大规模MIMO系统中克服导频污染的部分导频复用方法

摘要

本发明公开了一种在大规模MIMO系统中克服导频污染的部分导频复用方法，包括如下步骤：(1)训练阶段，用户根据接收到的信号判断自身所受干扰的大小，并将这些信息传给基站；(2)基站根据小区内用户数目的不同，确定一个信干噪比门限，并根据用户上传的信息将用户分为强干扰用户(边缘用户)和弱干扰用户(中心用户)；(3)给不同小区的弱干扰用户(中心用户)分配同一套导频，相邻小区强干扰用户(边缘用户)分配不同的导频。本发明不同小区的中心用户复用同一套导频，可以让他们复用同样的导频以提高导频的利用率；相邻小区的边缘用户使用不同的导频以减小干扰；从而减少导频污染的影响并提高导频的利用率。

说明书

【技术领域】

本发明属于通信技术领域，涉及一种在大规模MIMO系统中克服导频污染的部分导频复用 方法。

【背景技术】

在可用频谱资源日渐匮乏的今天，开拓新的空域资源已成为提升统容量和性能的有效手段 之一。因此，如何更充分的利用空域资源来满足日益增长的通信需求始终都是无线通信技术领 域研究的热点。

近年来，随着电子器件和系统集成技术的进步，在基站端使用大规模的天线阵列已完全成 为可能，相应地大规模MIMO技术也就应运生。现有研究已经表明：当基站端配置的天线数 趋于无穷时，每个用户对应的接收信道矢量将趋于正交，那么就可利用波束形成技术来降低小 区间干扰，并显著地提高系统的频谱利用率和能量效率。由于这些显著的优势，大规模MIMO 技术已经受到业界和学术界的广泛关注，并被看做是实现未来高能效绿色宽带移动通信系统的 关键技术之一。

虽然大规模MIMO技术以其显著的性能优势给大家展示了一个非常美好的应用前景，但 上述这些性能优势必须在所有信道信息已知的前提下才能够获得，因为基站在做波束形成或者 信号检测时必须知道每个用户到基站的信道信息。如果基站在做信道检测时，相邻小区的用户 使用的不同的导频，那么，基站将检测的将是这些用户的联合信道，从而在下行发射的时候会 给这些用户一起发送信号，造成导频污染。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种在大规模MIMO系统中克服导频污染的部分导频复用方法，通 过给强干扰用户分配不同的导频以减少导频污染的影响。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种在大规模MIMO系统中克服导频污染的部分导频复用方法，包括以下步骤：

(1)、训练阶段：用户根据接收到的信号判断自身所受干扰的大小，并将这些信息传给基 站；

(2)、基站根据小区内用户数目的不同，确定一个信干噪比门限，并根据用户上传的信息 将用户分为边缘用户和中心用户；

(3)、给不同小区的中心用户分配同一套导频，相邻小区的边缘用户分配不同的导频。

所述步骤(2)的具体步骤为：

本小区的基站接收到用户上报的信息后，根据用户的数量信息确定信干噪比门限；并根据 信干噪比将用户划分为强干扰用户和弱干扰用户；用户的信干比表示为：

$SIR=\frac{{r_i}^{-2\alpha }(2\alpha -2)}{2{\mathrm{\pi \rho }}_{BS}{(2R_C-r_i)}^{2-2\alpha }}$

其中，2R_C-r_i表示用户离最近的干扰小区基站的距离，r_i为用户距离本小区基站的距离， 对于中心用户，R_C＝R为小区半径，对于边缘用户，ρ_BS表示小区密度；对于 中心用户：ρ_BS＝πR²，对于边缘用户：α是路径损耗因子；将用户的信干比转 换为用户距离本小区基站距离r_i的函数，通过一个距离门限R_th将用户分为中心用户和边缘用 户：

M_c＝{i:r_i≤R_th},M_e＝{i:r_i>R_th}

其中，i表示用户序号，M_c和M_e分别表示中心用户和边缘用户的集合；

计算得到小区中心用户和边缘用户的平均容量分别为：

$C_C=\frac{2\Delta f}{R_{th}^2-R_0^2}{\int }_{R_0}^{R_{th}}{r}_i\left[{\log }_2(1+{\mathrm{SIR}}_C)\right]{\mathrm{dr}}_i$

$C_E=\frac{2\Delta f}{R^2-R_{th}^2}{\int }_{R_{th}}^{R_0}{r}_i\left[{\log }_2(1+{\mathrm{SIR}}_E)\right]{\mathrm{dr}}_i$

