FDD模式massive-MIMO系统中上行导频的选择与分配方法技术方案

本发明专利技术提供一种FDD模式massive-MIMO系统中上行导频的选择与分配方法，各小区中用户测量与各小区基站间具有最大增益的波束复用组的序号，并反馈给其服务基站；服务基站将反馈信息交互给其相邻各基站；基站根据来自相邻小区的交互信息，确定本小区中使用某一上行导频序列的用户的具有最大增益的波束及相邻小区中使用相同上行导频序列的用户的具有最大增益的波束，并判断本小区中的用户是否能与相邻小区中的用户使用使用相同的上行导频序列。本发明专利技术通过增加用户的测量量与反馈量，基站间的信息交互及用户与基站间的信息交互，有效地降低了FDD模式多小区massive MIMO系统中的上行导频污染。

【技术实现步骤摘要】
FDD模式massive-MIMO系统中上行导频的选择与分配方法
本专利技术涉及一种5G系统中FDD模式多小区massiveMIMO系统中的上行导频污染抑制方法，特别是涉及一种FDD(FrequencyDivisionDuplexing，频分双工)模式massive-MIMO(massiveMultipleInputMultipleOutput，大规模多输入多输出)系统中上行导频的选择与分配方法。
技术介绍
在FDD模式的massiveMIMO系统的下行链路中，为了降低下行链路的导频开销，通常使用导频资源复用多个波束的方法，从而引入了多小区MassiveMIMO系统中的上行导频污染。如图1所示，TDD模式多小区大规模MU-MIMO系统中有L个小区。各小区有一个N天线的基站(BaseState，BS)和K个单天线用户。假设所有L个小区使用相同的K个导频序列，并用τ×K维正交矩阵Φ表示，其满足ΦHΦ＝τI。而且，假设不同小区的导频发射是同步的。那么，基站i的接收信号矩阵可表示为：式中，Hi,l∈CN×K为小区l中K个用户与基站i间的N×K维信道矩阵，为导频发射期间基站i处的噪声矩阵(其中各项为均值0，单位方差)，ρp为导频发射功率。为了估计信道，基站i将其接收信号投影到Φ*上，从而得到用于估计信道Hi,i的统计量。由式(1)可知，估计的信道矩阵为：在上式的推导中，利用了ΦHΦ＝τI。的第k列为信道矢量hi,k,i的估计值。由式(2)可知，为不同小区中使用相同导频序列的那些用户信道矢量hi,k,l(l＝1,…,L)的线性组合。这种现象称为导频污染。由于导频污染导致信道估计误差，不仅使得上行链路信号检测性能降低，而且如果采用该信道矩阵进行下行链路的预编码，则会对非期望用户造成很大的干扰。因此，很多研究者对降低导频污染的方法进行了大量的研究工作，提出了一些解决方案。目前，已提出了一些抑制导频污染的方案。下面介绍几种典型的方案。(1)基于协议的导频污染抑制方案最直接的一种方法是通过频率复用或减少使用非正交导频序列的用户来减低导频污染效应。但是，一般而言，频率复用并没有能利用massiveMIMO能同时复用大量用户的优势。这是因为该方法虽然提高了特定用户的信噪比SINR，但同时服务的用户数却减少了。在上述方法中，所有用户都同时发送导频序列，这就会出现导频污染。为了降低导频污染，现有技术提出了一种基于时移(非同步)传输协议的方案，其基本思想是将小区分成若干组A1,…,AΓ，并在各组内使用时移传输协议，图2即为Γ＝3的示例。当组A1中用户发射导频时，组A2中的基站则发送下行链路的数据信号。这样就避免了组A1和组A2中用户间的导频污染。与此同时，组A1中基站需要在存在来自组A2和组A3中基站的下行链路发送信号时估计组A1中用户的信道矩阵。由于下行链路的发射功率ρd通常远大于导频序列的功率ρp，因此目前尚不清楚该方法能提供多少增益。(2)基于预编码的方法基于多小区协作的预编码方法能抑制导频污染效应。但是，基站间需要的信息交互开销随着天线数的增加而增加。因此，这些方法仅适用于具有有限天线数的MIMO系统。为了获得协作的优势且限制信息交互开销，现有技术提出了一种导频污染预编码(PCP)方案。PCP方案基于两个假设：(a)各基站能获取所有小区中所有用户的源信号；(b)所有基站都能获得大尺度衰减系数di,k,l。由于导频污染，信道估计矢量为不同小区中使用相同导频序列的那些用户信道矢量hi,k,l(l＝1,…,L)的线性组合。在PCP方案中，各基站并不是抑制由污染的信道估计值引起的干扰，而是利用导频污染为网络中所有用户发送信息。但是，有研究表明只有当天线数N>106时，PCP方案才开始有性能增益。(3)基于到达角(AOA)的导频污染抑制方法有研究表明，在实际信道模型中，对于具有相同或非正交导频序列的某些用户，其相互之间可能并不存在干扰。