一种巨连接下的导频分配和信道估计方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，涉及导频分配和信道估计方法，更为具体的说，是涉及一种巨连接下的导频分配、信道估计方法。

背景技术：

在大规模多输入多输出无线通信系统中，基站配置大量的天线(几百根)，用户端配置较少的天线(几根或1根)。大规模多输入多输出技术是未来移动通信中的关键技术之一。与传统的多输入多输出无线通信相比，大规模多输入多输出无线通信系统有着显著的优点：1.具有更大的信道容量，从而支持高速数据传输；2.具有较窄的波束，可以通过波束赋形来实现多用户之间的无干扰传输；3.有效的抗衰落性能，大规模天线可以使得信道出现硬化，从而减小快衰落带来的影响。为了实现上述优点，大规模多输入多输出系统中的基站往往需要知道下行的信道状态信息。在时分双工系统中，基站在上行传输过程中进行信道估计。基于上下行信道的互易性，基站利用上行估计得到的信道进行下行的预编码处理，从而可以获得大规模多输入多输出技术的优点。在时分双工系统中，上、下行信道在同一相干时间内才具有互易性；而相干实现受到信道变化的限制，往往有限，所以分配给上行导频传输的时间也就有限。如果为每个用户分配一个特定的、相互正交的导频，在固定的导频时间内，基站所能服务的用户数量将有限。

巨连接是未来移动通信的典型应用场景之一。在巨连接场景下，基站将为大规模的用户提供服务，此时在相干时间内将很难为每个用户分配特定的、相互正交的导频。目前，尚缺乏针对巨连接移动通信场景下有效的导频分配和信道估计方法。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明根据巨连接无线通信场景下用户数据业务的特点，提出一种高效的导频分配方法，从而实现有效的信道估计，提高系统的传输速率。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种巨连接下的导频分配和信道估计方法，包括如下步骤：

基站对用户进行分组；

根据预先设定的规则，基站为不同的用户组分配导频序列，并将分组信息，以及导频序列模式，导频发射的时隙告知用户；

用户发射上行数据、以及在相应的时隙内发射导频序列；

基站根据导频信息对各个用户的信道进行估计。

进一步的，所述基站根据导频信息对各个用户的信道进行估计的步骤具体包括：

基站进行角度估计；进行导频模式判断，并确定活跃用户；

基站确定估计的到达角与用户的对应关系，确定直达径分量；

基站对用户发射的上行数据进行检测；

基站估计用户信道的非直达径分量，更新信道估计结果。

进一步的，还包括以下步骤：

基站基于更新的信道估计结果，对上行数据进行检测；

基站利用上行信道估计的结果进行下行预编码传输。

进一步的，所述分组方式包括以下两种：根据用户的到达角信息进行分组，将到达角信息相近的用户分为一组；根据用户的物理位置进行分组，将物理位置相近的用户分为一组。

进一步的，相同组的用户使用相同的导频序列或使用不同的导频序列。

进一步的，组内用户采用交错时隙发射导频，从而减小导频之间的干扰。当采用交错时隙发射导频时，每组的用户数量受到相干时间的限制。

进一步的，用户根据自己的状态确定是否发射数据。

进一步的，基站确定估计的到达角与用户的对应关系，确定直达径分量的步骤具体包括：

基站对用户的到达角进行估计，根据估计得到达角生成相应的导向矢量；将每个相干时隙内的信道估计投影到导向矢量上，根据投影系数和预先设定的导频序列模式，判断估计的到达角与用户的对应关系；根据到达角与用户的对应关系，以及相应的投影系数，构造信道状态信息，得到信道直达径分量的估计。

进一步的，所述巨连接下的导频分配和信道估计方法适用于莱斯信道。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果:

本发明方法利用用户的空间特性，对用户进行分组，并且同组用户在时间上交错发射导频序列，能够有效减小巨连接场景下的用户间的导频干扰，提高信道估计的可靠性，从而提高系统的传输速率。本发明提出的导频分配和信道估计方法特别适用于有直达径分量的莱斯信道。

附图说明

图1为本发明方法的用户导频分配示意图，其中基站根据预先设定的规则为不同的用户组分配导频；组内用户使用相同的导频序列，但是时间上是交错的。

图2示出本发明实施例的无线通信系统中的信令交互过程的流程图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