Δf表示系统的带宽，R₀表示用户距离基站的最小距离，SIR_C和SIR_E分别表示用户为中 心用户和边缘用户时候的信干比；

导频根据小区中心和边缘的面积来进行分配，中心导频数和边缘导频数分别为：

$N_E=\left[\frac{R^2-R_{th}^2}{3R^2-2R_{th}^2-R_0^2}N\right]$

N_C＝N-3N_E

其中[x]表示对x下取整；N为导频总数为；

小区的总容量c最终表示为：

$\left(\begin{array}{c}C=\underset{k=1}{\overset{N_C}{\Sigma }}\left(\begin{array}{c}M\\ k\end{array}\right)\frac{{(R_{th}^2-R_0^2)}^k{(R^2-R_{th}^2)}^{M-k}}{{(R^2-R_0^2)}^M}{\mathrm{kC}}_C+\underset{k=N_C}{\overset{M}{\Sigma }}\left(\begin{array}{c}M\\ k\end{array}\right)\frac{{(R_{th}^2-R_0^2)}^k{(R^2-R_{th}^2)}^{M-k}}{{(R^2-R_0^2)}^M}{N}_C{C}_C\\ +\underset{k=1}{\overset{N_E}{\Sigma }}\left(\begin{array}{c}M\\ k\end{array}\right)\frac{{(R_{th}^2-R_0^2)}^{M-k}{(R^2-R_{th}^2)}^k}{{(R^2-R_0^2)}^M}{\mathrm{kC}}_E+\underset{k=N_E}{\overset{M}{\Sigma }}\left(\begin{array}{c}M\\ k\end{array}\right)\frac{{(R_{th}^2-R_0^2)}^{M-k}{(R^2-R_{th}^2)}^k}{{(R^2-R_0^2)}^M}{N}_E{C}_E\end{array}\right)$

其中，M为小区内的用户总数；$\left(\begin{array}{c}M\\ k\end{array}\right)$表示从M个元素中选出k个元素的可能性；

通过对小区总容量求最大值得到最佳的划分门限R_th。

所述步骤(3)的具体步骤为：

通过计算得到的最佳门限R_th，将用户分为中心用户和边缘用户，给不同小区的中心用户 分配同一套导频，相邻小区的边缘用户分配不同的导频。

本发明在大规模MIMO系统中，相邻小区内不同用户使用相同的导频会造成相互干扰。为 了减轻这一干扰，小区基站给不同位置的用户分配不同的导频，使相邻小区的强干扰用户使用 不同的导频以减小干扰。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明针对大规模MIMO系统中存在的导频污染问题，提出一种采用部分导频复用技术 的导频资源分配方法，以减少导频污染，提高系统性能；本发明方法按照用户的位置将用户分 为中心用户和边缘用户；对于相互之间干扰较弱的中心用户，不同小区的中心用户复用同一套 导频，可以让他们复用同样的导频以提高导频的利用率；对于相互之间干扰较强的边缘用户， 相邻小区的边缘用户使用不同的导频以减小干扰；从而减少导频污染的影响并提高导频的利用 率。使用通过计算仿真得到的小区最佳门限来划分用户可以最大化的提高系统的容量。

【附图说明】

图1是本发明方法所应用的场景实例图；

图2给出了功能实现模块框图；

图3给出了小区的网络结构图；

图4是通过计算机仿真得到的系统划分门限和小区总容量之间的关系图；

图5给出了在导频数为50，用户数为36时的不同策略下小区容量的累积分布函数曲线。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

在大规模MIMO通信系统中，由于导频总数是有限的，无法给所有用户都分配不同的正交 导频，所以导频污染的问题是始终存在的。为了减少导频污染，本发明给相互之间干扰较强的 用户分配不同的导频，相互干扰较弱的用户则复用相同导频。划分用户时，需要设定一个信干 比门限，并根据用户自身的信干比划分为中心用户和边缘用户，其中不同小区的中心用户复用 相同导频，相邻小区的边缘用户使用不同的导频，如图1所示。

通过这种导频分配方式，我们可以看到，不同小区的中心用户相距较远，使用相同的导频 并不会让相互之间产生强干扰，而相邻小区的边缘用户之间相距较近，通过给他们分配不同的 导频可以有效的减少导频污染的影响。

本发明一种在大规模MIMO系统中克服导频污染的部分导频复用方法，包括以下步骤：

(1)、训练阶段，用户根据接收到的信号判断自身所受干扰的大小，并将这些信息传给基 站；

(2)、基站根据小区内用户数目的不同，确定一个信干噪比门限，并根据用户上传的信息 将用户分为强干扰用户(边缘用户)和弱干扰用户(中心用户)；

(3)、给不同小区的弱干扰用户(中心用户)分配同一套导频，相邻小区强干扰用户(边 缘用户)分配不同的导频。如图2所示。

步骤(2)的具体步骤为：本小区的基站接收到用户上报的信息后，根据用户的数量信息确 定信干噪比门限。并根据门限和用户的信干噪比将用户划分为强干扰用户(边缘用户)和弱干 扰用户(中心用户)。假设基站的天线数目趋于无穷多，那么用户的信干比可以表示为：

