去蜂窝大规模MIMO系统的导频分配方法

摘要

本申请涉及一种去蜂窝大规模MIMO系统的导频分配方法。该方法包括：获取去蜂窝大规模MIMO通信的场景下所有用户及接入点的位置信息，通过所有用户及接入点的位置信息计算所有用户到接入点的大尺度衰落系数，同时得到用户与用户之间的相对位置信息；选定用户1作为起始分配导频的对象，根据该用户与其他用户间的相对位置信息，按照距离从近至远的顺序挑选τ个用户按序分配导频；将所选定用户相对距离最远且尚未分配导频的用户作为下一次起始分配导频的对象，按照同样的原理挑选出τ个用户进行导频分配；按上述原理继续给未分配导频的用户分配导频，直至所有用户导频分配完成，降低了导频污染，提高了通信性能。

权利要求

1.一种去蜂窝大规模MIMO系统的导频分配方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1：获取去蜂窝大规模MIMO通信的场景下所有用户及接入点的位置信息，通过所有用户及接入点的位置信息计算所有用户到接入点的大尺度衰落系数，同时得到用户与用户之间的相对位置信息，其中，将用户编号为1～K；

步骤2：选定用户1作为起始分配导频的对象，根据该用户与其他用户间的相对位置信息，按照距离从近至远的顺序挑选τ个用户按序分配导频，其中，τ的值根据可用于分配的导频数确定，将τ个导频编序；

步骤3：将与步骤2中所选定用户相对距离最远且尚未分配导频的用户作为下一次起始分配导频的对象，按照同样的原理挑选出τ个用户进行导频分配，其中，已分配导频的用户自动忽略，挑选的都是未进行导频分配的用户；

步骤4：按照步骤2和步骤3的原理继续给未分配导频的用户分配导频，直至所有用户导频分配完成；

所述步骤1中的用户及接入点的位置信息由仿真软件随机生成，用户数目为K，接入点数目为M，M大于K；

用户与接入点的大尺度系数 其中，PLmk代表路径损耗，

代表阴影衰落，σsh代表标准差，zmk代表方差为1的高斯随机变量；K个用户之间的相对位置信息用矩阵D表示为：其中，D表示K×K矩阵，dij表示第i个用户与第j个用户的相对距离，i∈1，2，3……K，j∈

1，2，3……K；

所述步骤2中的按照距离从近至远的顺序挑选τ个用户按序分配导频的方式为：起始分配导频的用户为第i个用户，取出矩阵D中第i行，对第i行的向量进行从小到大排序，取出前τ个用户按序分配导频。

说明书

去蜂窝大规模MIMO系统的导频分配方法

技术领域

[0001] 本申请涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种去蜂窝大规模MIMO系统的导频分配方法。

背景技术

[0002] 去蜂窝大规模MIMO系统具有大量的分布式接入点，这些接入点根据直接测量的信道特性，在同一时间/频率资源上同时服务数量少得多的用户。大大提高了无线通信系统的频谱利用率。此外，当接入点的数目趋向于无穷时，快衰落信道是近似正交的。不相干噪声和快衰落信道对通信质量的影响消失，仅剩的信道损害就是导频污染。因此，有效的导频分配方法对于提高去蜂窝大规模MIMO系统的性能至关重要。

[0003] 由于导频的数目受相干间隔的限制，其往往小于用户数，所以必然存在不同用户使用相同导频的现象，这些用户之间会相互干扰。信道估计的误差会因为导频分配方法的优劣存在较大的差异。信道估计的误差越小，我们所得到的通信性能就越好。目前常见的导频分配方法有随机分配以及贪婪分配等。但使用这些方法所造成的信道估计误差仍比较大，导致导频污染较大。

发明内容

[0004] 基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够降低导频污染的去蜂窝大规模MIMO系统的导频分配方法。

[0005] 一种去蜂窝大规模MIMO系统的导频分配方法，所述方法包括：

[0006] 步骤1：获取去蜂窝大规模MIMO通信的场景下所有用户及接入点的位置信息，通过所有用户及接入点的位置信息计算所有用户到接入点的大尺度衰落系数，同时得到用户与用户之间的相对位置信息，其中，将用户编号为1～K；

[0007] 步骤2：选定用户1作为起始分配导频的对象，根据该用户与其他用户间的相对位置信息，按照距离从近至远的顺序挑选τ个用户按序分配导频，其中，τ的值根据可用于分配的导频数确定，将τ个导频编序；

