区用户组相同的上行导频序列。而且，基站l将调整后其边沿用户组所在特征空间的导频序列使用信息交互给邻基站j。

本发明针对大规模MIMO系统，通过增加基站间的信息交互及用户与基站间的信息交互，给出了基于干扰特征空间中参考信号使用信息交互的小区间协作上行导频序列分配方法，从而有效地降低了多小区大规模MIMO系统中的上行导频污染。

本发明还提供一种使用上述大规模MIMO系统中上行导频序列分配方法的基站，即前述方法中的邻基站。其中，该系统包括位于本小区的本基站和位于邻小区的邻基站。

邻基站从本基站交互得到本小区的靠近邻基站的用户组与邻基站间的干扰特征空间的信息，以及本小区的用户组使用的上行导频序列的信息。

然后，邻基站比较邻小区的用户组与邻基站间的主特征空间，以及交互得到的、本小区的靠近邻基站的用户组与邻基站间的干扰特征空间，确定邻小区的用户组是否可以重用本小区的用户组使用的上行导频序列资源。

本小区的用户组与本基站间的主特征模式具有相似性，形成用户组。前述本小区的用户组与邻基站间的参考信号强度大于预定阀值，是本小区边沿用户。前述本小区的用户组中的各用户与邻基站间的最大参考信号强度，作为本小区中用户组与邻基站间的参考信号强度。

如果邻小区的用户组与邻基站的主特征空间，与本小区的靠近邻基站的用户组与邻基站的干扰特征空间不重叠；这时，邻基站为邻小区的用户组分配，与所述本小区的所述用户组重用的所述上行导频序列。

最后邻基站将邻小区的用户组的上行导频序列交互给本基站。

如果邻小区的用户组与邻基站的主特征空间，与本小区的靠近邻基站的用户组与邻基站的干扰特征空间重叠，则，邻基站确定是否可以重用本小区的所述用户组使用的上行导频序列资源时：如果所述邻小区内能够调整，那么邻基站通知本基站消除了上行导频污染，并将邻小区的边沿用户组的导频使用信息交互给本基站；如果邻小区无法调整，那么邻基站需要与本基站协商解决。

上面对本发明所提供的大规模MIMO系统中上行导频序列分配方法及基站进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (9)

1.一种大规模MIMO系统中上行导频序列分配方法，所述系统包括位于本小区的本基站和位于邻小区的邻基站，其特征在于包括以下步骤：

所述邻基站比较所述邻小区的用户组与所述邻基站间的主特征空间，与所述本小区的靠近所述邻基站的用户组与所述邻基站间的干扰特征空间；

如果所述主特征空间与所述干扰特征空间不重叠，确定所述邻小区的所述用户组可以重用所述本小区的所述用户组使用的上行导频序列资源。

2.如权利要求1所述的大规模MIMO系统中上行导频序列分配方法，其特征在于：

所述邻基站从所述本基站交互得到所述干扰特征空间的信息，以及所述本小区的所述用户组使用的所述上行导频序列的信息。

3.如权利要求2所述的大规模MIMO系统中上行导频序列分配方法，其特征在于：

所述本小区的所述用户组与所述邻基站间的参考信号强度大于预定阀值。

4.如权利要求3所述的大规模MIMO系统中上行导频序列分配方法，其特征在于：

所述本小区的所述用户组与所述邻基站间的参考信号强度，是所述本小区的所述用户组中各用户与所述邻基站间的最大参考信号强度。

5.如权利要求1所述的大规模MIMO系统中上行导频序列分配方法，其特征在于：

所述邻基站为所述邻小区的所述用户组与所述本小区的所述用户组重用所述上行导频序列。

6.如权利要求1所述的大规模MIMO系统中上行导频序列分配方法，其特征在于：

所述邻基站确定是否可以重用所述本小区的所述用户组使用的上行导频序列资源时，如果所述邻小区内能够调整，那么所述邻基站通知所述本基站消除了上行导频污染，并将所述邻小区的边沿用户组的导频使用信息交互给所述本基站。

7.如权利要求1所述的大规模MIMO系统中上行导频序列分配方法，其特征在于：

所述邻基站确定是否可以重用所述本小区的所述用户组使用的上行导频序列资源时，如果所述邻小区无法调整，那么所述邻基站需要与所述本基站协商解决。

8.如权利要求1所述的大规模MIMO系统中上行导频序列分配方法，其特征在于还包括以下步骤：

所述本小区的各个用户，测量其与所述本基站的主特征空间，及其与所述邻基站的参考信号强度；

所述本基站对所述本小区的所述用户进行分组，找到靠近邻小区的用户组，并确定所述用户组与所述邻基站间的干扰特征空间；

所述本基站向所述邻基站交互所述干扰特征空间和所述用户组使用的所述上行导频序列。

9.一种用于大规模MIMO系统的基站，包括位于本小区的本基站和位于邻小区的邻基站，其特征在于所述基站使用权利要求1～8中任意一项所述的大规模MIMO系统中上行导频序列分配方法。

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