CN106330278B - 基于用户达波角的信道估计和功率控制相结合的传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于用户达波角的信道估计和功率控制相结合的传输方法，首先将每个小区的用户划分为小区中心用户或小区边缘用户，然后针对小区边缘用户到达各个基站天线达波角对所有小区边缘用户进行二次分组，接着对不同组别用户分别配置导频占用资源，基站根据接收到的导频信号估计信道信息，最后再通过基站控制相邻小区的中心用户的功率来降低本小区中心用户受到的干扰。本发明方法能够利用角度域信息节省导频开销，并且能有效减轻小区边缘用户受到的导频污染，降低信道估计误差，同时通过控制用户发射功率提高小区中心用户的性能，使***的整体传输速率得到很大提高。

Description

基于用户达波角的信道估计和功率控制相结合的传输方法

技术领域

本发明属于多小区环境下大规模多输入多输出(MIMO)***中的信道估计与数据传输领域，涉及一种基于用户达波角的信道估计和功率控制相结合的传输方法。

背景技术

在多小区环境大规模多输入多输出(MIMO)***下，通过发送导频信号来估计信道，由于基站处天线数目远远大于用户数目，所以大规模MIMO***一般采用时分双工(TDD)机制，通过用户发送导频信号来估计信道。由于导频序列维数受限，不同的小区的用户会利用非正交的导频序列，或者复用同一导频序列，因此，某一特定小区的基站收到的导频信号会受到其它小区用户所发送导频信号的干扰，即受到导频污染，而这一问题严重制约着***的性能，其中小区边缘用户受到导频污染的影响尤为严重。

针对导频污染这一问题，相关研究人员已经提出多种解决方案减轻导频污染的影响，提高通信***的可达传输速率，但是很少有专门针对小区边缘用户的方案，边缘用户的性能增益没有显著提高。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足，本发明针对大规模MIMO中的导频污染提出了一种基于用户达波角的信道估计和功率控制相结合的传输方法，能够提升***的传输速率。

发明内容：为了实现上述目的，本发明中基于用户达波角的信道估计和功率控制相结合的传输方法，包括以下步骤：

(1)针对L个小区中的所有用户，利用每个用户到其所在小区基站的信道大尺度衰落因子与该小区预设阈值之间的关系将其划分为小区中心用户或小区边缘用户，设每个小区中的小区中心用户数目为k_c，小区边缘用户数目为k_e；

(2)根据小区边缘用户到其所在小区基站的达波角与其他小区边缘用户到该小区基站的达波角之间的重叠程度将所有小区边缘用户进行分组，设边缘用户小组数目为G；

(3)将k_c+G个正交导频序列分别分配给各小区的小区中心用户和小区边缘用户，L个小区的小区中心用户复用k_c个正交导频序列，每个边缘用户小组中的小区边缘用户复用一个正交导频序列；

(4)对于每个用户，其所在的小区基站根据接收到的导频信号利用最小均方误差估计方法得到该用户的信道估计值；

(5)为所有小区边缘用户分配相同的发射功率p_e，为其所在小区和相邻小区的中心用户分别分配功率p_c和p_{c_int}，功率比值定义为进行上行链路数据传输。

其中，步骤(1)中用户到其所在小区基站的信道大尺度衰落因子为：

式中，表示第i个小区中第k个用户到第i个小区基站的信道大尺度衰落因子，λ是路径损耗因子，α根据具体信道环境设定的常数，表示第i个小区中第k个用户到第i个小区基站的空间距离；

若某一用户到其所在的第i个小区基站的信道大尺度衰落因子大于或等于该小区对应的预设阈值ρ_i，则该用户为小区中心用户，否则为小区边缘用户。

进一步地，上述α在典型环境的取值为(0.8R)^λ，R为小区半径。

其中，步骤(2)中对将所有小区边缘用户分成G个小组，包括以下步骤：

1)获取小区边缘用户集合中任意一个用户到其所在小区基站的达波角与其他用户到该小区基站的达波角之间的重叠度；

2)用S_g,g＝1,2,…,G表示第g组用户的集合，依次获取G个边缘用户小组中的第一个小区边缘用户成员所有第一个小区边缘用户之间的达波角重叠度最大，即用户集合中的任意两个用户之间的达波角重叠部分最大。

