CN111726879B - 一种基于时移导频的固定功率分配方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时移导频的固定功率分配方法及系统，其中方法包括：搭建大规模MIMO小区系统模型，根据时移导频策略将所有小区分为τ组；设定终端的初始上行导频发射功率为统一且小区基站的天线数趋于无穷，获取小区内所有终端的信干噪比并进行降序排列；构建终端的上行信干噪比模型，并基于该上行信干噪比模型，首先为小区内降序排列的部分终端分配固定的功率分配系数，然后按照等差递增的方式为小区内降序排列的其余终端分配固定的功率分配系数。本发明可提高小区边缘终端的通信质量，同时大幅度地提高了系统的整体公平性，而且算法复杂度较低，便于实际工程的实施。

Description

一种基于时移导频的固定功率分配方法及系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术中的大规模MIMO系统导频污染抑制技术领域，具体涉及一种基于时移导频的固定功率分配方法及系统。

背景技术

随着无线通信网络的发展和物联网、电子学习、电子银行等新兴业务的出现，移动用户和移动设备数量快速增加，用户对移动数据流量的需求呈现爆炸式增长。传统多输入多输出(Multiple-Input-Multiple-Output,MIMO)技术已经逐渐无法满足现有无线通信的需求，大规模MIMO技术由此应运而生。在大规模MIMO系统中，基站端配备了几百根甚至上千根天线，而当天线数目趋于无穷大时，大规模MIMO技术的很多优势将会体现出来。主要包括：同一小区移动用户间的信道具有相互正交性；系统内相关噪声将会消失；基站端用于每比特的发射能量可以任意小。

在大规模MIMO系统中，基站一般采用时分双工(Time-Division-Duplexing,TDD)的方式进行无线信号的接收与传送。基站根据上行导频信号进行信道估计，即由信道的互易性得到下行信道状态信息(Channel-State-Information,CSI)，并进行下行预编码设计等，最后再向终端发送下行数据。由于目前无线通信一般采取同小区导频相互正交，不同小区复用同一组导频的导频分配策略。因此，基站在接收目标小区的上行数据和导频时，无法避免地受到来自其他小区的干扰，这就是导频污染产生的原因。导频污染问题严重影响了基站对信道估计的准确性，并成为大规模MIMO系统性能进一步提升的瓶颈。因此研究大规模MIMO系统中的导频分配算法是抑制导频污染的关键，对推动大规模MIMO技术的发展也具有重要的研究意义和工程实用价值。

发明内容

针对现有技术中大规模MIMO系统上行链路中的导频污染问题，本发明提供一种基于时移导频的固定功率分配方法及系统，可提高小区边缘终端的通信质量，而且算法复杂度较低，便于实际工程的实施。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于时移导频的固定功率分配方法，包括以下步骤：

搭建大规模MIMO小区系统模型，根据时移导频策略将所有小区分为τ组{A₁,A₂,…,A_τ}；

设定终端的初始上行导频发射功率为统一且小区基站的天线数趋于无穷，获取小区内所有终端的信干噪比并进行降序排列；

构建终端的上行信干噪比模型，并基于该上行信干噪比模型，首先为小区内降序排列的部分终端分配固定的功率分配系数，然后按照等差递增的方式为小区内降序排列的其余终端分配固定的功率分配系数。

在更优的技术方案中，具体根据小区内终端数量K的奇偶性来分配功率分配系数：

当K为奇数时，为降序排列的第1个终端分配固定的功率分配系数为为第K个终端分配固定的功率分配系数为/>并对所有K个终端按照功率分配系数等差递增的方式，为其余K-2个终端分配固定的功率分配系数；

当K为偶数时，为降序排列的第1个终端分配固定功率分配系数为为第k个终端分配固定功率分配系数为/>为最中间的2个终端分配固定的功率分配系数均为/>并对前/>个终端和后/>个终端均按照功率分配系数等差递增的方式，为其余的K-4个终端分配固定的功率分配系数。

在更优的技术方案中，终端的上行信干噪比模型，为大规模MIMO小区系统的上行信干噪比的优化函数。

在更优的技术方案中，上行信干噪比的优化函数为：

式中，i,j∈A_τ,k∈{1,2,…,K}，i表示目标小区，j表示与目标小区i属于同组A_τ的其他小区，L表示组A_τ的小区数量，k表示小区中的不同终端，K表示小区中的终端总数；α_ik表示目标小区i的第k个终端的上行数据功率分配系数，α_jk表示小区j的第k个终端的上行数据功率分配系数，β_iik表示目标小区i的基站与目标小区i的第k个终端之间的大尺度衰落因子，β_ijk表示目标小区i的基站与其他小区j的第k个终端之间的大尺度衰落因子。

