大规模分布式天线系统中基于用户距离的导频分配方法
【专利摘要】本发明公开了一种大规模分布式天线系统下基于用户间距离的导频分配方法，其特征在于，选出处于劣势的用户作为关键用户后，排除与其距离最近的P?1个用户，将剩余用户递归使用此分配方法分为P组，选出最好的一组与处于劣势的用户分配到同一导频组下，接着进行下一组导频的分配，其中，P为导频数。本发明导频分配方法采用的算法可以以较低的复杂度实现逼近遍历最优(性能上限)的估计性能。
【专利说明】
大规模分布式天线系统中基于用户距离的导频分配方法
技术领域
[0001] 本发明属于无线通信技术领域，特别设及一种大规模分布式天线系统中基于用户 距离的导频调度算法。
【背景技术】
[0002] 分布式天线系统是一种新的无线通信体系结构，它包含多个在地理位置上分散但 通过光纤或电缆等与一个中屯、处理单元相连的天线单元。相比于集中式天线系统，其在降 低发送功率、改善覆盖面积W及降低中断概率等方面有明显优势。分布式天线系统最开始 主要用于改善室内无线通信的覆盖面积W及降低中断概率，后来慢慢发展成为室外如露天 体育场、城区等区域的一种主流通信技术。目前，结合分布式天线系统的云接入技术（C- RAN)作为一种新的网络架构形式，由于在频谱效率和能量效率方面有着巨大的优势，越来 越受到人们的关注和研究。
[0003] 作为多输入多输出系统中的一种，为了通过预编码技术获取空间分集增益W及空 间自由度并消除用户间的共信道干扰，信道信息的获取在分布式天线系统中非常关键。当 前的信道估计技术主要分为两类:基于导频的估计、基于子空间的盲/半盲估计等。基于子 空间的估计不需要发送导频序列，可W有效提高时频资源利用率，但要达到较好的估计性 能对天线配置等有一定的约束条件，目前的研究主要针对集中式天线系统。在分布式天线 系统中，主要还是利用基于导频的估计技术进行信道估计。
[0004] 基于导频的估计技术，需要消耗一定的时频资源来发送导频序列。为了保证时频 资源的利用率，系统允许的导频数目有限，因此一般需要多个用户共用一个导频。使用同一 导频的用户之间会产生干扰(称为导频污染），使得系统性能显著下降。如何通过导频调度 使得导频污染问题尽可能小是一个很有价值的研究问题。遍历算法对所有可能的调度方案 进行比较，可W得到最优的调度方案，但复杂度非常高，是一个NP难问题。在实际系统中，遍 历算法完全无法使用。贪婪算法复杂度相对较低，但性能并不理想。而且，在使用贪婪算法 进行调度时，越晚分配的用户信道估计性能会越差，运不符合公平性的原则。
【发明内容】
[0005] 技术问题:为了克服现有导频调度算法的不足，本发明提供了一种基于用户间距 离的调度算法，可W W较低的复杂度达到逼近遍历最优的调度性能。
[0006] 技术方案:通过分析发现，在接收端使用最小均方误差算法进行信道估计的情形 下，当分配同一导频的用户相互之间距离趋于无穷大时，均方估计误差将接近零。基于此， 本调度算法通过使得分配到每组导频下的用户之间距离尽可能大来减小均方估计误差。调 度的基本思想:依次选取分配到每组导频下的用户;在每次迭代时，选取相互之间距离尽可 能大的用户的同时，使得剩余的用户尽可能的分散。
[0007] -种大规模分布式天线系统下基于用户间距离的导频分配方法，其特征在于，选 出处于劣势的用户作为关键用户后，排除与其距离最近的P-I个用户，将剩余用户递归使用 此分配方法分为P组，选出最好的一组与处于劣势的用户分配到同一导频组下，接着进行下 一组导频的分配，其中，P为导频数。
[0008] 导频分配的具体步骤：
[0009] 步骤1:选取关键用户ukey:
[001 0]步骤2 :分配包含关键用户ukey的一个导频组，具体方法是：
[0011]排除U中与ukey距离最近的P-I个用户，将剩余的P化Piht-I)个用户调用递归调度算 法分为P组，每组化PllDt-I)个用户（即按总用户数为P化PllDt-I),导频数为P的情形进行分 配，具体递归执行步骤见下面），记为巧其中，KPilDt为每组导频分配的用 户数；
[001^ 选出最优的一组巧06器与ukey-起分配到同一组导频下，构成UpOPt;
[0013]
[0014] 步骤3:重复步骤1和步骤2,依次完成一个导频组的分配。
[0015] 关键用户的选取方法是：
