大规模MIMO系统下的导频随机接入方案

李晓洁， 李 颖， 韩会梅

(西安电子科技大学 综合业务网理论及关键技术国家重点实验室，陕西 西安 710071)

大规模MIMO系统下的导频随机接入方案

李晓洁， 李 颖， 韩会梅

(西安电子科技大学 综合业务网理论及关键技术国家重点实验室，陕西 西安 710071)

针对大规模多输入多输出系统下的导频污染问题，提出了一种联合最强用户冲突解决算法和定时提前信息的导频随机接入方案．考虑到传播时延的影响，基站端为每个导频选择合适的定时提前信息，从而减少使用最强用户冲突解决算法竞争导频的用户数，最终提高系统的冲突解决概率．仿真结果表明，与最强用户冲突解决算法相比，文中方案可显著提高系统中成功用户数．

大规模多输入多输出系统;导频污染;最强用户冲突解决算法;定时提前信息

大规模多输入多输出(Multiple Input Multiple Output， MIMO)是指在基站端配置大量天线，利用空分多址原理同时为多个用户提供服务的技术．该技术能够获得较高的频谱利用率、数据速率和能量效率．在针对人与人(Human to Human， H2H)通信的大规模MIMO系统中，每个用户拥有一个专用导频，导频的正交性使得基站可以准确估计出用户到基站的信道参数．但是，在机器与机器(Machine to Machine，M2M)通信场景下，小区内机器类型通信(Machine Type Communications， MTC)用户数量远大于H2H用户数，此时传统导频分配方案不再适用．为了支持大规模MIMO系统下的 M2M 通信，文献[1]提出，在网络拥挤情况下，可以采用随机接入机制分配导频[2]．随机接入机制可在一定程度上解决导频短缺问题，但不可避免地存在多个用户同时选择相同导频的情况，从而造成导频污染．

为了解决导频污染问题，文献[1]提出基于编码的导频随机接入(Coded Pilot Access，CPA)方案．在该方案中，用户将导频序列与数据信息在多个时隙中发送，基站端利用迭代干扰抵消算法同时恢复多个用户的数据．由于该方案需结合多个时隙的信息进行数据恢复，并不适用于低时延场景[3]．文献[4]提出最强用户冲突解决(Strongest-User Collision Resolution，SUCR)方案，该方案通过用户与基站之间的相互协作，在参与竞争相同导频的用户中选择信道增益最大的用户作为最强用户，并为其分配导频．该方案能够极大地提高导频利用率，但随着竞争同一导频用户数的增长，其冲突解决能力逐渐降低．为了进一步提高系统中成功接入的用户数，笔者利用大多数MTC用户处于低速运动，甚至静止状态的特点，借鉴文献[5]设计的基于定时提前(Timing Advance，TA)信息的随机接入方案，提出了一种联合SUCR算法和TA信息(Strongest-User Collision Resolution-Timing Advance， SUCR-TA)的随机接入方案．该方案通过量化用户传播时延得到 TA 信息，并允许基站根据接收信息为导频选择合适的TA值，从而减少利用SUCR算法进行冲突解决的用户数，提高系统的冲突解决概率．仿真结果表明，与SUCR方案相比，SUCR-TA方案极大地提高了系统中成功接入的用户数．

图1 系统模型示意图

1 系统模型

文中考虑一个六边形单小区的时分双工蜂窝网络系统[6]，如图1所示，其中基站端配备M根天线，小区内有K个处于激活状态的单天线用户．根据16Tunit量化用户的传播时延得到各用户的TA信息，图1中Tk表示用户k的TA信息，半径为R的小区中的最大TA值Q=R/(16cTunit)，即Tk∈ {1,2,…,Q}，用区间Ⅰ表示TA信息均为1的用户所属区域，其中，c为光速，Tunit为长期演进(Long Term Evolution，LTE)的最小时间单位[7]．

