大規模多天線系統中一種導頻聯合調度方案設計

馬 雄，袁浩銘

(南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京，210003)

大規模多天線系統中一種導頻聯合調度方案設計

馬 雄，袁浩銘

(南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京，210003)

導頻污染嚴重制約了大規模多天線系統技術的進步，如何抑制大規模多天線系統中的導頻污染成為了研究的熱點。在基于時移導頻調度的基礎上，提出了一種結合頻率部分復用技術的導頻聯合調度策略。該策略首先將小區分為若干組，在其中一組接收導頻的同時，其他組進行下行鏈路的信息傳輸，然后再利用部分頻率復用技術將系統帶寬分為若干個子載波，在同一組各個小區的邊界區域分別以正交分配方式分配不同的子載波，因此在同一組內小區邊界用戶收到的干擾源數量會大大降低，從而達到抑制導頻污染的目的。仿真結果表明，該聯合調度策略有效地降低系統的誤碼率。

MIMO；導頻污染；導頻調度；部分頻率復用

0 引言

大規模多天線系統從誕生到現在僅有十余年時間，很多理論和技術都沒有經過實踐的驗證，目前在大規模多天線系統的信道建模、信道估計等方面只能在理想狀態下，即信道處于獨立同分布的狀態下進行研究，這顯然是并不符合實際的。已經有事實證明大規模多天線系統在某些情況下并不能滿足獨立同分布的理想狀態，這就意味著對于其信道建模和估計遠遠還不成熟。而對于系統信道的估計誤差，意味著無法精確估計信道容量和各個關鍵指標，無法深入揭示信道特征對于系統的影響，從而不能對導頻污染研究出針對性的措施。目前對于導頻污染的抑制技術[1]，基于導頻調度和預編碼技術[2]的方案只能在一定程度上對污染進行緩解，而不能從根本上解決導頻污染的問題，而規避導頻的盲估計技術[3]還遠遠不成熟，盡管規避了導頻污染，卻無法對信道狀態進行精確估計，因此導頻污染依舊還是制約大規模多天線技術的瓶頸。

從目前來看，對于大規模多天線系統抑制導頻污染技術的研究應該集中于以下三個方面：

(1)利用更加有效的預編碼算法對信號進行調制。目前有基于MMSE的導頻污染預編碼算法[4]，也有基于信號最大化與泄露加噪聲比的預編碼算法，更有基于模值下降(HDS)和VP預編碼技術和指向性交互禁忌搜索(ORTS)的VP預編碼技術，對于預編碼技術的研究，前景相關廣闊。

(2)更有針對性的導頻設計和調度方案。目前已經存在的導頻調度方案有基于時間的時移導頻調度方案[5]和基于空間的軟頻率復用方案，而針對于系統導頻資源的有限性，對于導頻的設計方案也是抑制導頻污染的選擇。是否能夠研究出更具針對性的導頻調度方案，或許說設計新的導頻，進而在有限條件下挖掘導頻潛力，是未來導頻污染抑制技術的優選之一。

(3)更精確的信道估計方案。目前有基于MMSE的信道估計技術[6]、半盲估計技術和對用戶角度定位，從而利用波束成形減輕干擾的DOA估計技術[7]等。如何對信道參數進行精確估計，也成為大規模多天線技術研究的熱點之一。

1 大規模多天線系統中的導頻污染

大規模MIMO中的導頻污染主要由鄰區用戶的非正交導頻序列的重復發送導致。在一個多小區的系統中，由于系統內部各導頻序列具備正交性，因此系統內的干擾可以被忽略不計，此時的干擾主要來源于相鄰小區間的污染。當所有小區均使用相同導頻時，第小區的基站接收的信號量為：

(1)

在第l個小區的信道估計矩陣為:

(2)

通過對下行鏈路的信道估計，可以得出在所設計的系統模型中，均有噪聲污染的存在。

在進行導頻污染的研究之前，為了用更簡單更深刻的方式進行分析，設定為K=1的多小區單用戶模型，且各小區間的訓練序列相同，不妨采用傳統的匹配濾波器預編碼，則第j個小區內用戶接收的信號為：

(3)

對于下行鏈路的Hi,j采用基于MMSE的信道估計，可以得到：

(4)

對MMSE算法的預編碼矩陣WMMSE=HH(HHH+βI)-1進行矩陣求逆得：

(5)

由上述公式得知，信道估計的結果和sTyl有很大關系，各小區的訓練序列相同，導致了基站不能輕易識別出信號是否來源于特定用戶或者是鄰小區用戶，繼而造成了導頻污染。

系統速率為：

(6)

(7)

所以：

(8)

(9)

(10)

可得：

(11)

(12)

所以對于M趨近于無窮時的情況，下行鏈路傳輸速率套用系統快衰落系數矩陣可得：

(13)

(14)

