大規(guī)模多天線系統(tǒng)中一種導(dǎo)頻聯(lián)合調(diào)度方案設(shè)計

馬 雄，袁浩銘

(南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京，210003)

大規(guī)模多天線系統(tǒng)中一種導(dǎo)頻聯(lián)合調(diào)度方案設(shè)計

馬 雄，袁浩銘

(南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京，210003)

導(dǎo)頻污染嚴重制約了大規(guī)模多天線系統(tǒng)技術(shù)的進步，如何抑制大規(guī)模多天線系統(tǒng)中的導(dǎo)頻污染成為了研究的熱點。在基于時移導(dǎo)頻調(diào)度的基礎(chǔ)上，提出了一種結(jié)合頻率部分復(fù)用技術(shù)的導(dǎo)頻聯(lián)合調(diào)度策略。該策略首先將小區(qū)分為若干組，在其中一組接收導(dǎo)頻的同時，其他組進行下行鏈路的信息傳輸，然后再利用部分頻率復(fù)用技術(shù)將系統(tǒng)帶寬分為若干個子載波，在同一組各個小區(qū)的邊界區(qū)域分別以正交分配方式分配不同的子載波，因此在同一組內(nèi)小區(qū)邊界用戶收到的干擾源數(shù)量會大大降低，從而達到抑制導(dǎo)頻污染的目的。仿真結(jié)果表明，該聯(lián)合調(diào)度策略有效地降低系統(tǒng)的誤碼率。

MIMO；導(dǎo)頻污染；導(dǎo)頻調(diào)度；部分頻率復(fù)用

0 引言

大規(guī)模多天線系統(tǒng)從誕生到現(xiàn)在僅有十余年時間，很多理論和技術(shù)都沒有經(jīng)過實踐的驗證，目前在大規(guī)模多天線系統(tǒng)的信道建模、信道估計等方面只能在理想狀態(tài)下，即信道處于獨立同分布的狀態(tài)下進行研究，這顯然是并不符合實際的。已經(jīng)有事實證明大規(guī)模多天線系統(tǒng)在某些情況下并不能滿足獨立同分布的理想狀態(tài)，這就意味著對于其信道建模和估計遠遠還不成熟。而對于系統(tǒng)信道的估計誤差，意味著無法精確估計信道容量和各個關(guān)鍵指標，無法深入揭示信道特征對于系統(tǒng)的影響，從而不能對導(dǎo)頻污染研究出針對性的措施。目前對于導(dǎo)頻污染的抑制技術(shù)[1]，基于導(dǎo)頻調(diào)度和預(yù)編碼技術(shù)[2]的方案只能在一定程度上對污染進行緩解，而不能從根本上解決導(dǎo)頻污染的問題，而規(guī)避導(dǎo)頻的盲估計技術(shù)[3]還遠遠不成熟，盡管規(guī)避了導(dǎo)頻污染，卻無法對信道狀態(tài)進行精確估計，因此導(dǎo)頻污染依舊還是制約大規(guī)模多天線技術(shù)的瓶頸。

從目前來看，對于大規(guī)模多天線系統(tǒng)抑制導(dǎo)頻污染技術(shù)的研究應(yīng)該集中于以下三個方面：

(1)利用更加有效的預(yù)編碼算法對信號進行調(diào)制。目前有基于MMSE的導(dǎo)頻污染預(yù)編碼算法[4]，也有基于信號最大化與泄露加噪聲比的預(yù)編碼算法，更有基于模值下降(HDS)和VP預(yù)編碼技術(shù)和指向性交互禁忌搜索(ORTS)的VP預(yù)編碼技術(shù)，對于預(yù)編碼技術(shù)的研究，前景相關(guān)廣闊。

(2)更有針對性的導(dǎo)頻設(shè)計和調(diào)度方案。目前已經(jīng)存在的導(dǎo)頻調(diào)度方案有基于時間的時移導(dǎo)頻調(diào)度方案[5]和基于空間的軟頻率復(fù)用方案，而針對于系統(tǒng)導(dǎo)頻資源的有限性，對于導(dǎo)頻的設(shè)計方案也是抑制導(dǎo)頻污染的選擇。是否能夠研究出更具針對性的導(dǎo)頻調(diào)度方案，或許說設(shè)計新的導(dǎo)頻，進而在有限條件下挖掘?qū)ьl潛力，是未來導(dǎo)頻污染抑制技術(shù)的優(yōu)選之一。

