本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及無線通信多小區(qū)多用戶大規(guī)模天線技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種多小區(qū)多用戶大規(guī)模多輸入多輸出(mimo)系統(tǒng)中基站合理分布的方法。

背景技術(shù)：

大規(guī)模mimo技術(shù)在無線通信和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中占據(jù)著至關(guān)重要的地位。然而，在多小區(qū)場(chǎng)景下，基站與用戶之間的通信質(zhì)量往往會(huì)受到各種干擾，導(dǎo)致性能下降。對(duì)于mu-mimo系統(tǒng)，主要的干擾有：小區(qū)間干擾、小區(qū)內(nèi)干擾以及加性噪聲。小區(qū)內(nèi)干擾和加性噪聲隨著基站天線數(shù)量的不斷增加而得到消除；小區(qū)間干擾已成為當(dāng)前迫切需要解決的問題。

為了減小小區(qū)間的干擾，獲得準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息，不同用戶之間的導(dǎo)頻序列一般要求滿足正交條件。然而，由于實(shí)際的條件限制，使得不同小區(qū)使用相同的導(dǎo)頻序列，同一小區(qū)的導(dǎo)頻序列相互正交，即導(dǎo)頻復(fù)用。這樣所有用戶使用的導(dǎo)頻序列不能完全正交，從而產(chǎn)生導(dǎo)頻污染。目前，國內(nèi)外針對(duì)減輕導(dǎo)頻污染的方法也已有提出。比如用一種基于信道估計(jì)的稀疏貝葉斯學(xué)習(xí)方法降低導(dǎo)頻污染的影響；用基于最小均方誤差的預(yù)編碼補(bǔ)償?shù)姆椒ň徑庑^(qū)間的導(dǎo)頻污染，并利用最優(yōu)化方法得出預(yù)編碼閉合表達(dá)式。但該方法要借助最優(yōu)化方法，增加了分析的計(jì)算的復(fù)雜度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種減小多小區(qū)多用戶大規(guī)模mimo小區(qū)間的干擾的多小區(qū)多用戶大規(guī)模mimo系統(tǒng)中基站合理分布的方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

多小區(qū)多用戶大規(guī)模mimo系統(tǒng)中基站合理分布的方法，所述mimo系統(tǒng)包括l個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)有一個(gè)配備有m根天線的基站，同時(shí)，支持k個(gè)單天線用戶，每個(gè)用戶選擇標(biāo)準(zhǔn)的4n²-qam(正交振幅調(diào)制)星座，所述基站合理分布的方法包括以下步驟：

(1)確定訓(xùn)練序列和發(fā)送信號(hào)

假定第l小區(qū)的第k個(gè)用戶先發(fā)送長度為τ的訓(xùn)練序列，即φkl＝(φkl,1,φkl,2,...,φkl,τ)，其中φkl,1,φkl,2,...,φkl,τ，k＝1,2,...,k是第l個(gè)小區(qū)的第k個(gè)用戶分別在第1,2,...,τ時(shí)刻發(fā)送的訓(xùn)練符號(hào)；令為k×τ維矩陣，為lk×τ維的訓(xùn)練矩陣，上標(biāo)t表示向量或矩陣的轉(zhuǎn)置(以下同)；然后發(fā)送長度為t的信息序列，形成輸入信號(hào)矩陣x，其中k×t維的xl表示第l個(gè)小區(qū)的所有用戶發(fā)送的信息符號(hào)；假設(shè)第1個(gè)基站與φ和x對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)分別為：

式中，hl＝(hmkl)m×k表示第l個(gè)小區(qū)的所有用戶與第一個(gè)小區(qū)基站之間的信道矩陣，信道矩陣h＝(h1,h2,...,hl)，維數(shù)為m×lk；表示第l個(gè)小區(qū)的所有用戶與第一個(gè)小區(qū)基站的大尺度衰落系數(shù)，b＝diag(b1,b2,...,bl)；w0和w均表示加性高斯白噪聲矩陣，它的元素是零均值單位方差的復(fù)高斯隨機(jī)變量；ρ為平均接收信噪比(snr)；

