大规模mimo系统下多小区导频污染消除方法
【专利摘要】本发明公开了一种大规模MIMO系统下多小区导频污染消除方法。在现有的研究基础上，提出一种新的导频污染减轻方法，旨在减小算法的复杂度，通过抵消的方式来消除导频污染。该导频消去方案通过相应小区在其各自的阶段保持静默，在其他阶段重复发射导频信号来实现导频污染消除。本方法可以应用在室内环境和毫微微蜂窝小区环境中，具有将强的实用性。
【专利说明】
大规模MI MO系统下多小区导频污染消除方法
技术领域：
[0001] 本发明属于5G无线通信物理层技术领域，特别设及一种大规模MIMO系统下多小区 导频污染消除方法。
【背景技术】：
[0002] 随着移动互联网和云计算为代表的新型业务的飞速增长，智能终端的日益普及， 物联网业务的日渐增长，预计未来十年，移动数据业务将W前所未有的速度发展。大规模 MIMO作为未来5G移动通信的物理层关键技术，W其安全、能耗低、吞吐量大，效率高等巨大 的优势，受到世界研究人员的关注。大规模MIMO系统，通过增加基站天线数目至几百根甚至 上千根，来获得巨大的信道容量和频谱效率。同时，信道不相关噪声和快衰落的影响将会消 失，线性编码法时将会趋于最优。
[0003] 随着基站天线数目的持续增加，基站需要精确的获取当前的信道状态信息，来保 证信道的可靠性。在时分双工(TDD)模式下，可W通过信道互易性原理，来获取信道状态信 息。然而，运将会产生新的问题:导频污染。由于终端发送的导频信号空间维度有限，所W不 可避免的存在不同小区的用户终端采用相同导频同时发射，从而导致基站无法区分，继而 形成导频污染问题。
[0004] 公开于该【背景技术】部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应 当被视为承认或W任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技 术。
【发明内容】
：
[0005] 本发明的目的在于提供一种大规模MIMO系统下多小区导频污染消除方法，从而克 服上述现有技术中的缺陷。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供了
[0007] 大规模MIMO系统下多小区导频污染消除方法，其步骤为：
[000引（一)设定一个具有L个时间同步的蜂窝网络，其中，单个毫微微蜂窝的半径为R，且 该蜂窝基站天线的数目为M，用户终端数为K;第1个小区的第m根天线与第j个小区的第k个 用户之间的信道传播因子可W表示为扣Ik}为非负常数，化Wkm}归一化为单位 1，也就是
，那么，第1个小区的第m根天线所接收到的信号可W表示为：
[0009] (1)
[0010] 其中，Pr为用户导频信号功率，Ca为第j个小区的第k个用户发送的导频序列；CO Im 为独立同分布的均值为零、方差为O^的高斯白噪声；
[00"](二）令Yi = [yiiyi2...yiM] ,Wi = [ O 11 O 12... ? 1M]，Dw = diag{ [0jii0ji2...0jiK]}山化 =山化出.祉2。'11刪]，耻=化11血12。屯11(]，那么两个小区间的信道矩阵可^表示为：
W12] (2)
[001引 义表示为：
[0014] (3)
[0015] I、均方估计化S)，式(3)可W表示为：
[0016] (4)
[0017] 知，Gii为期望导频信号，i; G,,为来自其他蜂窝 尸、如 用户终端的导频信号，即为导频污染；
[0018] (S)消除导频污染：
[0019] A、将信道估计时间划分为L+1个；
[0020] B、第0阶段，命名为Phase 0,所有蜂窝的终端用户在该阶段的同一时间内向其相 关的基站发射导频信号，那么小区1基站接收到的信号可W表示为：
[0021]
(5)
[0022] C、第1阶段，命名为Phase 1，小区1内的用户保持静默，其余小区内的用户同时向 各自的小区发送导频信号，那么小区1基站接收到的信号可W表示为：
(6)
[0023]
[0024] D、剩余个阶段，分为：
[0025] dl、单小区保持静默：
[0026] 在剩余的心1个阶段，每一个阶段只有一个小区保持静默，其余小区同时向各自的 基站发送导频信号，那么小区1基站接收到的信号可W表示为：
[0027]
(7)
[0028] 在阶段，Y(I)不包含来自第1个蜂窝的干扰信号，计算所有Y(I)的和，贝U 有：
[0029] (g)