(3)更精確的信道估計方案。目前有基于MMSE的信道估計技術(shù)[6]、半盲估計技術(shù)和對用戶角度定位，從而利用波束成形減輕干擾的DOA估計技術(shù)[7]等。如何對信道參數(shù)進行精確估計，也成為大規(guī)模多天線技術(shù)研究的熱點之一。

1 大規(guī)模多天線系統(tǒng)中的導(dǎo)頻污染

大規(guī)模MIMO中的導(dǎo)頻污染主要由鄰區(qū)用戶的非正交導(dǎo)頻序列的重復(fù)發(fā)送導(dǎo)致。在一個多小區(qū)的系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)內(nèi)部各導(dǎo)頻序列具備正交性，因此系統(tǒng)內(nèi)的干擾可以被忽略不計，此時的干擾主要來源于相鄰小區(qū)間的污染。當所有小區(qū)均使用相同導(dǎo)頻時，第小區(qū)的基站接收的信號量為：

(1)

在第l個小區(qū)的信道估計矩陣為:

(2)

通過對下行鏈路的信道估計，可以得出在所設(shè)計的系統(tǒng)模型中，均有噪聲污染的存在。

在進行導(dǎo)頻污染的研究之前，為了用更簡單更深刻的方式進行分析，設(shè)定為K=1的多小區(qū)單用戶模型，且各小區(qū)間的訓(xùn)練序列相同，不妨采用傳統(tǒng)的匹配濾波器預(yù)編碼，則第j個小區(qū)內(nèi)用戶接收的信號為：

(3)

對于下行鏈路的Hi,j采用基于MMSE的信道估計，可以得到：

(4)

對MMSE算法的預(yù)編碼矩陣WMMSE=HH(HHH+βI)-1進行矩陣求逆得：

(5)

由上述公式得知，信道估計的結(jié)果和sTyl有很大關(guān)系，各小區(qū)的訓(xùn)練序列相同，導(dǎo)致了基站不能輕易識別出信號是否來源于特定用戶或者是鄰小區(qū)用戶，繼而造成了導(dǎo)頻污染。

系統(tǒng)速率為：

(6)

(7)

所以：

(8)

(9)

(10)

可得：

(11)

(12)

所以對于M趨近于無窮時的情況，下行鏈路傳輸速率套用系統(tǒng)快衰落系數(shù)矩陣可得：

(13)

(14)

從上述的推理過程可得，由于導(dǎo)頻污染的存在，系統(tǒng)速率并未隨著天線數(shù)量的增長而增長，而是趨近于飽和，因此導(dǎo)頻污染因此成為限制大規(guī)模MIMO系統(tǒng)性能提高的關(guān)鍵瓶頸之一。

2 基于時移的導(dǎo)頻調(diào)度方案

這種調(diào)度方案的基本思想就是將系統(tǒng)內(nèi)的多個小區(qū)劃分為A1,…,AΓ個小組，從而將一個相干時間內(nèi)的導(dǎo)頻傳輸過程分成兩個階段，在第一個階段，位于第Aγ個小組內(nèi)的所有小區(qū)接收屬于自己的導(dǎo)頻信息，與此同時其他所有小區(qū)接收下行鏈路數(shù)據(jù)；第二階段則在第Aγ組所有小區(qū)完成導(dǎo)頻傳輸之后，由另一組的小區(qū)接收導(dǎo)頻，周而復(fù)始，直到完成整個系統(tǒng)的導(dǎo)頻傳輸。其過程如圖1所示。

圖1 時移導(dǎo)頻調(diào)度方案

這個過程中，用來傳輸導(dǎo)頻、上行鏈路、下行鏈路和處理信息的OFDM符號數(shù)量分別為K=3,U=2,D=5,P=1，根據(jù)這種方式，一個相干時間內(nèi)的導(dǎo)頻傳輸順序被依次分為三種，因為不管是哪一種模式，每一個傳輸信息因子的結(jié)構(gòu)都應(yīng)該保持完整性，不能夠出現(xiàn)在同一個相干時間內(nèi)導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)分裂的情況。

3 基于時移和部分頻率復(fù)用聯(lián)合調(diào)度方案設(shè)計

3.1 部分頻率復(fù)用技術(shù)

在OFDM系統(tǒng)中，為了抑制小區(qū)間干擾，部分頻率復(fù)用技術(shù)應(yīng)運而生?；镜念l率復(fù)用方案是將帶寬劃分為多個子帶或者信道，然后以正交的方式分配給相鄰小區(qū)。J表示頻率復(fù)因子，表明系統(tǒng)將如何有效利用帶寬。圖2為J=3時的頻率復(fù)用方案。

