Massive MIMO系統(tǒng)導(dǎo)頻污染下的信道估計(jì)

［楊中豪 喬寬］

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Massive MIMO系統(tǒng)導(dǎo)頻污染下的信道估計(jì)

［楊中豪 喬寬］

摘要

大規(guī)模MIMO（Multiple-Input-Multiple-Output）目前已成為5G無(wú)線通信領(lǐng)域最具潛力的研究方向之一，導(dǎo)頻污染成了制約整個(gè)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)性能的“瓶頸”。本文論述了大規(guī)模MIMO系統(tǒng)導(dǎo)頻污染問(wèn)題，分析了導(dǎo)頻污染下的傳統(tǒng)信道估計(jì)算法。針對(duì)導(dǎo)頻污染下最小均方誤差（Minimum Mean-Squared Error，MMSE）估計(jì)算法需要獲取完美的小區(qū)間大尺度信道系數(shù)，介紹一種改進(jìn)的多小區(qū)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)信道估計(jì)算法，性能接近理想的MMSE算法。

關(guān)鍵詞：大規(guī)模MIMO MMSE 導(dǎo)頻污染

楊中豪

重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院。

喬寬

重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院。

0 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，通信領(lǐng)域也處在不斷的進(jìn)步之中，特別是近些年來(lái)，更是突飛猛進(jìn)。圖1為移動(dòng)通信技術(shù)演進(jìn)示意圖，到目前為止，5G還沒(méi)有一個(gè)具體的標(biāo)準(zhǔn)。大規(guī)模MIMO無(wú)線通信，在基站覆蓋區(qū)域內(nèi)配置數(shù)十根甚至數(shù)百根以上天線，較4G系統(tǒng)中的4（或8）根天線數(shù)增加一個(gè)量級(jí)以上，已經(jīng)成為下一代通信的關(guān)鍵候選技術(shù)，如圖1所示。

總體來(lái)說(shuō)，大規(guī)模 MIMO能夠在未來(lái)提供更高的能量效率、頻譜效率和更好的安全性、更強(qiáng)的穩(wěn)健性的無(wú)線寬帶網(wǎng)絡(luò)。研究表明，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的性能主要受限于導(dǎo)頻污染[1]。導(dǎo)頻污染的根本原因是不同小區(qū)共享頻譜，而直接原因是不同小區(qū)用戶的導(dǎo)頻序列是相關(guān)的，信道估計(jì)過(guò)程中包含了小區(qū)間干擾。

圖1 移動(dòng)通信技術(shù)演進(jìn)示意圖

1 導(dǎo)頻污染

大規(guī)模MIMO技術(shù)主要是應(yīng)用在 TDD 系統(tǒng)中，而在TDD 系統(tǒng)中根據(jù)幀的結(jié)構(gòu)，可知導(dǎo)頻序列的長(zhǎng)度是有限的，因此每個(gè)小區(qū)中可用的正交導(dǎo)頻序列也是有限的。由于導(dǎo)頻序列長(zhǎng)度的有限性，而移動(dòng)通信用戶數(shù)的巨大性，使得相鄰小區(qū)之間不得不重復(fù)使用相同的導(dǎo)頻序列，或是不正交的導(dǎo)頻序列。由此導(dǎo)致了在上行傳輸中，當(dāng)目標(biāo)用戶發(fā)送導(dǎo)頻序列對(duì)目標(biāo)信道進(jìn)行估計(jì)時(shí)，相鄰小區(qū)內(nèi)在相同時(shí)頻資源塊上發(fā)送的導(dǎo)頻序列，可能會(huì)對(duì)目標(biāo)用戶發(fā)送的導(dǎo)頻序列造成干擾，進(jìn)而影響基站對(duì)上行信道進(jìn)行精確估計(jì)[2]。由此可知，導(dǎo)頻序列之間的非正交性是導(dǎo)頻污染產(chǎn)生的根源，正如圖 2 所示。

圖2 導(dǎo)頻污染圖解

從理論上來(lái)說(shuō)可以重新設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)中幀的結(jié)構(gòu)，使相鄰小區(qū)間的導(dǎo)頻發(fā)送時(shí)隙錯(cuò)開，從而使導(dǎo)頻在發(fā)送時(shí)間上相互正交，以此來(lái)避免導(dǎo)頻之間的相互干擾。但通信系統(tǒng)中導(dǎo)頻傳輸時(shí)隙的增加，意味著用于傳輸有效數(shù)據(jù)的資源塊數(shù)會(huì)減少，從而使通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量下降。而現(xiàn)在移動(dòng)用戶對(duì)通信速率的要求越來(lái)越高，吞吐量的下降顯然不是現(xiàn)代通信所期望的。

