基于大尺度信息的大规模MIMO系统动态导频分配方法与流程

本发明涉及大规模MIMO和无线通信技术领域，特别涉及一种基于大尺度信息的大规模MIMO系统动态导频分配方法。

背景技术：

伴随着无线通信技术的发展，无线业务所涉及的范围不断扩展，日益增长的数据业务需求给第五代移动通信系统(5G)带来了巨大的挑战，ITU(International Telecommunication Union，国际电信联盟)预计到2020年，对传输速率、接入密度等性能指标的要求相比现有系统有数十倍至数百倍的提升。数据业务的持续增长使无线网络的发展面临瓶颈。作为下一代移动通信系统的关键技术之一，大规模MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多入多出)技术可以大大提高频谱效率、同时同频接入用户数和能量效率。

大规模MIMO系统在基站侧安装数量众多的天线(例如数百根)，在TDD(Time Division Duplexing，时分双工)模式下利用MIMO、OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)等技术，同时同频服务于多个用户。信道估计时，利用时分信道互异性，可通过上行信道训练获得信道状态信息，用于上行信号检测和下行预编码。为了保证信道估计的精度，需要为上行信道训练分配正交导频资源，此时导频开销与终端天线数目成正比，由于终端天线数目远小于基站天线数目，因此相比下行信道训练，可以大大降低导频开销。

在信道变化较快时，系统将无法提供足够的传输资源供上行信道训练，因此需要进一步控制导频开销。目前，一种降低导频开销的思路是让不同小区数据传输和导频训练重用传输资源，即异步导频训练方式，可有效降低导频开销，但是数据和导频信号之间相互干扰，对系统性能会产生较大负面影响；另一种降低导频开销的思路是利用用户信道协方差矩阵子空间特性差异来进行导频重用，但是只考虑了定长方案的设计，灵活性较差，导频资源利用率仍有待提高。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种基于大尺度信息的大规模MIMO系统动态导频分配方法，该方法利用用户到各基站的大尺度信息，动态地确定所需导频序列的长度，在限制导频训练干扰的同时大大降低了导频开销，可以显著提高系统净频谱效率。

为了实现上述目的，本发明的实施例提出了一种基于大尺度信息的大规模MIMO系统动态导频分配方法，包括以下步骤：S1：按照整数顺序依次对每个小区内的用户进行编号，获取每个用户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协方差矩阵；S2：对于每个待分配导频的用户，依次让所述用户重用每个已分配过的导频，并根据大尺度信息计算重用导频时的干扰强度，并判断是否存在干扰强度满足干扰阈值的导频；S3：如果存在干扰强度满足干扰阈值的导频，则将平均干扰强度最小的导频分配给所述用户，如果不存在满足干扰阈值的导频，则新增一份正交导频资源分配给所述用户；S4：迭代执行所述S2至所述S3，直至所有用户均完成导频分配。

另外，根据本发明上述实施例的基于大尺度信息的大规模MIMO系统动态导频分配方法还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，在所述S1中，所述小区的数量为L个，则对于小区l(l＝1,2,…,L)服务的K个用户编号属于集合_l＝{1,2,…,K}，其中L和K均是正整数。

在一些示例中，在所述S1中，通过预先信号收发及处理获得每个用户到各基站的大尺度信息，其中，小区l中的用户m到小区j的基站的大尺度衰落值为β_jlm，信道协方差矩阵为R_jlm。

在一些示例中，在所述S2中，按照小区和用户编号依次对每个待分配导频的用户分配导频，其中，对于第一个待分配导频的用户，直接分配一份导频资源，并将导频编号记为1。

在一些示例中，在所述S2中，对于小区l中的用户m，如果此时已分配导频编号集合为＝{1,2,…,P}，则需要依次检测将这些导频分配给所述用户时的干扰强度，其中P为正整数。

