CN113890710A - 一种用于去蜂窝大规模mimo系统的导频分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于去蜂窝大规模MIMO系统的导频分配方法，包括，根据预设的用户排序流程，获取排序后的用户列表；根据预设的编号流程，获取带有编号的正交导频序列；根据预设的分配流程，将带有编号的正交导频序列根据编号依次分配给所述用户列表的所有用户。本发明均衡了每一个导频序列的使用次数，避免了某个导频多用或者不使用的情况，保证了用户导频使用次数的公平性。并在此基础上又增大了使用同一导频的用户之间的距离，进一步减小每一个用户所受到的导频污染，提高信道估计质量，从而提供了相对公平的服务与质量，也提升了整个系统的平均频谱效率。

Description

一种用于去蜂窝大规模MIMO系统的导频分配方法

技术领域

本发明涉及一种用于去蜂窝大规模MIMO系统的导频分配方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

目前在许多关于去蜂窝大规模MIMO系统的研究中，为了建模分析的简便，都会采用随机分配导频的方法，但该方法的随机性没有采取相关措施来消除，因此其具有很强的导频污染。

为了得到更好的性能，有些研究人员则在随机分配完导频序列之后以某种指标为目标函数对分配结果进行优化，即贪婪导频分配(Greedy PilotAssignment，GPA)方法，以提升系统的最低性能。

随着研究的深入，相关人员又在贪婪分配的基础上加入了用户的位置信息，以便更精确的为指定用户及离其一定距离内的用户分配到不同的导频，该方法被称为Location-Based GreedyPilotAssignment(LBGPA方法)。尽管该方法进一步提升了性能，但在每一次为指定用户及其周围用户分配导频时，需要检测每个用户的导频分配情况，大大增加了复杂度，并且在具体分配时仍为随机分配方式，因而具有随机性，忽略了每个导频序列使用的次数导致的不公平性。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域普通技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种用于去蜂窝大规模MIMO系统的导频分配方法，通过均衡每一个导频序列的使用次数和增大使用同一导频的用户之间的距离，以减小用户受到的导频污染，提升信道估计的精确度，从而提升了去蜂窝大规模MIMO系统的平均频谱效率。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

本发明提供了一种用于去蜂窝大规模MIMO系统的导频分配方法，应用于去蜂窝大规模MIMO系统，所述方法包括：

根据预设的用户排序流程，获取排序后的用户列表；

根据预设的编号流程，获取带有编号的正交导频序列；

根据预设的分配流程，将带有编号的正交导频序列根据编号依次分配给所述用户列表的所有用户。

进一步的，所述去蜂窝大规模MIMO系统中，接入点AP的数量为M个，用户的数量为K个，其中M和K均是正整数。

进一步的，所述去蜂窝大规模MIMO系统中，用户终端配备有定位系统，根据所述定位系统获取系统内用户的位置信息。

进一步的，所述预设的用户排序流程，包括如下步骤，

在去蜂窝大规模MIMO系统内，选定一用户并获取系统内所有用户的位置信息；

根据位置信息，计算所有用户与选定用户之间的距离；

根据计算的距离，从小到大依次对所有用户进行排序，获取排序后的用户列表；其中，选定用户位于用户列表的首位。

进一步的，所述去蜂窝大规模MIMO系统内待分配的正交导频序列的数量为τ，其中τ为正整数且τ＜K。

进一步的，所述预设的编号流程包括，按照整数顺序，依次从1到τ对系统内待分配的正交导频序列进行编号，获取带有编号的正交导频序列。

进一步的，所述预设的分配流程，包括如下步骤，

S1：将正交导频序列按照从1到τ的编号顺序依次分配给所述用户列表的各用户；

S2：在第τ个导频序列分配后，自第nτ+1个用户起，其中n为正整数，重复执行所述S1，直至用户列表中的所有用户均完成导频序列分配。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

本发明提出的一种用于去蜂窝大规模MIMO系统的导频分配方法，均衡了每一个导频序列的使用次数，避免了某个导频多用或者不使用的情况，保证了用户导频使用次数的公平性。并在此基础上又增大了使用同一导频的用户之间的距离，进一步减小每一个用户所受到的导频污染，提高信道估计质量，从而提供了相对公平的服务与质量，也提升了整个系统的平均频谱效率。

附图说明

图1是去蜂窝大规模MIMO系统的导频分配方法的流程图；

图2是去蜂窝大规模MIMO系统的示意图；

图3是采用不同方法时，归一化均方误差与正交导频序列数量的关系图；

图4是采用不同方法时，归一化均方误差与用户数量的关系图；

图5是采用不同方法时，下行信道平均频谱效率与用户数量的关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