[0008] 步骤3：将与步骤2中所选定用户相对距离最远且尚未分配导频的用户作为下一次起始分配导频的对象，按照同样的原理挑选出τ个用户进行导频分配，其中，已分配导频的用户自动忽略，挑选的都是未进行导频分配的用户；

[0009] 步骤4：按照步骤2和步骤3的原理继续给未分配导频的用户分配导频，直至所有用户导频分配完成。

[0010] 在其中一个实施例中，所述步骤1中的用户及接入点的位置信息由仿真软件随机生成，用户数目为K，接入点数目为M，M大于K；用户与接入点的大尺度系数其中，PLmk代表路径损耗， 代表阴影衰落，σsh代表标准差，zmk代表方差为1的高斯随机变量；K个用户之间的相对位置信息用矩阵D表示为：

[0011]

[0012] 其中，D表示K×K矩阵，dij表示第i个用户与第j个用户的相对距离，i∈1，2，3……K，j∈1，2，3……K。

[0013] 在其中一个实施例中，所述步骤2中的按照距离从近至远的顺序挑选τ个用户按序分配导频的方式为：

[0014] 起始分配导频的用户为第i个用户，取出矩阵D中第i行，对第i行的向量进行从小到大排序，取出前τ个用户按序分配导频。

[0015] 上述去蜂窝大规模MIMO系统的导频分配方法，通过获取去蜂窝大规模MIMO通信的场景下所有用户及接入点的位置信息，通过所有用户及接入点的位置信息计算所有用户到接入点的大尺度衰落系数，同时得到用户与用户之间的相对位置信息，其中，将用户编号为1～K；选定用户1作为起始分配导频的对象，根据该用户与其他用户间的相对位置信息，按照距离从近至远的顺序挑选τ个用户按序分配导频，其中，τ的值根据可用于分配的导频数确定，将τ个导频编序；将所选定用户相对距离最远且尚未分配导频的用户作为下一次起始分配导频的对象，按照同样的原理挑选出τ个用户进行导频分配，其中，已分配导频的用户自动忽略，挑选的都是未进行导频分配的用户；按上述原理继续给未分配导频的用户分配导频，直至所有用户导频分配完成，降低了导频污染，提高了通信性能。

附图说明

[0016] 图1为一个实施例中去蜂窝大规模MIMO系统的导频分配方法的应用场景图；

[0017] 图2为一个实施例中去蜂窝大规模MIMO系统的导频分配方法的流程示意图；

[0018] 图3为不同导频分配方法的归一化均方误差与用户数K之间的关系曲线图；

[0019] 图4为不同导频分配方法的归一化均方误差与导频数τ之间的关系曲线图；

[0020] 图5为不同导频分配方法的下行链路的平均频谱利用率与用户目K之间的关系曲线图。

具体实施方式

[0021] 为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

[0022] 本申请提供的去蜂窝大规模MIMO系统的导频分配方法，可以应用于如图1所示的应用去蜂窝大规模MIMO系统环境中。其中，去蜂窝大规模MIMO系统由K个用户终端(图1中的User1～UserK)和M个接入点(图1中的AP1～APM)构成，一般M远大于K。用户k与接入点m的信道矢量可以表示为：

[0023] gmk＝βmk1/2 hmk (1)

[0024] 其中，hmk表示服从均值为0，方差为1的高斯分布的小尺度衰落系数；βmk表示用户k与接入点m的大尺度系数；gmk表示用户k与接入点m的信道矢量。

[0025] 由于受相干间隔的限制，可分配的导频数τ(τ个导频彼此相互正交)往往小于K。

[0026] 在一个实施例中，如图2所示，提供了一种去蜂窝大规模MIMO系统的导频分配方法，包括以下步骤：

[0027] 步骤1：获取去蜂窝大规模MIMO通信的场景下所有用户及接入点的位置信息，通过所有用户及接入点的位置信息计算所有用户到接入点的大尺度衰落系数，同时得到用户与用户之间的相对位置信息，其中，将用户编号为1～K。

[0028] 其中，将用户编好序，编序方式任意。

[0029] 步骤2：选定用户1作为起始分配导频的对象，根据该用户与其他用户间的相对位置信息，按照距离从近至远的顺序挑选τ个用户按序分配导频，其中，τ的值根据可用于分配的导频数确定，将τ个导频编序；

