CN110505702B - 一种基于用户信号到达角度的导频分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于用户信号到达角度的导频分配方法，根据用户到达基站方向的到达角度不同，将用户分到不同的扇区，扇区内分配正交导频，扇区与扇区之间复用导频，达到节省导频开销，提高用户可达和速率的目的。

Description

一种基于用户信号到达角度的导频分配方法

技术领域

本发明涉及通信系统技术领域，尤其涉及一种基于用户信号到达角度的导频分配方法。

背景技术

随着大数据和物联网时代的到来，信息的交互已经不仅仅是互联网模式，更多的是终端设备与设备之间信息的共享、密集数据的深入分析。在5G商用之后，两者必将呈现出爆炸式增长，终端设备数目的增长主要体现在智能家居、车联网、智能制造等领域；数据集的增长主要表现在云服务、虚拟现实、超高清视频图像传输等领域。面对如此众多的终端设备和高密集的数据流，对5G而言要求颇高，必须寻求更大系统容量的网络来传输和链接。大规模MIMO技术因其灵活的空间自由度和可观的系统容量已经成为5G移动通信系统中不可缺少的关键技术之一，但面临的问题也是极为严峻。根据现有文献和学者研究，大规模MIMO系统性能提升的关键是导频污染，如何抑制或减轻导频污染对5G“高容量”目标的实现至关重要。

导频分配方法是指基于一定的准则为用户分配导频，保证用户导频开销与系统性能在一定条件下达到最优或次优，目前主要采用的有基于大尺度衰落的导频分配方法和基于路径损耗的导频分配方法。近几年，利用导频分配抑制导频污染的研究热潮持续高涨，从简单的随机导频分配和智能导频分配到现在的基于深度学习的导频分配方法和基于用户空时频信息的导频分配方法，无一不说明导频分配对导频污染具有良好的抑制效果。

但是，传统导频分配方法存在导频开销过大、信道状态信息不完美的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于用户信号到达角度(AOA)的导频分配方法，根据用户到达基站方向的不同，将用户分到不同的扇区，扇区内分配正交导频，扇区与扇区之间复用导频，达到节省导频开销，提高用户可达和速率的目的。

本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：

一种基于用户信号到达角度的导频分配方法，包括：

S1:假设有L个呈六边形小区紧密排列，每个小区K个用户，角度等间隔分布在各自小区中，基站位于每个小区中央且部署M根天线；目标小区位于中心位置，外围有6个一级小区，12个二级小区，根据每个用户到达基站的角度不同划分在不同的扇区，假设每个小区可划分为6个扇区；

S2:将所有导频分为相互正交的6组

S3:从6组导频中任意选取两组供一个小区内的用户分配，一组为来波方向为θ∈[0,π]的用户分配，另一组为来波方向为θ∈[-π,0]的用户分配；

S4:将来波方向为θ∈[0,π]的区间等间隔分为3个扇区[s₁,s₂,s₃]，将来波方向为θ∈[-π,0]的区间等间隔分为3个扇区[s₄,s₅,s₆]；

S5:根据用户到达基站的到达角度，划分用户到不同的扇区，并为用户标注扇区序列号s_i；

S6:同一小区之中，位于同一扇区内的用户分配同一个导频组内的正交导频；同一小区内之中，来波方向为θ∈[0,π]区间内的扇区与扇区之间复用一组导频，来波方向为θ∈[-π,0]区间内的扇区与扇区之间复用另一组导频；

S7:同一个一级小区根据目标小区选取的正交导频组，选取与其正交的剩余正交导频组，按照来波方向分配给不同的用户使用，且相邻的一级小区之间使用的导频组不同；

S8:二级小区根据相邻一级小区选取的正交导频组，选取与其正交的剩余正交导频组,按照来波方向分配给不同的用户使用，且相邻的二级小区之间使用的导频组不同。

进一步，所述目标小区的基站接收到信号的到达角度互不重叠。

进一步，所述基站的载波频率为3300MHz-3600MHz。

进一步，所述基站的载波频率为4800MHz-5000MHz。

进一步，所述小区的最大半径R为500m。

本发明的有益效果：本发明提出的基于用户信号到达角度的导频分配方法，根据用户到达基站的到达角度不同，将用户分到不同的扇区，扇区内分配正交导频，一定到达角度区间内的扇区与扇区之间复用导频，达到节省导频开销，提高用户可达和速率的目的。

