CN110545166B - 一种基于连续导频复用因子的导频复用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于连续导频复用因子的导频复用方法，步骤一：获取同一小区所有用户的初优化导频复用因子，判断初优化导频复用因子是否在指定区域内，如是则进行步骤二，否则以1为该小区所有用户的最优导频复用因子；步骤二：选取导频复用因子整数集中包含平均导频复用因子的最小区间，判断该区间内的导频复用因子被复用的概率是否在区间[0，1]内，若是则以(θ₀[λ_l]_{_},(1‑θ₀)[λ_l]₊)为最优导频复用因子，若否则转至步骤三；步骤三：比较导频复用因子为[λ_l]_{_}和[λ_l]₊时单位用户的频谱效率的大小，选取频谱效率最大值所对应的导频复用因子作为最优导频复用因子。本发明的优化调节方法能使本小区的导频复用因子在整体上达到包含整数及小数在内的任意值，有效改善了频谱效率的跳变。

Description

一种基于连续导频复用因子的导频复用方法

技术领域

本发明属于数据传输技术领域，具体涉及一种基于连续导频复用因子的导频复用方法。

背景技术

随着现代通信数据业务的快速发展，移动终端的数量越来越多，通信系统对通信过程中数据传输速率的要求越来越高。传统的多入多出(multiple input and multipleoutput，MIMO)技术由于基站的天线数较少，不能满足人们对系统性能的要求。MARZETTA在2010年首次提出了MassiveMIMO技术，通过增加基站的天线数目，来达到减小噪声和用户间干扰的目的，而当天线数目达到用户数目的十倍以上时，噪声和小区内用户间干扰将趋于无限小，系统的性能将仅取决于使用相同导频用户之间的干扰。

在大规模MIMO网络中，基站(BS)侧配备了具有成百上千个有源天线元件的阵列，这些天线被相干地处理以改善上行链路和下行链路中的信号质量。然而，对于时分双工(TDD)下的大规模MIMO系统，其性能受限于相邻小区间上行链路导频复用带来的干扰，即导频污染。导频污染严重影响了大规模MIMO系统的天线增益性能。

多用户MIMO系统在BS处需要信道状态信息CSI，以便分离由不同用户设备(UE)并行发送的上行链路信号，并将每个下行链路信号指向其预期的用户接收。在大规模MIMO中通常通过发送预定义的导频序列并从接收的信号估计信道响应来获取上行CSI，在一定的相干时间内，我们可以认为上行信道和下行信道是互易性，这样我们通过TDD模式中上、下行信道的互易性来确定下行CSI。如果每个用户发送的导频都是相互正交的，那么将不会存在导频污染，然而由于相干时间总是有限的，这从根本上限制了导频的长度，导致导频在不同的用户间重用成为一种必然。

传统的导频复用在不同小区间复用同一组导频，采用单一的导频复用因子决定导频在多大程度上被重用，这样的导频复用方案无差别地对待一个小区内的所有用户，受到传统蜂窝小区为正六边形的限制，导频复用因子的值限定在一定组特定的整数λ＝x²+y²+xy(x,y∈N,x≤y,且x、y不同时为0)其取值为[1,3,4,7,9,12,13,...]，而不能取任意整数，更不能取非整数，这极大地限制了导频复用的灵活性。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种连续导频复用因子的导频复用方法。

实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于连续导频复用因子的导频复用方法，包括以下步骤：

步骤一：获取同一小区所有用户的初优化导频复用因子，判断初优化导频复用因子是否在指定区域内，如是则进行步骤二，否则以1为该小区所有用户的最优导频复用因子。

步骤二：选取导频复用因子λ整数集中包含平均导频复用因子的最小区间[[λ_l]_{_}、[λ_l]₊]，判断该区间内的导频复用因子被复用的概率θ₀是否在区间[0，1]内，若是，则将(θ₀[λ_l]_{_},(1-θ₀)[λ_l]₊)为该小区所有用户的最优导频复用因子，若否则转至步骤三。

步骤三：比较该小区内的导频复用因子为[λ_l]_{_}和[λ_l]₊时单位用户的频谱效率的大小，选取频谱效率最大值所对应的导频复用因子作为最优导频复用因子。

作为本发明的进一步改进，所述的方法中，在路径损耗γ恒定的条件下，最优导频复用因子由用户数目K与相干块长度S之间的比值决定，定义：A＝K/S。

作为本发明的进一步改进，步骤一中，所述的指定区域对应于数值集[1，S/K)中的范围。

作为本发明的进一步改进，步骤一中，采用以下公式对小区导频复用因子进行优化：

所述的初优化导频复用因子对应于优化公式的极值点。

作为本发明的进一步改进，所述[λ_l]_{_}选自小于平均导频复用因子最大值，[λ_l]₊选自大于平均导频复用因子最小值。

作为本发明的进一步改进，所选取区间内的导频复用因子被复用的概率θ₀，计算如下：

其中，

作为本发明的进一步改进，所述的单位用户的频谱效率计算如下：

作为本发明的进一步改进，还包括计算小区内单用户使用导频复用因子为λ所产生的信干比

作为本发明的进一步改进，所述的步骤一中还包括将该小区内的所有用户进行随机分组，每组用户总数记为k_λ，每组用户使用相同的导频复用因子λ，λ＝x²+y²+xy(x,y∈N,x≤y,且x、y不同时为0)，N为自然数，则每组导频复用因子被复用的概率为θ_λ＝k_λ/K；则该小区的平均导频复用因子为

