大規(guī)模mimo系統(tǒng)中基于部分導(dǎo)頻復(fù)用的導(dǎo)頻污染減輕方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于通信領(lǐng)域，設(shè)及一種大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中導(dǎo)頻污染減輕方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的多輸入多輸出(Multiple I噸Ut Multiple Output,MIMO)系統(tǒng)采用多天線 技術(shù)，通過(guò)增加天線數(shù)量獲得空間增益，有效的改善系統(tǒng)的誤碼率性能并大幅度提高頻譜 效率，是實(shí)現(xiàn)高速率無(wú)線通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前MIMO技術(shù)已被TD-LTE(Time Division Long Term Evolution)、LTE-A(X〇ng Evolution Advanced)等4G移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)采用， 在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要作用。隨著天線技術(shù)W及集成工藝的發(fā)展，在有限體積上可安裝的 天線數(shù)大幅度增加，在基站裝載數(shù)W百計(jì)的天線成為可能。當(dāng)基站的天線數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于小區(qū) 里移動(dòng)終端數(shù)量時(shí)，通信系統(tǒng)的模型也將改變。貝爾實(shí)驗(yàn)室的Marzetta在時(shí)分雙工（Time Divison Duplexing,TOD)及各基站配置無(wú)限根天線的條件下，研究了多用戶(hù)MIMO技術(shù)，并 提出了大規(guī)模MIMO的概念。大規(guī)模MIMO系統(tǒng)有著明顯的優(yōu)勢(shì)：（1)該系統(tǒng)可W直接增加基站 天線數(shù)來(lái)提高系統(tǒng)容量；（2)當(dāng)保證一定的服務(wù)質(zhì)量(911日1;[17-(^-5日1'￥；[。日，905)，具有理想 信道狀態(tài)信息（化annel State Information,CSI)時(shí)，每個(gè)用戶(hù)的發(fā)射功率與基站的天線 數(shù)成反比；而當(dāng)CSI不理想時(shí)，每個(gè)用戶(hù)的發(fā)射功率與基站天線數(shù)的平方根成反比；（3)利用 信道的互易性，信道訓(xùn)練序列的開(kāi)銷(xiāo)只與每個(gè)小區(qū)的用戶(hù)數(shù)有關(guān)，與基站天線數(shù)無(wú)關(guān)；（4) 在下行通信(基站端到移動(dòng)終端的通信)時(shí)，用數(shù)量較大的天線形成指向移動(dòng)終端的波束， 可W避免用戶(hù)間的干擾，從而改善系統(tǒng)的誤碼率并大幅度提高頻譜效率。天線數(shù)量的變化 最終會(huì)引起無(wú)線通信的本質(zhì)性飛躍，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)必將成為5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的重要組成 部分。
[0003] 與傳統(tǒng)MIMO相比，大規(guī)模MIMO最主要的不同之處在于：當(dāng)基站天線數(shù)趨于無(wú)窮時(shí)， 各用戶(hù)信道之間相互獨(dú)立，通常嚴(yán)重影響通信性能的熱噪聲和不相干的小區(qū)間干擾可W被 忽略不計(jì)，系統(tǒng)的性能主要受限于導(dǎo)頻污染，運(yùn)是由于相干時(shí)間和相干帶寬的限制，導(dǎo)頻資 源非常有限，運(yùn)使得分配給一個(gè)小區(qū)的完全正交的導(dǎo)頻序列，通常在相鄰小區(qū)間完全復(fù)用。 正是由于上行信道估計(jì)中相鄰小區(qū)的用戶(hù)發(fā)送的訓(xùn)練序列不正交，導(dǎo)致在基站端進(jìn)行信道 估計(jì)時(shí)，得到的結(jié)果并非本地用戶(hù)和目標(biāo)基站之間的信道，而是被其它小區(qū)里發(fā)送相同導(dǎo) 頻訓(xùn)練序列用戶(hù)與目標(biāo)基站的信道信息污染之后的估計(jì)，導(dǎo)頻污染將大大限制了大規(guī)模 MIMO系統(tǒng)性能的提升。