CN110519029A - 蜂窝与v2v混合大规模mimo导频复用信道获取方法 - Google Patents

蜂窝与v2v混合大规模mimo导频复用信道获取方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种蜂窝与V2V混合大规模MIMO导频复用信道获取方法，在同一时频资源上进行通信的蜂窝用户和V2V‑Tx所使用的导频信号可以复用。首先，基站和各V2V‑Rx根据接收到的探测信号获取每个用户的统计信道信息并发送给中央控制单元，中央控制单元依据统计信道信息对蜂窝用户和V2V‑Tx进行联合导频分配，并将结果反馈给基站和各V2V‑Rx。接着，基站利用接收到的导频信号获得蜂窝用户的信道估计及信道估计误差统计信息；各V2V‑Rx利用接收到的导频信号获得同一通信对中V2V‑Tx的信道估计及信道估计误差统计信息。在各用户移动过程中，随着信道统计特性的变化，动态地实施联合导频分配。本发明能够大幅度降低系统的导频开销，提高无线通信系统的频谱效率。

Description

蜂窝与V2V混合大规模MIMO导频复用信道获取方法
技术领域
本发明涉及一种蜂窝与V2V混合大规模MIMO无线通信方法，尤其涉及一种蜂窝与V2V混合大规模MIMO导频复用信道获取方法。
背景技术
近几年来，车辆-车辆(V2V)和车辆-网络(V2N)通信取得了快速发展。为满足未来V2V通信应用需求，需要深度挖掘利用空间无线资源，大幅提升V2V无线通信的频谱利用率和功率利用率。因此，把大规模MIMO系统引入V2V通信中成为一个非常有潜力的解决方案。在车辆接收端配置大规模天线阵列(数十根以上)，以深度挖掘利用空间维度资源，成为未来V2V无线通信的发展趋势之一。
在实际无线通信系统中，为了准确及时地获取信道信息，常采用基于全正交导频辅助的信道估计方法。然而，在V2V和V2N场景中，由于车辆用户的高速移动，V2V/V2N信道衰落快，并且随着大量蜂窝用户和车辆用户的接入，导频开销呈现指数级增长，进而导致无线通信系统频谱效率及功率效率的大幅降低，成为系统构建的瓶颈问题。因此，非正交导频传输在V2V无线通信具有相当大的优势，利用蜂窝与V2V混合大规模MIMO信道的角度域稀疏特点，本发明给出了一种蜂窝与V2V混合大规模MIMO导频复用信道获取方法。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种蜂窝与V2V混合大规模MIMO导频复用信道获取方法，所有蜂窝用户和V2V-Tx共享一套正交导频，以节省系统的导频开销，并充分考虑导频复用下蜂窝用户和V2V-Tx之间以及不同通信对中所有V2V-Tx之间的相互干扰，以提升信道估计的准确性。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明所述的一种蜂窝与V2V混合大规模MIMO导频复用信道获取方法，适用于蜂窝和V2V混合大规模MIMO无线通信系统，多个蜂窝用户和多对V2V通信对组成一个无线通信系统，每个V2V通信对包含一个发送车辆用户(V2V-Tx)和一个接收车辆用户(V2V-Rx)；所述方法包括如下步骤：
(1)蜂窝用户和V2V-Tx在不同的时频资源上发送探测信号，基站和各V2V-Rx依据接收到的探测信号获取所有用户的统计信道信息；
(2)基站和各V2V-Rx将所述统计信道信息通过回程链路交予中央控制单元，中央控制单元综合利用所有的统计信道信息，通过穷举或者角度信息辅助导频分配算法对所有的蜂窝用户和V2V-Tx进行联合导频分配，并将各用户导频分配结果通过回程链路发送给相应的基站和各V2V-Rx；
