一种兼顾Massive MIMO系统总体性能和用户间公平性的导频分配方法

摘要

本发明涉及一种兼顾Massive MIMO系统总体性能和用户间公平性的导频分配方法，以最大化系统速率乘积为优化目标，在解决本发明中的优化问题时，采用了基于贪婪策略的导频分配方法，该贪婪的导频分配方法具备较低的复杂度，更有利于实现。因此本发明提出的导频分配方法可以实现在最大化系统整体和速率的情况下兼顾用户间的公平性，从而实现系统总体性能和用户间公平性的有效折中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种兼顾Massive MIMO系统总体性能和用户间公平性的导频分配方法，属于通信系统技术领域。

背景技术

大规模天线技术(Massive MIMO技术)作为5G无线通信系统的关键技术之一，由于其具备提供更快、更强、更好的服务的能力，近年来受到越来越多研究者的关注。MassiveMIMO系统的性能会随着基站端天线数的增加而提升，但是这种性能的提升不是无限制的。TDD模式下，当基站端的天线数达到一定数目的时候，系统性能趋于饱和，此时导频污染成为限制系统性能的主要问题。导频污染问题的产生是由于共用相同导频的用户之间存在干扰，这种干扰不能通过简单地增加基站端的天线数来消除。研究表明，合理地分配导频可以有效地提升系统的性能。

在已有的导频分配方案中，大多数工作是通过设计导频分配策略来最大化系统的总体和速率,即max-sumrate有些则会关注系统中的最小用户速率的提升,即max-min。关注系统总体和速率提升的导频设计方案通常只注重系统总体性能的最优，会使得信道状态良好的用户拥有更高的速率，而信道状态比较差的用户拥有更低的速率，从而拉大了用户间的速率差距而忽略了用户间的公平性；而关注系统中最小用户速率提升的导频分配方案通常是致力于提升系统中信道状态最差的那些用户的速率，从而大大降低了系统的整体体能。目前为止，几乎没有一种导频分配方案在提升系统整体性能的同时实现用户间公平性的兼顾。

中国专利文献CN 105827273A公开了一种多小区大规模MIMO系统用户双天线导频干扰消除方法，将上行链路的导频污染和下行链路数据传输过程中的干扰通过考虑空间相关性和控制用户端的波束成型权值向量来减轻。同时将导频分配引入到前面所提的方法中来，提出了基于贪婪算法的导频分配策略，结合用户双天线装置，进一步的减轻了导频污染带来的影响，从而达到减轻信道估计误差，提升系统速率的目的。但是，该专利中优化目标是最大化系统和速率，关注的是系统整体性能的提升，这种最大化系统和速率的方法会严重损伤系统内用户间的公平性。该专利在用户端增加一根天线，可以利用空间复用增益有效提高上行信道估计的准确性，但是在用户端设备通常不适合放置多天线。

发明内容

针对Massive MIMO系统中的导频污染问题，本发明提出了一种兼顾Massive MIMO系统总体性能和用户间公平性的导频分配方法。

本发明通过构建关于导频分配的优化问题，提出了一种基于贪婪策略的导频分配方案，可以实现在最大化系统整体和速率并减弱导频污染的情况下，实现系统总体性能和用户间公平性的有效折中。

发明概述：

本发明中导频分配的基本原则是同一小区中用相互正交的导频，不同小区间复用导频。本发明考虑基站端天线数趋于无穷的场景，在该场景下，导频污染问题只与用户到基站端的大尺度衰落因子有关。

本发明的基本思想是每次迭代将每个小区中选出一个用户的所有可能性遍历一遍，选出使得用户组合中用户速率乘积最大的一个组合作为该次迭代的最优解，然后从系统中去除掉选出的用户，继续进行迭代直到所有的用户都被分配完导频为止。

本发明的技术方案为：

一种兼顾Massive MIMO系统总体性能和用户间公平性的导频分配方法，所述Massive MIMO系统包括L个等同的六边形小区，每个小区包括1个中心基站和K个用户，1个中心基站同时服务K个用户，所述Massive MIMO系统中可供分配的导频数为K个，具体步骤包括：

(1)根据用户到中心基站距离，求取Massive MIMO系统中各小区中的各个用户到各中心基站的大尺度衰落信息是指i小区中的用户k到j小区中的中心基站的大尺度衰落因子；

(2)对导频分配问题构建目标函数，目标函数为最大化Massive MIMO系统内所有用户速率的乘积；

(3)根据步骤(2)中构建的目标函数，每次从各个小区中选出一个用户，组成一个用户组合；

(4)从步骤(3)得到的多种用户组合中，选出使得步骤(2)的目标函数最大的用户组合作为一个导频组；

(5)将步骤(4)中的选出的用户组合从未分配导频的集合中去掉，返回步骤(3)，直到所有的用户组合都被分配导频。

根据本发明优选的，所述步骤(2)，具体步骤包括：

构建目标函数，目标函数如式(Ⅰ)所示：

式(Ⅰ)中，使用相同导频k的用户的集合为一个导频组，记作P_k，则Massive>1，P₂，…，P_K,每个导频组中有L个用户；

U_k(P_k)为导频组P_k的速率积，即导频组P_k内的所有用户的速率的乘积，

是指l小区中的用户k到l小区中的中心基站的大尺度衰落因子；是指l小区中的用户k到j小区中的中心基站的大尺度衰落因子。

为实现在减弱导频污染时兼顾系统总体性能和用户间的公平性，构建一个目标函数为最大化整个系统的速率乘积。该优化目标函数可以在最大化系统和速率的同时兼顾用户之间的公平性。