從上述的推理過程可得，由于導頻污染的存在，系統速率并未隨著天線數量的增長而增長，而是趨近于飽和，因此導頻污染因此成為限制大規模MIMO系統性能提高的關鍵瓶頸之一。

2 基于時移的導頻調度方案

這種調度方案的基本思想就是將系統內的多個小區劃分為A1,…,AΓ個小組，從而將一個相干時間內的導頻傳輸過程分成兩個階段，在第一個階段，位于第Aγ個小組內的所有小區接收屬于自己的導頻信息，與此同時其他所有小區接收下行鏈路數據；第二階段則在第Aγ組所有小區完成導頻傳輸之后，由另一組的小區接收導頻，周而復始，直到完成整個系統的導頻傳輸。其過程如圖1所示。

圖1 時移導頻調度方案

這個過程中，用來傳輸導頻、上行鏈路、下行鏈路和處理信息的OFDM符號數量分別為K=3,U=2,D=5,P=1，根據這種方式，一個相干時間內的導頻傳輸順序被依次分為三種，因為不管是哪一種模式，每一個傳輸信息因子的結構都應該保持完整性，不能夠出現在同一個相干時間內導頻結構分裂的情況。

3 基于時移和部分頻率復用聯合調度方案設計

3.1 部分頻率復用技術

在OFDM系統中，為了抑制小區間干擾，部分頻率復用技術應運而生。基本的頻率復用方案是將帶寬劃分為多個子帶或者信道，然后以正交的方式分配給相鄰小區。J表示頻率復因子，表明系統將如何有效利用帶寬。圖2為J=3時的頻率復用方案。

圖2 J=3時頻率復用方案

圖時頻率復用方案

3.2 聯合調度方案及系統模型

在前面描述的時移導頻調度方案中，將系統內多個小區分成若干組，在某一組的特定小區進行上行鏈路導頻傳輸的時候，組內其他小區以及組外小區進行下行鏈路信號的傳輸，在方案的最后得出結論，進行導頻傳輸的小區只會受到組內其他小區的干擾。而聯合調度方案則結合前者和頻率部分復用的思想，先將所有小區分組，并采用時移導頻調度方案，然后在每個組內進行頻率部分復用，分配子載波，使組內各小區鄰區發送正交的子載波，從而大大降低系統差錯率。這就是聯合調度方案的思想。

考慮一個大規模MIMO系統下共有L個基于TDD的小區模型，采用OFDM方式調制，每個小區在中心位置有一個配備M根天線的基站，并有K個用戶隨機分布在小區內。現在有如下約定：

(1)所有移動終端的信號均可以被所有小區的基站接收到。

(2)系統能夠精確獲得慢衰落系數βi,l。

(3)假定每一組內小區數量相同。

3.3 聯合調度方案理論分析

現將系統所有小區分成A1,…，A,…,AΓ個組，并采用部分頻率復用技術，頻率復用因子為J，假設第i個小區位于小組Aλ中，則該小區基站對小區第k′個用戶的信道估計為：

(15)

其中j表示與第i個小區同在一組并且在采用頻率復用技術之后與第i個小區使用同一子載波的某一小區。時移導頻調度方案中上下行鏈路的信噪比分別為：

(16)

(17)

而在系統沒有進行導頻調度的情況下，根據推導，系統上下行鏈路信干噪比為：

(18)

(19)

相互對比可得，在采用了導頻調度策略后的系統受到的干擾只來源于組內小區干擾。

現在進行聯合調度策略和時移導頻調度策略信干比的對比。

設定兩種方案在采用相同的時移導頻方案，即將所有小區分成相同的Γ組。當系統采用聯合調度策略時，假定將總數為Ssmooth的子載波進行分配，頻率復用因子為J，根據前文可得，采用部分頻率復用策略時，J>1，即所有小區分組的組數大于1，即在同一組中，小區使用兩個或者兩個以上的不同子載波，而在采用單獨時移導頻傳輸策略的情況下，由于全部小區使用同一子載波，因此每一組使用同一種子載波的用戶數量顯然大于前者，對于采用聯合調度方案的第i個小區的第k′個用戶而言，所受到的干擾源數量遠遠小于后一種方案。

在大規模MIMO系統中，假定發送的符號為高斯隨機變量，除去循環前綴和導頻開銷，可以得到其上行鏈路的信道容量為：

(20)

(21)

根據時移導頻調度方案的分析，對于每一個小區，其上行鏈路和下行鏈路的信息傳輸過程是分開進行的，也就是說本來用于同步傳輸下行鏈路數據的OFDM符號也被用來傳輸上行鏈路信息，所以假設第i個小區正在進行上行鏈路信息的接收，其信息傳輸速率為：

表1 MATLAB仿真參數表

SINRUp)

(22)