(3)基站和各V2V-Rx依据中央控制单元返回的蜂窝用户和V2V-Tx的导频分配结果，为蜂窝用户和V2V-Tx分配相应的导频；蜂窝用户和V2V-Tx在同一时频资源上周期性地发送各自所分配到的导频信号，基站利用接收到的导频信号获得蜂窝用户的信道估计及信道估计误差统计信息；各V2V-Rx利用接收到的导频信号获得同一通信对中V2V-Tx的信道估计及信道估计误差统计信息；
(4)在蜂窝用户和V2V用户移动过程中，随着蜂窝用户和V2V用户的信道统计特性的变化，基站和各V2V-Rx周期性获得更新后的统计信道信息，并将统计信道信息通过回程链路发送给中央控制单元，中央控制单元根据更新后的所有用户的统计信道信息动态地实施蜂窝用户和V2V-Tx联合导频分配方案。
所述的蜂窝与V2V混合大规模MIMO无线通信系统中基站侧和各V2V-Rx侧天线阵列包含数十个以上的天线单元，各天线单元之间的间距小于载波的波长，当各天线采用全向天线或120度扇区天线或60度扇区天线时，各天线之间的间距为1/2波长或波长或1个波长；每个天线单元采用单极化或多极化天线。
导频分配依据中央控制单元获得的蜂窝用户和V2V用户的统计信道信息，中央控制单元依据蜂窝用户和V2V用户信道估计均方误差之和最小准则，通过穷举法对蜂窝用户和V2V-Tx及可用导频资源进行调度，确定导频复用方案。
导频分配通过角度信息辅助导频分配算法完成，所述角度信息辅助导频分配算法先分配导频给某个用户，然后依次选择与已分配导频用户信道空间重合度最大的用户分配下一个导频，直到所有导频分配完毕；接着选择与已分配导频用户信道空间重合度最小的用户复用相同的导频；直到所有用户都已经分配到导频。
待选择用户与已分配导频用户的信道空间重合度的判断基于大规模MIMO信道的角度域稀疏特性，位于正交的空间方向上的两个用户信道空间重合度最小，反之最大；蜂窝用户i和蜂窝用户j的信道空间重合度由公式计算；蜂窝用户i和V2V-Txm的信道空间重合度由公式计算；V2V-Txm和V2V-Txn的信道空间重合度由公式计算，其中tr表示矩阵的迹,和代表第i和j个蜂窝用户到基站的信道统计协方差矩阵，代表第m个V2V-Tx到基站的信道统计协方差矩阵，代表第i个蜂窝用户到第m个V2V-Rx的信道统计协方差矩阵，代表第m个V2V-Tx到第n个V2V-Rx的信道统计协方差矩阵，和代表同一个V2V通信对m或n中V2V-Tx到V2V-Rx的信道统计协方差矩阵。
蜂窝用户和V2V-Tx在同一时频资源上周期性地发送各自所分配到的导频信号，基站在利用接收到的导频信号获得蜂窝用户的信道估计时，考虑导频复用模式下所有V2V-Tx发送的导频信号对基站的干扰；各V2V-Rx利用接收到的导频信号获得同一通信对中V2V-Tx的信道估计时，考虑导频复用模式下所有蜂窝用户与其他通信对中所有V2V-Tx发送的导频信号对各V2V-Rx的干扰。
有益效果：本发明提供的蜂窝与V2V混合大规模MIMO传输导频复用信道获取方法具有如下优点：
1、所有蜂窝用户和V2V-Tx共享一套正交导频，蜂窝用户之间、V2V-Tx之间以及蜂窝用户和V2V-Tx之间都可以复用导频，导频信号的长度和正交导频个数可以小于在同一时频资源上进行通信的蜂窝用户和V2V-Tx总数目。大幅降低了系统的导频开销，系统净频谱效率得到有效提高。
2、角度信息辅助导频分配算法复杂度低，能很好地应用于实际蜂窝与V2V混合大规模MIMO系统；同时，该算法适用于任意给定导频长度(可用正交导频数)，算法结果可根据该给定值自动调整。因此，算法适应性强。