在更优的技术方案中，大尺度衰落因子满足：

其中，z_ijk表示目标小区i的基站与同组A_τ的其他小区j的第k个终端的阴影衰落，并且满足σ_shadow为正态分布的标准差,r_ijk表示的目标小区i的基站与同组A_τ的其他小区j第k个终端的距离，γ表示路径损耗因子。

在更优的技术方案中，大规模MIMO小区系统模型采用正六边形蜂窝小区模型；所述时移导频策略为：同组同小区的终端导频相互正交，同组不同小区的终端复用同一组导频，不同组小区的终端导频信号发送时间不同步。

本发明还提供一种基于时移导频的固定功率分配系统，包括分组模块、降序排列模块和系数分配模块；

所述分组模块用于：搭建大规模MIMO小区系统模型，根据时移导频策略将所有小区分为τ组{A₁,A₂,…,A_τ}；

所述降序排列模块用于：设定终端的初始上行导频发射功率为统一且小区基站的天线数趋于无穷，获取小区内所有终端的信干噪比并进行降序排列；

所述功率分配系数分配模块用于：构建终端的上行信干噪比模型，并基于该上行信干噪比模型，首先为小区内降序排列的部分终端分配固定的功率分配系数，然后按照等差递增的方式为小区内降序排列的其余终端分配固定的功率分配系数。

在更优的技术方案中，所述功率分配系数分配模块，具体根据小区内终端数量K的奇偶性来分配功率分配系数：

当K为奇数时，为降序排列的第1个终端分配固定的功率分配系数为为第K个终端分配固定的功率分配系数为/>并对所有K个终端按照功率分配系数等差递增的方式，为其余K-2个终端分配固定的功率分配系数；

当K为偶数时，为降序排列的第1个终端分配固定功率分配系数为为第k个终端分配固定功率分配系数为/>为最中间的2个终端分配固定的功率分配系数均为/>并对前/>个终端和后/>个终端均按照功率分配系数等差递增的方式，为其余的K-4个终端分配固定的功率分配系数。

在更优的技术方案中，终端的上行信干噪比模型，为大规模MIMO小区系统的上行信干噪比的优化函数。

在更优的技术方案中，上行信干噪比的优化函数为：

式中，i,j∈A_τ,k∈{1,2,…,K}，i表示目标小区，j表示与目标小区i属于同组A_τ的其他小区，L表示组A_τ的小区数量，k表示小区中的不同终端，K表示小区中的终端总数；α_ik表示目标小区i的第k个终端的上行数据功率分配系数，α_jk表示小区j的第k个终端的上行数据功率分配系数，β_iik表示目标小区i的基站与目标小区i的第k个终端之间的大尺度衰落因子，β_ijk表示目标小区i的基站与其他小区j的第k个终端之间的大尺度衰落因子。

有益效果

本发明将系统中的所有小区分成若干组并采用时移导频策略可以显著地降低导频污染；同时在此基础上结合功率控制为小区内的所有终端依据信干噪比进行固定功率分配：给上行信干噪比最低的终端分配最高的功率分配系数，并按照计算好的功率分配数列依次进行分配，达到提高边缘用户信干噪比的目的，很好地改善了大规模MIMO小区系统边缘终端的通信性能，提高了大规模MIMO系统的公平性；而且算法复杂度低，易于实现。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的大规模MIMO系统的基于时移导频的导频污染模型示意图；

图2为本发明实施例所提供的一种基于时移导频的固定功率分配方法的流程示意图；

图3为本发明基于时移导频与传统全复用导频两种固定功率分配的上行链路SINR累计分布函数对比图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开的实施例，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，都属于本公开保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开实施例及实施例中的特征可以相互组合。另外，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本公开的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本公开保护范围的限制。

参照图1至图2所示，本实施例提供的一种基于时移导频的固定功率分配方法，包括以下步骤：

步骤一：搭建大规模MIMO小区系统模型，根据时移导频策略将所有小区分为τ组{A₁,A₂,…,A_τ}，并求出组内各终端与各基站之间的大尺度衰落因子。

在本步骤中，大规模MIMO小区系统一般采用正六边形蜂窝小区模型，系统小区总数量为L，每个小区的半径为R，有且仅有一个基站位于小区中央，且每个基站的天线数量趋于无穷，K个终端均匀随机地分布在每个小区除基站附近的各个位置，每个小区中的终端数量相同。采用现有的分组策略，将L个小区分为τ组{A₁,A₂,…,A_τ}，同组同小区的终端导频相互正交，同组不同小区终端复用同一组导频，不同组小区终端导频信号发送时间不同步，基站在每个相干时间内通过终端发送的上行导频信号估计信道，并完成信号检测和下行预编码，从而达到减轻导频污染的目的，如图3所示，在大规模MIMO系统中进行传统固定功率分配的情况下，采取时移导频策略的终端的信干噪比得到了显著地提高。