因此，設(shè)計(jì)有效的多小區(qū)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中導(dǎo)頻污染減輕方法對(duì)于 大規(guī)模MIMO技術(shù)的推廣和應(yīng)用具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于部分導(dǎo)頻復(fù)用的導(dǎo)頻污染減輕方法， 該方法主要利用用戶(hù)到目標(biāo)基站信道大尺度衰落系數(shù)的數(shù)值特征，把小區(qū)內(nèi)用戶(hù)分為導(dǎo)頻 復(fù)用用戶(hù)和導(dǎo)頻正交用戶(hù)，把配置給小區(qū)用戶(hù)的導(dǎo)頻序列分為復(fù)用導(dǎo)頻序列和正交導(dǎo)頻序 列，將復(fù)用導(dǎo)頻序列分配給導(dǎo)頻復(fù)用用戶(hù)，該導(dǎo)頻序列在其它小區(qū)復(fù)用，把正交導(dǎo)頻序列分 配給導(dǎo)頻正交用戶(hù)，該導(dǎo)頻序列不在其它小區(qū)復(fù)用；在基站端，對(duì)上行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理接收， 通過(guò)最大化目標(biāo)小區(qū)的總頻譜效率(Sum Spectral efficien巧，SSE)得到最優(yōu)部分導(dǎo)頻復(fù) 用因子。
[0005] 本發(fā)明技術(shù)方案是，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中基于部分導(dǎo)頻復(fù)用的導(dǎo)頻污染減輕方法包 括W下步驟，如圖6所示：
[0006] 步驟一:對(duì)配置給大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中L個(gè)小區(qū)的導(dǎo)頻序列進(jìn)行分組，分為復(fù)用導(dǎo)頻 序列組和正交導(dǎo)頻序列組。
[0007] 步驟二:根據(jù)用戶(hù)到目標(biāo)基站信道大尺度衰落系數(shù)的數(shù)值特性，對(duì)小區(qū)內(nèi)用戶(hù)進(jìn) 行分組，分為導(dǎo)頻復(fù)用用戶(hù)組和導(dǎo)頻正交用戶(hù)組，并進(jìn)行導(dǎo)頻序列配置包括，把復(fù)用導(dǎo)頻序 列組的導(dǎo)頻序列隨機(jī)分配給導(dǎo)頻復(fù)用用戶(hù)組中的用戶(hù)，把正交導(dǎo)頻序列組的導(dǎo)頻序列隨機(jī) 分配給導(dǎo)頻正交用戶(hù)組中的用戶(hù)。
[0008] 步驟在基站端，對(duì)上行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理接收，并求取最優(yōu)部分導(dǎo)頻復(fù)用因子。
[0009] 下面針對(duì)每個(gè)步驟做詳細(xì)說(shuō)明：
[0010] 步驟一:對(duì)配置給大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中L個(gè)小區(qū)的導(dǎo)頻序列進(jìn)行分組，分為復(fù)用導(dǎo)頻 序列組和正交導(dǎo)頻序列組。
[0011] a.定義部分導(dǎo)頻復(fù)用因子化。為了便于描述部分導(dǎo)頻復(fù)用思想，定義一個(gè)部分導(dǎo) 頻復(fù)用因子化，表示大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中L個(gè)小區(qū)內(nèi)目標(biāo)小區(qū)用戶(hù)配置的導(dǎo)頻序列在其它小 區(qū)復(fù)用的用戶(hù)個(gè)數(shù)。為了確保每個(gè)小區(qū)導(dǎo)頻序列分配的公平性，規(guī)定該系統(tǒng)中所有小區(qū)的 部分導(dǎo)頻復(fù)用因子相等。其中0含化^,K表示每個(gè)小區(qū)里的用戶(hù)個(gè)數(shù)。當(dāng)化=0時(shí)，該系統(tǒng)里 所有用戶(hù)配置的導(dǎo)頻序列完全正交；當(dāng)化=K時(shí)，目標(biāo)小區(qū)的導(dǎo)頻序列在其它小區(qū)完全復(fù) 用。
[0012] b.給出大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中L個(gè)小區(qū)的導(dǎo)頻序列集合。假設(shè)每個(gè)小區(qū)支持K個(gè)用戶(hù)同 時(shí)通信，配置給L個(gè)小區(qū)的導(dǎo)頻序列集合P可表示為
[0013] = /?，％-"，...，％+化-&比} 了 Z.二' '務(wù)
[0014] 其中Pk e CiXT，k = 1，2，...，Qf+ 化-化化，?；? 化-化化，化/f = '. - ，CiXT表示化 單 k 為IX T的矢量，巧f表示Pi的共輛轉(zhuǎn)置。
[0015] C.將配置給小區(qū)用戶(hù)的導(dǎo)頻序列進(jìn)行分組。把配置給小區(qū)1(1 E [1，L])的導(dǎo)頻序 列集合Pl分成兩個(gè)子集：Preuse和P Drth-I，其中巧euse =<(&，&，'??，％}， Cm, 曲:(/-1,+1,…，片如化'-郵} nPreuse集合中的導(dǎo)頻序列在所有小區(qū)復(fù)用，Porth-I集合 中的導(dǎo)頻序列僅在小區(qū)1中使用。顯然，配置給大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中L個(gè)小區(qū)的所有導(dǎo)頻序列 子集滿(mǎn)足下式：
[0016] Preuse U Porth-I U Porth-2 U U Porth-L = P