$SIR=\frac{{r_i}^{-2\alpha }(2\alpha -2)}{2{\mathrm{\pi \rho }}_{BS}{(2R_C/r_i)}^{2-2\alpha }}$

其中，2R_C-r_i表示用户离最近的干扰小区基站的距离，r_i为用户距离本小区基站的距离， 对于中心用户，R_C＝R为小区半径，对于边缘用户，ρ_BS表示小区密度，对于 中心用户：ρ_BS＝πR²，对于边缘用户：α是路径损耗因子。通过一系列的近似 可以将用户的信干比转换为用户距离本小区基站距离r_i的函数，因此可以通过一个距离门限 R_th将用户分为中心用户和边缘用户：

M_c＝{i:r_i≤R_th}，M_e＝{i:r_i>R_th}

M_c和M_e分别表示中心用户和边缘用户的集合，i表示用户序号。

可以计算得到小区中心用户和边缘用户的平均容量分别为：

$C_C=\frac{2\Delta f}{R_{th}^2-R_0^2}{\int }_{R_0}^{R_{th}}{r}_i\left[{\log }_2(1+{\mathrm{SIR}}_C)\right]{\mathrm{dr}}_i$

$C_E=\frac{2\Delta f}{R^2-R_{th}^2}{\int }_{R_{th}}^{R_0}{r}_i\left[{\log }_2(1+{\mathrm{SIR}}_E)\right]{\mathrm{dr}}_i$

Δf表示系统的带宽，R₀表示用户距离基站的最小距离,SIR_C和SIR_E分别表示用户为中 心用户和边缘用户时候的信干比。

假设导频总数为N，用户在小区内均匀分布，导频也根据小区中心和边缘的面积来进行分 配，那么中心导频数和边缘导频数分别为：

$N_E=\left[\frac{R^2-R_{th}^2}{3R^2-2R_{th}^2-R_0^2}N\right]$

N_C＝N-3N_E

其中[x]表示对x下取整。

因此，假设小区内的用户总数为M，那么小区的总容量最终可以表示为：

$\left(\begin{array}{c}C=\underset{k=1}{\overset{N_C}{\Sigma }}\left(\begin{array}{c}M\\ k\end{array}\right)\frac{{(R_{th}^2-R_0^2)}^k{(R^2-R_{th}^2)}^{M-k}}{{(R^2-R_0^2)}^M}{\mathrm{kC}}_C+\underset{k=N_C}{\overset{M}{\Sigma }}\left(\begin{array}{c}M\\ k\end{array}\right)\frac{{(R_{th}^2-R_0^2)}^k{(R^2-R_{th}^2)}^{M-k}}{{(R^2-R_0^2)}^M}{N}_C{C}_C\\ +\underset{k=1}{\overset{N_E}{\Sigma }}\left(\begin{array}{c}M\\ k\end{array}\right)\frac{{(R_{th}^2-R_0^2)}^{M-k}{(R^2-R_{th}^2)}^k}{{(R^2-R_0^2)}^M}{\mathrm{kC}}_E+\underset{k=N_E}{\overset{M}{\Sigma }}\left(\begin{array}{c}M\\ k\end{array}\right)\frac{{(R_{th}^2-R_0^2)}^{M-k}{(R^2-R_{th}^2)}^k}{{(R^2-R_0^2)}^M}{N}_E{C}_E\end{array}\right)$

其中表示从M个元素中选出k个元素的可能性。

通过对小区总容量求最大值可以得到最佳的划分门限R_th。

步骤(3)根据最佳门限将小区内的用户划分为中心用户和边缘用户。请参阅图3所示， 以0号小区为例，中心用户使用P₀所代表的导频集合，边缘用户使用P₁所代表的导频集合。 其它小区使用相同的策略，所有小区的中心用户都复用P₀所代表的导频集合，相邻小区的边 缘用户使用不同的导频，其中0,8,10,12,14,16,18号小区使用P₁所代表的导频集合，2,4,6,7,11,15 号小区使用P₂所代表的导频集合，其它小区使用P₃所代表的导频集合。由于不同小区的中心 用户相距较远，所以给他们分配相同的一套导频并不会造成太大的干扰；而相邻小区的边缘用 户之间相距较近，因此给他们分配不同的导频可以有效的减少他们之间的干扰。

图4通过计算机仿真给出了系统划分门限和小区总容量之间的关系，根据用户数的不同 给出不同的最佳门限可以最大化系统的容量。

图5给出了在导频数为50，用户数为36时的不同策略下小区容量的累积分布函数曲线， 可以看出，采用部分导频复用技术能提升系统的整体性能。