用于大规模mimo系统的拓扑导频污染消除的方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 下述描述大体上设及一种用于大规模MIMO系统(也被称为"大规模天线系统"）中 的导频污染消除的方法和装置，并且具体地，设及一种基于利用拓扑干扰对齐的信道估计 的大规模MIMO通信系统。
【背景技术】
[0002] 大规模MIMO(多输入和多输出）是一种新兴技术，其中，移动终端的数量远小于基 站天线的数量。在富散射环境中，可W利用简单的波束成形技术(例如最大比例传输(MRT) 或迫零(ZF))来开发大规模MIMO系统的全部优势。为了充分实现大规模MIMO的运些益处，必 须完美地获得精确的信道状态信息(CSI)。然而，在实践中，根据正交导频序列来估计发送 器和接收器之间的信道，该正交导频序列受到信道的相干时间的限制。更重要地是，在多小 区设置中，多个共信道小区的导频序列的再使用将造成导频污染。当存在导频污染时，大规 模MIMO的性能大幅度地下降。
[0003] 如果基站(BS)配备有大量天线，则会存在被称为信道硬化的特殊方面，运意味着 小规模衰退由数量渐进无限的天线所消除。信道硬化指下述现象:随着信道增益矩阵H的大 小增加，与对角线项相比，矩阵的非对角线项逐渐变弱。
[0004] 例如，如果假设对于不同的小区，所有的L个小区中的每一个均具有K个UE(用户设 备），它们的第k个肥使用同一导频时隙，则天线数量趋近于无穷大时，容量可W被表达为：
[0005] 因为-
所W
[0006] 其中标量P是发射功率，M是BS天线的数量，H是信道增益矩阵，（.）H表示埃尔米特 矩阵。当发射天线的数量M趋于无限大时，H的行向量渐进正交，并且因此
小规模衰退部分消失。仅余下大规模衰退(路径损耗和遮蔽效应）。它们形成导频污染的主 要部分。
[0007] 为了缓解导频污染的效应，可W仅关注运种大规模衰退(路径损耗和遮蔽效应）。 幸运的是，在实际系统中，运种大规模衰退中存在部分连通性特征。并非所有的小区间干扰 链路都强大到足W被同等重视。仅部分链路形成强的干扰，而其他可W被忽略。参考图1，对 于小区1中的BS，小区边缘的UE将形成强小区间干扰，但小区2中远离BS的一些肥仅引入可 忽略的干扰。
[000引例如，如果具有4个BS、4个UE(每个BS-个UE)和用于导频的4个时隙，则Tx(发射 器)导频和Rx(接收器)投影设计可W是简单的，如图2所示。仅需要给每个UE分配一个正交 时隙。参考图2, 0是85投影矩阵，其中，行数等于BS数量4,并且列数等于时隙数量，每个行 表示用于各个BS的4个时隙投影系数。W是UE导频矩阵，其中，行数等于时隙数量，并且列数 等于肥数量，每个列表示用于各个UE的4个时隙导频信号。因此在该实例中，BS投影矩阵是 04X4,并且肥导频矩阵是^4X4。
[0009]然而，在实践中，肥的数量总是大于导频时隙的数量。例如，如果具有6个BS、6个肥 (每个BS-个UE)和用于导频的4个时隙，则之前的正交导频不可用。因此在该实例中，BS投 影矩阵是06X4,并且肥导频矩阵是? 4X6。导频必须在时间资源上重叠。
[0011] 在TDD系统中，所有小区中的所有用户首先同步地发送上行数据信号。随后，用户 发送导频序列。BS使用运些导频序列来为位于其小区内的用户估计CSI。然后，BS使用估计 的CSI来检测上行链路数据并且生成用于下行链路数据传输的波束成形向量。然而，由于受 限的信道相干时间，相邻小区中的用户所使用的导频序列可能不再与小区内的导频序列正 交，从而导致导频污染问题(图3)。
[0012] 对于基于TDD的大规模MIMO传输系统，导频序列在上行链路由用户发送，W估计信 道。使^,=(^<1，一，^^^,^为小区1中的用户输导频序列，其中，1表示导频序列的长度。尽 管运不是必须的，但是在下文中做此假设并且使用该假设是方便的。理想地，同一小区和相 邻小区内的用户所使用的导频序列应该是正交的，即：
[0013] y,/沖难-'/邱-/'] (2)
[0014] 其中S[.]被限定为： -I f l ft 二 0
[001 引在 H 二' (3) L」1() 1?;则 、J
[0016] 在运种情况下，信道向量不与其他用户的信道向量相关，从运个意义来说，BS可W 获得该信道向量的无污染估计。
[0017] 然而，具有给定周期和带宽的正交导频序列的数量被限制，运转而限制了可W服 务的用户的数量。为了处理更多用户，在相邻小区中使用非正交导频序列。因此，对于一些 不同的k，j，l和1'，可W具有
[001引中/''/中.,.'/'卓(） （4)
[0019] 因此，用于用户的信道向量的估计变为与具有非正交导频序列的用户的信道向量 相关。
[0020] 总之，在典型的多小区大规模MIMO系统中，来自相邻小区的用户可W使用非正交 导频。其原因十分简单一一正交导频的数量小于用户的数量。非正交导频的使用导致导频 污染问题。导频污染导致定向的小区间干扰，与其他的干扰源不同，定向的小区间干扰随着 BS天线的数量一起增长，并且显著地损害系统性能。各种信道估计、预编码和合作方法已经 被提出W解决该问题。然而，在BS之间具有良好性能、低复杂度W及受限或零合作的更加有 效的方法值得更深入的研究。