2 基于定时提前信息的导频随机接入方案

图2 导频随机接入过程示意图

文中采用τp个相互正交的、长度为L的ZC(Zadoff-Chu)序列作为导频序列[7]． ZC序列作为LTE系统的随机接入前导码，有着优秀的自相关和互相关特性，可使正交用户之间不存在干扰，且通过根序列的循环移位即可产生一组相互正交的序列．在每个导频序列头部添加循环前缀(Cyclic Prefix，CP)，可使传播时延引起的序列平移转换为序列的循环移位，此时基站可以通过计算接收序列与特定导频序列之间的互相关值，检测接收序列中是否包含该序列，其中CP长度由小区半径和多径时延决定．

文中所提SUCR-TA方案步骤如图2所示，其主要思想为: 基站为导频选择合适的TA信息，并连同预编码矩阵发送至用户，只有通过TA校验的用户被允许执行SUCR算法进行冲突解决，详细的方案描述如下:

步骤1 用户发送导频序列．MTC用户从τp个导频序列中随机选择导频并发送，令c(k)表示用户k选取的导频序列索引，所有用户发送的导频信号在基站端将叠加为

(1)

步骤2 基站广播导频随机接入响应(Pilot Random Access Response，PRAR)信息．基站根据接收信号Y，首先检测各导频序列在各TA区间是被用户选择的状态，然后根据检测结果为每个导频选择TA信息，最后计算预编码矩阵V．详细过程如下:

(1) 检测各TA区间中导频序列的状态．为确定导频t是否被区间n中用户选中，基站需计算接收序列Y与移位后的导频序列的互相关值:

t=1，2，…，L，

(2)

(3)

(3) 计算预编码矩阵V．基站根据所选TA信息，计算预编码矩阵V[3]，

(4)

最后，基站将选择的TA信息和预编码矩阵V作为PRAR信息，通过下行信道发送至用户端．此时，用户k接收到的对应预编码矩阵信号为

(5)

步骤4 基站为成功用户分配导频序列．基站根据接收到的二次导频信息和ID信息，依步骤2所述检测方法，检测用户是否发生碰撞．若没有，则基站为该用户分配导频序列；否则，认为该用户导频接入失败．

3 性能分析

用S表示系统成功接入的用户数，则有

S=LPs，

(6)

其中，Ps表示导频碰撞解决的概率，可按照下式计算:

(7)

(8)

(9)

Rn，t表示区间n中选择导频t的用户冲突被解决的概率[3]，可表示为

其中，αk表示用户k为最强用户的概率，γk表示用户k不是最强用户的概率．

将式(8)和式(9)代入式(7)，可得

将式(11)代入式(6)，即可得到系统成功用户数．

由于无法从式(11)得到更为明确的表达式，笔者通过大量的仿真拟合得到小区内任意x个用户执行SUCR算法的冲突解决概率，即η(x)=aexp(bx)+cexp(dx)，其中，a= 0.512 5，b= -0.402 2，c= 0.676 7，d= -0.008 046．用η(x)替代式(11)中的Rn，t，其中x=Nn，t，即可得到Ps的近似数值分析结果．

4 仿真结果

文中分别仿真了系统中成功用户数随基站端接收天线数M与小区内激活用户数K的变化曲线，仿真中使用的参数为:L= 60，R=312．为了避免同一TA区间内由于用户信噪比差距减小而导致SUCR算法冲突解决概率下降的问题，笔者在仿真中随机化小区内用户的发射功率，即用户的发射功率为区间(0，1]内的任意值．

图3为系统中成功用户数随基站接收天线数M的变化曲线，其中小区内激活用户数K=120．图3中同时给出了文中方案与SUCR方案的仿真和分析结果．观察图像可知，当M≤20 时，系统中成功用户数随着天线数的增长急剧增长；当M>20 时，成功接入用户数增长缓慢，甚至趋于水平，表明天线数的增长不能无限地提高系统性能．与SUCR算法相比，SUCR-TA算法明显提高了成功接入用户数．

