一种基于用户分簇的导频分配方法与流程

本发明涉及一种基于用户分簇的导频分配方法，具体涉及一种用于大规模天线系统中导频污染预编码的基于用户分簇的导频分配方法，属于通信系统技术领域。

背景技术：

大规模天线(Massive MIMO)技术因其众多的优良性能，成为了第五代移动通信(5G)关键技术之一。已有研究表明(详见文献[1]，文献[1]:L.Lu,G.Li,A.Lee；A.Ashikhmin,R.Zhang,“An Overview of Massive MIMO:Benefits and Challenges,”IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing,vol.8,no.5,pp.742-758,2014.)，随着基站端的天线数目的增多，不相关噪声对通信系统的影响递减；不同用户间的信道趋于正交；简单的线性预编码就可以达到最优的效果。然而，Massive MIMO系统的性能并不能随基站端天线数的增加而无限提高，导频污染是限制Massive MIMO系统性能的主要瓶颈。

在时分双工(TDD)工作模式下，用户在上行训练时需要向基站发送导频序列，基站根据用户发送的导频序列进行信道估计,依据信道互易性，基站可以利用上行估计到的信道状态信息进行下行链路的数据发送。然而导频序列的长度受到信道相干时间间隔的限制，在用户很多的情况下，不同小区用户之间不可避免地共用相同的导频。这使得在上行链路信道估计过程中，使用相同导频的用户信道估计受到相互干扰的影响，从而出现估计误差。将这种携带误差的信道状态信息应用到下行传输中，用户会接收到来自不同基站的信号，既有来自服务基站的有用信号，也有来自其他基站的干扰信号，由于干扰信号的存在使得传输速率大幅降低，这种由于导频复用引起的干扰称为导频污染。

导频污染预编码是减少导频污染影响的一个有力技术。其基本思想是在传统的预编码之前，利用基站合作将共用相同导频的用户的数据进行线性组合，从而减弱用户下行接收到的干扰信号，达到降低导频污染影响的目的。但是这种工作方式需要合作基站之间进行严格的同步，由于信号同步时所用循环前缀长度有限，进行导频污染预编码的合作基站数最多为3个(相关描述详见参考文献[2]，文献[2]：M.Mazrouei-Sebdani,W.Krzymien,“Massive MIMO with Clustered Pilot ContaminationPrecoding,”inAsilomar Conference on SignalsSystems and Computers,Pacific Grove,California,2013,pp.1218-1222.)。现有的基于3基站合作的导频污染预编码假定用户在小区中是对称分布的，所以可以按照地理位置将六边形小区划分为三个区域，并根据用户所在的区域进行相应的导频分配。然而，实际应用中，用户在小区中的位置是随机并且是移动的，这种假设用户对称分布、根据地理位置固定地分配导频的方法在实际应用中具有一定的局限性。

技术实现要素：

针对现有技术中假设用户对称分布、根据地理位置固定地分配导频的方法的不足，本发明提供了一种用于大规模天线系统中导频污染预编码的基于用户分簇的导频分配方法；

本发明基于用户随机分布、根据用户大尺度衰落信息进行导频分配，利用导频污染预编码技术，减弱导频污染的影响，提升了通信系统的性能。

术语解释

1、基站簇，是指可以进行导频污染预编码合作的基站的集合；本发明中3个合作基站构成一个基站簇；

2、导频簇，是指具有一定数量的正交导频的集合，本发明中将3K个正交导频划分到3个导频簇中，每个导频簇均含有K个相互正交的导频；

3、用户簇，是指同一小区中接受同一基站簇服务的用户的集合，本发明中同一小区中的用户被分为3个用户簇，每个用户簇均含有K个用户。

本发明概述：

本发明首先划定进行导频污染预编码合作的基站簇，然后，通过获得用户到不同基站的大尺度衰落信息，确定用户在不同基站簇中受干扰的程度，根据所受干扰程度为用户选定用户簇，接下来根据用户所在的用户簇利用划分的导频簇完成导频的分配，最后利用导频污染预编码来减弱导频污染，达到提高通信系统性能的目的。