[0016] 步骤1-1:设置距离阔值dth，得到用户集合U中所有对应于该阔值的用户簇，取其中 用户数最多的一个簇C，设其用户数为Kc;
[0017] 步骤1-2:如果簇中用户数Kc不小于导频数P，选取簇C的中屯、用户为关键用户ukey: [001 引
[0019] 式中，D(C)为用户簇如用户间的距离矩阵，[D(C)]u代表距离矩阵第i行第巧U元 素，i，j分别对应用户集合U中第i，j个用户；
[0020] 巧邸I，洗取輕个巧户集合U的中也、巧户巧关键用户ukey:
[0021]
[0022]
[0023]
[0024] M( ?)表示一组用户分配到同一导频组时的均方估计误差。
[0025] 所述递归调度算法的执行步骤是：
[00%] 每组导频下分配两个用户化PiiM = 2)时，具体步骤是：
[0027] a、按照步骤1选出关键用户ukey,排除与其距离最近的P-I个用户，在剩余P个用户 中选出最好的一个与关键用户ukey分配到同一组导频下；
[0028] b、排除已分配的2个用户，在剩余用户中再选出关键用户，重复步骤a直至将所有 用户分配成P组；
[0029] 每组导频下分配S个用户化pi1m = 3)时，具体步骤是：
[0030] 按照步骤1选出关键用户ukey,排除与其距离最近的P-I个用户，将剩余2P个用户按 照KPil°t = 2时的分配过程分为P组，选出最好的一组与关键用户ukey分配到同一组导频下;排 除已分配的用户，重复此过程直至将所有用户分为P组。
[0031] ……
[0032] 每组导频下分配S个用户化PiiM = S)时，具体步骤是：
[003；3]按照步骤I选出关键用户ukey，排除与其距离最近的P-I个用户，将剩余(S-I)P个用 户按照KPiiDt = S-I时的分配过程分为P组;选出最优的一组与关键用户分配到同一组导频 下;排除已分配的用户，重复此过程直至将所有用户分为P组。
[0034] 本发明导频分配方法采用的算法可W W较低的复杂度实现逼近遍历最优(性能上 限）的估计性能。
【附图说明】
[0035] 图1.基于用户间距离调度算法的流程图。
[0036] 图2.用户数是导频数整数倍化= 12，P = 4)时的仿真结果。
[0037] 图3.用户数不是导频数整数倍化= 14，P = 4)时的仿真结果。
[003引图4.341]位置服从泊松分布且1( = 14^ = 4时的仿真结果。
【具体实施方式】
[0039] 下面结合附图和具体实例，进一步阐明本发明，应理解该实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。
[0040] 首先做W下说明：在分布式大规模MIMO系统中，共有K个单天线用户，构成集合U， 基站端各RAU也是配备单根天线，RAU数目为MdEp表示导频功率，
良示 第P个导频序列，且满5
t示第k个用户到基站端的信道矢量，Y G CMXT是接收信号矩阵，NG CMXT是噪声矩阵。
[0041 ]上行链路信道估计阶段的系统模型：
[0042]
[0043] 在接收端，将接收信号与已知的导频序列做相关，并定__ 考虑到不同导频序列相互正交，则有
[0044；
[0045] 其中
由MMSE估计得到的估计值及对应的均方估计误差为
[0046]
[0047] V
/
[004引
是对角阵，且对角线上第i个元素rk,i表示第i个RAU接收到的用户k
的平均功率。我们研究的问题在于如何分配U中的用户到不同的导频组化p}，可W使得整体 均方估计误差最小，数学表示为
[0049]
[(K)加]
[0051] 基于用户集U的距离矩阵D(U) = [du]i,把U定义两类用户：
[0化2].处于中屯、位置的用户：
[0化3]
[0054]由于没有用户的位置信息，考虑到相比边界用户处于中屯、位置的用户与其他用户 的最大距离会更小，因此有了上面的基于距离的中屯、用户的定义。
[0化5].用户簇。设定一个距离阔值dth，对于一组用户U，其上的用户簇C是运样一种集 合一一簇中任意两个用户U与之间的距离不大于阔值dth，簇外任一用户与簇内至少一个 用户之间的距离大于阔值dth。数学表示为
[0化6]