[0030]
[0031] 障为
[0032] (9)
[0034] W)
[0033] 由此得到
[00对 误差 (11)
[0036]
[0037] d2、两小区保持静默：
[0038] 两小区静默情况分为非对称两小区静默和对称两小区静默；
[0039] d2-l、两小区不对称静默，在剩下的个阶段，每一个阶段内，相邻的两个小区保 持静默，其余小区同时向各自的基站发送导频信号；
[0040] d2-2、两小区对称静默，对称情况分为相对小区和相隔小区。在剩下的个阶段， 每一个阶段内，两个小区保持静默，其余小区同时向各自的基站发送导频信号；
[0041] 两小区静默的系统估计化S)为
[0042] (12)
[0043]
[0044] (巧)
[0045]
[0046] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0047] 通过相隔对称小区在各自阶段保持静默，然后通过最小均方估计来实现导频污染 的消除。仿真结果表明本方法在复杂度、实际应用、系统性能方面取得了较好的效果。
【附图说明】：
[004引图1为导频污染示意图；
[0049] 图2为本发明上行训练各阶段示意图；
[0050] 图3为本发明不同小区静默情况示意图；
[0051 ]图4为本发明有无导频污染的信道估计误差仿真结果坐标图；
[0052] 图5为本发明不同情况下的系统和速率仿真结果坐标图；
[0053] 图6为本发明不同路径损耗因子下系统和速率仿真结果坐标图；
[0054] 图7为本发明不同情况下信噪比与信道估计误差仿真结果坐标图。
【具体实施方式】：
[0055] 下面对本发明的【具体实施方式】进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不 受【具体实施方式】的限制。
[0056] 除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语"包括"或其变 换如"包含"或"包括有"等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元 件或其它组成部分。
[0057] 如图1-2所示，一种大规模MIMO系统下多小区导频污染消除方法，其步骤为：
[0058] (一)设定一个具有L个时间同步的蜂窝网络，其中，单个毫微微蜂窝的半径为R，且 该蜂窝基站天线的数目为M，用户终端数为K;第1个小区的第m根天线与第j个小区的第k个 用户之间的信道传播因子可W表示为; I扣Ik}为非负常数，化Wkm}归一化为单位 1，也就^那么，第1个小区的第m根天线所接收到的信号可W表示为：
，
[0化9] Cl)
[0060]其中，Pr为用户导频信号功率，Cjk为第j个小区的第k个用户发送的导频序列；CO Im 为独立同分布的均值为零、方差为。^的高斯白噪声；
[006^1](二）令Yi = [yiiyi2...yiM] ,Wi = [ O 11 O 12... ? 1M]，Dw = diag{ [0jii0ji2...0jiK]}，hj化 二山lklhjlk2'''hjlkM] ,Hjl=山址jl2'''hjlK]，那么两个小区间的信道矩阵可W表示为：
[0062] (2)
[006引 义表示为：
[0064] (3)
[0065] I、均方估计化S)，式(3)可W表示为：
[0066] (4)
[0067] 知，Gii为期望导频信号，；t G,.,为来自其他蜂窝 片，户' 用户终端的导频信号，即为导频污染；
[0068] (S)消除导频污染：
[0069] A、将信道估计时间划分为L+1个；
[0070] B、第0阶段，命名为Phase 0,所有蜂窝的终端用户在该阶段的同一时间内向其相 关的基站发射导频信号，那么小区1基站接收到的信号可W表示为：
[0071]
巧)
[0072] C、第1阶段，命名为化ase 1，小区1内的用户保持静默，其余小区内的用户同时向 各自的小区发送导频信号，那么小区1基站接收到的信号可W表示为： (6)
[0073]
[0074] D、剩余个阶段，分为：
[00巧]dl、单小区保持静默：
[0076] 在剩余的心1个阶段，每一个阶段只有一个小区保持静默，其余小区同时向各自的 基站发送导频信号，那么小区1基站接收到的信号可W表示为：
[0077]
(7)
[0078] 在阶段，Y(I)不包含来自第1个蜂窝的干扰信号，计算所有Y(I)的和，贝U 有： 7.