根据关于均匀线阵(ULA)的多径信道模型，从小区l中用户k到基站i的信道矩阵具有如下形式：式中，Θ为多径数，独立于路径序号θ，为用户的平均路径损耗，a(θ)为阵列的方向矢量。对于ULA，方向矢量可表示为：式中，D为天线间距，λ为载波的波长，θ为具有概率密度函数(PDF)f(θ)的随机到达角(AOA)。经证明，即使用户使用相同的导频序列，但只要相互具有不重叠的AOA的PDF，则其导频难于相互干扰。根据该思想，现有技术还提出了一种降低导频污染的方案，即将相同的导频序列分配给相互具有不重叠AOA的PDF的那类用户。该方法要求各基站处各用户之间的相关矩阵满足其主要子空间不重叠这一条件，而且要求各基站知道其与所有用户间的相关矩阵。也就是说，如果有L个基站，各基站中有K个用户，则要求各基站能获得其与LK个用户间的LK个相关矩阵。因此，该方法具有以下缺陷：A、该方法要求各基站处各用户之间的相关矩阵满足其主要子空间不重叠这一条件，而且要求各基站知道其与所有用户间的相关矩阵。也就是说，如果有L个基站，各基站中有K个用户，则要求各基站能获得其与LK个用户间的LK个相关矩阵。但是，实际上基站难于获取LK个相关矩阵的信息。B、当不同小区中2个用户到某一基站具有相近的AOA时，则该基站无法区分这两个用户，从而导致上行导频污染。(4)基于子空间划分技术的导频污染盲抑制方法基于子空间划分技术的方法同样能抑制导频污染。在现有技术中，提出了基于特征值分解(EVD)的信道估计和迭代投影最小二乘的信道矢量估计方法。基于特征值分解(EVD)的信道估计方法要求不同用户的信道矢量是正交的，该假设使得基站能利用接收数据的统计量来估计信道矢量。这类方法内在的乘性标量模糊度可利用相互正交的小区导频序列来解决。该方法可总结如下：在上行链路传输阶段，用户先发送数据信号，然后发送小区导频序列。估计过程包括如下步骤：步骤1：估计接收信号的协方差矩阵：式中，为第lth个基站在时刻t的接收信号。步骤2：求解N×K维矩阵Ul，其第k列为对应于接近于特征值Nρudl,l,k的特征矢量。而且，借助于导频序列，可获得乘性矩阵Ξl的估计值步骤3：计算估计值但是，如果相邻两小区中使用相同导频序列的两个用户都位于边沿且相距较近时，两个用户很可能处于相同的子空间中，则EVD方法难于将两个用户的子空间分开。此时，基于EVD的盲方法将无法有效降低导频污染。(5)massiveMIMO系统中基于空分复用技术的CSI-RS发送/接收方法在massiveMIMO系统中，如果采用传统的导频设计方案，则由于基站端具有很多天线，则CSI-RS中需要的导频子载波数将等于天线数，这将大大地消耗频谱资源，从而降低频谱利用效率。为了减少导频资源的开销，现有技术还提供了一种利用空分复用技术的CSI-RS发送/接收方案，允许多个波束复用相同的CSI-RS资源(将相同的资源分配给多个波束)。同时，还提供了一种最大增益波束形成矢量的确定方法。在基站发射端，基站结合如下两方面信息确定具有最大增益的波束：(1)移动用户反馈回的资源复用组的序号信息；(2)利用上行链路空间相关矩阵估计的CSI-RSs的平均信道增益。在上述方法中，首先产生相应天线端口所发射波束的参考信号，其中波束是通过将波本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种FDD模式massive‑MIMO系统中上行导频的选择与分配方法，其特征在于：假设massive MIMO系统有L个小区，各基站有M根天线；波束信号产生器产生L个长度为N的每波束信号序列且该L个序列是正交的，分别分配给L个小区的基站；小区l的基站利用N个M维波束形成矢量将N个每波束信号发送给移动用户；基站将相同的资源分配给多个波束，复用N个波束信号的资源复用组分为J＝M/N个，同时不同小区的每波束信号是正交的，小区l中第k个移动用户关于资源复用组Rg的接收信号yk,g表示为：其中，为小区中用户k与小区l的基站之间的信道矩阵；假设小区j中用户k的上行导频序列为ak，且该用户的DTX模式为pj,k，j＝1,2,…,L；上行导频的选择与分配方法包括如下步骤：步骤S1：小区l中移动用户k确定其与各小区基站之间的具有最大增益的波束形成矢量及其资源复用组序号；步骤S2：各小区将信息通知相邻的(L‑1)个小区；其中，信息包括小区l的ID号、小区l中用户k上行导频序列ak的序号，DTX模式pl,k，小区l中用户k与小区j的基站间具有最大增益的波束形成矢量的资源复用组序号步骤S3：小区l的基站根据所获得的来自其相邻(L‑1)小区的信息，确定相邻小区j中用户k与小区l的基站之间最大增益的波束及其序号并确定本小区中用户k与小区l的基站之间最大增益的波束及其序号最后确定本小区中用户k能否与相邻小区j中用户k使用相同的上行导频信号ak。...