本实施例是基于时移导频策略进行固定功率分配，因此接下来的数学模型以及公式推导都是建立在分组{A₁,A₂,…,A_τ}的情况下考虑，基于时移导频的系统模型图如图1所示。

大规模MIMO小区系统中，终端与本小区基站之间的各个子信道是独立同分布的，并且各个信道由大尺度衰落和小尺度衰落两部分组成。从而同组i小区基站与j小区的第k个终端之间的信道传播向量g_ijk可以表示为：

其中，h_ijk表示同组i小区基站与j小区第k个终端的小尺度衰落因子，I_M为复高斯分布的方差。β_ijk代表同组i小区基站与j小区第k个终端的大尺度衰落因子，它是由路径损耗和阴影衰落两部分组成的，通常被表示为：

其中，z_ijk表示同组i小区基站与j小区第k个终端的阴影衰落，并且满足σ_shadow为正态分布的标准差。r_ijk表示同组i小区基站与j小区第k个终端的距离，γ表示路径损耗因子。

步骤二：设定终端的初始上行导频发射功率为统一且小区基站的天线数趋于无穷，获取小区内所有终端的信干噪比并进行降序排列。

在大规模MIMO小区系统中进行信号的发送与接收时，第i个小区接收到的信号表示为：

其中，表示同组j小区第k个终端的上行信号发射功率，g_ijk表示同组i小区基站与j小区第k个终端的信道传播向量，x_jk表示同组j小区第k个终端发送的上行数据，且满足/>表示i小区上行数据传输阶段产生的服从复高斯分布的加性白噪声，且满足/>当天线数量趋于无穷时，可以忽略不计。

接下来，第i个小区基站根据接收到的上行导频和上行数据进行原始信号的恢复，可以表示为：

其中，i,j∈A_τ,k∈{1,2,…,K}，表示同组i小区基站与j小区第k个终端的上行导频信道传播向量的共轭转置矩阵，ρ_jk表示j小区k终端的上行导频功率，ε_ik表示终端所受的小区内部干扰和其他非相关噪声之和，当天线数量趋于无穷时，可以忽略不计。

因此，大规模MIMO系统中第i个小区各终端的信干噪比可以表示为：

当各小区终端的上行导频发射功率和上行信号发射功率设定为统一值时：

当天线数量趋于无穷时，上式可以进一步地简化为：

其中，i,j∈A_τ,k∈{1,2,…,K}。

据此，即可获取每个小区所有终端的初始上行信干噪比，并根据信干噪比的大小进行降序排序。

步骤三：构建终端的上行信干噪比模型，并基于该上行信干噪比模型，首先为小区内降序排列的部分终端分配固定的功率分配系数，然后按照等差递增的方式为小区内降序排列的其余终端分配固定的功率分配系数。

在本步骤中，假设上行导频发射功率为统一值，天线趋于无穷时，建立大规模MIMO小区系统的终端的上行信干噪比最大最小化的优化函数。由步骤二，大规模MIMO小区系统中第i个小区各终端的上行信干噪比可表示为：

其中，i,j∈A_τ,k∈{1,2,…,K}。

即可进一步简化为：

其中，i,j∈A_τ,k∈{1,2,…,K}。

此时，假设大规模MIMO系统上行数据发射总功率为P，第i个小区的第k个终端上行链路的上行信干噪比为：

其中，i,j∈A_τ,k∈{1,2,…,K}，α_ik＝p_ik/P代表第i个小区的第k个终端的上行数据功率分配系数。

此时大规模MIMO小区系统中各终端的信干噪比仅取决于信道传播向量β_ijk以及功率分配系数α_ik。那么，通过分配上行数据发射功率即可达到改善边缘终端通信质量的目的，并将最大化边缘终端的通信质量表述为一个优化问题：

式中，i,j∈A_τ,k∈{1,2,…,K}，i表示目标小区，j表示与目标小区i属于同组A_τ的其他小区，L表示组A_τ的小区数量，k表示小区中的不同终端，K表示小区中的终端总数；α_ik表示目标小区i的第k个终端的上行数据功率分配系数，α_jk表示小区j的第k个终端的上行数据功率分配系数，β_iik表示目标小区i的基站与目标小区i的第k个终端之间的大尺度衰落因子，β_ijk表示目标小区i的基站与其他小区j的第k个终端之间的大尺度衰落因子。