(2)信道分解

第1步：對(duì)式(1)中的矩陣βφ做奇異值(svd)分解，得到：

式中，u0，v0分別是kl×τ，τ×τ維的酉矩陣，d0是τ×τ維的對(duì)角矩陣；

第2步：定義一個(gè)新的矩陣p，令由酉矩陣的特性可知pbφ＝bφ，則式(1)可以重新寫為如下形式：

第3步：對(duì)式(4)中的矩陣pb做svd分解，即：

其中uτ，vτ都是kl×τ維的酉矩陣，dτ是τ×τ維的對(duì)角矩陣，其主對(duì)角線上的元素全部為正值；

第4步：定義hτ＝huτ，使用等式ikl＝p+(ikl-p)，則式(2)可以轉(zhuǎn)換成一個(gè)等價(jià)系統(tǒng)模型：

其中，ητ是m×τ維的隨機(jī)矩陣；

(3)信道估計(jì)

信道ητ的估計(jì)值為：

其中，iτ是τ×τ維的單位向量。

(4)參數(shù)計(jì)算

對(duì)式(3)和式(5)中的矩陣u0、d0、v0以及uτ、dτ和vτ進(jìn)行具體的計(jì)算，得到等價(jià)系統(tǒng)模型可表述為如下形式：

(5)系統(tǒng)分析

將原系統(tǒng)等價(jià)地解釋為如下系統(tǒng)：系統(tǒng)的信噪比為ρτ，即用戶k采用以下星座：

其中，qamkl＝{z|z＝α1ψ+jα2ψ,α1,α2∈n}，n＝2^μ，μ為整數(shù)，n＝{-(2n-1),-(2n-3),...,2n-3,2n-1}，k＝1,2,…,k，l＝1,2,…,l；為此，集合可以分成4n²部分：

當(dāng)信號(hào)z＝z0，時(shí)，為集合的中心點(diǎn)，是距離這個(gè)中心點(diǎn)最遠(yuǎn)的點(diǎn)，另一方面，對(duì)任意的信號(hào)z∈qamk1，可以由平移而得到，定義一系統(tǒng)指標(biāo)數(shù)γk并滿足下列條件：

為大于零的實(shí)數(shù)，與z≠z′就會(huì)分開，從而系統(tǒng)的誤碼率就會(huì)降低；其中大尺度衰落系數(shù)與路徑損耗之間的關(guān)系：

10log10βkl＝-pl(f,d)+χσ(12)

其中，pl(f,d)為距離為d、頻率為f的路徑損耗，χσ為陰影衰落；

選取一個(gè)路徑損耗模型，給予系統(tǒng)指標(biāo)數(shù)γk一個(gè)取值作為合理分布基站的準(zhǔn)則，根據(jù)式(11)、式(12)，從而求出基站與干擾用戶之間的合理間距d。

進(jìn)一步，步驟(3)的信道ητ是根據(jù)發(fā)送的訓(xùn)練矩陣φ和相應(yīng)的接收信號(hào)y0以及式(6)，用mmse估計(jì)方法估計(jì)得到該信道的估計(jì)值。

進(jìn)一步，步驟(4)中個(gè)參數(shù)的具體計(jì)算步驟如下：

設(shè)定每個(gè)小區(qū)使用相同的訓(xùn)練符號(hào)，即φ＝(φ0,φ0,...,φ0)^t，φ0是一個(gè)維數(shù)為k×k的酉矩陣，也就是說，同一小區(qū)中的用戶使用正交的導(dǎo)頻符號(hào)，而不同小區(qū)之間的用戶使用相同的導(dǎo)頻符號(hào)，矩陣βφ的svd分解為其中，