图3 系统中成功用户数随天线数的变化曲线图4 系统中成功用户数随小区内用户数的变化曲线

图4为系统中成功用户数随小区内激活用户数K的变化曲线，其中天线数M=100．图4中分别给出了不同方案的仿真、理论分析和数值分析结果．由图可知，当用户数K<150 时，随着用户数的增长，系统中成功用户数急剧增长；当K>200 时，成功用户数逐渐降低．与SUCR算法相比，SUCR-TA算法在K>L的情况下可显著提高系统中成功用户数．图4中给出的数值分析结果与理论分析值完全吻合，验证了文中理论分析结果的有效性．此外，根据文献[9]中提出的基于空导频的最强用户冲突解决(SUCR-Idle Pilot Access，SUCR-IPA)算法，图4还给出了在SUCR-TA基础上利用空导频的SUCR-IPA-TA的性能曲线．观察可知，当K<150 时，空导频的利用可有效提升系统性能．

5 结 束 语

为了解决大规模MIMO系统下的导频污染问题，笔者提出一种联合SUCR算法和TA信息的导频随机接入方案，通过为导频选择合适的TA信息，减少使用SUCR算法进行冲突解决的用户数，进而提升系统中成功用户数，极大缓解了大规模MIMO系统的导频污染问题．理论分析结果和仿真实验结果验证了该方案的有效性．

参考文献：

[1] BJÖRNSON E, de CARVALHO E, SØRENSEN J H, et al. Random Access Protocols for Massive MIMO[J/OL].[2016-10-20]. http://arxiv.org/abs/1606.02080v1.

[2] HASAN M, HOSSAIN E, NIYATO D. Random Access for Machine-to-machine Communication in LTE-advanced Network: Issues and Approaches[J]. IEEE Communications Magazine, 2013, 51(6): 86-93.

[3] SORENSEN J H, de CARVALHO E, POPOVSKI P. Massive MIMO for Crowd Scenarios: a Solution Based on Random Access[C]//Proceedings of the 2014 IEEE Globecom Workshops. Piscataway: IEEE, 2014: 352-357.

[4] BJÖRNSON E, de CARVALHO E, LARSSON E G, et al. Random Access Protocol for Massive MIMO: Strongest-user Collision Resolution(SUCR)[C]//IEEE International Conference on Computer and Communications. Piscataway: IEEE, 2016: 1-6.

[5] WANG Z, WONG V W S. Optimal Access Class Barring for Stationary Machine Type Communication Devices with Timing Advance Information[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2015, 14(10): 5374-5387.

[6] JOSE J, ASHIKHMIN A, MARZETTA T L, et al. Pilot Contamination and Precoding in Multi-cell TDD Systems[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2011, 10(8): 2640-2651.

[7] 3GPP. E-UTRA-Physical Channels and Modulation: TS 36.211[S/OL].[2016-11-20]. http://www.tech-invite.com/3m36/tinv-3gpp-36-211.html.

[8] NGO H Q, LARSSON E G, MARZETTA T L. Aspects of Favorable Propagation in Massive MIMO[C]//Proceedings of the European Signal Processing Conference. Piscataway: IEEE, 2014: 76-80.

[9] HAN H M, GUO X D, LI Y. A High Throughput Pilot Allocation for M2M Communication in Crowded Massive MIMO Systems[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2016, PP(99):1.

PilotrandomaccessschemeinmassiveMIMOsystems

LIXiaojie，LIYing，HANHuimei

(State Key Lab. of Integrated Service Networks, Xidian Univ., Xi’an 710071, China)

To resolve the pilot contamination problem in massive multiple input multiple output(MIMO) systems, a pilot random access scheme called Strongest User Collision Resolution-Timing Advance(SUCR-TA), is proposed. This scheme takes the propagation delay into account, and selects an appropriate TA information for pilot to reduce the number of contenders who will perform the SUCR algorithm, and thus improves the probability of collision resolution. Simulation results demonstrate that, compared to the SUCR algorithm, the SUCR-TA scheme can significantly increase the number of the successful users of the system.

massive multiple input multiple output systems; pilot contamination; strongest-user collision resolution; timing advance

2017-01-11

时间：2017-06-29

国家自然科学基金资助项目(61671345)

李晓洁(1993-)，女，西安电子科技大学硕士研究生，E-mail：rgyls123@sina.com．

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20170629.1734.020.html

10.3969/j.issn.1001-2400.2018.01.010

TN915.65

A

1001-2400(2018)01-0055-05

(编辑： 齐淑娟)