基於大尺度信息的大規模MIMO系統動態導頻分配方法與流程

2023-10-19 00:56:12

本發明涉及大規模MIMO和無線通信技術領域，特別涉及一種基於大尺度信息的大規模MIMO系統動態導頻分配方法。

背景技術：

伴隨著無線通信技術的發展，無線業務所涉及的範圍不斷擴展，日益增長的數據業務需求給第五代移動通信系統(5G)帶來了巨大的挑戰，ITU(International Telecommunication Union，國際電信聯盟)預計到2020年，對傳輸速率、接入密度等性能指標的要求相比現有系統有數十倍至數百倍的提升。數據業務的持續增長使無線網絡的發展面臨瓶頸。作為下一代移動通信系統的關鍵技術之一，大規模MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多入多出)技術可以大大提高頻譜效率、同時同頻接入用戶數和能量效率。

大規模MIMO系統在基站側安裝數量眾多的天線(例如數百根)，在TDD(Time Division Duplexing，時分雙工)模式下利用MIMO、OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復用)等技術，同時同頻服務於多個用戶。信道估計時，利用時分信道互異性，可通過上行信道訓練獲得信道狀態信息，用於上行信號檢測和下行預編碼。為了保證信道估計的精度，需要為上行信道訓練分配正交導頻資源，此時導頻開銷與終端天線數目成正比，由於終端天線數目遠小於基站天線數目，因此相比下行信道訓練，可以大大降低導頻開銷。

在信道變化較快時，系統將無法提供足夠的傳輸資源供上行信道訓練，因此需要進一步控制導頻開銷。目前，一種降低導頻開銷的思路是讓不同小區數據傳輸和導頻訓練重用傳輸資源，即異步導頻訓練方式，可有效降低導頻開銷，但是數據和導頻信號之間相互幹擾，對系統性能會產生較大負面影響；另一種降低導頻開銷的思路是利用用戶信道協方差矩陣子空間特性差異來進行導頻重用，但是只考慮了定長方案的設計，靈活性較差，導頻資源利用率仍有待提高。

技術實現要素：

本發明旨在至少解決上述技術問題之一。

為此，本發明的目的在於提出一種基於大尺度信息的大規模MIMO系統動態導頻分配方法，該方法利用用戶到各基站的大尺度信息，動態地確定所需導頻序列的長度，在限制導頻訓練幹擾的同時大大降低了導頻開銷，可以顯著提高系統淨頻譜效率。

為了實現上述目的，本發明的實施例提出了一種基於大尺度信息的大規模MIMO系統動態導頻分配方法，包括以下步驟：S1：按照整數順序依次對每個小區內的用戶進行編號，獲取每個用戶到各基站的大尺度信息，其中，所述大尺度信息包括大尺度衰落值和信道協方差矩陣；S2：對於每個待分配導頻的用戶，依次讓所述用戶重用每個已分配過的導頻，並根據大尺度信息計算重用導頻時的幹擾強度，並判斷是否存在幹擾強度滿足幹擾閾值的導頻；S3：如果存在幹擾強度滿足幹擾閾值的導頻，則將平均幹擾強度最小的導頻分配給所述用戶，如果不存在滿足幹擾閾值的導頻，則新增一份正交導頻資源分配給所述用戶；S4：迭代執行所述S2至所述S3，直至所有用戶均完成導頻分配。

另外，根據本發明上述實施例的基於大尺度信息的大規模MIMO系統動態導頻分配方法還可以具有如下附加的技術特徵：

在一些示例中，在所述S1中，所述小區的數量為L個，則對於小區l(l＝1,2,…,L)服務的K個用戶編號屬於集合l＝{1,2,…,K}，其中L和K均是正整數。

在一些示例中，在所述S1中，通過預先信號收發及處理獲得每個用戶到各基站的大尺度信息，其中，小區l中的用戶m到小區j的基站的大尺度衰落值為βjlm，信道協方差矩陣為Rjlm。

在一些示例中，在所述S2中，按照小區和用戶編號依次對每個待分配導頻的用戶分配導頻，其中，對於第一個待分配導頻的用戶，直接分配一份導頻資源，並將導頻編號記為1。

在一些示例中，在所述S2中，對於小區l中的用戶m，如果此時已分配導頻編號集合為＝{1,2,…,P}，則需要依次檢測將這些導頻分配給所述用戶時的幹擾強度，其中P為正整數。