附图说明

图1是本发明实施例提供的导频分配策略示意图；

图2是本发明实施例提供的大规模系统导频分配示意图；

图3是本发明实施例提供的基于到达角度导频分配拓扑图；

图4是本发明实施例提供的天线数M对目标小区用户信道估计归一化MSE的影响仿真图；

图5是本发明实施例提供的基于大尺度衰落的导频方法天线数M对用户平均SINR的影响；

图6是本发明实施例提供的基于路径损耗的导频方法天线数M对用户平均SINR的影响；

图7是本发明实施例提供的不同导频分配方法天线数M对用户平均SINR的影响；

图8是本发明实施例提供的不同分配方法天线数M对上行可达和速率的影响。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：

本发明的一种基于用户信号到达角度的导频分配方法，包括：

S1:假设有L个呈六边形小区紧密排列，每个小区K个用户，角度等间隔分布在各自小区中，基站位于每个小区中央且部署M根天线，且满足M>>K；目标小区位于中心位置，外围有6个一级小区，12个二级小区，根据每个用户到达基站的角度不同划分在不同的扇区，假设每个小区可划分为6个扇区，基站接收到信号的到达角度互不重叠；

S2:将所有导频分为相互正交的6组

S3:从6组导频中任意选取两组供一个小区内的用户分配，一组为来波方向为θ∈[0,π]的用户分配，另一组为来波方向为θ∈[-π,0]的用户分配；

S4:将来波方向为θ∈[0,π]的区间等间隔分为3个扇区[s₁,s₂,s₃]，将来波方向为θ∈[-π,0]的区间等间隔分为3个扇区[s₄,s₅,s₆]；

S5:根据用户到达基站的到达角度，划分用户到不同的扇区，并为用户标注扇区序列号s_i；

S6:同一小区之中，位于同一扇区内的用户分配同一个导频组内的正交导频；同一小区内之中，来波方向为θ∈[0,π]区间内的扇区与扇区之间复用一组导频，来波方向为θ∈[-π,0]区间内的扇区与扇区之间复用另一组导频；

S7:同一个一级小区根据目标小区选取的正交导频组，选取与其正交的剩余正交导频组，按照来波方向分配给不同的用户使用，且相邻的一级小区之间使用的导频组不同；

S8:二级小区根据相邻一级小区选取的正交导频组，选取与其正交的剩余正交导频组,按照来波方向分配给不同的用户使用，且相邻的二级小区之间使用的导频组不同。

具体分配情况见图1所示，该分配方案使用了与全复用导频方案相同的导频数，却将导频污染从一级小区推到了二级小区，大大地减少了导频污染，可以有效地提高系统性能。

大规模MIMO系统导频污染主要来自于复用相同导频其他用户的干扰，因此如何避免或消除目标小区基站接收到复用相同导频的其他用户信号是抑制导频污染的核心所在。现阶段主要有三种解决思路：1)实行用户分组，将干扰较大的用户分配正交导频；2)避免基站接收到干扰用户信号；3)基于信道估计或预编码技术消除干扰信号。

本发明即基于信号到达方向AOA划分扇区来实行用户分组，现假设有L个呈六边形小区紧密排列，如图2所示。每个小区中央架设一个基站，每个基站配置由M根天线构成的天线阵列。每个小区等分为S个扇区，保证扇区与扇区之间不重叠，每个扇区随机分布有K个配置单天线的用户，满足M>>K。假设所有小区用户同时同频发射导频信号，则目标小区l中基站B_l接收到的导频信号可表示为：