3、利用信道的统计特性实现导频复用下的信道估计，充分考虑了导频复用下蜂窝用户和V2V-Tx之间以及不同通信对中所有V2V-Tx之间的相互干扰，提升了信道估计的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅表明本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据附图获得其他实施例的附图。
图1为本发明实施例的方法流程图。
图2为蜂窝混合V2V大规模MIMO无线通信系统示意图。
图3为角度信息辅助导频分配算法流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例公开的一种蜂窝与V2V混合大规模MIMO导频复用信道获取方法，主要包括如下步骤：
(1)蜂窝用户和V2V-Tx在不同的时频资源上发送探测信号，基站和各V2V-Rx依据接收到的探测信号获取所有用户的统计信道信息；
(2)基站和各V2V-Rx将所述统计信道信息通过回程链路交予中央控制单元，中央控制单元综合利用所有的统计信道信息，通过穷举或者角度信息辅助导频分配算法对所有的蜂窝用户和V2V-Tx进行联合导频分配，并将各用户导频分配结果通过回程链路发送给相应的基站和各V2V-Rx；
(3)基站和各V2V-Rx依据中央控制单元返回的蜂窝用户和V2V-Tx的导频分配结果，为蜂窝用户和V2V-Tx分配相应的导频；蜂窝用户和V2V-Tx在同一时频资源上周期性地发送各自所分配到的导频信号，基站利用接收到的导频信号获得蜂窝用户的信道估计及信道估计误差统计信息；各V2V-Rx利用接收到的导频信号获得同一通信对中V2V-Tx的信道估计及信道估计误差统计信息；
(4)在蜂窝用户和V2V用户移动过程中，随着蜂窝用户和V2V用户的信道统计特性的变化，基站和各V2V-Rx周期性获得更新后的统计信道信息，并将统计信道信息通过回程链路发送给中央控制单元，中央控制单元根据更新后的所有用户的统计信道信息动态地实施蜂窝用户和V2V-Tx联合导频分配方案。
下面结合具体系统模型对本发明实施例作进一步详细介绍。
1、蜂窝与V2V混合大规模MIMO系统配置及通信过程
在蜂窝与V2V混合大规模MIMO系统模型中，基站位于小区中心，所有的蜂窝用户和V2V通信对分布在该区域上，基站侧和V2V接收端配置包含数十个以上天线单元的天线阵列，大规模天线阵列可以采用线阵列、圆阵列、板阵列或其它阵列结构。各天线单元可采用全向天线或者扇区天线，当各天线单元采用全向天线、120度扇区天线和60度扇区天线时，各天线之间的间距可配置为1/2波长、波长和1个波长。各天线单元可采用单极化或多极化天线。
在此实施例中，仅考虑窄带信道，在所考虑的窄带信道中只有单个复合径，所考虑的窄带信道可以看作是常规宽带OFDM系统中的单个子载波信道。设基站侧配备的天线个数为M，V2V-Rx配备的天线个数为N，蜂窝用户个数为K，V2V通信对个数为D。
此种情况下，蜂窝与V2V混合大规模MIMO通信过程包含以下三个步骤：
i.信道探测：基站端和各V2V-Rx依据接收到的探测信号获取各用户的统计信道信息。
ii.导频分配：基站和各V2V-Rx端通过回程链路将所有用户的统计信道信息交予中央控制单元。中央控制单元利用统计信道信息，根据穷举算法或者角度信息辅助导频分配算法对蜂窝用户和V2V-Tx进行联合导频分配，并将分配结果通过回程链路反馈给基站和各V2V-Rx。