3)对于剩余的Lk_e-G个未分组的小区边缘用户，根据每个小区边缘用户小组中所有用户之间达波角重叠度最小的原则将它们依次添加进各个小组。

其中，步骤(4)中对于第j个小区中的第k个用户，其信道估计值为：

式中，s_k为分配给该用户的导频序列，m为与该用户共用相同的导频序列的用户个数，用户集合表示为{u₁,u₂,…,u_m}，分别表示第j个小区内第k个用户到第j个小区基站的信道协方差矩阵，表示用户u_i到第j个小区基站的信道协方差矩阵，τ为导频序列的长度，为加性高斯白噪声的方差，I_M表示M*M的单位矩阵，Y_j为第j个小区基站接收到的导频信号。

有益效果：本发明中基于用户达波角的信道估计和功率控制相结合的传输方法，通过利用用户达波角的重叠将小区边缘用户进行分组，然后为小区中心用户和边缘用户分配导频序列，利用角度域信息在保证边缘用户性能良好的情况下可以减少导频资源需求，节省导频开销，并且能有效减轻小区边缘用户受到的导频污染，降低信道估计误差；通过功率控制降低相邻小区的中心用户的发射功率，降低了小区中心用户之间的相互干扰，提高了小区中心用户的传输速率，提高对小区边缘用户信道估计的准确性，使***的整体性能得到了提高。

附图说明

图1是本发明中基于用户达波角的信道估计和功率控制相结合的传输方法的框架示意图；

图2是本发明中信道估计与其他几种不同的信道估计方案所得到的信道估计误差比较图；

图3本发明中信道估计与其他几种不同的信道估计方案所得到的单个小区的平均传输速率比较图；

图4为传统的基于最小均方误差准则的信道估计方法与本发明方法在功率比值γ取不同的值时的传输速率比较图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，基于用户达波角的信道估计和功率控制相结合的传输方法，首先根据每个用户到其所在基站的信道大尺度衰落因子以及限定的阈值，将其划分为小区中心用户或小区边缘用户；然后根据小区边缘用户到达各个基站天线达波角，通过所提出的贪婪分组算法对所有小区边缘用户进行分组，使组内用户之间的干扰尽可能小；接着根据特定的导频分配方法，所有用户发送导频信号，基站根据接收到的导频信号，估计信道信息；最后，不同小区用户同时发送数据，基站通过控制相邻小区的中心用户的功率来降低本小区中心用户受到的干扰。具体如以下示例所介绍：

(1)本实施例中通信***由L＝3小区，每个小区用户数目K，小区半径为R根据每个用户到其所在基站的信道大尺度衰落因子以及预设的阈值ρ_i，将其划分为小区中心用户或小区边缘用户，其中中心用户数目为k_c，小区边缘用户为k_e。表示第j个小区的第k个用户到第l个小区基站的信道大尺度衰落因子，λ是路径损耗因子，α根据具体信道环境设定的常数，通常典型环境的取值在(0.8R)^λ，表示第l小区第k个用户到第j个小区基站的空间距离，其中，

(2)通过所提出的贪婪分组算法对所有边缘用户再次分组为G组，每组用户集合为S_g,g＝1,2,…,G。集合内用户的数目表示为|S_g|，其中每组的任意用户到其所在的第j个小区基站的达波角都与该组内其他用户到该小区基站的达波角重叠最小；

(3)将k_c+G个正交导频序列分为两部分[S_c|S_e]，其中一部分数目为K_c的导频序列分配给每个小区的K_c个中心用户复用，剩余的G个导频序列分配给G个边缘用户小组，每个边缘用户组的所有用户共用相同的导频序列，每个导频序列长度为τ，SS^H＝τI_M，I_M表示M*M的单位矩阵，S^H表示矩阵S的共轭转置；