由此可得：

而且，如果令

即可得到uτdτvτ^h＝pb。

進(jìn)一步，步驟(5)中的γk＝0.3。由于越大，k＝1,2,…,k的任意兩個(gè)子集之間間距就越大，其交叉的可能性更小，從而使得解碼時(shí)的誤碼率降低，因此，定義γk＝0.3為合理分布基站的準(zhǔn)則。

進(jìn)一步，步驟(5)路徑損耗模型選取室內(nèi)毫米波環(huán)境下的cix路徑損耗模型，公式如下：

pl(f,d)＝fspl(f,d0)+10nlog10(d/d0)+xpd(13)

其中，n為路徑損耗指數(shù)，xpd為交叉極化鑒別度，σ為陰影衰落偏差；fspl(f,d0)代表載波頻率為f、參考距離為d0時(shí)的自由空間傳播損耗：

其中，λ表示波長。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在通過確定一個(gè)基站與干擾用戶間的距離來減小多小區(qū)多用戶大規(guī)模mimo小區(qū)間的干擾。

附圖說明

圖1是隨著陰影衰落取值不一樣時(shí)，干擾用戶到基站的距離。

圖2是圖1的第i種情況下的仿真圖。

圖3是圖1的第ii種情況下的仿真圖。

圖4是圖1的第iii種情況下的仿真圖。

圖5是圖1的第iv種情況下的仿真圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例來對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明，但并不將本發(fā)明局限于這些具體實(shí)施方式。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明涵蓋了權(quán)利要求書范圍內(nèi)所可能包括的所有備選方案、改進(jìn)方案和等效方案。

多小區(qū)多用戶大規(guī)模mimo系統(tǒng)中基站合理分布的方法，假設(shè)所述mimo系統(tǒng)包括小區(qū)l＝7，每個(gè)小區(qū)有k＝3個(gè)單天線用戶，固定信噪比為8db，用戶信號(hào)星座為4-qam，每個(gè)小區(qū)的半徑為10m，信號(hào)頻率為73ghz。先發(fā)送τ＝3的訓(xùn)練序列，再發(fā)送t＝1的信息序列。

所述基站合理分布的方法包括以下步驟：

(1)確定訓(xùn)練序列與發(fā)送信號(hào)

假定系統(tǒng)有7個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)有一個(gè)配備有m根天線的基站，同時(shí)，支持3個(gè)單天線用戶。用戶在發(fā)送信息序列之前，先發(fā)送長度為τ＝3的訓(xùn)練序列，即φ1,φ2,...,φ7＝i3，φ＝(φ1,φ2,...,φ7)^t，維數(shù)為21×3。然后再發(fā)送長度為t＝1的信息序列，形成信號(hào)矩陣x，其中xkl(k＝1,2,3,l＝1,2,...,7)均取自標(biāo)準(zhǔn)4-qam，則xl＝(x1l,x2l,x3l)^t，維數(shù)為3×1，x＝(x1,x2,...,x7)^t。假設(shè)第1個(gè)基站與φ和x對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)分別為：

式中，信道矩陣h＝(h1,h2,...,h7)的維數(shù)為m×21，h1,h2,...,h7均為m×3的信道矩陣。b＝diag(b1,b2,...,bl)為對(duì)角矩陣。w0和w均表示加性高斯白噪聲。ρ為平均信噪比，固定為8db。

(2)信道分解

第1步：矩陣βφ做奇異值(svd)分解，得到：

式中，u0，v0分別是21×3，3×3維的酉矩陣，d0是3×3維的對(duì)角矩陣。

第2步：定義一個(gè)新的矩陣p，令顯然，pbφ＝bφ。則訓(xùn)練接收方程可以重新寫為如下形式：

第3步：對(duì)矩陣pb做svd分解，即：

其中uτ，vτ都是21×3維的酉矩陣，dτ是3×3維的對(duì)角矩陣。

第4步：定義hτ＝huτ，使用等式i37＝p+(i37-p)，則式信號(hào)接收方程可以轉(zhuǎn)換成：

其中，ητ是m×3維的隨機(jī)矩陣。

(3)信道估計(jì)

