一种导频时移大规模mimo系统中的下行预编码与基站功率控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及无线通信中的大规模MIMO系统中的干扰协调领域，具体为一种导频时 移大规模MIMO系统中的下行预编码与基站功率控制方法。
【背景技术】
[0002] 为了提高有限频谱资源的利用率、满足人们日益增长的无线通信需求，大规模 MIM0(La巧e Scale MIMO或Massive MIMO)成为新一代无线通信系统的关键技术之一。它通 过配备数百根天线的基站同时为数十个使用相同时频资源的用户服务。研究表明，随着基 站天线数目的增加，噪声和不相干的小区间干扰将可W忽略不计;并且采用简单的信号处 理方法，如最大比合并(Maximum Ratio Combining,MRC)，迫零（Zero-F'orcing,ZF)就可W 使系统容量显著提高，降低了实际系统中硬件的实现难度。然而，由于信道相干时间长度是 有限的，因此不能保证大规模MIMO系统中所有用户均使用正交的导频序列，在基站对用户 进行信道估计时受到使用相同导频资源的用户的干扰，运个现象称之为导频污染。
[0003] 目前抑制导频污染的方法主要有:精准的信道估计算法，鲁棒的预编码算法，导频 结构设计和导频序列分配算法等。其中时移导频结构是导频结构设计算法中的一种，它通 过将小区分为若干组，不同组的导频信号在时间上错开，当天线数目趋于无穷时，导频污染 仅由同组内使用相同导频的用户形成，大大降低了导频污染水平。然而，实际系统的天线数 目并不能达到无穷大，时移导频结构的上行信道估计受到其他组基站发送的下行数据的干 扰不能忽略不计，数据发送功率越大，信道估计就会越不准确，而数据发送功率减小又会导 致数据信噪比的降低，因此需要对下行数据发送功率进行折中考虑。已有文献在天线数有 限的情况下研究了 MRT和ZF预编码在导频时移大规模MIMO系统中的性能，仿真结果表明天 线数有限时，和速率随着基站功率的增加出现先增大后减小的趋势。但是MRT和ZF预编码 仅仅是简单的最大化有用信号功率或者最小化干扰功率，他们在导频时移大规模MIMO系统 中的性能并不理想。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种导频时移大规模MIMO系统中的下行 预编码与基站功率控制方法，通过下行预编码的设计和基站功率控制，实现时移导频结构 下的下行数据传输和上行信道估计的性能折中，从而提升系统的频谱性能。
[0005] 本发明是通过W下技术方案来实现：
[0006] -种导频时移大规模MIMO系统中的下行预编码与基站功率控制方法，包括如下步 骤，
[0007] 步骤1，获取大规模MIMO系统中每个用户的SLNR如下，
[0009] 其中，Uki为第i个小区第k个用户的SLNR，a为转换因子，Pf是基站发送功率， 户^8:；?^/表示有用信号功率，；|；/}|§置,.~。.|2表示用户泄露到本小区其他用户的干扰， 衣，=\义'础 Ar表示用户正在发送上行导频信号的那一组小区，||G,/Whf表示用户泄露到正在进 IeAr 行上行信道估计的基站的干扰;giki第i个小区内第k个用户与第i个小区基站间的信道矢 量，为该信道矢量的共辆转置;Wk功第i个小区内第k个用户的预编码;Gi读示第i个小 区基站与第1个小区基站之间的信道矩阵;K为每小区的用户数;i，l和k均为正整数；
[0010] 步骤2,在最大化SLNR预编码的限定下，根据每个用户的化NR得到每个用户的预编 码为
庚中，含为第i个小区内基 站对本小区用户k的信道估计矢量，iw为该信道估计矢量的共辆转置；为该信道估计误 差的方差；G；f表示第i个小区基站与第1个小区基站之间的信道矩阵的共辆转置;Im为MXM 维单位矩阵；
[0011] 步骤3,利用截断多项式的方法对步骤2得到的预编码进行简化，得到只含大尺度 信息的渐进下行信干噪比；
[0012] 步骤4,根据步骤2得到的预编码和步骤3中得到的渐进下行信干噪比，W大规模 MIMO系统中所有用户渐进和速率最大为优化目标，得到最优的下行发送功率Pf和转换因子 a；
[0013] 步骤5,控制用户采用由最优转换因子得到的最大化信漏噪比预编码，控制基站采 用得到的最优下行发送功率进行数据发送。
[0014] 优选的，步骤二中，最大化SLNR预编码表示成如下优化问题：
[0016] s.t. I |wki| |2 = l,k = l,...,K,i = l,...,L
[0017] 其中，<为第i个小区内第k个用户的预编码的共辆转置，Mki，Nk汾别为，
[0020] 进一步，步骤3中，采用截断多项式简化预编码，对预编码中的进行泰勒展开， 并截取有限项，即
[0022] 其中，N为截断多项式的长度，bki,n为截断多项式系数，其使得波束赋形矢量满足 归一化限制。
[0023] 再进一步，步骤4中，采用粒子群算法优化求解系统的最优下行发送功率和转换 因子。
[0024] 优选的，步骤4中，W大规模MIMO系统中所有用户渐进和速率最大为优化目标表示 如下，
[0026] s.t.0<Pf< 尸；
[0027] 〇<a<A
[0028] 其中
为第i个小区内第k个用户的渐进信干噪 比，L为系统中的小区数，P和A分别是Pf和a的经验值上界。
[0029] 与现有技术相比，本发明具有W下有益的技术效果：
[0030] 本发明将最大化信漏噪比SLNR的思想运用到时移导频结构中，不仅抑制了用户泄 露给其他用户的干扰，并且通过引入转换因子抑制了泄露给正在进行信道估计的基站的干 扰;在上述最大化SLNR预编码的基础上，本发明利用截断多项式ITE的思想，推导了天线数 目有限的情况下的只含大尺度信息的渐进下行SINR表达式，然后W渐进和速率最大为目标 求解得到较优的基站下行发送功率和权重因子，实现下行数据传输和上行信道估计的性能 折中，从而在降低复杂度的同时提升系统的频谱性能。
【附图说明】
[0031] 图1是本发明实例中所述的大规模MIMO系统场景示意图。
[0032] 图2是本发明实例中所述的导频时移传输机制示意图。
[0033] 图3是本发明实例中所述的基站内放置100根天线且共有屯小区的场景下不同方 案每用户平均速率随下行数据信噪比的变化曲线。
[0034] 图4是本发明实例中所述的基站内放置100根天线且共有屯小区的场景下不同方 案中每用户平均速率的CDF曲线。
[0035] 图5是本发明实例中所述的设置屯小区场景下不同方案的每用户平均速率随基 站天线数变化的曲线。
【具体实施方式】
[0036] 下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而 不是限定。
[0037] 本发明设及大规模MIMO系统中时移导频结构下的基于化NR的预编码和基站功率 控制。首先，将最大化信漏噪比SLNR的思想运用到时移导频结构中，不仅考虑了用户泄露给 其他用户的干扰，并且通过引入转换因子将泄露给正在进行信道估计的基站的干扰考虑在 内；其次，W系统渐进和速率最大为目标，求解最优的转换因子和下行数据发送功率，从而 实现下行数据传输和上行信道估计的性能折中。
[0038] 本发明提出一种时移导频结构下的下行预编码和基站功率控制方案。该方案的核 屯、思想是:第一步，将最大化信漏噪比（SLNR)的思想运用到时移导频结构中，不仅考虑了用 户泄露给其他用户的干扰，并且通过引入转换因子将泄露给正在进行信道估