[0057]我们的算法依次选取分配到每组导频下的用户组。对于用户数较多的用户簇，应 尽可能避免簇中用户分配到同一导频组，因此当运样的簇存在时，我们优先选出簇的中屯、 用户，并选择与其距离较远的一组用户分配到同一导频组。而对于整个待分配用户集上的 中屯、用户，由于与其距离较远的用户数相对而言会比较少，在不存在较多用户的用户簇时 也应优先考虑。
[005引先介绍用户数K= I U I是导频数P整数倍的情形，即每组导频分配同样数目KPiht = K/P的用户。对于一般的情形，只须在此基础上略为改进，后面有具体的说明。
[0059] 用户数是导频数整数倍时的导频分配步骤，如图1所示：
[0060] ?步骤1:获取用户间的距离矩阵D(U),并设置P = I;
[0061] ?步骤2:成簇。设置距离阔值dth，得到用户集合U中所有对应于该阔值的用户簇， 取其中用户数最多的一个簇C，设其用户数为Kc。
[0062] ?步骤3:选取关键用户ukey。选取标准：
[0063] 如果簇中用户数Kc不小于导频数P，选取簇C的中屯、用户为关键用户ukey:
[0064]
[0065] 否则，选取整个用户集合U的中屯、用户为关键用户ukey:
[0066]
[0067] ?步骤4:选出一组相互之间距离较远的用户与ukey分配到同一导频组下。排除U中 与Ukey距离最近的P-I个用户，将剩余的P化Piht-I)个用户递归调用此调度算法分为P组，每 组化PilDt-I )个用户，记为哗pm,的em,…，L皆'm。(注:如果步骤帥存在多个用户数大于导频 数的簇，那么除了被选中的簇CW外，剩余的运些簇在运一步会逐步被分散开来）
[0068] 选出最优的一组与ukey-起分配到第P组导频下，构成Uft;
[0069]
[0070]
[0071] M( ?)表示一组用户分配到同一导频组时的均方估计误差。
[0072] ?步骤5:从用户集合U中排除已经分配的用户
衣分配导频数P = P- 1，剩余用户数K = K-KPiht,重新获取距离矩阵D(U),重复步骤2到5进行下一组导频p = p+l的 分配。
[0073] 在实际情况中，用户数目K可能并不是导频数目P的整数倍。当运种情况发生时，可 W按如下步骤进行调度：
则有Pi
[00巧]步骤2:分配P2个含而2个用户的导频组：
[0076] A、获取用户集合U中处于边界的用户IibDTdBT:
[0077]
[007引B、排除U中与ubwdet距离最近的P2-1个用户，将剩余的P咕1个用户按上一小节的调 度算法分为P组，每组而个用户，记为巧ew,巧em, ?",巧em
[0079] C、从上一步得到的P组用户中选出最优的一组与ubDTdet 一起构成UpAPt;
[0080]
[0081]
[0082] 删除用户集合1]中与^7;7^^对应的用户，重复步骤4、8、(：直至分配完?2组用户
[0083] ?步骤3:将剩余的用户按上一小节的调度算法分成Pi组，每组个用户。
[0084] 用户间的实际距离可能并不容易获得，我们定义"干扰距离"的概念用W替代。考 虑两个用户共用一个导频情形下其中一个用户的均方估计误差：
[0085]
[0086] 相应的，在没有导频污染只有噪声时的均方估计误差为
[0087]
[008引
[0089]
[0090] 同样地，可W得到导频污染对另一个用户造成的影
[0091] 芭义
我们可W近似的认为，A Ii2越小，用户1、2间的导频污染问 题将越小。定义干扰距离
[0092]
[0093] 那么干扰距离越大，用户间的导频污染问题将越小，与用户间实际距离对导频污 染性能的影响一样。
[0094] 在K = 14，P = 4时，有2组导频分配4个用户、2组导频分配3个用户。首先分配含4个 用户的导频组：
[00M]步骤1:获取用户集合U中处于边界的用户IlbDTdBT:
[0096]
[0097] 步骤2:排除U中与ubwdet距离最近的1个用户，将剩余的12个用户按上一小节的调 度算法分为4组，每组3个用户，记为…人am分别计算运四组用户与ubDfdef组 合在一起的均方估计误差，选出对应均方估计误差最小的一组与ubDTdet 一起分配在第一组 导频下；
[0098] 步骤3:排除已分配的用户，选出剩余10个用户中处于边界的用户ubwdet2,同样将 剩余9个用户分为3组，选出最好的一组与边界用户UbDTdet2 一起分配到第二组导频下.