在一些示例中，利用各用戶的大尺度信息計算出用戶間的導頻幹擾度量，並通過所述導頻幹擾度量來衡量用戶間重用相同導頻時的導頻幹擾強度。

在一些示例中，還包括：計算每個待分配導頻的用戶與所有已分配導頻的用戶之間的導頻幹擾度量，以刻畫每個用戶重用導頻時的總幹擾強度。

在一些示例中，在所述S3中，進一步包括：設定重用導頻的用戶對間的幹擾閾值ε，當待分配用戶與已分配導頻用戶間導頻幹擾度量超過所述幹擾閾值ε時，則不會將對應導頻分配給待分配導頻的用戶，對於滿足幹擾閾值ε的導頻，則挑選平均幹擾度量最小的導頻分配給所述待分配導頻的用戶，如果不存在滿足幹擾閾值ε的導頻，則新增一份正交導頻資源，分配給所述待分配導頻的用戶，此時導頻集合更新為＝{1,2,…,P+1}。

在一些示例中，在所述S4中，進一步包括：依次完成對每個待分配導頻的用戶的導頻資源分配，將最終得到的導頻集合大小P作為所需要分配的導頻資源長度，其中，所述導頻集合對應於P個正交的導頻。

根據本發明實施例的基於大尺度信息的大規模MIMO系統動態導頻分配方法，引入了根據實際信道狀態動態確定所需正交導頻資源數的機制，在保證導頻訓練幹擾較小的情況下，儘可能多地讓不同用戶重用相同導頻資源，大大降低了導頻開銷，從而顯著提高導頻資源利用率，最終有效提升系統淨頻譜效率。

本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。

附圖說明

本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1是根據本發明一個實施例的基於大尺度信息的大規模MIMO系統動態導頻分配方法的流程圖；

圖2是根據本發明另一個實施例的基於大尺度信息的大規模MIMO系統動態導頻分配方法的整體流程圖；

圖3是根據本發明一個具體實施例的小區分布及基站布置情況示意圖；

圖4是根據本發明一個具體實施例的基於大尺度信息的大規模MIMO系統動態導頻分配方法與現有方法的平均導頻開銷比較示意圖；

圖5是根據本發明一個具體實施例的基於大尺度信息的大規模MIMO系統動態導頻分配方法與現有方法的系統淨頻譜效率比較示意圖。

具體實施方式

下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。

在本發明的描述中，需要理解的是，術語「中心」、「縱向」、「橫向」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「頂」、「底」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語「第一」、「第二」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

以下結合附圖描述根據本發明實施例的基於大尺度信息的大規模MIMO系統動態導頻分配方法。

圖1是根據本發明一個實施例的基於大尺度信息的大規模MIMO系統動態導頻分配方法的流程圖。圖2是根據本發明一個實施例的基於大尺度信息的大規模MIMO系統動態導頻分配方法的整體流程圖。如圖1所示，並結合圖2，該方法包括以下步驟：

步驟S1：初始化階段，將各小區用戶編號為自然編號。具體為：按照整數順序依次對每個小區內的用戶進行編號，獲取每個用戶到各基站的大尺度信息，其中，大尺度信息包括大尺度衰落值和信道協方差矩陣。

其中，在步驟S1中，例如，小區的數量為L個，則對於小區l(l＝1,2,…,L)服務的K個用戶編號屬於集合l＝{1,2,…,K}，其中L和K均是正整數。

進一步地，例如通過預先信號收發及處理獲得每個用戶到各基站的大尺度信息。其中，小區l中的用戶m到小區j的基站的大尺度衰落值記作βjlm，信道協方差矩陣記作Rjlm。

步驟S2：導頻分配階段。即對於每個待分配導頻的用戶，依次讓用戶重用每個已分配過的導頻，並根據大尺度信息計算重用導頻時的幹擾強度，並判斷是否存在幹擾強度滿足幹擾閾值的導頻。

其中，在步驟S2中，例如，按照小區和用戶編號依次對每個待分配導頻的用戶分配導頻，其中，對於第一個待分配導頻的用戶，直接分配一份導頻資源，並將導頻編號記為1。

進一步地，對於小區l中的用戶m，如果此時已分配導頻編號集合為＝{1,2,…,P}，則需要依次檢測將這些導頻分配給該用戶時的幹擾強度，其中P為正整數。

進一步地，例如，利用各用戶的大尺度信息計算出用戶間的導頻幹擾度量，並通過導頻幹擾度量來衡量用戶間重用相同導頻時的導頻幹擾強度，其中，小區l中的用戶m和小區j中的用戶k之間的導頻幹擾度量定義如下：