因此很多文獻(xiàn)考慮本小區(qū)內(nèi)用戶用來(lái)傳輸導(dǎo)頻的時(shí)隙，在其他小區(qū)中，該時(shí)隙用來(lái)傳輸上行的發(fā)送數(shù)據(jù)，正如圖 3所示。由此可以在不減少傳輸有效數(shù)據(jù)的資源塊數(shù)的基礎(chǔ)上，又保證導(dǎo)頻序列之間發(fā)送時(shí)隙的正交性。

針對(duì)導(dǎo)頻污染問(wèn)題，已經(jīng)有很多文獻(xiàn)給出了理論研究和可以減輕的方法。用戶在上行鏈路發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)，基站側(cè)可以基于LS或者M(jìn)MSE方法對(duì)信道進(jìn)行估計(jì)。文獻(xiàn)[3]介紹了MMSE信道估計(jì)算法隨天線M接近無(wú)窮時(shí)的漸進(jìn)性能，文中假設(shè)小區(qū)間和小區(qū)內(nèi)的大尺度衰落系數(shù)是完全已知的，這在實(shí)際場(chǎng)景中是不可能的。

圖3 導(dǎo)頻偏移的幀結(jié)構(gòu)

2 信道估計(jì)

考慮一個(gè)多小區(qū)系統(tǒng)，其中有L個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)中有一個(gè)配置M 個(gè)天線的基站BS和K個(gè)單天線用戶，用戶隨機(jī)分配在小區(qū)中。假設(shè)信道為頻率平坦衰落，用戶以及天線間相互獨(dú)立。用gilkm表示小區(qū)l 中的用戶k 到小區(qū)i 中的第m 條天線的信道增益。，其中為大尺度系數(shù)，hilkm為多徑瑞利衰落的小尺度系數(shù)，服從CN（0,1）分布。Gil表示M× K的信道矩陣，其中第k 列表示小區(qū)中的用戶k 到小區(qū)i 的信道增益。在估計(jì)過(guò)程中我們假定是確定的。我們考慮一個(gè)典型的大規(guī)模MIMO場(chǎng)景，不同小區(qū)中的用戶同時(shí)發(fā)送相同的導(dǎo)頻序列，導(dǎo)頻復(fù)用因子為1。 K 個(gè)用戶導(dǎo)頻信號(hào)用K× τ矩陣ΦH來(lái)表示，其正交特性?；緄接收的導(dǎo)頻信號(hào)為M× τ的矩陣

Ni是服從CN(0, 1)獨(dú)立同分布的M× τ噪聲矩陣。用φk表示Φ的第k列。在基站i 處信道giik進(jìn)行估計(jì)，充分統(tǒng)計(jì)量

2.1 LS信道估計(jì)

LS估計(jì)中每個(gè)天線的均方誤差MSE為

2.2 MMSE信道估計(jì)

MMSE信道估計(jì)器需要獲取估計(jì)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)信息，包括噪聲和干擾等。很多基于MMSE的估計(jì)需要獲取信道信息，假設(shè)完美的大尺度衰落信息，然而在實(shí)際場(chǎng)景中是不可能的[4]。當(dāng)有完美的大尺度衰落系數(shù)時(shí)，理想的MMSE估計(jì)器為?？梢詫懗?，由于高斯模式下 MMSE的特性，和估計(jì)誤差是相互獨(dú)立的。理想的MMSE估計(jì)情況下，每個(gè)天線的均方誤差MSE可以寫成

2.3 改進(jìn)的算法

這種信道估計(jì)方法，不需要獲知小區(qū)間的大尺度衰落系數(shù)。主要思想是不用獲得各自的信道系數(shù)，而是使用一個(gè)有效的參數(shù)，此參數(shù)是各自衰落系數(shù)的總和再加上歸一化的噪聲方差。改進(jìn)的方法可以估計(jì)有效參數(shù)，然后將之代入到MMSE估計(jì)器公式中，同時(shí)可以得到改進(jìn)算法的MSE分析表達(dá)式。

3 仿真與結(jié)果分析

圖4

圖4可以看出信道估計(jì)MSE隨SNR的變化曲線。此時(shí)a=0.05，M=30。隨著SNR的增大，3種信道估計(jì)算法的MSE值都逐漸減小。由于導(dǎo)頻污染的存在，3種算法都會(huì)到達(dá)性能極限。在較低的SNR時(shí)，改進(jìn)的算法的均方差非常接近理想的MMSE信道估計(jì)，然而LS算法與理想的MMSE算法相差較大，如圖2所示。

圖5

圖5中，在當(dāng)a=0.05,SNR q=10dB的情況下?？梢钥闯?，隨著天線M的增大，改進(jìn)的信道估計(jì)算法的性能趨近理想MMSE算法的性能，而LS算法性能不變。