【技术特征摘要】
1.一种FDD模式massive-MIMO系统中上行导频的选择与分配方法，其特征在于：假设massiveMIMO系统有L个小区，各基站有M根天线；波束信号产生器产生L个长度为N的每波束信号序列且该L个序列是正交的，分别分配给L个小区的基站；小区l的基站利用N个M维波束形成矢量将N个每波束信号发送给移动用户；基站将相同的资源分配给多个波束，复用N个波束信号的资源复用组分为J＝M/N个，同时不同小区的每波束信号是正交的，小区l中第k个移动用户关于资源复用组Rg的接收信号yk,g表示为：其中，为小区中用户k与小区l的基站之间的信道矩阵；假设小区j中用户k的上行导频序列为ak，且该用户的DTX模式为pj,k，j＝1,2,…,L；上行导频的选择与分配方法包括如下步骤：步骤S1：小区l中移动用户k确定其与各小区基站之间的具有最大增益的波束形成矢量及其资源复用组序号；步骤S2：各小区将信息通知相邻的(L-1)个小区；其中，信息包括小区l的ID号、小区l中用户k上行导频序列ak的序号，DTX模式pl,k，小区l中用户k与小区j的基站间具有最大增益的波束形成矢量的资源复用组序号步骤S3：小区l的基站根据所获得的来自其相邻(L-1)小区的信息，确定相邻小区j中用户k与小区l的基站之间最大增益的波束及其序号并确定本小区中用户k与小区l的基站之间最大增益的波束及其序号最后确定本小区中用户k能否与相邻小区j中用户k使用相同的上行导频信号ak。2.根据权利要求1所述的FDD模式massive-MIMO系统中上行导频的选择与分配方法，其特征在于：所述步骤S1包括以下步骤：a)小区l中移动用户k将其接收信号与小区j的每波束信号进行相关，得到来自小区j基站发射的下行信号：b)小区l中移动用户k通过比较信道和波束形成矢量un间信道增益的大小来确定具有最大增益的波束形成矢量un，并得到具有最大增益的波束形成矢量un的资源复用组序号c)小区l中移动用户k以小区j识别号、小区l中用户k与小区j的基站间具有最大增益的波束形成矢量的资源复用组序号的格式保存其与各小区的基站之间具有最大增益的波束形成矢量的资源复用组序号，并将上述信息反馈给其服务基站。3.根据权利要求1所述的FDD模式massive-MIMO系统中上行导频的选择与分配方法，其特征在于：所述步骤S3中确定本小区中用户k能否与相邻小区j中用户k使用相同的上行导频信号ak时，包括以下步骤：a)在上行导频序列ak的发送期间，小区l的基站的上行链路接收信号为：其中，ρp表示上行导频的发射功率，Gl,j,k表示小区j中使用导频序列ak的用户k与小区l的基站之间的信道矩阵，为加性高斯白噪声；根据L小区中用户k的DTX模式pj,k，j＝1,…,L，小区l的基站确定小区l中用户k的DTX模式pj,k中发送导频信号ak期间其他(L-1)个小区中也发送导频信号ak的用户集Al,k，小区l的基站确定小区l中用户k的DTX模式pj,k中不发送导频信号ak而其他(L-1)个小区中发送导频信号ak的用户集Bl,k；其中，用户集Al,k中用户相对应的最大增益的资源复用组序号用集合表示，而用户集Bl,k中用户相对应的最大增益的资源复用组序号用集合表示；b)小区l中基站分别计算小区l中用户k的DTX模式pl,k的发送导频信号a...

【专利技术属性】
技术研发人员：易辉跃，徐景，
申请(专利权)人：上海无线通信研究中心，
类型：发明
国别省市：上海;31