本发明提供了一种巨连接无线通信场景下的导频分配和信道估计方法。其中基站根据用户不同的特性，对用户进行分组。根据预先设定的规则，基站为不同的用户组分配导频序列；相同组的用户可以使用相同的导频序列，也可使用不同的导频序列。上行传输过程中，用户发送导频和上行数据，基站根据导频信息对各个用户的信道进行估计。

在实施例中，我们考虑单小区场景，其中基站配置有m根天线(m远大于1)，基站为k个单天线用户提供服务(k>m)。在无线通信系统中，相干时间是有限的。因此，用于上行信道估计的导频序列长度固定，并且小于相干时间。在实施例中，假设上行导频序列的长度为l，有l个候选导频序列(μ1,μ1,...,μl)，对于任意的两个导频序列μk和μq(其中，k,q∈{1,2,...,l})，它们之间满足以下关系：

在巨连接无线通信场景中，导频序列的长度l远小于用户的数量k。因此，不可能为k个用户分配相互正交的导频序列。

巨连接无线通信中，用户不是一直接入基站，而是偶发性的接入基站。因此，采用预先设定的随机导频分配方法，为每组用户在不同的相干时间内分配不同的导频序列。如图1所示，基站根据用户不同的特性把用户进行分组。基站可以根据用户的到达角信息进行分组，将到达角信息相近的用户分为一组；也可根据用户的物理位置进行分组，将物理位置相近的用户分为一组。每组用户使用相同的导频序列，但是在时间上交错发射。如图1所描述的，一个传输帧由多个相干时隙组成，每个相干时隙内假设信道状态信息保持不变。每个相干时隙划分为多个子时隙，子时隙的长度等于导频序列的长度。

特别的，假设每组支持z个用户交错发射导频序列，总共有l组用户。如果zl大于总的用户数量k，那么可以为每个用户分配一个特定的导频序列。

在本实施例中，我们考虑具有一般性的莱斯信道模型。在第t个相干时隙内，从第i组的第j个用户(即用户(i,j))到基站的信道可以表示为：

其中，g(i,j)表示从第i组的第j个用户到基站的大尺度衰落系数；表示定义；为直达径分量；为非直达径分量；κ(i,j)表示从第i组的第j个用户到基站的信道的莱斯因子；与非直达径分量相关，它的每个元素为均值为零，方差为1的复高斯随机变量；与直达径分量相关。当基站配置的是均匀线阵天线时，可以表示为：

其中α(.)表示归一化的导向矢量，θ(i,j)为从第i组的第j个用户到基站的信道直达径的到达角，λ为载波的波长，d为基站相邻天线之间的距离。大尺度衰落系数和直达径对应的到达角是慢变参数。在一个传输帧时间内，假设大尺度衰落系数和直达径对应的到达角保持不变。因此g(i,j)和省略了参数t。

在第t个相干时隙的第j个子时隙上，下标为j的用户发射导频信号，其他下标的用户发射数据信号，基站接收到的信号可以表示为：

其中，为第i个组的第j个用户使用的导频序列；(·)^t表示转置；为第i组的第z个用户在第t个相干时隙的第j个子时隙上发射的信号向量，假设的每个元素为均值为0，方差为1的随机变量；为噪声矩阵，并且的每一列为复高斯随机变量，均值为0，协方差矩阵为pu,(i,j)为导频的平均发射功率；pd,(i,z)为发射数据时的平均发射功率；g为总的用户组数。

在莱斯信道条件下，每个用户与基站之间的信道存在直达径分量。因此，基站可以在一个发射帧时间内进行角度估计，从而可以获得所有活跃用户的到达角信息。此时可以采用经典的角度估计方法，例如多信号分类估计和信号参数旋转不变估计方法。在一个帧传输时间内，假设有k0个用户与基站之间进行通信。那么基站估计得到的k0个到达角分别为与到达角相对应的导向矢量表示为

所有活跃用户在帧传输时间内均发射信号，所以基站不知道估计的到达角与用户的对应关系。到达角是慢变参数，在一帧传输时间内，假设到达角信息不变。因此，我们将根据导频的模式来确定估计的到达角与用户的对应关系。