作为本发明的进一步改进，还包括通过改变θ_λ调节小区的平均导频复用因子λ_l。

本发明的有益效果：本发明通过对小区内的用户进行随机分组，不同组的用户采用不同的导频复用子，通过这种分配调节小区的平均导频复用因子，同时通过对用户数目与相干块比值的调节，并通过本发明的优化调节方法能使本小区的导频复用因子在整体上达到包含整数及小数在内的任意值，有效改善了频谱效率的跳变。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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是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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所述的在不同用户数目下，第二函数的变化曲线示意图；

图2为本发明实施例所述的不同A值下的最大频谱效率示意图；

图3为本发明实施例所述的不同A值下的最优连续导频复用因子示意图；

图4为本发明实施例所述的采用基于连续导频复用因子的频谱效率与传统的导频复用的频谱效率对比示意图。

具体实施方式

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或模块，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、模块和/或它们的组。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

为了说明方便，本说明书中所涉及的参数请参照表1

本发明提供的基于连续导频复用因子的导频复用方法，该方法包括如下步骤：

(1)计算同一小区内所有用户的平均导频复用因子λ_l：将该小区内的所有用户进行随机分组，每组用户总数记为k_λ，每组用户使用相同的导频复用因子λ。其中，λ＝x²+y²+xy(x,y∈N,x≤y,且x、y不同时为0)，N为自然数。则每组导频复用因子被复用的概率为θ_λ＝k_λ/K；则

可通过改变θ_λ的取值从而得到任意的导频复用因子λ_l。

(2)输入相干块的长度S，根据以下公式对平均导频复用因子λ_l进行优化：

之后求函数w(λ)的极值点，并判断w(λ)的极值点是否在[1，S/K)区间内，如果w(λ)的极值点不在[1，S/K)，则以1为导频复用因子作为该小区所有用户的最优导频复用方案，并结束该算法。如果w(λ)的极值点在[1，S/K)，则继续进行下面的步骤。

(3)在整数集λ中取两个数，使这两个数形成的区间为包含λ_l的最小区间，即小于λ_l的最大值和大于λ_l的最小值，分别记端点为[λ_l]_-、[λ_l]₊。

令，

其中，

判断的θ₀值，如果θ₀在区间[0,1]，那么，将(θ₀[λ_l]_{_},(1-θ₀)[λ_l]₊)为最优的连续导频复用因子导频复用方案，并结束算法；如果不在区间[0,1]则转至下一步骤。

(4)比较该小区内的导频复用因子为[λ_l]_{_}和[λ_l]₊时单位用户的频谱效率的大小，选取频谱效率最大值所对应的导频复用因子作为最优导频复用因子λ＝arg max[SE([λ_l]_{_}),SE([λ_l]₊)]。

其中，

综上，参数A：A＝K/S，在路径损耗恒定的条件下，用户数目与相干块之间的比值是决定最优导频复用策略的唯一因素。在不同A值的情况下，由步骤(2)、(3)、(4)总结可知：

一、函数w(λ)的极大值点不一定就是最优的连续导频复用因子。

二、最优连续导频复用因子处于函数w(λ)的极大值点处于前后两个可取的λ值之间。

三、最优连续导频复用因子可能与传统的导频复用因子相同，是否相同与具体的A和λ_l值相关。

另，还包括一个重要的辅助参数SIR：

考虑到小区的基站位置通常建立在小区的中心位置，对于小区的用户k使用导频复用为λ所产生的信干比表示为SIR_k,λ。

基站和用户间的信道状态信用大尺度衰落和小尺度衰落的叠加来表示。用h_jlk表示基站j与第l个小区中的第k个用户之间的信道状态信息，则h_jlk～CN(0,β_jlkI_M),β_jlk为信道衰落方差，I_M为M阶单位阵。

其中r_jlk表示第l个小区内第k个用户与第基站j之间的距离，γ为路径损耗指数，C是固定参数。

将公式(1)代入(2)中，可得，

对于导频复用为λ的用户k的第一层干扰用户的距离

假设目标小区用户的位置位于小区的边缘，应有r_jjk＝R，可以重新将(3)式改写成

采用以上的方案进行仿真验证，试验结果如图1-4所示：

图1表示函数w(λ)在K取不同值时的变化曲线图，相干块的长度S＝200。从图1中可以看出，无论K取何值函数w(λ)总是先增加后减小，即w(λ)在定义域[1,S/K)内仅有一个极值点，并且在λ＝S/K时，总存在w(λ)＝0。表1给出了在给定K/S(部分)的情况下w(λ)的极值点。它在我们不需要求得极值点的情况下会有帮助，例如,在本发明实施例2中寻找最优导频复用方案中的步骤(2)，实际上在步骤(2)中，并不需要精确值，只需要知道其极值点位于哪两个传统导频复用因子值之间，即准确的[λ_l]_{_}和[λ_l]₊。