根據(jù)發(fā)送的訓(xùn)練矩陣φ和相應(yīng)的接收信號(hào)y0以及式等價(jià)系統(tǒng)模型，用mmse估計(jì)方法估計(jì)信道ητ，得到信道的估計(jì)值為：

其中，為m×3的矩陣，iτ是3×3維的單位向量。

(4)參數(shù)計(jì)算

對(duì)矩陣u0、d0、v0以及uτ、dτ和vτ進(jìn)行具體的計(jì)算。假設(shè)7個(gè)小區(qū)中的每個(gè)用戶都用4-qam作為星座，每個(gè)小區(qū)使用相同的訓(xùn)練符號(hào)，即φ＝(φ0,φ0,...,φ0)^t，φ0＝i3。也就是說，同一小區(qū)中的用戶使用正交的導(dǎo)頻符號(hào)，而不同小區(qū)之間的用戶使用相同的導(dǎo)頻符號(hào)，矩陣βφ的svd分解為其中，

由此可得：

而且，如果令

即可得到uτdτvτ^h＝pb?？梢缘玫降葍r(jià)系統(tǒng)模型可表述為如下形式：

(5)系統(tǒng)分析

將原系統(tǒng)等價(jià)地解釋為如下系統(tǒng)：系統(tǒng)的信噪比為ρτ，即用戶k采用以下星座：

其中，k＝1,2，3，l＝1,2,…,7。為此，定義信號(hào)z＝z0，集合可以分成4部分：

顯然，當(dāng)信號(hào)z＝z0，時(shí)，為集合的中心點(diǎn)，是距離這個(gè)中心點(diǎn)最遠(yuǎn)的點(diǎn)。另一方面，對(duì)任意的信號(hào)z∈qamk1，可以由平移而得到?；诜治隹芍?，若滿足下列條件：

為大于零的實(shí)數(shù)，與z≠z′就會(huì)分開，從而系統(tǒng)的誤碼率就會(huì)降低。因此用該值作為分界值，稱為“系統(tǒng)指標(biāo)數(shù)”。因此，定義γk＝0.3為合理分布基站的準(zhǔn)則。顯然，系統(tǒng)指標(biāo)數(shù)依賴于大尺度衰落系數(shù)βkl。

大尺度衰落系數(shù)βkl和路徑損耗pl以及陰影衰落有如下關(guān)系：

10log10βkl＝-pl(f,d)+χσ(12)

其中，χσ為陰影衰落，服從均值為零，標(biāo)準(zhǔn)偏差為σdb的正態(tài)分布。

選取室內(nèi)毫米波環(huán)境下的cix路徑損耗模型，公式如下：

pl(f,d)＝fspl(f,d0)+10nlog10(d/d0)+xpd(13)

其中，d0＝1m。本小區(qū)的n、xpd和σ分別為1.6、31.4和4.6。干擾小區(qū)的n、xpd和σ分別為5.3、14.3和13.2。fspl(f,d0)代表載波頻率為f＝73ghz，參考距離為1m時(shí)的自由空間傳播損耗：

其中，λ表示波長。

在仿真實(shí)驗(yàn)中，考慮陰影衰落χσ的隨機(jī)性，在求出基站與干擾用戶之間的間距時(shí)，以系統(tǒng)指標(biāo)數(shù)γ＝0.3為準(zhǔn)則，將本小區(qū)的陰影衰落分別取為3σ、2σ、σ和0，干擾小區(qū)的陰影衰落分別取為3σ、2σ和σ。每個(gè)小區(qū)的半徑為10m，根據(jù)式(11)、式(12)、式(13)和式(14)求出干擾用戶到基站之間的距離，得到圖1，并以圖1的四種情況中的距離做仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2-5顯示，當(dāng)每個(gè)小區(qū)的半徑為10m時(shí)，基站與干擾用戶之間的距離近似為40m到58m之間。