其中，P_u为上行导频平均发射功率，N∈C^M×τ是服从均值为0，方差为σ²的加性高斯白噪声(AWGN)，H_ljs表示j小区扇区s所有用户到l小区基站的信道传输矩阵的集合，即：H_ljs＝[h_ljs1 h_ljs2 … h_ljsK]。Φ_js表示j小区扇区s所有用户导频分配集合，即：

采用最小二乘信道估计方法对接收导频信号做信道估计，可得目标小区l扇区s中所有用户的信道传输矩阵为：

由于导频的复用，目标小区l扇区s中的用户k的信道传输矩阵可化简为：

其中，第二项h^int是与目标用户复用相同导频的干扰信道传输信息，第三项n表示噪声。

由此可见，不同小区的不同扇区复用目标用户的导频，导致信道估计失真。这里考虑窄带多径信号模型：

其中P是目标小区l扇区s中的用户k到小区l中基站的多径数，α_ip是第p条路径的大尺度衰落系数，包含路径损耗和阴影衰落。a(θ_ip)是第p条路径到达的方向向量，可以表示为：

其中λ表示波长，D≤λ/2代表基站天线与天线间距，忽略天线间的相关性，θ∈[0,π]表示基站端信号随机到达方向到达角度，由于cos(θ)＝cos(-θ)，θ∈[-π,0]将会被θ∈[0,π]代替，这也是到达角度估计的局限，将对基于到达角度估计的导频分配方法产生影响。

在这里引用一个定理：

定理1：假设信道h_l,l＝1,…,L由信号到达方向θ的多条路径组成，见公式。小区中用户信号的到达角度分布可以由任意的概率密度函数p_l(θ)表示。例如，

其中如果其他L-1小区的到达角度间隔/>与期望信号的到达角度间隔/>完全不重叠，则有：

基于以上定理，在一定的分配策略下，可以减轻公式中第二项h^int的影响，提高大规模MIMO系统的整体性能。

纵观方向向量a(θ)，a(θ)可以表示为一个频率信息为f_a＝cos(θ)*D/λ的单音信号，当天线数趋于无穷大时，a(θ)的傅里叶变换归一化将趋向于δ函数，即：

其中F_N(·)代表N点离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform，DFT)，N≥M。利用这一特性，在天线数无穷大时，不同用户的信道均可以表示出来，通过对非目标用户的频点置0，达到消除干扰的目的。F_N(f)表示f位置的DFT值。但是在实际情况中，由于天线数目有限且存在多径，单一的频点将扩展成为一个区间下面将具体分析：

在中的每个频点傅里叶变换均符合公式，这里为了方便，将频率信息改写为对应的DFT点数，即：

其中，g_N(θ)表示用户到达角度对应θ在频域的位置。

定义一个对应的频域区间I_F(n_min,n_max)：

其中，n_min和n_max分别为和/>对应的DFT位置，可以通过式计算得到，即：

式是对单个频点干扰用户的消除，针对区间I_F(n_min,n_max)，可以改写为：

对区间外DFT置零后，做DFT反变换，得到f_N：

f_N＝IFFT(F_N(a(θ)))＝[f₁ f₂ … f_N]^T (3.25)

取M点得到目标小区l扇区s中的用户k的信道传输矩阵：

则目标小区l扇区s中的用户k的信道估计均方误差MSE_llsk可以表示为：

目标小区l扇区s的用户平均信干噪比SINR_ls表示为：

其中A_lls表示小区l扇区s接受所有小区所有用户的检测向量，存在表示1，不存在表示0。

目标小区l扇区s的用户可达和速率C_ls为：

C_ls＝(1-μ)E{log₂(1+SINR_ls)} (3.29)

其中，μ表示导频开销。

通过上述分析可知，只要目标小区基站接收到信号的到达角度互不重叠，就可以消除干扰。

本实施例采用图2所示的仿真场景对本发明提出的导频分配方法进行验证，仿真场景由L个正六边形小区构成，小区与小区之间无缝衔接，小区半径500m，基站位于小区中央且部署M根天线。本文考虑到天线的相关性和互耦效应，设置天线间距等于载波波长λ的一半；考虑到《工业和信息化部关于第五代移动通信系统使用3300-3600MHz和4800-5000MHz频段相关事宜的通知》结合华为已有的天线阵列设计，选取3500MHz作为载波频率。具体参数见表1所示，假设每个小区每个用户占用统一时频资源块。