本实施例提供了一种用于去蜂窝大规模MIMO系统的导频分配方法，应用于去蜂窝大规模MIMO系统，如图1所示，包括以下步骤：

根据预设的用户排序流程，获取排序后的用户列表；

根据预设的编号流程，获取带有编号的正交导频序列；

根据预设的分配流程，将带有编号的正交导频序列根据编号依次分配给用户列表的所有用户。

进一步的，去蜂窝大规模MIMO系统中，接入点AP的数量为M个，用户的数量为K个，其中M和K均是正整数。

进一步的，去蜂窝大规模MIMO系统中，用户终端配备有定位系统，根据定位系统获取系统内用户的位置信息。

进一步的，预设的用户排序流程，包括如下步骤，

在去蜂窝大规模MIMO系统内，选定一用户并获取系统内所有用户的位置信息；

根据位置信息，计算所有用户与选定用户之间的距离；

根据计算的距离，从小到大依次对所有用户进行排序，获取排序后的用户列表；其中，选定用户位于用户列表的首位。

进一步的，去蜂窝大规模MIMO系统内待分配的正交导频序列的数量为τ，其中τ为正整数且τ＜K。

进一步的，预设的编号流程包括，按照整数顺序，依次从1到τ对系统内待分配的正交导频序列进行编号，获取带有编号的正交导频序列。

进一步的，预设的分配流程，包括如下步骤，

S1：将正交导频序列按照从1到τ的编号顺序依次分配给用户列表的各用户；

S2：在第τ个导频序列分配后，自第nτ+1个用户起，其中n为正整数，重复执行S1，直至用户列表中的所有用户均完成导频序列分配。

在去蜂窝大规模MIMO系统中，用户所受到的导频污染为：

其中，PC_k表示用户受到的导频污染；ρ_p表示归一化导频序列发送的信噪比；τ_p表示正交导频序列长度，其数值与正交导频序列数量τ相等；β_mk′表示第m个AP与第k′个用户之间的大尺度衰落系数；

表示第k个用户所分配的导频序列；

表示对第k个用户所分配的导频序列进行共轭转置运算；

表示第k′个用户所分配的导频序列，k′相当于求和式子中的一个变量。

从上述导频污染的表达式我们可以看出，导频污染大小不仅与每个用户所分配的导频序列有关，也与用户和AP之间的大尺度衰落系数有关，因此我们可以从优化导频序列的分配和增大使用同一导频的用户之间的距离来减小用户所受到的导频污染大小。

图2描绘了去蜂窝大规模MIMO系统的场景，相比于传统的蜂窝系统，去蜂窝系统中不再划分小区。所有AP和用户均匀分布在一定范围内，所有AP通过回传链路连接到中央处理单元CPU，此外每个AP和用户终端均只装有一根天线。

在信道训练阶段，每个用户向外发送导频序列，因此每个AP收到的训练信息为：

其中，y_m表示AP收到的训练信息；ρ_p表示归一化导频序列发送的信噪比；τ_p表示正交导频序列长度，其数值与；g_mk表示第m个AP与第k个用户之间的信道系数，且

表示g_mk服从一个均值为零和方差为β_mk的循环对称复高斯分布，β_mk表示第m个AP和第k个用户之间的大尺度衰落系数；

表示第k个用户所分配的导频序列且

表示第m个AP处的加性高斯噪声，其元素服从循环对称复高斯分布

采用最小均方误差估计法(MMSE)对AP收到的训练信息进行估计处理，得到第m个AP和第k个用户之间的信道估计值为：

其中，

表示第m个AP和第k个用户之间的信道估计值；

表示第k′个用户所分配的导频序列，k′相当于求和式子中的一个变量；β_mk′表示第m个AP和第k′个用户之间的大尺度衰落系数；

表示第k′个用户所分配的导频序列；g_mk′表示第m个AP与第k′个用户之间的信道系数。

在去蜂窝大规模MIMO系统中，信道训练阶段有着比较严重的导频污染，因而信道估计也存在着一定的误差，在本发明中我们采用归一化均方误差来衡量估计质量，其定义为：

其中，NMSE表示归一化均方误差；M表示接入点AP的数量；K表示用户的数量；m表示接入点AP的序号；k表示用户的序号；g_mk表示第m个AP与第k个用户之间的信道系数；

表示第m个AP和第k个用户之间的信道估计值；E表示求期望运算；

参阅图3和图4，其中RPA表示随机分配方法，GPA表示贪婪分配方法，LBGPA表示Location-Based Greedy PilotAssignment方法，Proposed表示本发明方法。

两幅图分别表现了归一化均方误差与导频数量和用户数量之间的关系。可以看出无论是在在导频数量较小，还是用户数量较大的情况，本发明方法较于其他三种方法有着最低的归一化均方误差，可见该方法提高了估计精确度，在减小导频污染方面有一定的效果。

