大规模多天线系统中一种导频联合调度方案设计

马 雄，袁浩铭

(南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京，210003)

大规模多天线系统中一种导频联合调度方案设计

马 雄，袁浩铭

(南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京，210003)

导频污染严重制约了大规模多天线系统技术的进步，如何抑制大规模多天线系统中的导频污染成为了研究的热点。在基于时移导频调度的基础上，提出了一种结合频率部分复用技术的导频联合调度策略。该策略首先将小区分为若干组，在其中一组接收导频的同时，其他组进行下行链路的信息传输，然后再利用部分频率复用技术将系统带宽分为若干个子载波，在同一组各个小区的边界区域分别以正交分配方式分配不同的子载波，因此在同一组内小区边界用户收到的干扰源数量会大大降低，从而达到抑制导频污染的目的。仿真结果表明，该联合调度策略有效地降低系统的误码率。

MIMO；导频污染；导频调度；部分频率复用

0 引言

大规模多天线系统从诞生到现在仅有十余年时间，很多理论和技术都没有经过实践的验证，目前在大规模多天线系统的信道建模、信道估计等方面只能在理想状态下，即信道处于独立同分布的状态下进行研究，这显然是并不符合实际的。已经有事实证明大规模多天线系统在某些情况下并不能满足独立同分布的理想状态，这就意味着对于其信道建模和估计远远还不成熟。而对于系统信道的估计误差，意味着无法精确估计信道容量和各个关键指标，无法深入揭示信道特征对于系统的影响，从而不能对导频污染研究出针对性的措施。目前对于导频污染的抑制技术[1]，基于导频调度和预编码技术[2]的方案只能在一定程度上对污染进行缓解，而不能从根本上解决导频污染的问题，而规避导频的盲估计技术[3]还远远不成熟，尽管规避了导频污染，却无法对信道状态进行精确估计，因此导频污染依旧还是制约大规模多天线技术的瓶颈。

从目前来看，对于大规模多天线系统抑制导频污染技术的研究应该集中于以下三个方面：

(1)利用更加有效的预编码算法对信号进行调制。目前有基于MMSE的导频污染预编码算法[4]，也有基于信号最大化与泄露加噪声比的预编码算法，更有基于模值下降(HDS)和VP预编码技术和指向性交互禁忌搜索(ORTS)的VP预编码技术，对于预编码技术的研究，前景相关广阔。

(2)更有针对性的导频设计和调度方案。目前已经存在的导频调度方案有基于时间的时移导频调度方案[5]和基于空间的软频率复用方案，而针对于系统导频资源的有限性，对于导频的设计方案也是抑制导频污染的选择。是否能够研究出更具针对性的导频调度方案，或许说设计新的导频，进而在有限条件下挖掘导频潜力，是未来导频污染抑制技术的优选之一。

(3)更精确的信道估计方案。目前有基于MMSE的信道估计技术[6]、半盲估计技术和对用户角度定位，从而利用波束成形减轻干扰的DOA估计技术[7]等。如何对信道参数进行精确估计，也成为大规模多天线技术研究的热点之一。

1 大规模多天线系统中的导频污染

大规模MIMO中的导频污染主要由邻区用户的非正交导频序列的重复发送导致。在一个多小区的系统中，由于系统内部各导频序列具备正交性，因此系统内的干扰可以被忽略不计，此时的干扰主要来源于相邻小区间的污染。当所有小区均使用相同导频时，第小区的基站接收的信号量为：

(1)

在第l个小区的信道估计矩阵为:

(2)

通过对下行链路的信道估计，可以得出在所设计的系统模型中，均有噪声污染的存在。

在进行导频污染的研究之前，为了用更简单更深刻的方式进行分析，设定为K=1的多小区单用户模型，且各小区间的训练序列相同，不妨采用传统的匹配滤波器预编码，则第j个小区内用户接收的信号为：

(3)

对于下行链路的Hi,j采用基于MMSE的信道估计，可以得到：

(4)

对MMSE算法的预编码矩阵WMMSE=HH(HHH+βI)-1进行矩阵求逆得：

(5)

由上述公式得知，信道估计的结果和sTyl有很大关系，各小区的训练序列相同，导致了基站不能轻易识别出信号是否来源于特定用户或者是邻小区用户，继而造成了导频污染。

系统速率为：

(6)

(7)

所以：

(8)

(9)

(10)

可得：

(11)

(12)

所以对于M趋近于无穷时的情况，下行链路传输速率套用系统快衰落系数矩阵可得：

(13)

(14)

从上述的推理过程可得，由于导频污染的存在，系统速率并未随着天线数量的增长而增长，而是趋近于饱和，因此导频污染因此成为限制大规模MIMO系统性能提高的关键瓶颈之一。

2 基于时移的导频调度方案

这种调度方案的基本思想就是将系统内的多个小区划分为A1,…,AΓ个小组，从而将一个相干时间内的导频传输过程分成两个阶段，在第一个阶段，位于第Aγ个小组内的所有小区接收属于自己的导频信息，与此同时其他所有小区接收下行链路数据；第二阶段则在第Aγ组所有小区完成导频传输之后，由另一组的小区接收导频，周而复始，直到完成整个系统的导频传输。其过程如图1所示。

