Massive MIMO 蜂窩網絡中減輕導頻污染研究

何慶松，鹿存東

（江蘇科技大學 江蘇 鎮江212003）

Massive MIMO 蜂窩網絡中減輕導頻污染研究

何慶松，鹿存東

（江蘇科技大學 江蘇 鎮江212003）

Massive MIMO系統是5G通信的關鍵技術，而上行導頻污染是Massive MIMO蜂窩網絡TDD系統的主要性能瓶頸。解決這個問題的有效方法是在時間維度上錯開相鄰小區之間發射的導頻序列。本文在綜述了兩種運用導頻序列減輕相鄰小區的導頻污染基礎上，提出了一種新型的蜂窩系統中小區劃分方案，即將每3個小區劃分為一組，并在小組內應用交錯幀結構，在時隙上錯開小組內小區導頻序列，并結合蜂窩系統中小區自行劃分調度的方法，來共同達到減輕導頻污染的目的。

Massive MIMO；導頻污染；蜂窩網絡；時分雙工系統；時隙交錯幀

隨著現代信息社會的發展，使得寬帶信息服務逐步延展到移動終端成為必然趨勢，以提供語音業務為主的傳統蜂窩移動通信系統，正逐步演變為向移動用戶提供互聯網接入以及視頻和多媒體業務的寬帶移動通信系統。然而傳統的MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術并不能滿足現代人們日益增長的支持圖片、視頻和互聯網接入等更高數據速率的業務需求，因此在有限的頻譜資源下提高系統的頻譜效率成為設計通信系統的關鍵。由此形成了Massive MIMO[1]無線通信系統。

Massive MIMO系統作為新出現的技術[2]，目前主要考慮應用與時分雙工（TDD，time division duplex）系統，利用信道互易性來獲得信道狀態信息（CSI，channel state information）[3-5]，這是由于相較于傳統MIMO系統，Massive MIMO系統在基站處存在大量天線，傳統的信道狀態信息反饋模式已無法適用。這是因為傳統的信道狀態信息反饋量是隨著天線數量而呈線性增長的趨勢，當天線數很多時，反饋所需的時間將會遠大于信道相干時間。然而由于相互正交的導頻序列是有限的，而小區內用戶數量是巨大的，所以總是會存在不同小區間用戶使用相同的導頻序列，使得基站無法區分此導頻序列是否為本小區用戶發出，從而形成了所謂的“導頻污染”（pilot contamination）[6-7]。

為了解決這個問題，大量的文獻已被提出，如文獻[8]提出了將目標小區的導頻幀在結構上與相鄰小區的數據幀相對齊，已到達減少導頻污染的目的。但是在實際運用中，由于用戶發送導頻序列功率較小，目標小區導頻卻會受到相鄰小區基站發送的數據幀的干擾，且對現有幀結構改動過大，缺乏實用性。文獻[9]提出了一種一維小區分類方法，令相鄰小區的用戶在非交疊的時隙發送導頻，從而達到減少導頻污染的目的。文中再此基礎上，將每3個相鄰小區分為一組，在每一組小區內采用時隙交錯導頻幀，將相鄰小區的導頻在時隙上相互錯開，以達到減少導頻污染的目的，從而提高下行鏈路和速率。

文中使用符號定義如下：矩陣及矢量分別用黑體大小寫字母表示。AT，A*，A÷分別表示矩陣A的轉置，共軛和共軛轉置。

1　系統模型

系統模型如圖1所示，模型包含L個小區，考慮任一小區以及與之相鄰的小區，即L=7。每個小區基站配備的天線數為M根，小區內有K個單天線用戶 （K≤M）。系統設定為TDD模式，滿足信道互易性，即可利用上行信道信息推倒出下行信道信息。各小區內導頻序列相互正交。

圖1　Massive Mimo蜂窩網絡系統

以Cell-1小區為目標小區，則相鄰的小區為Cell-2至Cell-7。則小區Cell-1基站接收到的上行導頻信號為

由上式可以得出，當小區間 （這里只考慮相鄰的6個小區，忽略其余更遠的小區，這是由于信道的大尺度衰落因子對距離非常敏感，距離越遠衰落越快）導頻復用時，其基站收到的導頻序列必然受到污染，導致信道估計性能變差。前文也說過，在正常情況下，小區間導頻的復用是必然會發生的。所以本文基于此提出了小區分類的方法，通過小組內錯開相鄰小區導頻發射時隙，來達到減少導頻污染的目的。

2　小區分組減輕導頻污染方法

2.1導頻污染

圖2所示為導頻污染原理圖，由圖（a），當小區a中用戶在發送上行導頻序列給基站時，同時小區b中基站也會收到同樣一份導頻序列。然而小區b中基站并不能識別一份導頻序列是否為本小區用戶發送。由于正交導頻序列的有限性和小區用戶的無限性，小區間必然會存在導頻復用。圖（b）可以清楚看出（圖中黑色部分對應小區用戶發送的上行導頻序列，白色部分對應下行數據幀），當相鄰小區導頻采用同步的導頻序列時，小區a中用戶所發出的導頻序列必然會對小區b中用戶所發送的導頻序列造成污染。此時小區b利用TDD系統的信道互易信所估算出的實時下行信道狀態信息必然會有偏差，應此極大地限制了Massive MIMO系統的下行鏈路可達和速率。

