大规模MIMO系统导频污染问题研究

杨济海 刘兴 杨涛 薛鹏

摘   要：Massive MIMO也称为大规模多输入多输出系统，是通过在基站端布置上百根的天线，利用天线数的增多来提升通信效率，进而获得极大的增益。在Massive MIMO系统中，影响系统性能的一个主要问题是导频复用造成的导频污染，文章对Massive MIMO信道模型和导频污染进行分析，深入研究了导频分配技术，并通过仿真验证了其抑制导频污染的可行性。

关键词：大规模多输入多输出系统;导频污染;导频分配

在大规模多输入多输出系统（Massive Multiple-Input Multiple-Output，Massive MIMO）中，系统为每个终端分配一个正交上行导频序列，而存在的正交导频序列的最大个数是由信道相干时间间隔除以信道延迟扩展决定的。因此在多小区系统中，很容易超出可以提供的正交导频个数[1-2]。两个小区间使用相同的导频序列所产生的影响和相关的消极结果称为导频污染。基于受污染的信道估计的下行链路波束成形会对使用同一个导频序列的这些终端，造成内部定向干扰。类似的干扰和上行链路数据传输有关。这些定向干扰会随着服务天线的个数同比例增长[3]。

1    系统模型

考虑到多小区多用户MIMO系统中L个小区分享同一个频率带宽，同样的长度为τ的导频信号集合。每个小区由一个配备有M个天线阵列的基站以及K个单天线用户组成，则第l个小区中基站接收到的M×1向量：

其中，Hli表示第i个小区中K个用户到第l个小区中基站的快衰落系数矩阵，Dli1/2表示第i个小区中K个用户到第l个小区中基站的大尺度衰落系数（Large Scale Fading Coefficient，LSFC）矩阵，在一个相干时间内，可以认为同一个用户到达指定基站天线的大尺度衰落系数是不变的[4-5]。

2    导频污染

在导频训练阶段，小区内的用户分配一套相互正交的导频序列，导频序列的长度为τ，K个用户使用的导频序列可以用一个τ×K的矩阵来表示（pp=τpu），。第l个小区（目标小区）内基站接收到信息为：

其中，Gli表示第i个小区中K个用户到第l个小区中M个基站天线的M×K传输矩阵，用表示第l个小区中M根基站天线到第l小区中K个用户的信道传输矩阵的估计，则：

3    导频分配

其中，rlik表示小区i中第k个用户到小区l中基站的距离，γ表示几何衰减指数;zlik是一个对数正态随机变量，σshadow表示阴影衰落的标准差。这里假设同一基站的M根天线所组成的天线阵列足够紧凑，对特定的用户有着相同的大尺度衰落。且由于几何衰落和阴影衰落在空间维度变化较慢，βlik相对于基站天线指数m不变。等效的SINR可以写作：

小区l中用户k收到的由导频污染带来的小区间干扰来自于其他小区中与用户k使用相同导频训练序列的用户，即，不同用户配对情况下基站接收到的每个用户的干扰信号也不相同。可以将导频序列自适应地分配给网络中的不同用户。导频分配就是对使用相同导频序列的用户进行优化配对组合，从而减小其他小区用户由导频污染带来的干扰，目的在于整个系统可达和速率最大化。

4    仿真分析

采用穷举法遍历所有可能的用户配对组合（L=2，K=4），以每个用户的平均可达速率为目标参数，仿真得到的结果如图1所示，“Max”表示链路速率的最优结果，反映出导频优化分配的可行性;“Min”表示导频复用引起的导频污染对系统性能最严重的影响程度;“Avg”表示不同的导频分配情况下系统能够达到的平均性能。从图1可以看出，在50%分界点处，最优的导频分配结果相对于平均情况下对每个用户的平均速率，有约3 bit/s/Hz的改善。

5    结语

本文分析了Massive MIMO系统的模型，对Massive MIMO系统的导频污染问题和导频分配技术进行了研究，仿真表明合理的导频分配方式可以提升系统性能，抑制导频污染问题的影响。

[参考文献]

[1]MARZETTA T L.Noncooperative cellular wireless with unlimited numbers of base station antennas[J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2010（11）：3590-3600.

[2]BJ?RNSON E，LARSSON E G，MARZETTA T L.Massive MIMO：ten myths and one critical question[J].IEEE Communications Magazine，2016（2）：114-123.

[3]AGIWAL M，ROY A，SAXENA N.Next generation 5G wireless networks： a comprehensive survey[J].IEEE Communications Surveys & Tutorials，2016（3）：1.

[4]NGO H Q，LARSSON E K，MARZETTA T L.Energy and spectral efficiency of very large multiuser MIMO systems[J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2013（4）：1436-1449.

[5]戚晨皓，黃永明，金石.大规模MIMO系统研究进展[J].数据采集与处理，2015（3）：544-551.