【发明内容】
[0021] 因此，本发明的一个方面在于提供用于大规模MIMO系统中的导频污染消除的方法 和装置。
[0022] 根据本发明的实施方式，一种大规模多输入多输出(MIMO)系统中的拓扑导频污染 消除的方法，该系统包括一个或多个基站(BS)、一个或多个用户设备(肥)和中央控制器，该 方法包括：
[0023] 通过中央控制器，基于从BS获得的信道增益获得大尺度衰落矩阵；
[0024] 通过中央控制器，基于大尺度衰落矩阵获得拓扑方阵；
[0025] 通过中央控制器，归一化拓扑方阵W形成归一化的拓扑方阵；
[0026] 通过中央控制器，基于归一化的拓扑方阵和导频资源的数量通过矩阵分解获得导 频矩阵；
[0027] 通过中央控制器，基于导频矩阵和拓扑方阵获得优化的估计器投影矩阵;及
[0028] 通过独立的BS，基于优化的估计器投影矩阵和UE发送的导频执行信道估计，其中 所有肥的导频由导频矩阵给出。
[0029] 优选地，导频资源位于正交域中，该正交域包括时间域、频率域或码域等。
[0030] 优选地，获得拓扑方阵的步骤还包括:通过将服务多个肥的每个BS划分为多个虚 拟BS，将大尺度衰落矩阵转换为拓扑方阵，其中，每个虚拟BS服务一个UE，并且具有与相应 的源BS相同的参数。
[0031 ]优选地，归一化拓扑方阵的步骤还包括:通过将拓扑方阵与归一化矩阵相乘，实现 对拓扑方阵中各个肥信道增益向量的关于期望链路信道增益的归一化，其中，归一化矩阵 是对角矩阵，期望链路信道增益的倒数作为对角线值。
[0032] 优选地，获得导频矩阵的步骤还包括：
[0033] 通过利用预定阔值四舍五入归一化的拓扑方阵中的可忽略元，而获得部分连通矩 阵；
[0034] 通过使该部分连通矩阵中的非零值的非对角线元素为零，基于部分连通矩阵获得 互补矩阵，并且为部分连通矩阵中的各个零元素分配任意值；
[0035] 通过基于导频资源的数量将互补矩阵分解成BS投影矩阵和归一化的导频矩阵，获 得归一化的导频矩阵，其中，BS投影矩阵和归一化的导频矩阵均满足下列要求：
[0036] BS投影矩阵和归一化的导频矩阵的积得出互补矩阵;和
[0037] BS投影矩阵的尺寸为KXT，而归一化的导频矩阵的尺寸为TXK，其中，K是所有小 区中的UE的数量，并且T是导频资源的数量；
[0038] 通过将归一化的导频矩阵与归一化矩阵相乘，获得导频矩阵。
[0039] 优选地，通过拓扑干扰对齐运算获得导频矩阵，该运算包括：
[0040] 生成KXK的随机矩阵A*^并且设置i = 0;
[0041] 迭代地进行下列步骤：
[00创获得Ai的奇异值分解(SVD): Ai = Ui SiyiH,通过迫使的对角线上的最小化-T)个 奇异值为零而获得若，并且获得棘二护爱；
[0043] 通过迫使对角线元素为IW及迫使在中具有0值的相应元素为零，而获得A1+1, 如下：
[0045] 如果Ai+i收敛，则中断迭代;否则，设置i = i+l，并且进入下一迭代；
[0046] 获得归一化的导频矩阵，其为
[0047] 优选地，执行信道估计的步骤还包括：由每个UE发送由导频矩阵的相应列所指定 的导频。
[004引优选地，执行信道估计的步骤还包括:利用优化的估计器投影矩阵投影接收的导 频。
[0049] 优选地，通过最小均方误差(MMSE)方法获得估计器投影矩阵。
【附图说明】
[0050] 下文中，将参考附图更详细地描述本发明的实施方式，附图中：
[0051] 图1示出了展示无线系统中信道衰落的视图；
[0052] 图2示出了 BS投影矩阵和肥导频矩阵；
[0053 ]图3示出了来自其他小区UE的导频污染和干扰；
[0054] 图4示出了根据本发明的用于大规模MIMO系统的拓扑导频污染消除的方法的流程 图；W及
[0055] 图5示出了根据本发明的基于利用拓扑干扰对齐的信道估计的大规模MIMO通信系 统架构。
【具体实施方式】
[0056] 在下文中，W优选实例的形式列出了用于大规模MIMO系统中的导频污染消除的方 法。对于本领域内技术人员显而易见的是，可W在不脱离本发明的范围和精神的情况下做 出改进，包括增加和/或替换。具体细节可W被省略W便不会模糊本发明；然而，本公开文本 被撰写成使本领域技术人员能够实现本文的教导，而不需要过度的实验。
[0057] 如上所述，考虑具有L个小区的系统。假设每个小区具有K个单天线用户和具有M个 天线的BS，其中，M〉〉K。出于展示的目的，假设所有的L个小区均使用同一组K个导频序列。 [005引随着BS天线数量变大，即，第j个小区中的第k个用户的SINR(信号与干扰加 噪声比）趋于W下限制：
巧)
[0060] 其中，山,k,i是大尺度信道衰落系数。根据式(5) ,SINR仅取决于信道的大尺度衰落 因子，而小尺度衰落因子和噪声被平均掉。因此在大规模MIMO中，可W利用强的大尺度衰落 来进行导频污染消除。
[0061] 如上文中关于图1所讨论的，并非所有的小区间干扰链路都足够强。仅小区边缘上 的UE将形成强的小区间干扰，一些肥仅引入可忽略的干扰。部分连通性使得正交导频传输 能够用于比导频时隙数量更多的肥。可W基于部分连通性使用拓扑干扰对齐来实现运个目 的。
[0062] 图4公开了描述根据本发明的用于大规模MIMO系统的拓扑导频污染消除的方法的