在一些示例中，利用各用户的大尺度信息计算出用户间的导频干扰度量，并通过所述导频干扰度量来衡量用户间重用相同导频时的导频干扰强度。

在一些示例中，还包括：计算每个待分配导频的用户与所有已分配导频的用户之间的导频干扰度量，以刻画每个用户重用导频时的总干扰强度。

在一些示例中，在所述S3中，进一步包括：设定重用导频的用户对间的干扰阈值ε，当待分配用户与已分配导频用户间导频干扰度量超过所述干扰阈值ε时，则不会将对应导频分配给待分配导频的用户，对于满足干扰阈值ε的导频，则挑选平均干扰度量最小的导频分配给所述待分配导频的用户，如果不存在满足干扰阈值ε的导频，则新增一份正交导频资源，分配给所述待分配导频的用户，此时导频集合更新为＝{1,2,…,P+1}。

在一些示例中，在所述S4中，进一步包括：依次完成对每个待分配导频的用户的导频资源分配，将最终得到的导频集合大小P作为所需要分配的导频资源长度，其中，所述导频集合对应于P个正交的导频。

根据本发明实施例的基于大尺度信息的大规模MIMO系统动态导频分配方法，引入了根据实际信道状态动态确定所需正交导频资源数的机制，在保证导频训练干扰较小的情况下，尽可能多地让不同用户重用相同导频资源，大大降低了导频开销，从而显著提高导频资源利用率，最终有效提升系统净频谱效率。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的基于大尺度信息的大规模MIMO系统动态导频分配方法的流程图；

图2是根据本发明另一个实施例的基于大尺度信息的大规模MIMO系统动态导频分配方法的整体流程图；

图3是根据本发明一个具体实施例的小区分布及基站布置情况示意图；

图4是根据本发明一个具体实施例的基于大尺度信息的大规模MIMO系统动态导频分配方法与现有方法的平均导频开销比较示意图；

图5是根据本发明一个具体实施例的基于大尺度信息的大规模MIMO系统动态导频分配方法与现有方法的系统净频谱效率比较示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图描述根据本发明实施例的基于大尺度信息的大规模MIMO系统动态导频分配方法。

图1是根据本发明一个实施例的基于大尺度信息的大规模MIMO系统动态导频分配方法的流程图。图2是根据本发明一个实施例的基于大尺度信息的大规模MIMO系统动态导频分配方法的整体流程图。如图1所示，并结合图2，该方法包括以下步骤：

步骤S1：初始化阶段，将各小区用户编号为自然编号。具体为：按照整数顺序依次对每个小区内的用户进行编号，获取每个用户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协方差矩阵。

其中，在步骤S1中，例如，小区的数量为L个，则对于小区l(l＝1,2,…,L)服务的K个用户编号属于集合_l＝{1,2,…,K}，其中L和K均是正整数。

进一步地，例如通过预先信号收发及处理获得每个用户到各基站的大尺度信息。其中，小区l中的用户m到小区j的基站的大尺度衰落值记作β_jlm，信道协方差矩阵记作R_jlm。

步骤S2：导频分配阶段。即对于每个待分配导频的用户，依次让用户重用每个已分配过的导频，并根据大尺度信息计算重用导频时的干扰强度，并判断是否存在干扰强度满足干扰阈值的导频。

其中，在步骤S2中，例如，按照小区和用户编号依次对每个待分配导频的用户分配导频，其中，对于第一个待分配导频的用户，直接分配一份导频资源，并将导频编号记为1。

进一步地，对于小区l中的用户m，如果此时已分配导频编号集合为＝{1,2,…,P}，则需要依次检测将这些导频分配给该用户时的干扰强度，其中P为正整数。

进一步地，例如，利用各用户的大尺度信息计算出用户间的导频干扰度量，并通过导频干扰度量来衡量用户间重用相同导频时的导频干扰强度，其中，小区l中的用户m和小区j中的用户k之间的导频干扰度量定义如下：

$I_{jklm}=\frac{{\mathrm{\β}}_{jlm}}{{\mathrm{\β}}_{jjk}}\frac{tr\left\{R_{jjk}^H{R}_{jlm}\right\}}{\left|\right|R_{jjk}\left|{|}_F\right|\left|R_{jlm}\right|{|}_F}+\frac{{\mathrm{\β}}_{ljk}}{{\mathrm{\β}}_{llm}}\frac{tr\left\{R_{ljk}^H{R}_{llm}\right\}}{\left|\right|R_{ljk}\left|{|}_F\right|\left|R_{llm}\right|{|}_F},$