[0030] 其中，将导频编好序，编序方式任意。用户1在排序中排在第一位。

[0031] 步骤3：将与步骤2中所选定用户相对距离最远且尚未分配导频的用户作为下一次起始分配导频的对象，按照同样的原理挑选出τ个用户进行导频分配，其中，已分配导频的用户自动忽略，挑选的都是未进行导频分配的用户。

[0032] 其中，取出与用户1相对距离最远且尚未分配导频的用户作为下一轮起始分配导频对象，取出代表该用户与所有用户相对距离的行向量，排序后，取出距离该用户最近且未分配导频的τ个用户，然后按序分配导频。按照这种思想，直至所有用户分配好导频。

[0033] 步骤4：按照步骤2和步骤3的原理继续给未分配导频的用户分配导频，直至所有用户导频分配完成。

[0034] 在其中一个实施例中，所述步骤1中的用户及接入点的位置信息由仿真软件随机生成，用户数目为K，接入点数目为M，M大于K；用户与接入点的大尺度系数其中，PLmk代表路径损耗、 代表阴影衰落，σsh代表标准差，zmk代表方差为1的高斯随机变量；K个用户之间的相对位置信息用矩阵D表示为：

[0035]

[0036] 其中，D表示K×K矩阵，dij表示第i个用户与第j个用户的相对距离，i∈1，2，3……K，j∈1，2，3……K。

[0037] 在其中一个实施例中，所述步骤2中的按照距离从近至远的顺序挑选τ个用户按序分配导频的方式为：

[0038] 起始分配导频的用户为第i个用户，取出矩阵D中第i行，对第i行的向量进行从小到大排序，取出前τ个用户按序分配导频。

[0039] 其中，将代表用户1与所有用户相对距离的行向量取出，然后对该行向量大小排序，取出距离用户1最近的τ个用户(包含其本身)，然后按序一一分配导频。

[0040] 上述去蜂窝大规模MIMO系统的导频分配方法，通过获取去蜂窝大规模MIMO通信的场景下所有用户及接入点的位置信息，通过所有用户及接入点的位置信息计算所有用户到接入点的大尺度衰落系数，同时得到用户与用户之间的相对位置信息，其中，将用户编号为1～K；选定用户1作为起始分配导频的对象，根据该用户与其他用户间的相对位置信息，按照距离从近至远的顺序挑选τ个用户按序分配导频，其中，τ的值根据可用于分配的导频数确定，将τ个导频编序；将与步骤2中所选定用户相对距离最远且尚未分配导频的用户作为下一次起始分配导频的对象，按照同样的原理挑选出τ个用户进行导频分配，其中，已分配导频的用户自动忽略，挑选的都是未进行导频分配的用户；按照步骤2和步骤3的原理继续给未分配导频的用户分配导频，直至所有用户导频分配完成，降低了导频污染，提高了通信性能。

[0041] 为证明本申请的去蜂窝大规模MIMO系统的导频分配方法，减小信道估计误差，提高了通信性能，进一步计算相关参数，比较本申请提出的去蜂窝大规模MIMO系统的导频分配方法与现有技术中的几种导频分配的参数，得出本申请去蜂窝大规模MIMO系统的导频分配方法的性能评价结果，具体评价原理如下：

[0042] 去蜂窝大规模MIMO系统采用宽频谱带宽，信道矢量gmk与小尺度衰落系数hmk的值随着频率的改变而改变，但大尺度系数βmk相对于频率是恒定的。假定传播通道在一个相干间隔(等于相干时间与相干带宽的乘积)内是分段常数，在这样的时间/频率相干块中进行训练是很有必要的。τc为相干间隔的长度(以样本为单位)，τ为每个相干间隔内上行训练持续时间(以样本为单位)，即是导频数目，要求τ<τc。 表示分配给用户k的导频，是一个τ×1的列向量。这样，第m个接入点所接收到的导频信号为：

[0043]

[0044] 其中，yp,m代表第m个接入点所接收到的导频信号，ρp代表每个导频符号的归一化信噪比，wp,m代表第m个AP(接入点)所接收到的加性噪声的向量，向量中的元素均服从均值为0，方差为1的高斯分布。