iii.信道训练：基站和各V2V-Rx根据中央控制单元反馈的导频分配结果为蜂窝用户和V2V-Tx分配对应的导频信号。蜂窝用户和V2V-Tx周期性地发送各自分配的导频给基站和对应的V2V-Rx。基站利用接收到的导频信号获得蜂窝用户的信道估计及信道估计误差统计信息；V2V-Rx利用接收到的导频信号获得同一通信对中V2V-Tx的信道估计及信道估计误差统计信息。
2、统计信道信息获取
各用户统计信道信息的获取由信道探测过程完成。蜂窝用户和V2V-Tx间歇地发送探测信号，各用户的探测信号之间相互正交。第k个蜂窝用户到基站的信道统计协方差矩阵信息定义为其中为第k个蜂窝用户到基站的信道，表示期望运算。第l个V2V-Tx到基站的信道统计协方差矩阵信息定义为其中为第l个V2V-Tx到基站的信道。第l个V2V-Tx到第d个V2V-Rx的信道统计协方差矩阵信息定义为其中为第l个V2V-Tx到第d个V2V-Rx的信道。第k个蜂窝用户到第d个V2V-Rx的信道统计协方差矩阵信息定义为其中为第k个蜂窝用户到第d个V2V-Rx的信道。同一个V2V通信对d中V2V-Tx到V2V-Rx的信道统计协方差矩阵信息定义为其中为第d个V2V-Tx到第d个V2V-Rx的信道。
3、中央控制单元导频分配
图1为蜂窝混合V2V大规模MIMO无线通信示意图，系统中基站和多个V2V-Rx通过回程链路连接到中央控制单元(负责协调蜂窝用户和V2V用户)。以该系统模型为例，基站和各V2V-Rx将所有蜂窝用户和V2V-Tx的统计信道信息通过回程链路交于中央控制单元。中央控制单元综合所有用户到基站和各V2V-Rx的统计信道信息，通过穷举法或角度信息辅助导频分配算法获得导频分配结果，并将导频分配结果通过回程链路传达给基站和各V2V-Rx。
为降低蜂窝混合V2V大规模MIMO无线通信系统的导频开销，利用各用户信道的角度域稀疏特征，将一组导频序列在蜂窝用户和V2V-Tx之间实行复用，如一组正交导频序列，进行导频信道参数估计。在信道训练阶段，蜂窝用户和V2V-Tx发送各自所分配到的导频信号，不同用户所使用的导频不要求完全正交，蜂窝用户之间、V2V-Tx之间以及蜂窝用户和V2V-Tx之间都可以复用相同的导频，导频信号的长度和正交导频的个数可以小于在同一时频资源上进行通信的总用户数目。
设小区中存在D个单天线V2V-Tx和K个单天线蜂窝用户等待导频调度，用分别表示蜂窝用户集合、V2V-Tx集合和V2V-Rx集合。为一组正交导频集合，其中导频序列个数等于导频序列长度等于τ，在导频复用的情况下，导频个数小于用户总个数，即τ＜k+D。假设表示第k个蜂窝用户分配到的导频，表示第d个V2V-Tx分配到的导频。不同的导频序列之间正交，即(xl)Hxl'＝τσxδ(l-l')，其中σx为发送导频信号的功率，定义蜂窝用户信道估计均方误差之和εb和V2V用户信道估计均方误差之和εv表达式分别如下：
其中
上式中σz为噪声功率，I为单位阵，表示复用导频的蜂窝用户集合，表示复用导频的V2V-Tx集合，tr表示求矩阵的迹。穷举调度导频即是遍历所有可能导频分配方案，并返回使εb和εv之和最小的导频复用模式。导频分配也可以通过低复杂度的角度信息辅助导频配算法获得，该方法定义不同用户集合的信道空间重合度如下：
当基站端和各V2V-Rx端的天线趋于无穷大时，利用角度域信道稀疏特性，信道协方差矩阵可以用其特征值向量取代即：
其中和分别为信道协方差矩阵和的特征值矢量，<a,b>＝aHb表示向量a和b的内积。角度信息辅助导频分配算法对蜂窝用户和V2V-Tx进行联合导频分配，判断蜂窝用户i和蜂窝用户j能否复用导频时，需满足趋于0；判断蜂窝用户i和V2V-Tx m能否复用导频时，需满足趋于0；判断V2V-Txm和V2V-Txn能否复用导频时，需满足趋于0。基于角度域信道模型，角度信息辅助导频分配算法流程图如图1所示，具体描述如下：