表1系统仿真基本参数

如图3是仿真场景拓扑图，每个正六边形代表一个小区，每个小区分为6个扇区，每个扇区随机分布2个用户，其中三角代表配置有M根天线的小区基站，小圆点代表单天线用户，中心正六边形表示目标小区，粗实线与目标小区边缘围起来的三角表示目标扇区，小区中数字代表导频正交组序列号。从图中可以看出，与目标小区复用导频的小区均位于二级小区，以分配导频序列1的用户为例，与其复用相同导频的用户都在二级小区，而且同方向的分配导频序列1的扇区仅有两个，即总共4个用户复用，可以很好地在空间位置上抑制导频污染。

接下来从3个方面对基于到达角度的导频分配方法性能进行仿真分析。

①目标小区信道估计均方误差MSE仿真分析

到达角度服从均匀分布，每个小区划分6个扇区，每个扇区3个用户，到达角度的均值，用户到基站的位置d固定450m，导频分配图案如图1所示。

图4仿真了只有主小区、主小区+一级小区(7小区)、主小区+一级小区+二级小区(19小区)三种情况基于到达角度导频分配的信道估计MSE随天线数的关系。从图中可以看出，7小区和19小区与仅有目标小区信道归一化MSE相差不大，这是由于一级小区与目标小区导频正交，不存在导频污染，二级小区距离主用户较远，干扰较小，这也是众多学者不考虑二级小区的原因。进一步说明了本方案具有无论小区数量多少，性能均不会下降的可行性，也说明了后文只仿真7小区的合理普适性。

②不同分配方法SINR仿真结果对比

图5和图6分别仿真了7小区下基于大尺度衰落和基于路径损耗的导频分配方法天线数对SINR的影响，两种方法均采用随机导频分配，中心用户复用导频，边缘用户分配正交导频。从图中可以看出，对于边缘用户，两种分配方法均要比传统的随机分配性能要好，而基于大尺度衰落的导频分配方法较基于路径损耗的导频方法用户平均SINR略有提升，接下来将对比本文提出策略的SINR性能。

图7仿真了目标小区用户在7小区情况下基于到达角度、基于大尺度衰落、基于路径损耗、全正交和全复用五种导频分配方法的平均SINR随天线数的关系。从图中可以看出，当天线数时，基于到达角度的导频分配方法比全正交导频分配SINR略小，比大尺度衰落和路径损耗提升至少4dB，比全复用增加接近12dB。说明基于到达角度的导频分配方法，只要保证用户到达基站的到达角度不重叠，用户平均SINR就与全正交基本一致，即不存在导频污染，符合理论推导。

③不同分配方法用户可达速率仿真结果对比

仿真②中已经对比了不同分配方法目标小区用户平均SINR随天线数的变化情况，考虑到二级小区的影响较小，本次仿真仅在7小区情况下，对目标小区用户在不同导频分配方法下的可达和速率做对比分析。

图8仿真了不同分配方式目标小区用户可达和速率随天线数的差异，由图中可以看出基于到达角度的导频分配方法比全正交导频分配方法略优，这是由于基于到达角度的导频分配方法导频开销更小。而与其他两种分组导频分配方法相比有很大的性能提升，且随着天线数的增加可达和速率上升更加陡峭。当天线数时，可达和速率已经超过其他两种导频分配方法8bps/Hz，不仅具有显著的性能提升，而且更符合5G实际的天线阵列数，减少了天线阵列制作工艺的复杂度。此时全复用导频分配方法由于导频污染的影响用户可达和速率很差，基本无法可靠通信。

通过对信道估计归一化MSE、目标小区用户平均SINR和可达速率仿真，可以得出本文所提基于到达角度的导频分配方法较其他传统方法有极大的性能提升，解决了信道状态信息不完美和导频开销过大的问题，有效地抑制了导频污染对大规模MIMO系统的影响；此外，在保证到达角度不重叠或轻度重叠(10°以内)的情况下，可以很好地消除导频污染，带来可达和速率的飞速增长，且与全复用方案相比不增加额外的导频开销。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (4)