图1 时移导频调度方案

这个过程中，用来传输导频、上行链路、下行链路和处理信息的OFDM符号数量分别为K=3,U=2,D=5,P=1，根据这种方式，一个相干时间内的导频传输顺序被依次分为三种，因为不管是哪一种模式，每一个传输信息因子的结构都应该保持完整性，不能够出现在同一个相干时间内导频结构分裂的情况。

3 基于时移和部分频率复用联合调度方案设计

3.1 部分频率复用技术

在OFDM系统中，为了抑制小区间干扰，部分频率复用技术应运而生。基本的频率复用方案是将带宽划分为多个子带或者信道，然后以正交的方式分配给相邻小区。J表示频率复因子，表明系统将如何有效利用带宽。图2为J=3时的频率复用方案。

图2 J=3时频率复用方案

图时频率复用方案

3.2 联合调度方案及系统模型

在前面描述的时移导频调度方案中，将系统内多个小区分成若干组，在某一组的特定小区进行上行链路导频传输的时候，组内其他小区以及组外小区进行下行链路信号的传输，在方案的最后得出结论，进行导频传输的小区只会受到组内其他小区的干扰。而联合调度方案则结合前者和频率部分复用的思想，先将所有小区分组，并采用时移导频调度方案，然后在每个组内进行频率部分复用，分配子载波，使组内各小区邻区发送正交的子载波，从而大大降低系统差错率。这就是联合调度方案的思想。

考虑一个大规模MIMO系统下共有L个基于TDD的小区模型，采用OFDM方式调制，每个小区在中心位置有一个配备M根天线的基站，并有K个用户随机分布在小区内。现在有如下约定：

(1)所有移动终端的信号均可以被所有小区的基站接收到。

(2)系统能够精确获得慢衰落系数βi,l。

(3)假定每一组内小区数量相同。

3.3 联合调度方案理论分析

现将系统所有小区分成A1,…，A,…,AΓ个组，并采用部分频率复用技术，频率复用因子为J，假设第i个小区位于小组Aλ中，则该小区基站对小区第k′个用户的信道估计为：

(15)

其中j表示与第i个小区同在一组并且在采用频率复用技术之后与第i个小区使用同一子载波的某一小区。时移导频调度方案中上下行链路的信噪比分别为：

(16)

(17)

而在系统没有进行导频调度的情况下，根据推导，系统上下行链路信干噪比为：

(18)

(19)

相互对比可得，在采用了导频调度策略后的系统受到的干扰只来源于组内小区干扰。

现在进行联合调度策略和时移导频调度策略信干比的对比。

设定两种方案在采用相同的时移导频方案，即将所有小区分成相同的Γ组。当系统采用联合调度策略时，假定将总数为Ssmooth的子载波进行分配，频率复用因子为J，根据前文可得，采用部分频率复用策略时，J>1，即所有小区分组的组数大于1，即在同一组中，小区使用两个或者两个以上的不同子载波，而在采用单独时移导频传输策略的情况下，由于全部小区使用同一子载波，因此每一组使用同一种子载波的用户数量显然大于前者，对于采用联合调度方案的第i个小区的第k′个用户而言，所受到的干扰源数量远远小于后一种方案。

在大规模MIMO系统中，假定发送的符号为高斯随机变量，除去循环前缀和导频开销，可以得到其上行链路的信道容量为：

(20)

(21)

根据时移导频调度方案的分析，对于每一个小区，其上行链路和下行链路的信息传输过程是分开进行的，也就是说本来用于同步传输下行链路数据的OFDM符号也被用来传输上行链路信息，所以假设第i个小区正在进行上行链路信息的接收，其信息传输速率为：

表1 MATLAB仿真参数表

SINRUp)

(22)

对于小区下行链路信息传输速率的分析大致相同，本文不再重复推导。

4 仿真与性能分析

本节将从两个角度对联合调度方案进行仿真和分析，考虑一个包含有7个小区的TDD模型，占用相同的频谱资源，并使用相同的导频，主要仿真参数如表1所示。

图4研究了系统在不采用导频调度策略、采用时移导频调度策略和采用联合导频调度策略时，系统误码率和信噪比变化的关系。从图中可以看出，没有采用导频调度策略的系统误码率随着信噪比的增加而降低，但到了一定阈值之后就趋于平稳，不再降低，而采用两种调度方案的系统误码率均有大幅度的降低，其中联合调度方案的效果要好于时移导频调度方案。

图4 三种情况下系统误码率变化对比

图5 J取值不同时信息传输速率与信噪比的关系

是随着J线性变化的，仿真结果也验证了这一点。值得注意的是，采用导频传输时的速率略高于采用联合调度策略的速率，这是因为联合调度策略是以牺牲一部分小区带宽作为代价来提高对抗导频污染的能力，这也符合之前的推论。

5 结论

本文在基于时移导频调度的基础上，提出了一种结合频率部分复用技术的导频联合调度策略。通过与采用时移导频调度策略以及未采用导频策略的比较发现，采用联合调度策略的系统误码率大幅度降低，仿真结果也验证了这一点。值得注意的是，采用导频传输时的速率略高于采用联合调度策略的速率，这是因为联合调度策略是以牺牲一部分小区带宽作为代价来提高对抗导频污染的能力。

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[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

马雄，袁浩铭. 大规模多天线系统中一种导频联合调度方案设计[J].微型机与应用，2016,35(22)：77-80,91.

2016-07-19)

马雄(1990-)，男，硕士，主要研究方向：无线通信与移动计算机。

袁浩铭(1990-)，男，硕士，主要研究方向：无线通信与移动计算机。