大规模mimo系统导频长度及功率联合分配方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明设及一种大规模多输入多输出(multiple-input multiple-output,MIMO) 系统的导频长度、导频功率及数据功率联合分配方法，尤其是设及5G(五代移动通信系统） 标准化进程领域的大规模MIMO系统的导频长度、导频功率及数据功率联合分配方法。
【背景技术】
[0002] 为满足未来移动通信系统对更高数据传输速率的需求，大规模MIMO无线传输方案 受到广泛关注。作为接收端获取信道状态信息的常见方式，导频辅助方式于发送端发送导 频进而根据接收导频信号估计出信道。在采用导频辅助方式的大规模MIMO系统中，W最小 均方误差(minimum mean-square error,MMSE)为准则的信道估计器(MMSE估计器）具有与 最大后验概率估计器等同的性能，WMMSE为准则的信号检测器(MMSE检测器)在同属线性方 式的检测器中具有最大化后验信干比（signal-to-interference-plus-noise ratio , SINR)的优势，具有重要应用价值。
[0003] 导频长度、导频功率及数据功率联合分配方法是优化无线通信系统接收性能有效 方法。作为重要性能指标之一，可达和速率可作为联合分配方法的优化对象。在信道相干时 间确定并且总功率受限的前提下，W最大化可达和速率为准则，分配发送导频长度及发送 功率。传统的联合分配方法针对独立同分布（independent and identical dist;r;Lbution, i . i .d.)信道模型提出，并不能够描述空间相关性衰落特征。针对天线阵列拓扑结构进行物 理角度域建模得到的信道统计模型较之理想化的i.i.d.信道模型更为合适评估可达和速 率。考虑半波长间隔的线性天线阵列化LA)。在角度域描述方式下，用户的接收端相关矩阵 是对角阵，信道矩阵的各个元素因此呈现独立不同分布（independent and non-identical diStribution，i . n. d.)的统计模型。然而，未有针对i .n. d.信道模型的联合分配方法的先 例公开。此外，传统的联合分配方法仅考虑了最大比例合并(maximum-ratio combining, MRC)检测器情况，未考虑采用性能更具优势的匪SE检测器情况。传统的方法等同于功率分 配方法，因为在任意信噪比情况下最优导频长度均等于单天线用户数目。运一关于导频长 度的结论在MMSE检测器情况下未必成立。
[0004] 本发明提供大规模MIMO系统的一种导频长度及功率联合分配方法。提供的方法尤 为胜任于采用MMSE检测器的情况。较之等功率分配且导频长度固定为单天线用户数目的分 配方法，提供的方法获得更高的可达和速率。该方法计算复杂度低，易于实现。
【发明内容】
[000引发明目的:针对现有技术中存在的问题与不足，本发明提供一种计算复杂度低、易 于实现的大规模MIMO系统的导频长度、导频功率及数据功率联合分配方法，W获得导频长 度、导频功率及数据功率联合最优值。
[0006] 技术方案:为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
[0007] -种大规模MIMO系统导频长度及功率联合分配方法，该方法W最大化大规模MIMO 系统可达和速率为准则，分别执行在导频功率及数据功率均固定的情况下利用一维捜索方 法得到最优导频长度，W及在导频长度固定的情况下利用一维捜索方法得到最优导频功率 及数据功率，并将各次捜索结果相互迭代，直至可达和速率收敛，从而同时获得最优导频长 度、导频功率及数据功率的联合最优数值。
[000引所述大规模MIMO系统可达和速率为Kgum ，K是发送端用户总数，化是用户k 左 的上行平均可达速率，在6吸及K ^t<T条件下是凹函数，且在0卽t ^/Tt条件下也是 凹函数，其中Tt为导频长度，K为用户数，T为信道相干时间，Pt为用户发送导频的功率，P为用 户的发送能量。
[0009] 其中利用一维捜索方法得到最优的导频长度的具体步骤包括：
[0010] ai)初始化导频长度Tt(D)=K,导频功率Pu及数据功率Pt取值为上轮迭代求得的最 优导频功率及数据功率，Pu及Pt的初次取值为满足Ttpt+(T-Tt)Pu = P的任意正数;计算可达 和速率的近似值思心。ppm、；
[0011] (12)在给定Pu及Pt下，W最大化可达和速率为准则，采用一维线性捜索方法得到最 优解T/;
[0012] (13) W最大化可达和速率为准则选择[r/J或为Tt,作为本轮迭代的最优导频 长度。
[0013] 其中利用一维捜索方法得到最优的导频功率及数据功率的具体步骤包括：
[0014] (21)初始化导频功率Pu及数据功率Pt，P!,。)=式。)=尸/ r，导频长度Tt取值为上轮迭 代求得的最优导频长度，Tt的初次取值为满足K ^ Tt<T的任意整数;计算可达和速率的近似 夏巧I I且 J、sum'a.pprox >