其中，計算出的導頻幹擾度量越小，則用戶m和用戶k之間重用相同導頻帶來的幹擾越弱。

具體地說，導頻幹擾度量的物理意義在於相比於目標用戶，幹擾用戶多餘的大尺度衰落可以降低幹擾信號的能量，帶來重用導頻的機會，此外目標用戶與幹擾用戶基站端信道協方差矩陣子空間的差異性，也可以降低重用導頻帶來的幹擾。

基於此，該方法還包括：計算每個待分配導頻的用戶與所有已分配導頻的用戶之間的導頻幹擾度量，以刻畫每個用戶重用導頻時的總幹擾強度。

步驟S3：如果存在幹擾強度滿足幹擾閾值的導頻，則將平均幹擾強度最小的導頻分配給用戶，如果不存在滿足幹擾閾值的導頻，則新增一份正交導頻資源分配給用戶。

其中，在S3中，進一步包括：設定重用導頻的用戶對間的幹擾閾值ε，當待分配用戶與已分配導頻用戶間導頻幹擾度量超過幹擾閾值ε時，則不會將對應導頻分配給待分配導頻的用戶，對於滿足幹擾閾值ε的導頻，則挑選平均幹擾度量最小的導頻分配給待分配導頻的用戶，如果不存在滿足幹擾閾值ε的導頻，則新增一份正交導頻資源，分配給待分配導頻的用戶，此時導頻集合更新為＝{1,2,…,P+1}。

步驟S4：迭代執行步驟S2至步驟S3，直至所有用戶均完成導頻分配。

具體地，在步驟S4中，進一步包括：依次完成對每個待分配導頻的用戶的導頻資源分配，將最終得到的導頻集合大小P作為所需要分配的導頻資源長度，其中，導頻集合對應於P個正交的導頻。

為了便於更好地理解本發明，以下結合附圖和具體的實施例來對本方面上述實施例的基於大尺度信息的大規模MIMO系統動態導頻分配方法做進一步具體描述。

在本實施例中，如圖3所示，仿真環境為一個7小區蜂窩系統，基站布置在所在小區的中心處，站間距為1km，考慮不同數目的基站天線數，每小區同時同頻服務於20個單天線用戶，用戶均勻分布在所在小區範圍內，信道相干塊長度為100，在同一個相干塊範圍內，信道保持不變。假設信道路徑損耗因子為3.7，陰影衰落對數正態分布方差為5dB，採用相關信道模型刻畫基站端信道小尺度特性，角度擴展範圍為5°，多徑在角度擴展範圍內均勻分布。每次隨機生成用戶位置並給定信道大尺度信息後，將調用一次導頻分配方法進行導頻分配，分配完成後需要多次生成小尺度信息，計算出平均淨頻譜效率。最終的平均導頻序列長度和淨頻譜效率需要多次生成用戶位置，將各次的導頻序列長度和淨頻譜效率求平均得到。

基於此，在本實施例中，該方法包括以下步驟：

步驟1：初始化階段。將各小區用戶編號為自然編號，即按照整數順序依次為每個小區內的用戶編號，獲取每個用戶到各基站的大尺度信息。其中，大尺度信息包括大尺度衰落值和信道協方差矩陣。

其中，步驟1進一步包括：

步驟1.1：對小區和用戶進行編號，共有7個小區，對於小區l(l＝1,2,…,7)來說，其服務的20個用戶編號屬於集合l＝{1,2,…,20}。

步驟1.2：通過預先信號收發及處理獲得每個用戶到各基站的大尺度衰落值為βjlm和信道協方差矩陣Rjlm(j,l＝1,2,…,7；m＝1,2,…,20)。

步驟2：導頻分配階段。對於每個待分配導頻的用戶，依次考慮讓其重用每個已分配過的導頻，根據大尺度信息計算重用導頻時的幹擾強度。

其中，步驟2進一步包括：

步驟2.1：對於第1個待分配用戶，直接分配一份導頻資源，導頻編號記為1，此時導頻編號集合為＝{1}。

步驟2.2：對於小區l中用戶m，假設此時已分配導頻編號集合為＝{1,2,…,P}，則需要依次檢測將這些導頻分配給該用戶時的幹擾強度。其中，利用各用戶的大尺度信息計算出用戶間的導頻幹擾度量，通過導頻幹擾度量來衡量用戶間重用相同導頻時的導頻幹擾強度，小區l中用戶m和小區j中用戶k之間的導頻幹擾度量定義如下：