其中，计算出的导频干扰度量越小，则用户m和用户k之间重用相同导频带来的干扰越弱。

具体地说，导频干扰度量的物理意义在于相比于目标用户，干扰用户多余的大尺度衰落可以降低干扰信号的能量，带来重用导频的机会，此外目标用户与干扰用户基站端信道协方差矩阵子空间的差异性，也可以降低重用导频带来的干扰。

基于此，该方法还包括：计算每个待分配导频的用户与所有已分配导频的用户之间的导频干扰度量，以刻画每个用户重用导频时的总干扰强度。

步骤S3：如果存在干扰强度满足干扰阈值的导频，则将平均干扰强度最小的导频分配给用户，如果不存在满足干扰阈值的导频，则新增一份正交导频资源分配给用户。

其中，在S3中，进一步包括：设定重用导频的用户对间的干扰阈值ε，当待分配用户与已分配导频用户间导频干扰度量超过干扰阈值ε时，则不会将对应导频分配给待分配导频的用户，对于满足干扰阈值ε的导频，则挑选平均干扰度量最小的导频分配给待分配导频的用户，如果不存在满足干扰阈值ε的导频，则新增一份正交导频资源，分配给待分配导频的用户，此时导频集合更新为＝{1,2,…,P+1}。

步骤S4：迭代执行步骤S2至步骤S3，直至所有用户均完成导频分配。

具体地，在步骤S4中，进一步包括：依次完成对每个待分配导频的用户的导频资源分配，将最终得到的导频集合大小P作为所需要分配的导频资源长度，其中，导频集合对应于P个正交的导频。

为了便于更好地理解本发明，以下结合附图和具体的实施例来对本方面上述实施例的基于大尺度信息的大规模MIMO系统动态导频分配方法做进一步具体描述。

在本实施例中，如图3所示，仿真环境为一个7小区蜂窝系统，基站布置在所在小区的中心处，站间距为1km，考虑不同数目的基站天线数，每小区同时同频服务于20个单天线用户，用户均匀分布在所在小区范围内，信道相干块长度为100，在同一个相干块范围内，信道保持不变。假设信道路径损耗因子为3.7，阴影衰落对数正态分布方差为5dB，采用相关信道模型刻画基站端信道小尺度特性，角度扩展范围为5°，多径在角度扩展范围内均匀分布。每次随机生成用户位置并给定信道大尺度信息后，将调用一次导频分配方法进行导频分配，分配完成后需要多次生成小尺度信息，计算出平均净频谱效率。最终的平均导频序列长度和净频谱效率需要多次生成用户位置，将各次的导频序列长度和净频谱效率求平均得到。

基于此，在本实施例中，该方法包括以下步骤：

步骤1：初始化阶段。将各小区用户编号为自然编号，即按照整数顺序依次为每个小区内的用户编号，获取每个用户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协方差矩阵。

其中，步骤1进一步包括：

步骤1.1：对小区和用户进行编号，共有7个小区，对于小区l(l＝1,2,…,7)来说，其服务的20个用户编号属于集合_l＝{1,2,…,20}。

步骤1.2：通过预先信号收发及处理获得每个用户到各基站的大尺度衰落值为β_jlm和信道协方差矩阵R_jlm(j,l＝1,2,…,7；m＝1,2,…,20)。

步骤2：导频分配阶段。对于每个待分配导频的用户，依次考虑让其重用每个已分配过的导频，根据大尺度信息计算重用导频时的干扰强度。

其中，步骤2进一步包括：

步骤2.1：对于第1个待分配用户，直接分配一份导频资源，导频编号记为1，此时导频编号集合为＝{1}。

步骤2.2：对于小区l中用户m，假设此时已分配导频编号集合为＝{1,2,…,P}，则需要依次检测将这些导频分配给该用户时的干扰强度。其中，利用各用户的大尺度信息计算出用户间的导频干扰度量，通过导频干扰度量来衡量用户间重用相同导频时的导频干扰强度，小区l中用户m和小区j中用户k之间的导频干扰度量定义如下：