[0015] (22)在给定Tt下，W最大化可达和速率为准则，采用一维线性捜索方法得到最优 解Pt,根据T冲t+(T-Tt)Pu = P计算出Pu,作为本轮迭代的最优导频功率及数据功率。
[0016] 基于上述一维捜索结果迭代求得最优导频长度、导频功率及数据功率的联合分配 方法具体包括如下步骤：
[0017] (1)初始化导频长度1\(。) = 1(，导频功率林^使数据功率
，迭代 次数编号i = l，并计算可达和速率的近似值巧Iwpiw
[0018] (2)在给定Pu及Pt下，W最大化可达和速率为准则，采用一维线性捜索方法得到最 优解
[0019] (3)^最大化可达和速率为准则选择[7^>_|或^疗《]为1\^，作为本轮迭代的最优 导频长度；
[0020] (4)在给定TtW下，W最大化可达和速率为准则，采用一维线性捜索方法得到最优 解^'\根据Ttpt+(T-Tt)pu = P计算出姑1，作为本轮迭代的最优导频功率及数据功率；
[0021 ] (5)根据媒、化Tt(I)计算瑶;
[00对 （6)若I墙Lppmx -巧:二IppmJ小于口限值e，输出托)、及Tt("为最终的最优导频 长度、导频功率及数据功率;否则，更新i = i+1，并转到步骤(2)。
[0023] 有益效果：与现有技术相比，本发明提供的导频长度及功率分配方法采用空间相 关性衰落特征的角度域i.n.d.信道模型，并且尤为胜任于采用MMSE检测器的情况。较之等 功率分配且导频长度固定为单天线用户数目的分配方法，提供的方法获得更高的可达和速 率。该方法计算复杂度低，易于实现。
【附图说明】
[0024] 图1为大规模MIMO上行系统导频长度及功率联合分配框图；
[0025] 图2为等功率分配与最优功率分配下可达和速率累积分布对比图；
[0026] 图3为联合分配、导频长度分配(等功率)及导频长度固定(等功率)等情况下可达 和速率对比图。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解运些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价 形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0028] 为了更好的理解本发明实施例的内容，首先详细介绍本发明实施例方法基于的信 道模型。图1给出了大规模MIMO系统上行多用户传输链路导频长度及功率分配框图。考虑单 个小区情况。接收端配备半波长间隔的线性阵列，天线数为M。发送端用户均配备单天线，用 户数为K。接收端与用户k之间的信道表达式为
[0030]式中，k=l，2，...，K，邮为大尺度衰落因子，馬~技)为快衰落信道向量， K eCMW为用户k至接收端信道的对角化方差谱，其对角元素为Vkm,m=l，2, ...，MeVkm表 达式为
[0031 ]成,兰化L =M%(a拓細批"_1))[姐偽in(的)-a拓Siii槪_1月，【公式^
[0032] 式中，4n = n/M，n=l，. . .，M;Sk(0)为信道角度域功率分布，其归一化条件为 (0)d0 = 1。向量gk的协方差矩阵为脏枝备f}二AK，AK- ee'x"是对角矩阵。定义全 部用户至接收端的信道矩阵信全[斯，裝及G的相关矩阵度=阻按况eCA'xk是W
[R]kk =化t;r{Vk}=故M为对角元素的对角矩阵，其表达式为R=Mdiag{0i,…,化,???,化}。
[0033] 在导频传输阶段，用户同步发送正交导频序列，接收端WMMSE为准则，利用接收信 号估计G。每个用户发送的导频符号功率为Pt, W发送符号数目作为度量的导频长度为Tt,导 。5满足正交条件挪"=心基站端接收信号^ ^￡：胃'表达式为
[0034] 、'、=、而说+!、\，【公式：3】
[003引式中，iV,e(CAw''是每个元素均值为零、方差为I的加性复高斯噪声。WMMSE为准 贝IJ，针对G的估计式为
[0037] 式中，~15^"€€4^^是每个元素均值为零、方差为1的加性复高斯噪声。定义 & =[爲，…，^，…，i,.]及矣的协方差阵。矣服从复高斯分布，即
[0038] 4 ~C7v'(0，A：南)，【公式5】
[0039] 式中，
。定义信道估计误差为备兰G-括。运 的协方差阵为
[0041] 在数据传输阶段，辅之的检测器WMMSE为准则检测用户传输的数据符号。W 发送符号数目作为度量的信道相干时间为T。因此，数据传输时间为T-TtD^xeCfXi为用 户发送数据向量，Pu为每个用户发送数据的功率，X的均值为零、方差为Ik。接收向量 j巨CMxi的表达式为
[0042] y 二 PuGx + 妊=yfJ^Gx+ yfJ^iGx + 妊,【公式7】
[0043] 式中，《eC?xi为均值为零、方差为Im的加性复高斯噪声。定义循环对称复高斯随 机向量W兰换+巧，其协方差阵Kw表达为
[004引定义K:,*鱼Z客点H +Kh,。用户k