[0017] 巧面e n 私n 斬以 n... n 二 0
[0018] 步驟二:根據(jù)用戶(hù)到目標(biāo)基站信道大尺度衰落系數(shù)的數(shù)值特性，對(duì)小區(qū)內(nèi)用戶(hù)進(jìn) 行分組，分為導(dǎo)頻復(fù)用用戶(hù)組和導(dǎo)頻正交用戶(hù)組，并進(jìn)行導(dǎo)頻序列配置。
[0019] a.對(duì)小區(qū)I內(nèi)用戶(hù)信道大尺度衰落系數(shù)排序。把小區(qū)I內(nèi)的K個(gè)用戶(hù)到目標(biāo)基站j的 信道大尺度衰落系數(shù)按照幅值大小進(jìn)行排序，
[0020] P'""/瑪。。/ 含.^ 口心
[0021] 其中Pmu;表示1小區(qū)內(nèi)用戶(hù)k到目標(biāo)基站j的大尺度衰落系數(shù)，其值大小與用戶(hù)到 基站的距離、基站高度、路徑衰減指數(shù)、陰影衰落系數(shù)等因素有關(guān)。{曰1,1，曰2,1，…，aK,i}表示 整數(shù)集合U，2,…，K}的一個(gè)組合。
[0022] b.將小區(qū)1內(nèi)用戶(hù)進(jìn)行分組。根據(jù)上述排序，將小區(qū)1內(nèi)對(duì)應(yīng)的K個(gè)用戶(hù)Ui,i, Ul,2,…，Ul,K分成兩組：Sreuse-I和Sorth-l，其中
[0023] Sfeuse-廣滬，巧化,，?..而'咕.,.'，8職_1..-批、。曲…,UI、。曲心.,U 1、心
[0024] C.對(duì)小區(qū)1內(nèi)用戶(hù)進(jìn)行導(dǎo)頻序列配置。把子集Preuse內(nèi)的導(dǎo)頻序列隨機(jī)地分配給 Sreuse-I內(nèi)的化個(gè)用戶(hù),把子集Porth-I內(nèi)的導(dǎo)頻序列隨機(jī)地分配給Sorth-I內(nèi)的K-Qf個(gè)用戶(hù)。
[0025] 步驟在基站端，對(duì)上行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理接收，并求取最優(yōu)部分導(dǎo)頻復(fù)用因子。
[0026] a.對(duì)上行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在目標(biāo)小區(qū)上行基站端，首先利用基站端存儲(chǔ)的導(dǎo)頻序 列信息對(duì)目標(biāo)小區(qū)用戶(hù)進(jìn)行信道估計(jì)(如最小二乘法化east Square,LS)，最小均分誤差法 (Minimum Mean Square化ror ,MMSE))，然后利用信道估計(jì)信息對(duì)上行數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單接收 (如最大率合并(Maximum Ratio Combining,MRC)，迫零（Zero-Forcing,ZF))，并求取目標(biāo) 小區(qū)總頻譜效率。
[0027] b.求取最優(yōu)部分導(dǎo)頻復(fù)用因子綜。最優(yōu)部分導(dǎo)頻復(fù)用因子的求取遵循最大化目 標(biāo)小區(qū)總頻譜效率的原則，具體做法是:i)令化=0，1，…，K;ii)針對(duì)不同的化值，對(duì)系統(tǒng)中L 個(gè)小區(qū)用戶(hù)按照步驟一和步驟二進(jìn)行導(dǎo)頻序列配置，并按照上一步驟，求出目標(biāo)小區(qū)總頻 譜效率引化找出目標(biāo)小區(qū)最大SSE，其對(duì)應(yīng)的化即為最優(yōu)部分導(dǎo)頻復(fù)用因子貧。
[0028] 本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明所述的基于部分導(dǎo)頻復(fù)用的導(dǎo)頻序列分配方法， 一方面，當(dāng)干擾用戶(hù)到目標(biāo)基站的信道大尺度衰落系數(shù)幅值較大時(shí)，其對(duì)目標(biāo)小區(qū)用戶(hù)信 道估計(jì)的影響較大，當(dāng)給該用戶(hù)配置與目標(biāo)小區(qū)用戶(hù)完全正交的導(dǎo)頻序列，其對(duì)目標(biāo)小區(qū) 用戶(hù)信道估計(jì)的干擾近似為0;當(dāng)干擾用戶(hù)到目標(biāo)基站的大尺度衰落系數(shù)較小時(shí)，其對(duì)目標(biāo) 小區(qū)用戶(hù)信道估計(jì)的影響較小，當(dāng)該用戶(hù)配置的導(dǎo)頻序列與目標(biāo)小區(qū)的用戶(hù)復(fù)用時(shí)，雖然 存在導(dǎo)頻污染，但影響很小。在運(yùn)種情況下，復(fù)用目標(biāo)小區(qū)的導(dǎo)頻序列可W節(jié)省導(dǎo)頻資源， 提高頻譜效率。另一方面，通過(guò)最優(yōu)部分導(dǎo)頻序列的求取，可W使系統(tǒng)的頻譜效率達(dá)到一個(gè) 最佳值，從而使系統(tǒng)性能得到提升。
【附圖說(shuō)明】
[0029] 圖1為大規(guī)模MIMO模型圖；
[0030] 圖2為小區(qū)導(dǎo)頻序列生成分組流程圖；
[003