1.一种基于用户信号到达角度的导频分配方法，其特征在于，包括：

S1：假设有L个呈六边形小区紧密排列，角度等间隔分布在各自小区中，基站位于每个小区中央且部署M根天线；目标小区位于中心位置，外围有6个一级小区，12个二级小区，根据每个用户到达基站的角度不同划分在不同的扇区，假设每个小区划分为6个扇区；

S2：将所有导频分为相互正交的6组

S3：从6组导频中任意选取两组供一个小区内的用户分配，一组为来波方向为θ∈[0,π]的用户分配，另一组为来波方向为θ∈[-π,0]的用户分配；

S4：将来波方向为θ∈[0,π]的区间等间隔分为3个扇区[s₁,s₂,s₃]，将来波方向为θ∈[-π,0]的区间等间隔分为3个扇区[s₄,s₅,s₆]；

S5：根据用户到达基站的到达角度，划分用户到不同的扇区，并为用户标注扇区序列号s_i；

S6：同一小区之中，位于同一扇区内的用户分配同一个导频组内的正交导频；同一小区内之中，来波方向为θ∈[0,π]区间内的扇区与扇区之间复用一组导频，来波方向为θ∈[-π,0]区间内的扇区与扇区之间复用另一组导频；

S7：同一个一级小区根据目标小区选取的正交导频组，选取与其正交的剩余正交导频组，按照来波方向分配给不同的用户使用，且相邻的一级小区之间使用的导频组不同；

S8：二级小区根据相邻一级小区选取的正交导频组，选取与其正交的剩余正交导频组,按照来波方向分配给不同的用户使用，且相邻的二级小区之间使用的导频组不同；

每个小区中央架设一个基站，每个基站配置由M根天线构成的天线阵列；每个小区等分为s个扇区，s具体为6，保证扇区与扇区之间不重叠，每个扇区随机分布有K个配置单天线的用户，满足M＞＞K；假设所有小区用户同时同频发射导频信号，则目标小区l中基站B_l接收到的导频信号可表示为：

其中，P_u为上行导频平均发射功率，N∈C^M×τ是服从均值为0，方差为σ²的加性高斯白噪声，H_ljs表示j小区扇区s所有用户到l小区基站的信道传输矩阵的集合，即：H_ljs＝[h_ljs1 h_ljs2... h_ljsK]；Φ_js表示j小区扇区s所有用户导频分配集合，即：Φ_js＝[Φ_js1 Φ_js1 ... Φ_jsK]；

采用最小二乘信道估计方法对接收导频信号做信道估计，可得目标小区l扇区s中所有用户的信道传输矩阵为：

由于导频的复用，目标小区l扇区s中的用户k的信道传输矩阵可化简为：

其中，第二项h^int是与目标用户复用相同导频的干扰信道传输信息，第三项n表示噪声；

由此可见，不同小区的不同扇区复用目标用户的导频，导致信道估计失真；这里考虑窄带多径信号模型：

其中P是目标小区l扇区s中的用户k到小区l中基站的多径数，α_ip是第p条路径的大尺度衰落系数，包含路径损耗和阴影衰落；a(θ_ip)是第p条路径到达的方向向量，可以表示为：

其中λ表示波长，D≤λ/2代表基站天线与天线间距，忽略天线间的相关性，θ∈[0,π]表示基站端信号随机到达方向到达角度；

所述目标小区的基站接收到信号的到达角度互不重叠。

2.根据权利要求1所述的一种基于用户信号到达角度的导频分配方法，其特征在于，所述基站的载波频率为3300MHz-3600MHz。

3.根据权利要求1所述的一种基于用户信号到达角度的导频分配方法，其特征在于，所述基站的载波频率为4800MHz-5000MHz。

4.根据权利要求1所述的一种基于用户信号到达角度的导频分配方法，其特征在于，所述小区的最大半径R为500m。