[发明专利]大规模MIMO系统中基于用户位置和分类的导频分配方法

权利要求书

1.大规模MIMO中基于用户位置和用户分类的导频分配方法，其特征在于通过用户到基站的AOA和路径损耗将用户进行分类，然后按照规则进行导频分配；首先基于路径损耗和到达角设计目标函数，计算出通信系统中所有用户的目标函数；设置阈值，将所有用户的目标函数与所设阈值进行比较，并将用户分成两类：小于阈值的用户被认为是高干扰用户，反之低干扰用户；然后为高干扰用户分配正交导频，低干扰用户由于干扰很低，按目标函数大小进行排序并分别分配导频

具体步骤如下：

步骤1.确定系统模型并进行问题描述；

1-1.大规模MIMO系统模型

考虑一个多用户大规模MIMO系统，系统中包含L个小区；每个多用户小区有K个单天线用户及1个配置有M根天线的基站；用户在小区中随机生成，小区基站则位于小区中心；使用大规模MIMO系统中的时分双工协议；

多径信道的模型如下：

其中，h_lkj为第l个小区中的第k个用户到第j个小区基站的M×1维上行信道矢量，P为到达路径的数量，为第p条路径的到达角，θ∈[0,2π]；a(θ)为天线导向矢量，如下式所示：

其中，D为天线间距，基站天线为均匀分布阵列，λ为信号波长；为第p条路径的信道系数；β_lkj为第l个小区中的第k个用户到第j个小区基站间的大尺度衰落系数，由下式给出：

其中d_lkj为第l个小区中的第k个用户到第j个小区基站的距离，γ为路径损耗系数，α为常数，由下式给出：

其中γSNR为小区边缘信噪功率比，R为小区半径，为噪声功率；

1-2.上行链路训练阶段

设可用的导频序列的个数是τ，τ≥K，即导频组S＝[s₁ s₂...s_τ]中有τ个相互正交的长度为τ的导频序列，即：

在上行链路训练阶段，系统中所有用户将其对应的导频序列发送到基站；归一化导频发射功率，第j个小区基站接收到的所有导频序列如下式所示：

其中s_lk为第l个小区中的第k个用户发送的导频；N_j为M×τ维高斯白噪声矩阵，矩阵里的元素服从均值为0方差为的复高斯分布；

使用最小均方误差估计方法来进行信道估计，信道估计结果为：

其中，n_j＝vec(N_j)，I_M为单位矩阵，R_lkj为第l个小区中第k个用户到第j个小区基站的信道协方差矩阵；如下式所示

R_lkj＝β_lkj∫p(θ_lkj)a(θ_lkj)a^H(θ_lkj)dθ_lkj (8)

其中p(θ_lkj)为AOA的概率密度函数，服从均匀分布；

当所有用户都使用正交导频时，信道估计结果如下所示：

1-2.上行数据信号传输阶段

在上行数据信号传输阶段，所有小区的用户将其对应的数据信号发送到基站；第j个基站接收到的数据信号如下式所示：

其中P_u为发送数据信号的功率，x_lk表示第l个小区中的第k个用户发送的数据信号，满足E{|x_lk|²}＝1；为M×1维高斯白噪声向量，向量中的元素服从均值为0方差为的复高斯分布；

基站接收到数据信号后对期望数据信号进行检测；第j个小区中的第k个用户发送的数据信号的检测结果表示为：

其中a_jk为第j个小区中的第k个用户的检测矩阵，使用ZF(Zero-Forcing，迫零)检测方法,检测矩阵为：

步骤2.目标函数及阈值的设计以及导频分配方案的提出

2-1.设计目标函数及阈值

考虑以用户为中心，散射体形成一个半径为r_s的环形；设和分别为第l个小区中的第k个用户向第j个小区基站的发送信号的到达角的最小值和最大值，即式(8)的积分上下限；由下两式给出

其中，和分别为第l个小区中第k个用户的横纵坐标，和分别为第j个小区基站的横纵坐标；

到达角处在范围的用户对应信道矢量h_lkj；当L-1个与期望用户使用相同导频的干扰用户到达角范围与期望用户到达角范围严格不重叠，有：

设计衡量用户干扰程度的目标函数，如下所示

其中，为用户到基站的中间角度，由下式给出

θ^mid＝(θ^min+θ^max)/2 (17)

随后，提出目标函数的阈值，如下所示

定义I_li＜I,i＝1...K,l＝1...L的用户为高干扰用户，I_li≥I,i＝1...K,l＝1...L的用户为低干扰用户；

2-2.基于用户位置信息的导频分配方案，导频分配步骤如下

2-2-1根据提前已知的用户位置信息，得出系统中所有用户的d_lij,i＝1...K,l＝1...L,j＝1...L；使用公式(13)、(14)、(17)得出系统中所有用户的

2-2-2.将步骤2-2-1中所得结果代入(13)中计算出系统中所有用户的I_il,i＝1...K,l＝1...L；

2-2-3.将步骤2-2-1中所得结果代入(15)计算出系统中所有用户的阈值I，并将I_li,i＝1...K,l＝1...L与I进行比较，按照上述定义将系统中所有用户分成高干扰和低干扰两类；

2-2-4.为每个小区的高干扰用户分配正交导频；将每个小区的低干扰用户按照I_li从大到小进行排序，并对应分配相同导频。