圖2 J=3時頻率復(fù)用方案

圖時頻率復(fù)用方案

3.2 聯(lián)合調(diào)度方案及系統(tǒng)模型

在前面描述的時移導(dǎo)頻調(diào)度方案中，將系統(tǒng)內(nèi)多個小區(qū)分成若干組，在某一組的特定小區(qū)進行上行鏈路導(dǎo)頻傳輸?shù)臅r候，組內(nèi)其他小區(qū)以及組外小區(qū)進行下行鏈路信號的傳輸，在方案的最后得出結(jié)論，進行導(dǎo)頻傳輸?shù)男^(qū)只會受到組內(nèi)其他小區(qū)的干擾。而聯(lián)合調(diào)度方案則結(jié)合前者和頻率部分復(fù)用的思想，先將所有小區(qū)分組，并采用時移導(dǎo)頻調(diào)度方案，然后在每個組內(nèi)進行頻率部分復(fù)用，分配子載波，使組內(nèi)各小區(qū)鄰區(qū)發(fā)送正交的子載波，從而大大降低系統(tǒng)差錯率。這就是聯(lián)合調(diào)度方案的思想。

考慮一個大規(guī)模MIMO系統(tǒng)下共有L個基于TDD的小區(qū)模型，采用OFDM方式調(diào)制，每個小區(qū)在中心位置有一個配備M根天線的基站，并有K個用戶隨機分布在小區(qū)內(nèi)。現(xiàn)在有如下約定：

(1)所有移動終端的信號均可以被所有小區(qū)的基站接收到。

(2)系統(tǒng)能夠精確獲得慢衰落系數(shù)βi,l。

(3)假定每一組內(nèi)小區(qū)數(shù)量相同。

3.3 聯(lián)合調(diào)度方案理論分析

現(xiàn)將系統(tǒng)所有小區(qū)分成A1,…，A,…,AΓ個組，并采用部分頻率復(fù)用技術(shù)，頻率復(fù)用因子為J，假設(shè)第i個小區(qū)位于小組Aλ中，則該小區(qū)基站對小區(qū)第k′個用戶的信道估計為：

(15)

其中j表示與第i個小區(qū)同在一組并且在采用頻率復(fù)用技術(shù)之后與第i個小區(qū)使用同一子載波的某一小區(qū)。時移導(dǎo)頻調(diào)度方案中上下行鏈路的信噪比分別為：

(16)

(17)

而在系統(tǒng)沒有進行導(dǎo)頻調(diào)度的情況下，根據(jù)推導(dǎo)，系統(tǒng)上下行鏈路信干噪比為：

(18)

(19)

相互對比可得，在采用了導(dǎo)頻調(diào)度策略后的系統(tǒng)受到的干擾只來源于組內(nèi)小區(qū)干擾。

現(xiàn)在進行聯(lián)合調(diào)度策略和時移導(dǎo)頻調(diào)度策略信干比的對比。

設(shè)定兩種方案在采用相同的時移導(dǎo)頻方案，即將所有小區(qū)分成相同的Γ組。當系統(tǒng)采用聯(lián)合調(diào)度策略時，假定將總數(shù)為Ssmooth的子載波進行分配，頻率復(fù)用因子為J，根據(jù)前文可得，采用部分頻率復(fù)用策略時，J>1，即所有小區(qū)分組的組數(shù)大于1，即在同一組中，小區(qū)使用兩個或者兩個以上的不同子載波，而在采用單獨時移導(dǎo)頻傳輸策略的情況下，由于全部小區(qū)使用同一子載波，因此每一組使用同一種子載波的用戶數(shù)量顯然大于前者，對于采用聯(lián)合調(diào)度方案的第i個小區(qū)的第k′個用戶而言，所受到的干擾源數(shù)量遠遠小于后一種方案。

在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，假定發(fā)送的符號為高斯隨機變量，除去循環(huán)前綴和導(dǎo)頻開銷，可以得到其上行鏈路的信道容量為：

(20)

(21)

根據(jù)時移導(dǎo)頻調(diào)度方案的分析，對于每一個小區(qū)，其上行鏈路和下行鏈路的信息傳輸過程是分開進行的，也就是說本來用于同步傳輸下行鏈路數(shù)據(jù)的OFDM符號也被用來傳輸上行鏈路信息，所以假設(shè)第i個小區(qū)正在進行上行鏈路信息的接收，其信息傳輸速率為：