$I_{jklm}=\frac{{\mathrm{\β}}_{jlm}}{{\mathrm{\β}}_{jjk}}\frac{tr\left\{R_{jjk}^H{R}_{jlm}\right\}}{\left|\right|R_{jjk}\left|{|}_F\right|\left|R_{jlm}\right|{|}_F}+\frac{{\mathrm{\β}}_{ljk}}{{\mathrm{\β}}_{llm}}\frac{tr\left\{R_{ljk}^H{R}_{llm}\right\}}{\left|\right|R_{ljk}\left|{|}_F\right|\left|R_{llm}\right|{|}_F},$

其中，计算出的导频干扰度量越小，则两个用户之间重用相同导频带来的干扰越弱。

进一步地，计算待分配用户与所有已分配导频用户间导频干扰度量，以刻画其重用导频时的总干扰强度。

步骤3：如果能找到满足干扰阈值的导频，则将平均干扰最小的导频分配给该用户，如果无满足干扰阈值的导频，则新增一份正交导频资源分配给该用户。

其中，步骤3进一步包括：重用导频用户对间的干扰阈值ε分别设置为0.01，0.1和0.3，当待分配用户与已分配导频用户间导频干扰度量超过干扰阈值ε时，则不会将对应导频分配给待分配用户，对于满足干扰阈值ε的导频，则挑选平均干扰度量最小的导频分配给该用户，若无满足干扰阈值ε的导频，则新增一份正交导频资源，分配给该用户，此时导频集合更新为＝{1,2,…,P+1}。

步骤4：重复执行步骤2至步骤3，直到所有用户完成导频分配，最终得到的导频集合大小P即为所需要分配的导频资源长度，它们将对应于P个正交的导频。

仿真实验对比了相邻小区和小区内均采用正交导频的方法(小区间导频重用系数为3)，小区间完全重用导频、小区内采用正交导频的方法，小区间完全重用导频、小区内采用正交导频且进行调度尽量降低导频干扰的方法与本发明实施例的基于大尺度信息的大规模MIMO系统动态导频分配方法，得到平均导频开销随着基站天线数目的变化情况如图4所示，系统净频谱效率随着基站天线数目的变化情况如图5所示。其中，在图4中，纵坐标表示平均导频序列长度，横坐标表示基站天线数目，所提方法图示分别表示不同干扰阈值下的平均导频开销情况，对比方法1图示表示相邻小区和小区内均采用正交导频的方法，此时小区间导频重用系数为3，对比方法2图示表示小区间完全重用导频，小区内采用正交导频的方法，对比方法3图示表示小区间完全重用导频，小区内采用正交导频且进行调度尽量降低导频干扰的方法。在图5中，纵坐标表示净频谱效率，横坐标表示基站天线数目，所提方法图示分别表示不同干扰阈值下的平均导频开销情况，对比方法1图示表示相邻小区和小区内均采用正交导频的方法，此时小区间导频重用系数为3，对比方法2图示表示小区间完全重用导频，小区内采用正交导频的方法，对比方法3图示表示小区间完全重用导频，小区内采用正交导频且进行调度尽量降低导频干扰的方法。

从图4和图5中可以看出，本发明实施例所述利用基于大尺度信息的大规模MIMO系统动态导频分配方法，与传统定长式导频分配方法不同，引入了根据实际信道状态动态确定所需正交导频资源数的机制，在保证导频训练干扰较小的情况下，尽可能多地让不同用户重用相同导频资源，在基站天线数较多时，导频开销降低超过百分之七十，系统净频谱效率提升接近百分之二十，大大提升了系统性能。

综上，根据本发明实施例的基于大尺度信息的大规模MIMO系统动态导频分配方法，引入了根据实际信道状态动态确定所需正交导频资源数的机制，在保证导频训练干扰较小的情况下，尽可能多地让不同用户重用相同导频资源，大大降低了导频开销，从而显著提高导频资源利用率，最终有效提升系统净频谱效率(定义为单位带宽下的净数据率，由数据传输资源百分比乘以频谱效率得到)。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。