其中，計算出的導頻幹擾度量越小，則兩個用戶之間重用相同導頻帶來的幹擾越弱。

進一步地，計算待分配用戶與所有已分配導頻用戶間導頻幹擾度量，以刻畫其重用導頻時的總幹擾強度。

步驟3：如果能找到滿足幹擾閾值的導頻，則將平均幹擾最小的導頻分配給該用戶，如果無滿足幹擾閾值的導頻，則新增一份正交導頻資源分配給該用戶。

其中，步驟3進一步包括：重用導頻用戶對間的幹擾閾值ε分別設置為0.01，0.1和0.3，當待分配用戶與已分配導頻用戶間導頻幹擾度量超過幹擾閾值ε時，則不會將對應導頻分配給待分配用戶，對於滿足幹擾閾值ε的導頻，則挑選平均幹擾度量最小的導頻分配給該用戶，若無滿足幹擾閾值ε的導頻，則新增一份正交導頻資源，分配給該用戶，此時導頻集合更新為＝{1,2,…,P+1}。

步驟4：重複執行步驟2至步驟3，直到所有用戶完成導頻分配，最終得到的導頻集合大小P即為所需要分配的導頻資源長度，它們將對應於P個正交的導頻。

仿真實驗對比了相鄰小區和小區內均採用正交導頻的方法(小區間導頻重用係數為3)，小區間完全重用導頻、小區內採用正交導頻的方法，小區間完全重用導頻、小區內採用正交導頻且進行調度儘量降低導頻幹擾的方法與本發明實施例的基於大尺度信息的大規模MIMO系統動態導頻分配方法，得到平均導頻開銷隨著基站天線數目的變化情況如圖4所示，系統淨頻譜效率隨著基站天線數目的變化情況如圖5所示。其中，在圖4中，縱坐標表示平均導頻序列長度，橫坐標表示基站天線數目，所提方法圖示分別表示不同幹擾閾值下的平均導頻開銷情況，對比方法1圖示表示相鄰小區和小區內均採用正交導頻的方法，此時小區間導頻重用係數為3，對比方法2圖示表示小區間完全重用導頻，小區內採用正交導頻的方法，對比方法3圖示表示小區間完全重用導頻，小區內採用正交導頻且進行調度儘量降低導頻幹擾的方法。在圖5中，縱坐標表示淨頻譜效率，橫坐標表示基站天線數目，所提方法圖示分別表示不同幹擾閾值下的平均導頻開銷情況，對比方法1圖示表示相鄰小區和小區內均採用正交導頻的方法，此時小區間導頻重用係數為3，對比方法2圖示表示小區間完全重用導頻，小區內採用正交導頻的方法，對比方法3圖示表示小區間完全重用導頻，小區內採用正交導頻且進行調度儘量降低導頻幹擾的方法。

從圖4和圖5中可以看出，本發明實施例所述利用基於大尺度信息的大規模MIMO系統動態導頻分配方法，與傳統定長式導頻分配方法不同，引入了根據實際信道狀態動態確定所需正交導頻資源數的機制，在保證導頻訓練幹擾較小的情況下，儘可能多地讓不同用戶重用相同導頻資源，在基站天線數較多時，導頻開銷降低超過百分之七十，系統淨頻譜效率提升接近百分之二十，大大提升了系統性能。

綜上，根據本發明實施例的基於大尺度信息的大規模MIMO系統動態導頻分配方法，引入了根據實際信道狀態動態確定所需正交導頻資源數的機制，在保證導頻訓練幹擾較小的情況下，儘可能多地讓不同用戶重用相同導頻資源，大大降低了導頻開銷，從而顯著提高導頻資源利用率，最終有效提升系統淨頻譜效率(定義為單位帶寬下的淨數據率，由數據傳輸資源百分比乘以頻譜效率得到)。

在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。

儘管已經示出和描述了本發明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解：在不脫離本發明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的範圍由權利要求及其等同限定。