本实施例对功率分配系数进行了进一步地探讨，从而对目标函数进行优化，进而提高大规模MIMO系统的信干噪比。

在该步骤三中，具体根据小区内终端数量K的奇偶性来分配功率分配系数：

设步骤二对目标小区的所有K个终端的信干噪比进行降序排序为{n₁,n₂,n₃,…,n_K}；

首先根据目标小区的终端数量进行奇偶性判断，如果K为奇数，则：

A1)、根据排序后的终端顺序{n₁,n₂,n₃,…,n_K}，确定最中间终端的位置，也就是第项，对第/>项分配固定功率为/>对目标小区信干噪比最高的终端第n₁项和最低的终端第n_K项分别分配固定功率为/>

A2)、计算第项左侧终端的功率分配系数：根据终端数量可计算出固定功率分配的差分因子为/>第n₁项分配的固定功率为/>则第n₂项分配的固定功率为/>第n₃项分配的固定功率为/>并以此类推至第/>项，此项固定功率分配为/>功率分配系数为/>

A3)、接下来，第项右侧终端的功率分配采取“左加右减对称”原则，即第n_K项分配的固定功率为/>第n_K-1项分配的固定功率为/>第n_K-2项分配的固定功率为并以此类推至第/>项，此项固定功率分配为/>功率分配系数为/>

由此，可得出K个终端的功率分配系数数列为：

如果终端数量K为偶数，则：

B1)、根据排序后的终端顺序{n₁,n₂,n₃,…,n_K}，确定最中间两个终端的位置，也就是第项和第/>项，对第/>项和第/>项分配固定功率都为/>对目标小区信干噪比最高的终端第n₁项和最低的终端第n_K项分别分配固定功率为/>

B2)、计算第项左侧终端的功率分配系数：根据终端数量可计算出固定功率分配的差分因子为/>第n₁项分配的固定功率为/>则第n₂项分配的固定功率为第n₃项分配的固定功率为/>并以此类推至第/>项，此项固定功率分配为/>功率分配系数为/>

B3)、同样地，第项右侧终端的功率分配采取“左加右减对称”原则，即第n_k项分配的固定功率为/>第n_K-1项分配的固定功率为/>第n_K-2项分配的固定功率为/>并以此类推至第/>项，此项固定功率分配为/>功率分配系数为/>

由此，可得出K个终端的功率分配系数数列：

在大规模MIMO小区系统中，传统固定功率分配算法采取平均功率分配，也就是每个终端分配的功率为因此，各终端的功率分配系数为/>如图3所示，采用传统固定功率分配算法的终端存在边缘终端信干噪比低，通信质量差等弊端，因此本方法的功率分配系数的分配原则是：给上行信干噪比最低的终端分配最高的功率分配系数，并按照计算好的功率分配数列依次进行分配。这样可以达到提高系统公平性，减轻导频污染的目的。

当以每个小区作为目标小区按以上方法对目标小区内的所有终端分配固定的功率分配系数后，此时即可进一步计算出功率分配后每个终端的上行信干噪比及信道容量。

从上述实施例可以看出，本发明提出了一种新的基于时移导频的固定功率分配算法，不仅将时移导频分配策略与信号功率控制结合在一起，为抑制导频污染提供了一种新思路，而且该算法在复杂度较低的情况下，给信道质量较差的终端分配较高的上行信号发射功率，很好地改善了大规模MIMO系统边缘终端的通信性能，提高了大规模MIMO系统的公平性。

对应于上述基于时移导频的固定功率分配方法实施例，本发明还提供一种基于时移导频的固定功率分配系统，包括分组模块、降序排列模块和系数分配模块；

所述分组模块用于：搭建大规模MIMO小区系统模型，根据时移导频策略将所有小区分为τ组{A₁,A₂,…,A_τ}；

所述降序排列模块用于：设定终端的初始上行导频发射功率为统一且小区基站的天线数趋于无穷，获取小区内所有终端的信干噪比并进行降序排列；

所述功率分配系数分配模块用于：构建终端的上行信干噪比模型，并基于该上行信干噪比模型，首先为小区内降序排列的部分终端分配固定的功率分配系数，然后按照等差递增的方式为小区内降序排列的其余终端分配固定的功率分配系数。

以上实施例为本申请的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本申请总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本申请要求保护的范围之内。

Claims (6)