[0045] 在接收到的导频信号yp,m的基础上，第m个AP(接入点)对信道矢量gmk的初步信道估计可以表示为：

[0046]

[0047] 其中， 表示第m个AP(接入点)对信道矢量gmk的初步信道估计，H表示矩阵的共轭加转置，gmk'表示用户k′与接入点m的信道矢量， 表示分配给用户k′的导频。

[0048] 虽然对于任意的导频序列，初步信道估计 并不是信道矢量gmk估计的一个充分的统计量，但是仍然可以使用这个量来获得次优估计。在任意的两个导频序列相同或正交的特殊情况下，初步信道估计 是一个充分的统计量，而且基于初步信道估计 的估计是最优的。给定初步信道估计 条件下信道矢量gmk的最小均方误差估计得到处理后的信道估计为：

[0049]

[0050] 其中， 表示处理后的信道估计， 表示初步信道估计进行转置，E表示数学期望。

[0051] 由于K>τ，去蜂窝大规模MIMO系统系统模型中必然会重复使用相同的导频，处理后的信道估计 会因来自其他用户的导频信号而误差变大，这就导致了所谓的导频污染效应。不同的导频分配方案造成的信道估计误差不同，误差越小，导频分配方案越优。

[0052] 下行数据传输阶段，接入点将信道估计视为真实的信道，并且使用共轭波束形成*传输数据给用户，第m个AP传输的信号为 其中，g mk表示信道矢量
2
进行转置，ρd表示归一化信噪比，qk表示准备发送给用户k的符号，qk满足E{|qk|}＝1，ηmk代
2 2
表第k个用户的功率控制参数，其满足E{|xm| }≤ρd。根据相关推导E{|xm|}≤ρd可改写为γmk表示第m个接入点与第k个用户信道估计的方差，这个式子对所有的AP都成立。当AP对所有的用户等功率分配时，可得到：

[0053]

[0054] 其中：

[0055]

[0056] 定义指标归一化均方误差：

[0057]

[0058] 其中，NMSE表示归一化均方误差。

[0059] 结合图3和图4可知，随着用户数量K的增大，或可分配的导频数τ的增大，通过本申请的去蜂窝大规模MIMO系统的导频分配方法(MY)进行导频分配，归一化均方误差比现有的随机导频分配方案(RPA，全称Random Pilot Assignment)、贪婪导频分配方案(GPA，全称Greedy Pilot Assignment)和基于位置的贪婪导频分配方案(LBGPA，全称Location‑Based Greedy Pilot Assignment)的归一化均方误差都要小，得出本申请提出的去蜂窝大规模MIMO系统的导频分配方法(MY)，较现有的分配方案的性能更优。

[0060] 第k个用户收到的信号为：

[0061]

[0062] 其中，yd,k表示第k个用户收到的信号，wd,k表示用户k收到的加性高斯白噪声，ηmk'表示第k′个用户的功率控制参数， 表示处理后的信道估计进行转置，qk'表示准备发送给用户k′的符号。该式可改写成：

[0063]

[0064] 假设每个用户都知道信道统计信息，但不知道信道实现。上式可写为：

[0065]

[0066] 其中，DSk表示期望信号的强度，BUk表示波束形成增益的不确定度，UIkk'表示用户k'造成的干扰。

[0067] 其中

[0068]

[0069]

[0070] 由于qk独立于DSk与BUk，式(10)中的第一项与第二，第三，第四项不相关，我们将第二，第三，第四项之和视为有效噪声。根据不相关高斯噪声代表最糟糕的情况，可以得到第k个用户可以实现的速率：

[0071]

[0072] 其中，Rd,k表示第k个用户实现的速率。

[0073] 通过计算

[0074]

[0075]

[0076] 其中，γmk'表示第m个接入点与第k′个用户信道估计的方差。

[0077] 将二者代入式(13)，得到：

[0078]

[0079] 对所有用户速率求平均， Rd表示所有用户速率平均值。结合图5，比较本申请提出的方法的平均可达速率与随机导频分配方案(RPA)、贪婪导频分配方案(GPA)和基于位置的贪婪导频分配方案(LBGPA)的平均可达速率，本申请提出的分配方法，相较于现有的导频分配方案的平均可达速率都要大，较现有的分配方案的性能更优，进一步降低了导频污染。

[0080] 应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

[0081] 以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

[0082] 以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。