根据本发明优选的，所述步骤(3)，具体步骤包括：

A、设定Massive MIMO系统中所有参与导频分配的用户组成一个集合S；

B、获取k!种用户组合：每种用户组合包括L个用户且该L个用户均来自不同的小区，k为集合S中每个小区内剩余的用户数；

C、根据式(Ⅰ)计算k!种用户组合内的用户的速率的乘积。

根据本发明优选的，所述步骤(4)，具体步骤包括：

采用贪婪策略从步骤(3)得到的k!种用户组合中选择出使得用户组合内的用户速率的乘积最大的用户组合作为一个共用导频k的导频组P_k。

根据本发明优选的，所述步骤(5)，具体步骤包括：

将导频组P_k中的用户从集合S中去除，更新集合S中的用户，返回步骤(3)直到所有的用户分配完导频为止。

本发明的有益效果为：

本发明通过最大化系统的用户速率的乘积，实现了一种兼顾系统有效性和公平性的导频分配方案。与现有的导频分配方式相比，本发明考虑的导频分配方案既最大化了系统的整体性能又兼顾了用户间的公平性。同时在解决本发明中的优化问题时，采用了基于贪婪策略的导频分配方法，该贪婪的导频分配方法具备较低的复杂度，更有利于实现。

附图说明

图1是实施例Massive MIMO系统模型示意图；

图2是本发明一种兼顾Massive MIMO系统总体性能和用户间公平性的导频分配方法的流程框图；

图3是实施例关于公平性的仿真效果图；

图4是实施例关于系统总体性能的仿真效果图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。

实施例

一种兼顾Massive MIMO系统总体性能和用户间公平性的导频分配方法，如图2所示，所述Massive MIMO系统如图1所示，包括3个等同的六边形小区，每个小区包括1个中心基站和5个用户，1个中心基站同时服务5个用户，该系统模型图中简单描述了系统中小区用户及中心基站的配置情况。从模型图中可以看出由于共用相同的导频，在上行导频估计时基站会同时收到相互干扰的导频信息，这种相互干扰就会造成导频污染，具体步骤包括：

(1)根据用户到中心基站距离，求取Massive MIMO系统中各小区中的各个用户到各中心基站的大尺度衰落信息是指i小区中的用户k到j小区中的中心基站的大尺度衰落因子；

(2)对导频分配问题构建目标函数，目标函数为最大化Massive MIMO系统内所有用户速率的乘积；具体步骤包括：

构建目标函数，目标函数如式(Ⅰ)所示：

式(Ⅰ)中，使用相同导频k的用户的集合为一个导频组，记作P_k，则Massive>1，P₂，…，P_K,每个导频组中有L个用户；

U_k(P_k)为导频组P_k的速率积，即导频组P_k内的所有用户的速率的乘积，

是指l小区中的用户k到l小区中的中心基站的大尺度衰落因子；是指l小区中的用户k到j小区中的中心基站的大尺度衰落因子。

为实现在减弱导频污染时兼顾系统总体性能和用户间的公平性，构建一个目标函数为最大化整个系统的速率乘积。该优化目标函数可以在最大化系统和速率的同时兼顾用户之间的公平性。

(3)根据步骤(2)中构建的目标函数，每次从各个小区中选出一个用户，组成一个用户组合；具体步骤包括：

A、设定Massive MIMO系统中所有参与导频分配的用户组成一个集合S；

B、获取k！种用户组合：每种用户组合包括L个用户且该L个用户均来自不同的小区，k为集合S中每个小区内剩余的用户数；

C、根据式(Ⅰ)计算k!种用户组合内的用户的速率的乘积。

(4)从步骤(3)得到的多种用户组合中，选出使得步骤(2)的目标函数最大的用户组合作为一个导频组；采用贪婪策略从步骤(3)得到的k！种用户组合中选择出使得用户组合内的用户速率的乘积最大的用户组合作为一个共用导频k的导频组P_k。

(5)将步骤(4)中的选出的用户组合从未分配导频的集合中去掉，返回步骤(3)，直到所有的用户组合都被分配导频：将导频组P_k中的用户从集合S中去除，更新集合S中的用户，返回步骤(3)直到所有的用户分配完导频为止。

本实施例提出的兼顾系统整体性能和用户间的公平性的效果图如图3、图4所示。从图3、图4显示的结果来看，在进行导频分配的方案设计时，当优化目标是最大化系统的和速率时，系统具备较好的和速率但是系统中最大的用户速率和最小的用户速率间的差值很大，系统的公平性较差；当优化目标是最大化最小速率时，系统中最大的用户速率和最小的用户速率间的差值有效减小，但是系统的和速率被大大减小；当优化目标为最大化用户乘积时，系统不仅具备较好的整体性能同时有效性也得到兼顾。因此，本发明提出的导频分配方案可以有效兼顾系统的整体性能和用户间的公平性。