表1 MATLAB仿真參數(shù)表

SINRUp)

(22)

對于小區(qū)下行鏈路信息傳輸速率的分析大致相同，本文不再重復(fù)推導(dǎo)。

4 仿真與性能分析

本節(jié)將從兩個角度對聯(lián)合調(diào)度方案進行仿真和分析，考慮一個包含有7個小區(qū)的TDD模型，占用相同的頻譜資源，并使用相同的導(dǎo)頻，主要仿真參數(shù)如表1所示。

圖4研究了系統(tǒng)在不采用導(dǎo)頻調(diào)度策略、采用時移導(dǎo)頻調(diào)度策略和采用聯(lián)合導(dǎo)頻調(diào)度策略時，系統(tǒng)誤碼率和信噪比變化的關(guān)系。從圖中可以看出，沒有采用導(dǎo)頻調(diào)度策略的系統(tǒng)誤碼率隨著信噪比的增加而降低，但到了一定閾值之后就趨于平穩(wěn)，不再降低，而采用兩種調(diào)度方案的系統(tǒng)誤碼率均有大幅度的降低，其中聯(lián)合調(diào)度方案的效果要好于時移導(dǎo)頻調(diào)度方案。

圖4 三種情況下系統(tǒng)誤碼率變化對比

圖5 J取值不同時信息傳輸速率與信噪比的關(guān)系

是隨著J線性變化的，仿真結(jié)果也驗證了這一點。值得注意的是，采用導(dǎo)頻傳輸時的速率略高于采用聯(lián)合調(diào)度策略的速率，這是因為聯(lián)合調(diào)度策略是以犧牲一部分小區(qū)帶寬作為代價來提高對抗導(dǎo)頻污染的能力，這也符合之前的推論。

5 結(jié)論

本文在基于時移導(dǎo)頻調(diào)度的基礎(chǔ)上，提出了一種結(jié)合頻率部分復(fù)用技術(shù)的導(dǎo)頻聯(lián)合調(diào)度策略。通過與采用時移導(dǎo)頻調(diào)度策略以及未采用導(dǎo)頻策略的比較發(fā)現(xiàn)，采用聯(lián)合調(diào)度策略的系統(tǒng)誤碼率大幅度降低，仿真結(jié)果也驗證了這一點。值得注意的是，采用導(dǎo)頻傳輸時的速率略高于采用聯(lián)合調(diào)度策略的速率，這是因為聯(lián)合調(diào)度策略是以犧牲一部分小區(qū)帶寬作為代價來提高對抗導(dǎo)頻污染的能力。

[1]ELIJAHO,LEOWCY,RAHMANTA，etal.AcomprehensivesurveyofpilotcontaminationinmassiveMIMO-5Gsystem[J].CommunicationsSurveys&Tutorials,IEEE, 2010:1-19.

[2]ROSARIOF,MONTEIROFA,RODRIGUESA.FastmatrixinversionupdatesformassiveMIMOdetectionandprecoding[J].IEEESingalProcseeingLetters,2016,23(1):75-79.

[3]MONTORSIF,VITETTAGM.Ontheperformancelimitsofpilot-basedestimationofbandlimitedfrequency-selectivecommunica-tionchannels[J].IEEETransactionsCommunications, 2011,59(11):2964-2969.

[4] 邱琳，許杰，劉蓓.多用戶、多小區(qū)MIMO通信技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社,2011.

[5]JinShi,WangXiaoyu,LiZheng,etal.OnmassiveMIMOzero-forcingtransceiverusingtime-shiftedpilots[J].IEEETransactionsonVehicularTechnology,2016,65(1):59-74.

[6]SARKERMAL,LEEMH.AfastchannelestimationandthereductionofpilotcontaminationproblemformassiveMIMObasedonadiagonaljacketmatrix[J].The4thInternationalWorkshoponFiberOpticsinAccessNetwork(FOAN),2013:26-30.

[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

馬雄，袁浩銘. 大規(guī)模多天線系統(tǒng)中一種導(dǎo)頻聯(lián)合調(diào)度方案設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用，2016,35(22)：77-80,91.

2016-07-19)

馬雄(1990-)，男，碩士，主要研究方向：無線通信與移動計算機。

袁浩銘(1990-)，男，碩士，主要研究方向：無線通信與移動計算機。