1)初始化：未分配导频的用户集合为未被分配的导频集合为已分配导频的用户集合为 和分别表示未分配导频的V2V-Tx集合和蜂窝用户集合。
2)给1号V2V-Tx分配1号导频，即：m1＝1。
3)更新数据： 表示复用导频x的用户集合，“A\B”表示集合A中去除集合B中的元素。
4)判断是否为空集：是，则进入下一个判决条件7)；否，则执行步骤5)。
5)取中第一个元素，记为p；遍历中用户与所有已分配导频的用户集合并集的相关度，选择相关度最高的用户，记为mp，分配导频p给该用户，即mp满足：
6)更新数据：执行步骤4)。
7)判断是否为空集：是，结束；否，则执行步骤8)。
8)取中第一个用户，记为mq；遍历该用户与各导频序号对应的已分配导频的用户集合并集相关度，选择相关度最低的用户集合对应的导频编号，记为q，分配该导频给用户mq，即q满足：
9)更新数据：执行步骤7)。
公式(7)的具体计算形式如下：当待选择用户l为蜂窝用户i，中待比较用户有蜂窝用户j和V2V-Txm时，当待选择用户l为V2V-Txn，中待比较用户有蜂窝用户j和V2V-Txm时，公式(8)同理可得。
4、信道训练估计信道参数
基站和各V2V-Rx根据中央控制单元反馈的各用户的导频分配结果为蜂窝用户和V2V-Tx分配相应的导频。在信道训练阶段，蜂窝用户和V2V-Tx发送各自分配到的导频信号。用表示蜂窝用户上行信道矩阵，表示蜂窝用户的导频发送矩阵，则基站和第d个V2V-Rx接收到的导频信号分别表示为：
其中N和Nd为加性高斯白噪声矩阵，满足各元素均值为零，方差为σz。
基站利用接收到的导频信号获得蜂窝用户的信道估计及信道估计误差统计信息；各V2V-Rx利用接收到的导频信号获得同一通信对中V2V-Tx的信道估计及信道估计误差统计信息。则和的最小均方误差(MMSE)的表达式分别为
5、导频复用传输的动态调整
在蜂窝用户和V2V通信对用户移动过程中，随着基站和各V2V-Rx与所有用户间信道的长时统计特性的变化，基站侧和各V2V-Rx周期性获得更新后的统计信道信息，并将统计信道信息通过回程链路发送给中央控制单元。中央控制单元根据更新后的所有用户统计信道信息动态实施3中所述导频分配方案，形成更新后的导频复用模式，并进而实施1中所述的导频复用信道信息获取方法。长时统计特性的变化与具体的应用场景有关，其典型统计时间窗是短时传输时间窗的数倍或数十倍，相关的信道统计信息的获取也在较大的时间宽度上进行。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的方法，在没有超过本申请的精神和范围内，可以通过其他的方式实现。当前的实施例只是一种示范性的例子，不应该作为限制，所给出的具体内容不应该限制本申请的目的。例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种蜂窝与V2V混合大规模MIMO导频复用信道获取方法，其特征在于：所述方法适用于蜂窝和V2V混合大规模MIMO无线通信系统，多个蜂窝用户和多对V2V通信对组成一个无线通信系统，每个V2V通信对包含一个发送车辆用户(V2V-Tx)和一个接收车辆用户(V2V-Rx)；所述方法包括如下步骤：
(1)蜂窝用户和V2V-Tx在不同的时频资源上发送探测信号，基站和各V2V-Rx依据接收到的探测信号获取所有用户的统计信道信息；
(2)基站和各V2V-Rx将所述统计信道信息通过回程链路交予中央控制单元，中央控制单元综合利用所有的统计信道信息，通过穷举或者角度信息辅助导频分配算法对所有的蜂窝用户和V2V-Tx进行联合导频分配，并将各用户导频分配结果通过回程链路发送给相应的基站和各V2V-Rx；