[0099] 接着将剩余6个用户分为两组，每组3个用户。
[0100] 步骤4:选出6个用户中的关键用户ukBY，排除与其最近的一个用户，并将剩余4个用 户按口 il°t = 2时的分配算法分为2组。分别计算运两组用户与ukey组合在一起的均方估计误 差，选出较小的一组与ukey分配到第3组导频下;剩余的3个用户分配到第4组导频下。
[0101] 仿真基于各个RAU端配备单根天线的分布式天线系统。基站端配置100个单天线 RAU，各个RAU在地理位置上均匀分布，邻近的4个RAU构成一个正方形，且相邻RAU之间的距 离为100m，用户位置随机生成。
[0102] 图2给出了用户数是导频数整数倍化=12，P = 4)时的仿真结果。图2(a)、2(b)分别 给出了信道估计误差和平均用户速率与信噪比之间的关系。图中，"Best"代表遍历最优算 法，是对所有可能的导频分配方案进行遍历并比较不同方案的均方估计误差之后取其中均 方估计误差最小的一种得到的，运是性能的上限值；"Worst"代表遍历最差算法，为性能下 限值；"Greedy"代表贪婪算法；"Loc"代表本文提出的基于距离的调度算法；"random"代表 随机调度。可W看到不论是信道估计误差还是平均用户速率，本文提出的算法性能均可W 逼近遍历最优性能，且优于贪婪算法与随机调度算法。
[0103] 图3给出了用户数不是导频数整数倍化=14，P = 4)时的仿真结果。在运种情形下， 贪婪算法也是将所有用户分为2组4个用户的导频组W及2组3个用户的导频组，并先分配4 用户的导频组后分配3用户的导频组。由于遍历算法在运种情形下过于复杂，对应的仿真结 果并未给出。可W看到，基于位置的调度算法在高信噪比时估计误差性能仍然明显优于贪 婪算法。
[0104] 图4给出了 RAU位置服从泊松分布时的仿真结果，可W看到本文提出的算法性能依 然是最优的。
【主权项】
1. 一种大规模分布式天线系统下基于用户间距离的导频分配方法，其特征在于，选出 处于劣势的用户作为关键用户后，排除与其距离最近的P-1个用户，将剩余用户递归使用此 分配方法分为P组，选出最好的一组与处于劣势的用户分配到同一导频组下，接着进行下一 组导频的分配，其中，P为导频数。2. 根据权利要求1所述的导频分配方法，其特征在于，导频分配的具体步骤： 步骤1:选取关键用户ukBY: 步骤2 :分配包含关键用户ukey的一个导频组，具体方法是： 排除U中与ukey距离最近的P-1个用户，将剩余的P化个用户递归调用此调度算法 分为P组（具体递归执行步骤见权利要求7)，每组)个用户，记为 ?,/{·6ηι, …，W严，其中，KPilcrt为每组导频分配的用户数. 选出最优的一组巧端与ukey-起分配到同一组导频下，构成1/^￡;步骤3:重复步骤1和步骤2，依次完成一个导频组的分配。3. 根据权利要求2所述的导频分配方法，其特征在于，关键用户的选取方法是：步骤1- 1:设置距离阔值dth，得到用户集合U中所有对应于该阔值的用户簇，取其中用户数最多的一 个簇C，设其用户数为Kc; 步骤1-2:如果簇中用户数Kc不小于导频数P，选取簇C的中屯、用户为关键用户ukey:式中，D(c)为用户簇C内用户间的距离矩阵，[D(C)]u代表距离矩阵第i行第j列元素，i, j分别对应用户集合U中第i，j个用户； 否则，选取整个用户集合U的中屯、用户为关键用户ukBY:4. 根据权利要求3所述的导频分配方法，其特征在于，所述距离矩阵D(U) = [du]，其中 dij表示用户集合U中第i个用户与第j个用户之间的距离。5. 根据权利要求3所述的导频分配方法，其特征在于，所述距离矩阵可用干扰距离矩阵 护。作）=掉f]替代，dif表示帅第i个用户与第j个用户之间的干扰距离，定义为其中，ri,η, η,η分别表示第η个天线单元接收到第i，j个用户的平均功率。6. 根据权利要求2所述的导频分配方法，其特征在于，最优的一组提为：Μ( ·)表示一组用户分配到同一导频组时的均方估计误差。7. 根据权利要求2所述的导频分配方法，其特征在于，所述递归调度算法的执行步骤 是： 每组导频下分配两个用户化Pii°t = 2)时，具体步骤是： a、 按照步骤1选出关键用户ukey，排除与其距离最近的P-1个用户，在剩余p个用户中选 出最好的一个与关键用户ukey分配到同一组导频下； b、 排除已分配的2个用户，在剩余用户中再选出关键用户，重复步骤a直至将所有用户 分配成P组； 每组导频下分配Ξ个用户化Pii°t = 3)时，具体步骤是： 按照步骤1选出关键用户ukey,排除与其距离最近的P-1个用户，将剩余2P个用户按照 口 il°t=2时的分配过程分为P组，选出最好的一组与关键用户ukey分配到同一组导频下;排除 已分配的用户，重复此过程直至将所有用户分为P组； 每组导频下分配S个用户化PiiDt=S)时，具体步骤是： 按照步骤1选出关键用户ukey,排除与其距离最近的P-1个用户，将剩余(S-l)P个用户按 照口 Ii°t=s-1时的分配过程分为P组，选出最优的一组与关键用户分配到同一组导频下；排 除已分配的用户，重复此过程直至将所有用户分为P组。
【文档编号】H04L5/00GK105978673SQ201610299285
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月6日
【发明人】朱鹏程, 尤肖虎, 万圣博
【申请人】东南大学