(4)以分别表示第j个小区内第k个用户到第i个小区基站的信道信息向量和信道协方差矩阵，所有用户根据分配的导频给所在小区基站发送导频信号，基站根据接收到的导频信号Y_j估计来估计信道，Y_j表示为

其中，表示小区l的所有中心用户到基站j的信道矩阵，表示第g个边缘用户组的第k个用户到第j个小区基站的信道向量，H^T，h^T分别表示表示矩阵H和向量h的转置，为加性高斯白噪声矩阵，N_j中的每个元素独立同分布且均值为0方差为以第j个小区内第k个用户为研究对象，估计出的的信道信息设分配给该用户导频序列s_k，与该用户共用相同的导频序列的用户有m个，表示为{u₁,u₂,…,u_m}，表示用户u_i到第j个小区基站信道协方差矩阵，信道估计可采用经典的最小均方误差估计方法，则得到：

(5)为所有边缘用户分配相同的发射功率p_e，给基站所在小区和相邻小区的中心用户分别分配功率p_c和p_{c_int}，功率比值定义为进行上行链路数据传输。

上述步骤(2)中是本发明中基于用户达波角的信道估计的核心，要求对所有边缘用户分组，由下述步骤确定，通过本发明所提出的贪婪分组算法使得每组的任意用户k到其所在的第j个小区基站的达波角都和该组内其他用户到该基站的达波角重叠尽量最小，包括以下步骤：

1)获取小区边缘用户集合中任意一个用户到其所在小区基站的达波角与其他用户到该小区基站的达波角之间的重叠度：首先T_lk表示第l小区的第k个边缘用户，表示第L个小区内小区边缘用户集合，k_e表示每个小区内小区边缘用户的数目，T＝{T₁,T₂,…,T_L}表示整个***L个小区的小区边缘用户集合，|T|表示用户集合T的元素个数。用户到基站l的多径达波角(AoA)θ_l,j,k1的范围表示为用户对用户带来的AoA重叠表示为其中符号系数标志用户到j小区基站的达波角A_j,l,k2与用户到所在j小区基站的达波角A_j,j,k1是否有重叠，其中表示空集，越小达波角重叠越大。即当且时，用户和用户没有造成相互干扰，在基站天线数目M＞＞K时，用户和的相互干扰被大幅度减弱。小区l的所有小区边缘用户与用户的达波角的重叠表示为

2)用S_g,g＝1,2,…,G表示第g组用户的集合，依次获取G个边缘用户小组中的第一个小区边缘用户成员所有第一个小区边缘用户之间的达波角重叠度最大，即用户集合中的任意两个用户之间的达波角重叠部分最大，具体如下：

21)随机选择一个用户并将用户从用户集合T中移除，更新g的值，g＝2；

22)对未分组用户集合T中的每个用户T_k,k＝1,2,…,|T|，计算用户T_k与已分组用户相互之间的达波角重叠之和，表示为找到相互之间的达波角重叠之和最大的用户则更新g，g＝g+1；

23)如果g＜G，返回第二步，否则得到结束本算法。

3)对于剩余的Lk_e-G个未分组的小区边缘用户，根据每个小区边缘用户小组中所有用户之间达波角重叠度最小的原则将他们依次添加进各个小组，具体如下：

31)从未分组用户集合T中选择任意一个待分组用户，假设这个用户属于j个小区的第k1个用户表示为设用户集合S_g里已分配的第k个用户属于l个小区的第k2个用户，且表示为分别计算G个分组集合中已分配的所有的用户与待分组用户的相互之间角度重叠度：为了使被分到同一组的用户之间干扰小，首先取得之间的较小者，即重叠度大的，然后求得与每个组内所有用户的最大重叠度(因为如果有重叠，将为负数，这里取负数的绝对值最大的)，