表2

从图2可以看出，无论K/S取何值，采用基于连续导频复用因子的导频复用都不劣于最优的单一导频复用。用户的平均频谱效率随着K/S的增加而减小，这是因为用户越多产生的用户间干扰也会随之增加。对比两条曲线可以发现，基于连续导频复用因子的导频复用的优势在最优单一导频复用的转折点处表现得最为明显，在这些转折点处，采用基于连续导频复用因子的导频复用方法最为有利。

图3给出了随着K/S的变化，最优的连续导频复用因子的变化情况。其中，单一导频复用模式的最优解会发生突变，这是因为单一导频复用因子的可取值就是离散的，基于连续导频复用因子的复用模式的曲线较为连续，因为其导频复用因子是连续的。而在最优单一导频复用因子产生跳变的周围，其最优的导频复用因子是一个在传统导频复用中不可取的一个导频复用因子，采用基于连续导频复用因子的导频复用方法可以明显地改善跳变处的频谱效率。

从图2、图3的分析中，可以直观地感受到了连续导频复用的优势，但以上的仿真分析均假设天线数目无穷多的情况，下面将给出天线数目受限时的有限分析，具体仿真参数如表2所示。

表2

由图4可知，即使在天线数目受限的情况下，基于连续导频复用因子的导频复用相比较于单一的导频复用仍然体现出一定的优势，最优的连续导频复用方法优于导频复用因子为1和3时的传统导频复用方法，并且这种优势会随着天线数目的增加而增加。

综上所述，本发明实施例提出的基于连续导频复用因子的导频复用方法通过概率复用单一导频复用因子显著地提升了导频复用的灵活性，并给出了一种寻找最优导频复用的方法，理论分析和仿真实验证明该导频复用方法在一定K/S的情况下可以体现出比传统单一导频复用的方法产生更加高的频谱效率。仿真结果证明了在天线数目无限以及受限的情况下，该导频复用方案相较于传统的单一导频复用都展示出了在频谱效率方面的优势。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种基于连续导频复用因子的导频复用方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：获取同一小区所有用户的初优化导频复用因子，判断初优化导频复用因子是否在指定区域内，如是则进行步骤二，否则以1为该小区所有用户的最优导频复用因子；

步骤二：选取导频复用因子λ整数集中包含平均导频复用因子的最小区间[[λ_l]_-、[λ_l]₊]，所述[λ_l]_-选自小于平均导频复用因子最大值，[λ_l]₊选自大于平均导频复用因子最小值，判断该区间内的导频复用因子被复用的概率θ₀是否在区间[0，1]内，若是，则将(θ₀[λ_l]_-,(1-θ₀)[λ_l]₊)为该小区所有用户的最优导频复用因子，若否则转至步骤三；

步骤三：比较该小区内的导频复用因子为[λ_l]_-和[λ_l]₊时单位用户的频谱效率的大小，选取频谱效率最大值所对应的导频复用因子作为最优导频复用因子。

2.根据权利要求1所述的一种基于连续导频复用因子的导频复用方法，其特征在于：所述的方法中，在路径损耗γ恒定的条件下，最优导频复用因子由用户数目K与相干块长度S之间的比值决定，定义：A＝K/S。

3.根据权利要求2所述的一种基于连续导频复用因子的导频复用方法，其特征在于：步骤一中，所述的指定区域对应于数值集[1，S/K)中的范围。

4.根据权利要求2所述的一种基于连续导频复用因子的导频复用方法，其特征在于：步骤一中，采用以下公式对小区导频复用因子进行优化：

式中：γ为路径损耗因子

所述的初优化导频复用因子对应于优化公式的极值点。

5.根据权利要求1所述的一种基于连续导频复用因子的导频复用方法，其特征在于：所选取区间内的导频复用因子被复用的概率θ₀，计算如下：

其中，

6.根据权利要求1所述的一种基于连续导频复用因子的导频复用方法，其特征在于：所述的单位用户的频谱效率计算如下：

式中：θ_λ为每组导频复用因子被复用的概率，γ为路径损耗因子。

7.根据权利要求4或6所述的一种基于连续导频复用因子的导频复用方法，其特征在于：还包括计算小区内单用户使用导频复用因子为λ所产生的信干比

8.根据权利要求1所述的一种基于连续导频复用因子的导频复用方法，其特征在于：所述的步骤一中还包括将该小区内的所有用户进行随机分组，每组用户总数记为k_λ，每组用户使用相同的导频复用因子λ，λ＝x²+y²+xy(x,y∈N,x≤y,且x、y不同时为0)，N为自然数，则每组导频复用因子被复用的概率为θ_λ＝k_λ/K；则该小区的平均导频复用因子为

9.根据权利要求8所述的一种基于连续导频复用因子的导频复用方法，其特征在于：还包括通过改变θ_λ调节小区的平均导频复用因子λ_l。

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