对于去蜂窝大规模MIMO系统的下行信道数据传送阶段，我们采用了比较简单的共轭波束法对AP发送的信号进行预处理，因此经过处理后第m个AP发送的信号为：

其中，y_m表示经过处理后第m个AP发送的信号；ρ_d表示归一化下行数据发送的信噪比；η_mk表示第m个AP和第k个用户之间的功率控制系数；q_k表示第k个用户的随机消息变量，满足均值为零，方差为1，即E(|q_k|²)＝1；

表示对第m个AP和第k个用户之间的信道估计值进行共轭运算。

由于在去蜂窝系统中所有AP同时服务每一个用户，因此每个用户收到的消息为：

其中，r_k表示第k个用户收到的消息；η_mk′表示第m个AP和第k′个用户之间的功率控制系数；

表示对第m个AP和第k个用户之间的信道系数进行转置运算；

表示对第m个AP和第k′个用户之间的信道估计值进行共轭运算；q_k′表示第k′个用户的随机消息变量；n_k表示在第k个用户处的加性高斯噪声，其服从循环对称复高斯分布

从上面式子可以看出，通过一定的检测技术，我们能从中检测出每个用户所期望得到的信息。

进一步，我们可以得到第k个用户的信干噪比大小SINR_k：

其中，SINR_k表示第k个用户的信干噪比；γ_mk表示第m个AP和第k个用户之间的信道估计值的方差；γ_mk′表示第m个AP和第k′个用户之间的信道估计值的方差。

进一步得到每个用户的频谱效率

单位为bit/s/Hz，其中τ_c表示总的时频资源块，τ_p表示导频序列长度。

参阅图5，该图表现了平均频谱效率与用户数量之间的关系，从中可以看出在导频数量固定时，四种方法所产生的平均频谱效率都随着用户数量单调减小，但是不论用户数量如何变化，本发明方法相较于提到的方法都有着更高的平均频谱效率。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

本发明提出的一种用于去蜂窝大规模MIMO系统的导频分配方法，均衡了每一个导频序列的使用次数，避免了某个导频多用或者不使用的情况，保证了用户导频使用次数的公平性。并在此基础上又增大了使用同一导频的用户之间的距离，进一步减小每一个用户所受到的导频污染，提高信道估计质量，从而提供了相对公平的服务与质量，也提升了整个系统的平均频谱效率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于去蜂窝大规模MIMO系统的导频分配方法，其特征是，应用于去蜂窝大规模MIMO系统，所述方法包括：

根据预设的用户排序流程，获取排序后的用户列表；

根据预设的编号流程，获取带有编号的正交导频序列；

根据预设的分配流程，将带有编号的正交导频序列根据编号依次分配给所述用户列表的所有用户。

2.根据权利要求1所述的用于去蜂窝大规模MIMO系统的导频分配方法，其特征是，所述去蜂窝大规模MIMO系统中，接入点AP的数量为M个，用户的数量为K个，其中M和K均是正整数。

3.根据权利要求1所述的用于去蜂窝大规模MIMO系统的导频分配方法，其特征是，所述去蜂窝大规模MIMO系统中，用户终端配备有定位系统，根据所述定位系统获取系统内用户的位置信息。

4.根据权利要求1所述的用于去蜂窝大规模MIMO系统的导频分配方法，其特征是，所述预设的用户排序流程，包括如下步骤，

在去蜂窝大规模MIMO系统内，选定一用户并获取系统内所有用户的位置信息；

根据位置信息，计算所有用户与选定用户之间的距离；

根据计算的距离，从小到大依次对所有用户进行排序，获取排序后的用户列表；其中，选定用户位于用户列表的首位。

5.根据权利要求2所述的用于去蜂窝大规模MIMO系统的导频分配方法，其特征是，所述去蜂窝大规模MIMO系统内待分配的正交导频序列的数量为τ，其中τ为正整数，且τ＜K。

6.根据权利要求5所述的用于去蜂窝大规模MIMO系统的导频分配方法，其特征是，所述预设的编号流程包括，按照整数顺序，依次从1到τ对系统内待分配的正交导频序列进行编号，获取带有编号的正交导频序列。

7.根据权利要求6所述的用于去蜂窝大规模MIMO系统的导频分配方法，其特征是，所述预设的分配流程，包括如下步骤，

S1：将正交导频序列按照从1到τ的编号顺序依次分配给所述用户列表的各用户；

S2：在第τ个导频序列分配后，自第nτ+1个用户起，其中n为正整数，重复执行所述S1，直至用户列表中的所有用户均完成导频序列分配。

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