對于小區下行鏈路信息傳輸速率的分析大致相同，本文不再重復推導。

4 仿真與性能分析

本節將從兩個角度對聯合調度方案進行仿真和分析，考慮一個包含有7個小區的TDD模型，占用相同的頻譜資源，并使用相同的導頻，主要仿真參數如表1所示。

圖4研究了系統在不采用導頻調度策略、采用時移導頻調度策略和采用聯合導頻調度策略時，系統誤碼率和信噪比變化的關系。從圖中可以看出，沒有采用導頻調度策略的系統誤碼率隨著信噪比的增加而降低，但到了一定閾值之后就趨于平穩，不再降低，而采用兩種調度方案的系統誤碼率均有大幅度的降低，其中聯合調度方案的效果要好于時移導頻調度方案。

圖4 三種情況下系統誤碼率變化對比

圖5 J取值不同時信息傳輸速率與信噪比的關系

是隨著J線性變化的，仿真結果也驗證了這一點。值得注意的是，采用導頻傳輸時的速率略高于采用聯合調度策略的速率，這是因為聯合調度策略是以犧牲一部分小區帶寬作為代價來提高對抗導頻污染的能力，這也符合之前的推論。

5 結論

本文在基于時移導頻調度的基礎上，提出了一種結合頻率部分復用技術的導頻聯合調度策略。通過與采用時移導頻調度策略以及未采用導頻策略的比較發現，采用聯合調度策略的系統誤碼率大幅度降低，仿真結果也驗證了這一點。值得注意的是，采用導頻傳輸時的速率略高于采用聯合調度策略的速率，這是因為聯合調度策略是以犧牲一部分小區帶寬作為代價來提高對抗導頻污染的能力。

[1]ELIJAHO,LEOWCY,RAHMANTA，etal.AcomprehensivesurveyofpilotcontaminationinmassiveMIMO-5Gsystem[J].CommunicationsSurveys&Tutorials,IEEE, 2010:1-19.

[2]ROSARIOF,MONTEIROFA,RODRIGUESA.FastmatrixinversionupdatesformassiveMIMOdetectionandprecoding[J].IEEESingalProcseeingLetters,2016,23(1):75-79.

[3]MONTORSIF,VITETTAGM.Ontheperformancelimitsofpilot-basedestimationofbandlimitedfrequency-selectivecommunica-tionchannels[J].IEEETransactionsCommunications, 2011,59(11):2964-2969.

[4] 邱琳，許杰，劉蓓.多用戶、多小區MIMO通信技術[M].北京：人民郵電出版社,2011.

[5]JinShi,WangXiaoyu,LiZheng,etal.OnmassiveMIMOzero-forcingtransceiverusingtime-shiftedpilots[J].IEEETransactionsonVehicularTechnology,2016,65(1):59-74.

[6]SARKERMAL,LEEMH.AfastchannelestimationandthereductionofpilotcontaminationproblemformassiveMIMObasedonadiagonaljacketmatrix[J].The4thInternationalWorkshoponFiberOpticsinAccessNetwork(FOAN),2013:26-30.

[7]MONTORSIF,VITETTAGM.Ontheperformancelimitsofpilot-basedestimationofbandlimitedfrequency-selectivecommun-icationchannels[J].IEEETransactionsonCommunications, 2011,59(11):2964-2969.

An indoor localization method based on multi-data fusion

MaXiong,YuanHaoming

(CollegeofCommunication&InformationEngineering,NanjingUniversityofPostsandTelecommunications,Nanjing210003,China)

Pilotpollutionhasseriouslyrestrictedthetechnologydevelopmentofmassivemulti-antennasystem,andhowtosuppressthepilotpollutionhasbecomeahotresearchtopic.Thisthesisintroducestwopilotassigningschemes,whicharebasedontheuserlocationandtimedivision,then,thisthesiscombinesfactionalfrequencyreusetechnologywiththelater,andgivesanewpilotassigningscheme.Thisschemewilldivideallcellsintoseveralgroups,andwhenthecellsinonegrouparereceivinguplinkinformation,theothergroupsaretransmittingdown-linkinformationatthesametime,then,allthecellsinonegroupwillbeassignedwithdifferentsubcarriersbyfractionalfrequencyreusetechnology.Becauseallthesubcarrieraretransmittedorthogonally,theusersinboundaryareainonecellcanonlysufferwiththepilotcontaminationfromanotheruserswhousethesamesubcarrier,bythisway,pilotcontaminationcanbemitigatedtoalargeextent.Thesimulationresultsconfirmsthatthebiterrorrateanddatatransmissionratehasimprovedobviouslybythenewpilotassigningscheme.

MIMO;pilotpollution;pilotassigningscheme;partialfrequencyreuse

TN

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.22.020

馬雄，袁浩銘. 大規模多天線系統中一種導頻聯合調度方案設計[J].微型機與應用，2016,35(22)：77-80,91.

2016-07-19)

馬雄(1990-)，男，碩士，主要研究方向：無線通信與移動計算機。

袁浩銘(1990-)，男，碩士，主要研究方向：無線通信與移動計算機。