1.一种基于时移导频的固定功率分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

搭建大规模MIMO小区系统模型，根据时移导频策略将所有小区分为τ组{A₁,A₂,…,A_τ}；

设定终端的初始上行导频发射功率为统一且小区基站的天线数趋于无穷，获取小区内所有终端的信干噪比并进行降序排列；

构建终端的上行信干噪比模型，并基于该上行信干噪比模型，首先为小区内降序排列的部分终端分配固定的功率分配系数，然后按照等差递增的方式为小区内降序排列的其余终端分配固定的功率分配系数；

其中，终端的上行信干噪比模型，为大规模MIMO小区系统的上行信干噪比的优化函数，上行信干噪比的优化函数为：

式中，i,j∈A_τ,k∈{1,2,…,K}，i表示目标小区，j表示与目标小区i属于同组A_τ的其他小区，L表示组A_τ的小区数量，k表示小区中的不同终端，K表示小区中的终端总数；α_ik表示目标小区i的第k个终端的上行数据功率分配系数，α_jk表示小区j的第k个终端的上行数据功率分配系数，β_iik表示目标小区i的基站与目标小区i的第k个终端之间的大尺度衰落因子，β_ijk表示目标小区i的基站与其他小区j的第k个终端之间的大尺度衰落因子。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，具体根据小区内终端数量K的奇偶性来分配功率分配系数：

当K为奇数时，为降序排列的第1个终端分配固定的功率分配系数为为第K个终端分配固定的功率分配系数为/>并对所有K个终端按照功率分配系数等差递增的方式，为其余K-2个终端分配固定的功率分配系数；

当K为偶数时，为降序排列的第1个终端分配固定功率分配系数为为第k个终端分配固定功率分配系数为/>为最中间的2个终端分配固定的功率分配系数均为/>并对前/>个终端和后/>个终端均按照功率分配系数等差递增的方式，为其余的K-4个终端分配固定的功率分配系数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，大尺度衰落因子满足：

其中，z_ijk表示目标小区i的基站与同组A_τ的其他小区j的第k个终端的阴影衰落，并且满足σ_shadow为正态分布的标准差,r_ijk表示的目标小区i的基站与同组A_τ的其他小区j第k个终端的距离，γ表示路径损耗因子；R表示小区的半径。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，大规模MIMO小区系统模型采用正六边形蜂窝小区模型；所述时移导频策略为：同组同小区的终端导频相互正交，同组不同小区的终端复用同一组导频，不同组小区的终端导频信号发送时间不同步。

5.一种基于时移导频的固定功率分配系统，其特征在于，包括分组模块、降序排列模块和系数分配模块；

所述分组模块用于：搭建大规模MIMO小区系统模型，根据时移导频策略将所有小区分为τ组{A₁,A₂,…,A_τ}；

所述降序排列模块用于：设定终端的初始上行导频发射功率为统一且小区基站的天线数趋于无穷，获取小区内所有终端的信干噪比并进行降序排列；

所述系数分配模块用于：构建终端的上行信干噪比模型，并基于该上行信干噪比模型，首先为小区内降序排列的部分终端分配固定的功率分配系数，然后按照等差递增的方式为小区内降序排列的其余终端分配固定的功率分配系数；

终端的上行信干噪比模型，为大规模MIMO小区系统的上行信干噪比的优化函数；上行信干噪比的优化函数为：

式中，i,j∈A_τ,k∈{1,2,…,K}，i表示目标小区，j表示与目标小区i属于同组A_τ的其他小区，L表示组A_τ的小区数量，k表示小区中的不同终端，K表示小区中的终端总数；α_ik表示目标小区i的第k个终端的上行数据功率分配系数，α_jk表示小区j的第k个终端的上行数据功率分配系数，β_iik表示目标小区i的基站与目标小区i的第k个终端之间的大尺度衰落因子，β_ijk表示目标小区i的基站与其他小区j的第k个终端之间的大尺度衰落因子。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述功率分配系数分配模块，具体根据小区内终端数量K的奇偶性来分配功率分配系数：

当K为奇数时，为降序排列的第1个终端分配固定的功率分配系数为为第K个终端分配固定的功率分配系数为/>并对所有K个终端按照功率分配系数等差递增的方式，为其余K-2个终端分配固定的功率分配系数；

当K为偶数时，为降序排列的第1个终端分配固定功率分配系数为为第k个终端分配固定功率分配系数为/>为最中间的2个终端分配固定的功率分配系数均为/>并对前/>个终端和后/>个终端均按照功率分配系数等差递增的方式，为其余的K-4个终端分配固定的功率分配系数。