[0079] (g)
[0080]
[0081] 采用最小二乘方化S)估计，其标准方程为
[0082] 、 (9)
[0083]
[0084] UW
[0085] 吴差 (11)
[0086]
[0087] U占、I"；),J一、J 日了吊八；
[0088] 如图3所示，两小区静默情况分为非对称两小区静默和对称两小区静默；
[0089] d2-l、两小区不对称静默，在剩下的个阶段，每一个阶段内，相邻的两个小区 保持静默，其余小区同时向各自的基站发送导频信号；
[0090] d2-2、两小区对称静默，对称情况分为相对小区和相隔小区。在剩下的个阶段， 每一个阶段内，两个小区保持静默，其余小区同时向各自的基站发送导频信号；
[0091] 兩/In反静献的累缔化if化引责 目 (12)
[0093]
[0094] 其估计误差为：
[00巧]
(13)。
[0096] 为了检验算法的系统性能，利用MA化AB R2014a对算法进行了仿真。大规模MIMO TDD系统的参数如下：
[0097] 小区数目为L = 7,单个小区用户数为K = 8,单用户导频发射功率为Pr = IO地，加性 噪声的方I
小区内路径损耗因子&1二1，区间路径损耗因子为帖二曰。
[0098] 如图4所示，对于不同区间路径损耗因子下的信道估计误差进行了模拟仿真。在有 导频污染存在的情况下，系统的信道估计误差随区间路径损耗因子的增加而不断增加;没 有导频污染存在时，系统只存在噪声，信道估计误差不随路径损耗因子的变化而改变。导频 污染的存在对于大规模MIMO TDD系统性能有较大的阻碍作用。
[0099] 如图5所示，对于区间路径损耗因子一定的条件，不同情况下的消去方案，在基站 天线数目不断增加的情况下，系统的和速率整体上是不断增加的。两个小区相隔对称情况 要好于其他小区静默方案。单个小区静默方案要好于其他两个小区同时静默方案，主要在 于单个小区静默使得更多的小区进行下行数据传输，使得系统和速率增加。
[0100] 如图6所示，对于基站天线数目一定的条件，当小区内的路径损耗因子不断增加 时，系统的和速率是不断降低的。当路径损耗因子低于0.2別寸，单个小区静默情况要好于两 个小区静默情况；当路径损耗因子大于0.2別寸，相隔对称小区静默情况要好于其他几种静 默情况。
[0101] 如图7所示，对于基站天线数目一定，区间和小区内路径损耗因子一定的条件，当 系统的信噪比不断增加时，信道估计误差逐渐变小。两个小区静默情况的信道估计误差要 好于单个小区静默情况的信道估计误差，其大约改善1.3地。
[0102] 前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。运些描述 并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可W进行很多改变 和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应 用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案W及 各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
【主权项】
1. 一种大规模ΜΙΜΟ系统下多小区导频污染消除方法，其特征在于:其步骤为： (一) 设定一个具有L个时间同步的蜂窝网络，其中，单个毫微微蜂窝的半径为R，且该蜂 窝基站天线的数目为Μ，用户终端数为Κ;第1个小区的第m根天线与第j个小区的第k个用户 之间的信道传播因子可W表示为为非负常数，化归一化为单位1，也 就是那么，第1个小区的第m根天线所接收到的信号可W表示为：(1) 其中，Pr为用户导频信号功率点k为第j个小区的第k个用户发送的导频序列；Wlm为独 立同分布的均值为零、方差为抒^的高斯白噪声； (二） 令Υι = [yuyi2...yiM]，Wi = [ ω 11 ω 12... ω 1M]，Dji = diag{ [0jii0ji2...0jiK]}，hwk = 山ikihjik2…hjikM]，Hji=山iihji2…hjiK]，那么两个小区间的信道矩阵可W表不为：其中；由式(4)可知，Gii为期望导频信?为来自其他蜂窝用户 终端的导频信号，即为导频污染； (Ξ)消除导频污染： Α、将信道估计时间划分为L+1个； Β、第0阶段，命名为化ase 0,所有蜂窝的终端用户在该阶段的同一时间内向其相关的 基站发射导频信号，那么小区1基站接收到的信号可W表示为：C5) C、 第1阶段，命名为Phase 1，小区1内的用户保持静默，其余小区内的用户同时向各自 的小区发送导频信号，那么小区1基站接收到的信号可W表示为：(6) D、 剩余个阶段，分为： dl、单小区保持静默： 在剩余的心1个阶段，每一个阶段只有一个小区保持静默，其余小区同时向各自的基站 发送导频信号，那么小区1基站接收到的信号可W表示为：(7) 在2《1《L阶段，YQ)不包含来自第1个蜂窝的干扰信号，计算所有Υ(1)的和，则有：(：8：> 其中，嫁=+ (￡ -1 )-，W，A =王乂 ; 采用最小二乘方化S)估计，其标准方程为d2、两小区保持静默： 两小区静默情况分为非对称两小区静默和对称两小区静默； d2-l、两小区不对称静默，在剩下的个阶段，每一个阶段内，相邻的两个小区保持静 默，其余小区同时向各自的基站发送导频信号； d2-2、两小区对称静默，对称情况分为相对小区和相隔小区。在剩下的个阶段，每一 个阶段内，两个小区保持静默，其余小区同时向各自的基站发送导频信号； 两小区静默的系统估计化S)为其中，W = LW + (Z-2);W，A 二五A ; 其估计误差为：
【文档编号】H04L25/03GK105978836SQ201610302112
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月6日
【发明人】赵军辉, 倪善金, 王传云
【申请人】华东交通大学