在本实施例中，每个用户被指定一个伪随机导频传输模式和一个特定的子时隙发射导频。注意，同一组的用户分配相同的导频序列模式，但是不同的子时隙。基站事先知道每个用户的导频序列模式和发射导频的子时隙。因此，基站可以通过检测导频模式来确定用户的下标。对于下标为j的用户，基站将在相干时隙的第j个子时隙进行导频序列匹配。在第t个相干时隙的第j个子时隙上，第l个导频序列(l＝1,2,…,l)的匹配结果为：

其中，δ([i,j]-l)为狄拉克δ函数。当导频序列的长度较大时(例如大于50)，干扰项和噪声分量的影响会较小。定义其中||·||2表示2范数。根据预先设定的门限，基站确定在每个导频时隙内用户发射的导频序列；然后，基站根据判断的导频序列与预先设定的导频模式确定活跃的用户。

例如，第一组的第j个用户在一帧内的导频模式为：μ1，μ2，…，μ4，即在第一个相干时隙的第j个子时隙内发射的导频序列是μ1，即在第二个相干时隙的第j个子时隙内发射的导频序列是μ2，…，即在最后一个相干时隙的第j个子时隙内发射的导频序列是μ4；第四组的第j个用户在一帧内的导频模式为：μ3，μ1，…，μ4；第八组的第j个用户在一帧内的导频模式为：μ5，μ2，…，μ1。因此，基站根据超过门限的情况可以确定活跃的用户。

对于下标为j的用户：在第一个相干时隙的第j个子时隙，和大于门限；在第二个相干时隙的第j个子时隙，和大于门限；直到最后一个相干时隙的第j个子时隙(第u个相干时隙，在一帧时间内有u个相干时隙)，和超过门限。

基站根据超过门限的情况可以判断是第一组的第j个用户，第四组的第j个用户，第八组的第j个用户。基站使用相同的方法在其他子时隙上确定其他下标索引的活跃用户。

相应的，根据导频模式，包含第一组的第j个用户的信道信息。将投影到与估计的到达角相对应的导向矢量上(k＝1,…,k0)得到相应的系数为：

定义与相对应的u个时隙内的平均投影系数为：

那么，第一组的第j个用户直达径分量对应的到达角可以根据以下准则确定为：

其中

相应的直达径分量的估计可以表示为：

基站利用估计的直达径分量对数据进行检测。例如对于下标为j的用户，在第j+1个子时隙上发射的是数据信息。在传输的过程中假设pu,(i,j)＝pd,(i,z)＝pt。基站估计的第一组的第j个用户在第t个相干时隙的第j+1个子时隙内发射的数据信号可以表示为：

当基站配置大规模天线时，干扰项将趋于零。从而基站可以估计出第一组的第j个用户在各个子时隙内发射的信息数据，表示为：

利用估计得到的数据，基站再去估计非直达径分量，最后对信道估计进行更新。定义：

当m趋向于无穷时，的估计就会变得准确，到达角估计也会变得准确，所以上式中的最后一个等式成立。相应的，在第t个相干时隙内，基站可以估计得到第一组的第j个用户的非直达径分量为：

因此，更新的第一组的第j个用户的信道估计结果可以表示为：

其他活跃的用户可以使用相同的方法进行信道估计。

为了更好地理解上述过程，下面将参照图2描述基站侧与用户设备侧的信令交互流程。

图2为根据本发明的实施例的无线通信系统中的信令交互过程的流程图。

如图2所示，首先，在步骤s1中，用户向基站上报自己的物理位置信息。然后，在步骤s2中，基站根据用户的物理位置信息对用户进行分组。然后，在步骤s3中，基站将分组信息，以及导频序列模式，导频发射的时隙告知用户。接下来，在步骤s4中，用户根据自己的状态确定是否发射数据。在步骤s5中，用户发射上行数据、以及在相应的时隙内发射导频序列。在步骤s6中，基站进行角度估计；进行导频模式判断，并确定活跃用户。在步骤s7中，基站确定估计的到达角与用户的对应关系，确定直达径分量。在步骤s8中，基站对用户发射的上行数据进行检测。步骤s9中，基站估计用户信道的非直达径分量，更新信道估计结果。在步骤s10中，基站基于更新的信道估计结果，对上行数据进行检测。在步骤s11中，基站利用上行信道估计的结果进行下行预编码传输。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。