32)为了使组内用户之间相互干扰小，即达波角重叠度最小，待分组用户应分配到g^*组，其中则g＝g^*，

33)判断用户集合T是否为空集，如果不是，则返回到第一步；否则结束算法，即得到最后的分组：S_g,g＝1,2,…,G。

图2中可以看出：本发明提出的分组导频设计方案的信道估计误差远远优于基于最小均方误差准则和基于最大似然准则的信道估计方案，同时在一定程度上优于软导频复用设计方案。

图3为几种不同信道估计方案下，用破零检测方法处理接收信号得到的单个小区的平均传输速率关系图，从中可以看出：本发明提出的对小区边缘用户的分组导频设计与对小区中心用户功率控制相结合的方案所得到的单小区传输速率要优于其他传统信道估计方案，并且基站天线数目越多，优势越明显。

从图4中可以看出：本发明方法的传输速率优于基于最小均方误差准则的信道估计方法，并且通过适当增大功率比值γ，可以更进一步提高***的传输速率。

因此，本发明方法能够利用角度域信息节省导频开销，并且能有效减轻小区边缘用户受到的导频污染，降低信道估计误差，同时通过控制用户发射功率提高小区中心用户的性能。***的传输速率得到了很大的提高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于用户达波角的信道估计和功率控制相结合的传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)针对L个小区中的所有用户，利用每个用户到其所在小区基站的信道大尺度衰落因子与该小区预设阈值之间的关系将其划分为小区中心用户或小区边缘用户，设每个小区中的小区中心用户数目为k_c，小区边缘用户数目为k_e；

(2)根据小区边缘用户到其所在小区基站的达波角与其他小区边缘用户到该小区基站的达波角之间的重叠程度将所有小区边缘用户进行分组，设边缘用户小组数目为G；其中，对所有小区边缘用户进行分组，包括以下步骤：

1)获取小区边缘用户集合中任意一个用户到其所在小区基站的达波角与其他用户到该小区基站的达波角之间的重叠度；

2)用S_g,g＝1,2,…,G表示第g组用户的集合，依次获取G个边缘用户小组中的第一个小区边缘用户成员所有第一个小区边缘用户之间的达波角重叠度最大，即用户集合中的任意两个用户之间的达波角重叠部分最大；

3)对于剩余的Lk_e-G个未分组的小区边缘用户，根据每个小区边缘用户小组中所有用户之间达波角重叠度最小的原则将它们依次添加进各个小组；

(3)将k_c+G个正交导频序列分别分配给各小区的小区中心用户和小区边缘用户，L个小区的小区中心用户复用k_c个正交导频序列，每个边缘用户小组中的小区边缘用户复用一个正交导频序列；

(4)对于每个用户，其所在的小区基站根据接收到的导频信号利用最小均方误差估计方法得到该用户的信道估计值；

(5)为所有小区边缘用户分配相同的发射功率p_e，为其所在小区和相邻小区的中心用户分别分配功率p_c和p_{c_int}，功率比值定义为进行上行链路数据传输。

2.根据权利要求1所述的基于用户达波角的信道估计和功率控制相结合的传输方法，其特征在于，步骤(1)中用户到其所在小区基站的信道大尺度衰落因子为：

式中，表示第i个小区中第k个用户到第i个小区基站的信道大尺度衰落因子，λ是路径损耗因子，α根据具体信道环境设定的常数，表示第i个小区中第k个用户到第i个小区基站的空间距离；

若某一用户到其所在的第i个小区基站的信道大尺度衰落因子大于或等于该小区对应的预设阈值ρ_i，则该用户为小区中心用户，否则为小区边缘用户。

3.根据权利要求2所述的基于用户达波角的信道估计和功率控制相结合的传输方法，其特征在于，α的取值为(0.8R)^λ，R为小区半径。

4.根据权利要求1所述的基于用户达波角的信道估计和功率控制相结合的传输方法，其特征在于，步骤(4)中对于第j个小区中的第k个用户，其信道估计值为：

式中，s_k为分配给该用户的导频序列，m为与该用户共用相同的导频序列的用户个数，用户集合表示为{u₁,u₂,…,u_m}，分别表示第j个小区内第k个用户到第j个小区基站的信道协方差矩阵，表示用户u_i到第j个小区基站的信道协方差矩阵，τ为导频序列的长度，为加性高斯白噪声的方差，I_M表示M*M的单位矩阵，Y_j为第j个小区基站接收到的导频信号。