圖2　導頻污染原理圖

圖3　偏移的導頻正結構

基于同步導頻序列，有文獻提出了偏移的導頻序列，如圖3顯示了偏移幀結構示意圖。與同步幀結構相比，各小區之間導頻序列互不重疊，這在一定程度上可以減輕導頻污染的問題，但是上行導頻序列與相鄰小區的下行信道數據幀重疊。因此，相比較于用戶發送的能量較小的上行導頻信號，相鄰小區基站發送的能量較大的下行數據信號會對其造成波壞，導致基站對上行信道估計的不準確。這顯然不是我們所希望的。

2.2時序交錯的導頻序列

由文獻[10]可知，利用信道互易性，信道訓練的開銷僅與每小區的用戶數相關，而與基站天線數無關。因此，當基站天線數趨向無窮時，并不會增加系統的反饋開銷而且額外多出來的天線總是對性能有益的。

再此我們設定如下條件來分析信道估計的均方誤差（MSE，Mean Squared Error）性能：假定每個小區只有一個用戶（K=1），且所用用戶運用相同的導頻序列（ψj=ψ，對任意j成立）。參考文獻[11]，可得：

其中，MMSE表示相鄰小區第k個用戶到目標小區基站所有天線信道的均方誤差，也就是目標基站對所有信道的均方誤差。

然而在實際情況下[12]，用戶發射功率pr為有限值，且所發送的上行導頻序列長度也為有限值。即由式（4）可得，當M→∞時，通過增加導頻序列長度或是提高用戶發射上行導頻序列的功率對MMSE影響并不明顯，而且這兩種方法本身可用性也不大。但是此時通過減少導頻序列長度τ（當τ相對較大時）來使相鄰小區間導頻序列在時隙上錯開以達到改善系統性能是可實現的，也是易于操作的。

圖4　蜂窩網絡小區分組結合導頻時隙錯開的方案

如圖4（a）所示，將圓圈內3個小區分為一組，在同一小組內小區，如a，b，c 3個小區，任一小區的對所有信道和期望信道所得的信道估計的均方誤差分別為M和Ms，由式（4）則可得：

可發現此時對于目標小區完全不存在導頻污染。

通常我們知道，使用更長的導頻序列可以獲得更加精確的信道估計，但是當導頻污染嚴重時，無論是否采用更長的導頻序列還是增加基站天線數M，對于系統系統都是極其有限的[13-15]。但是通過縮短導頻序列長度，使得相鄰小區導頻序列在時隙上相互交錯，并以此來消除導頻污染。則可以有效的提升系統的整體性能。

周圍相鄰小區也基于相同的原理以小組的形式進行劃分，假設每個小區之間導頻類別使用信息都用基站相互連接的電纜相互告知，并以自適應的方式劃分小區，這在實際情況下是非常容易實現的 （可參考思科無線系統在2.4 GHz所采用的錯頻部署方案）。即使某一小區基站出現故障，使用了與相鄰小區同類型的導頻序列，也可根據小區小組的編號，快速實現小區內的收斂，不致使其擴散到整個蜂窩網絡。

3　結束語

文中綜述了兩種運用改變導頻序列來達到減輕導頻污染的的方法，并在此基礎上提出了一個因用于Massive MIMO蜂窩網絡在TDD模式下減輕導頻污染的方案，即運用小區分組及時隙交錯導頻幀結構的方法來共同實現：首先把原有導頻序列分為3類，并保證在時隙上相互交錯；然后將每3個相鄰小區劃分為一組，小組內小區分別采用一類導頻序列結構，使得任意小區在接收上行導頻序列的時，與其相鄰的小區不會對其產生導頻污染。在運用基站之間的自協調，即使某一小區出現故障采用了錯誤的導頻序列類型，也能夠快速的根據本小區所在小組實現恢復原有類別的導頻序列，從而極大減輕了導頻污染，提高了系統的性能。

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Pilot contamination reduction in Massive MIMO cellular network systems

HE Qing-song，LU Cun-dong
（Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China）

Massive multiple-input multiple-output（MIMO）system is the key technology in fifth generation（5G）wireless systems.However，the uplink pilot contamination limits the performance of massive MIMO cellular network in time division duplex（TDD）wireless system severely.An efficient way to solve this problem is shifting the location of pilots in time frames used in neighboring cells.To deal with this problem，a new cell assignment scheme is proposed in this letter.Specifically，dividing each three adjacent cells into one group，then the time interleaved frame can be used in order to shift the location of pilot in time frame at one group.By coordinating among base stations，the cells can be divided into groups by themselves. Thus，the problem of pilot contamination could be solved，greatly enhancing the performance of all system.

Massive MIMO；pilot contamination；cellular network；time division duplex system；time interleaved frame

TN99

A

1674－6236（2016）22-0020-03

2015-12-03稿件編號：201512031

何慶松（1991—），男，江蘇鹽城人，碩士研究生。研究方向：大規模天線系統。