(3)基站和各V2V-Rx依据中央控制单元返回的蜂窝用户和V2V-Tx的导频分配结果，为蜂窝用户和V2V-Tx分配相应的导频；蜂窝用户和V2V-Tx在同一时频资源上周期性地发送各自所分配到的导频信号，基站利用接收到的导频信号获得蜂窝用户的信道估计及信道估计误差统计信息；各V2V-Rx利用接收到的导频信号获得同一通信对中V2V-Tx的信道估计及信道估计误差统计信息；
(4)在蜂窝用户和V2V用户移动过程中，随着蜂窝用户和V2V用户的信道统计特性的变化，基站和各V2V-Rx周期性获得更新后的统计信道信息，并将统计信道信息通过回程链路发送给中央控制单元，中央控制单元根据更新后的所有用户的统计信道信息动态地实施蜂窝用户和V2V-Tx联合导频分配方案。
2.根据权利要求1所述的蜂窝与V2V混合大规模MIMO导频复用信道获取方法，其特征在于：所述的蜂窝与V2V混合大规模MIMO无线通信系统中基站侧和各V2V-Rx侧天线阵列包含数十个以上的天线单元，各天线单元之间的间距小于载波的波长，当各天线采用全向天线或120度扇区天线或60度扇区天线时，各天线之间的间距为1/2波长或波长或1个波长；每个天线单元采用单极化或多极化天线。
3.根据权利要求1所述的蜂窝与V2V混合大规模MIMO导频复用信道获取方法，其特征在于：导频分配依据中央控制单元获得的蜂窝用户和V2V用户的统计信道信息，中央控制单元依据蜂窝用户和V2V用户信道估计均方误差之和最小准则，通过穷举法对蜂窝用户和V2V-Tx及可用导频资源进行调度，确定导频复用方案。
4.根据权利要求1所述的蜂窝与V2V混合大规模MIMO导频复用信道获取方法，其特征在于：导频分配通过角度信息辅助导频分配算法完成，所述角度信息辅助导频分配算法先分配导频给某个用户，然后依次选择与已分配导频用户信道空间重合度最大的用户分配下一个导频，直到所有导频分配完毕；接着选择与已分配导频用户信道空间重合度最小的用户复用相同的导频；直到所有用户都已经分配到导频。
5.根据权利要求4所述的蜂窝与V2V混合大规模MIMO导频复用信道获取方法，其特征在于：待选择用户与已分配导频用户的信道空间重合度的判断基于大规模MIMO信道的角度域稀疏特性，位于正交的空间方向上的两个用户信道空间重合度最小，反之最大；蜂窝用户i和蜂窝用户j的信道空间重合度由公式计算；蜂窝用户i和V2V-Txm的信道空间重合度由公式计算；V2V-Txm和V2V-Txn的信道空间重合度由公式计算，其中tr表示矩阵的迹,和代表第i和j个蜂窝用户到基站的信道统计协方差矩阵，代表第m个V2V-Tx到基站的信道统计协方差矩阵，代表第i个蜂窝用户到第m个V2V-Rx的信道统计协方差矩阵，代表第m个V2V-Tx到第n个V2V-Rx的信道统计协方差矩阵，和代表同一个V2V通信对m或n中V2V-Tx到V2V-Rx的信道统计协方差矩阵。
6.根据权利要求1所述的蜂窝与V2V混合大规模MIMO导频复用信道获取方法，其特征在于：蜂窝用户和V2V-Tx在同一时频资源上周期性地发送各自所分配到的导频信号，基站在利用接收到的导频信号获得蜂窝用户的信道估计时，考虑导频复用模式下所有V2V-Tx发送的导频信号对基站的干扰；各V2V-Rx利用接收到的导频信号获得同一通信对中V2V-Tx的信道估计时，考虑导频复用模式下所有蜂窝用户与其他通信对中所有V2V-Tx发送的导频信号对各V2V-Rx的干扰。
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