4 結(jié)論

Massive MIMO作為傳統(tǒng)MIMO技術(shù)的延伸，是下一代無(wú)線通信的一個(gè)重要研究方向。它通過(guò)大量增加通信的天線數(shù)，采用時(shí)分雙工的通信模式，使系統(tǒng)性能達(dá)到空前的高度，而導(dǎo)頻污染成了制約整個(gè)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)性能的阻礙[6]。本文探討了大規(guī)模MIMO的導(dǎo)頻污染問(wèn)題，同時(shí)介紹了一種改進(jìn)的信道估計(jì)算法，在規(guī)模MIMO導(dǎo)頻污染的情況下，這種更為簡(jiǎn)易的估計(jì)方法不用獲取額外的系統(tǒng)開銷，其MSE性能十分接近理想的最小均方誤差估計(jì)算法。

參考文獻(xiàn)

1Marzetta T L, Noncooperative cellular wireless with unlimited numbers of BS antennas.IEEE Transactions on Wireless Communications, 2010, 9(11): 3590-3600

2葉賢洪. TDD宏MIMO的上行信道估計(jì)研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2013

3Choi, Jun Won; Lee, Byungju; Shim, Byonghyo; Kang, Insung, "Low complexity detection and precoding for massive MIMO systems," in Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), 2013 IEEE , vol., no., pp.2857-2861, 7-10 April 2013

4multiuser MIMO uplink with very large antenna arrays and a finite-dimensional channel," IEEE Trans. Commun., vol. 61, no. 6, pp. 2350–2361,Jun. 2013

5Khansefid, A.; Hlaing Minn, "On Channel Estimation for Massive MIMO With Pilot Contamination," in Communications Letters, IEEE , vol.19, no.9, pp.1660-1663, Sept. 2015

6"Mitigating pilot contamination in massive MIMO system —5G: An overview," in Control Conference (ASCC), 2015 10th Asian , vol., no., pp.1-6, May 31 2015-June 3 2015

簡(jiǎn)訊

百家運(yùn)營(yíng)商采用愛(ài)立信無(wú)線點(diǎn)系統(tǒng)增強(qiáng)室內(nèi)應(yīng)用覆蓋

我們幾乎90%的時(shí)間都是在室內(nèi)度過(guò)的，然而，愛(ài)立信消費(fèi)者研究室的調(diào)查結(jié)果顯示，只有30%的智能手機(jī)用戶認(rèn)為室內(nèi)語(yǔ)音質(zhì)量、覆蓋和可靠性是良好的。智能手機(jī)流量預(yù)計(jì)會(huì)在2015年至2021年間激增11倍，并且，到2021年底將占移動(dòng)數(shù)據(jù)流量的90%左右，這些都加劇了室內(nèi)覆蓋挑戰(zhàn)。為了增強(qiáng)移動(dòng)消費(fèi)者和企業(yè)客戶的室內(nèi)應(yīng)用覆蓋，全球領(lǐng)先的運(yùn)營(yíng)商均已采用愛(ài)立信無(wú)線點(diǎn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是在2014年第四季度實(shí)現(xiàn)商用的創(chuàng)新型室內(nèi)小型蜂窩解決方案。最近，中國(guó)西部最大的移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商四川移動(dòng)成為全球第100家部署愛(ài)立信無(wú)線點(diǎn)系統(tǒng)的移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商。愛(ài)立信無(wú)線點(diǎn)系統(tǒng)可以使移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商在各種樓宇中提供始終如一的高性能語(yǔ)音和數(shù)據(jù)覆蓋及容量。該系統(tǒng)是一個(gè)時(shí)尚的可吊頂安裝的天線原件——“點(diǎn)”，為整個(gè)大樓提供高性能應(yīng)用覆蓋并可與室外移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無(wú)縫切換。該系統(tǒng)采用愛(ài)立信網(wǎng)絡(luò)軟件16A即可進(jìn)行遠(yuǎn)程軟件升級(jí)，并支持高達(dá)600 Mbps的峰值速率。它不僅可以實(shí)現(xiàn)LTE-A載波聚合，并進(jìn)一步降低了功耗。愛(ài)立信無(wú)線點(diǎn)系統(tǒng)支持的軟件與運(yùn)營(yíng)商室外宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)相同，確保實(shí)現(xiàn)無(wú)縫的用戶體驗(yàn)并加快新性能和節(jié)能功能推向市場(chǎng)。

隨著5G網(wǎng)絡(luò)將在2020年左右實(shí)現(xiàn)商用，愛(ài)立信無(wú)線點(diǎn)系統(tǒng)等小型蜂窩將愈加普及。移動(dòng)寬帶和視頻需求及創(chuàng)新的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）用例不斷推動(dòng)5G發(fā)展，包括LTE的演進(jìn)以及新無(wú)線接入技術(shù)的發(fā)展。

收稿日期：（2015-12-30）