本发明的技术方案为：

一种用于大规模天线系统中导频污染预编码的基于用户分簇的导频分配方法，所述大规模天线系统包括L个等同的六边形小区，每个小区内均配备1个基站且同时服务3K个用户，所述大规模天线系统还包括3K个相互正交的导频，具体步骤包括：

(1)划定导频簇：将3K个相互正交的导频分为3个导频簇，记作导频簇P₁、P₂、P₃，每个导频簇中均包括K个相互正交的导频；

(2)设定当前正在进行用户簇划分的小区为中心小区，对与其合作的基站划定基站簇；

(3)求取中心小区中的任一用户i到每个基站j的大尺度衰落信息

(4)将中心小区中的任一用户i到每个基站j的大尺度衰落信息按照从小到大的顺序进行排序，确定中心小区中的任一用户i抗干扰能力的强弱；

(5)根据步骤(4)中确定的中心小区中的任一用户i抗干扰能力的强弱，利用贪婪算法，按照中心小区中的任一用户i抗干扰能力从弱到强的顺序，中心小区中的任一用户i分配在所受干扰最强的基站簇下的用户簇中，从而确定中心小区中每个用户所处的用户簇；

(6)按上述方法完成系统中的L个小区的所有用户的用户簇划分；

(7)为各用户簇分配相应的导频簇，完成相互正交的导频的分配，再利用导频污染预编码技术，将干扰信号减弱，降低导频污染带来的影响。

根据本发明优选的，所述步骤(2)，具体步骤包括：

a、对小区、基站编号：中心小区编号为①，中心小区的基站为基站1，与中心小区相邻的周围六个小区按逆时针顺序依次将其编号为②、③、④、⑤、⑥、⑦，对应小区中的基站依次为基站2、基站3、基站4、基站5、基站6、基站7；

b、划定基站簇：假定基站1与周围6个基站以以下方式进行合作：基站簇B₁包括基站1、基站2、基站3，基站簇B₂包括基站1、基站4、基站5，基站簇B₃包括基站1、基站6、基站7，相应地将中心小区的用户划分到3个用户簇中，3个用户簇包括用户簇U₁、用户簇U₂、用户簇U₃,每个用户簇中具有相同的用户数，设定|U_i|为用户簇U_i中的用户个数，i＝1,2,3则|U₁|＝|U₂|＝|U₃|＝K，用户簇U₁、用户簇U₂、用户簇U₃分别接受基站簇B₁、基站簇B₂、基站簇B₃的服务。

根据本发明优选的，所述步骤(4)，具体步骤包括：

将中心小区中的任一用户i到其基站即基站1的大尺度衰落信息按照从小到大的顺序重新进行排序，表示用户的抗干扰能力由弱到强，重新排序后的大尺度衰落信息为中的上标[i]表示按抗干扰能力由弱到强排序后的排序为第i的用户[i]。如果[s]＜[t]，表示第[s]个用户的抗干扰能力比第[t]个用户的抗干扰能力弱。

根据本发明优选的，所述步骤(5)，具体步骤包括：

由于抗干扰能力弱的用户更易受到相邻基站的干扰，所以在给用户选定用户簇的时候优先为抗干扰能力弱的用户选定用户簇。

c、初始化用户起始编号i＝1，即从抗干扰能力最弱的上标为[1]的用户开始，为其选定用户簇；初始化用户簇U₁、用户簇U₂、用户簇U₃中当前的用户个数u₁、u₂、u₃均为0；

d、分别判断u₁、u₂、u₃是否均等于K，若是，则说明相应的用户簇内的用户已满，那么该用户簇将不再接受后面的用户分配，结束，否则，用户簇接受用户的分配，进入步骤e；

e、对用户数未满的用户簇，按照以下步骤计算SIR的方法计算出接受用户分配的用户簇所在的基站簇对用户[i]的影响：

当基站簇B₁接受用户的分配时，计算用户[i]在基站簇B₁中的信干比计算公式如式(I)所示:

${\mathrm{SIR}}_1^{\[i\]}={\left({\mathrm{\β}}_1^{\[i\]}\right)}^2/({\left({\mathrm{\β}}_2^{\[i\]}\right)}^2+{\left({\mathrm{\β}}_3^{\[i\]}\right)}^2)---\left(I\right);$

当基站簇B₂接受用户的分配时，计算用户[i]在基站簇B₂中的信干比计算公式如式(Ⅱ)所示:

${\mathrm{SIR}}_2^{\[i\]}={\left({\mathrm{\β}}_1^{\[i\]}\right)}^2/({\left({\mathrm{\β}}_4^{\[i\]}\right)}^2+{\left({\mathrm{\β}}_5^{\[i\]}\right)}^2)---\left(II\right);$

当基站簇B₃接受用户的分配时，计算用户[i]在基站簇B₃中的信干比计算公式如式(Ⅲ)所示:

${\mathrm{SIR}}_3^{\[i\]}={\left({\mathrm{\β}}_1^{\[i\]}\right)}^2/({\left({\mathrm{\β}}_6^{\[i\]}\right)}^2+{\left({\mathrm{\β}}_7^{\[i\]}\right)}^2)---\left(III\right);$

f、从步骤e计算出的SIR中选择最小值，并将用户[i]分配到该最小值所在的用户簇中，同时该用户簇内的用户数相应地加1，完成用户[i]的用户簇选择；

g、将i加1，如果i≤3K，说明中心小区的用户还未完全选定用户簇，继续为下一用户进行用户簇的选定,返回步骤d，否则，说明中心小区内的用户已全部选定用户簇，结束。

根据本发明优选的，所述步骤(7)，具体步骤包括：

h、所有选择相同基站簇的用户簇分配相同的导频簇，同一小区内的用户簇分配的是正交的导频；

i、利用迫零的导频污染预编码技术，将共用相同导频的用户的数据进行线性组合。从而减弱干扰信号带来的影响，达到提高系统的性能的目的。

本发明的有益效果为：

与现有假定用户在小区中对称分布的场景相比，本发明考虑了用户在小区中随机分布的场景。本发明通过利用用户的大尺度衰落信息，合理地为用户划定用户簇，然后根据导频簇对用户进行导频分配，接着利用导频污染预编码技术减弱导频污染引起的干扰，从而提高了用户接收信号的信干比，达到了提升系统性能的目的。

附图说明

图1是现有技术中按地理位置划分小区示意图；

图2是现有技术中7小区系统用户对称分布场景中导频的分配情况示意图；

图3是实施例中7小区系统用户随机分布场景中导频的分配情况示意图；

图4是实施例中用于大规模天线系统中导频污染预编码的基于用户分簇的导频分配方法的流程图；

图5是实施例中为中心小区各用户选定用户簇的流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。

实施例

图2显示的是7小区系统中用户在各小区内呈对称分布时导频簇的示意图。由于地理位置上的对称性，可以根据图1所示的区域划分方法，按区域A₀、A₁、A₂分配导频簇。只要用户所在的区域确定，用户所使用的导频簇即可确定。然而在实际通信中，用户在小区中的位置是随机的，图2这种根据区域分配导频簇的方法具有一定的局限性，

一种用于大规模天线系统中导频污染预编码的基于用户分簇的导频分配方法，如图4所示，所述大规模天线系统包括7个等同的六边形小区，如图3所示，每个小区内均配备1个基站且同时服务3K个用户，所述大规模天线系统还包括3K个相互正交的导频，具体步骤包括：

(1)划定导频簇：将3K个相互正交的导频分为3个导频簇，记作导频簇P₁、P₂、P₃每个导频簇中均包括K个相互正交的导频；

(2)设定当前正在进行用户簇划分的小区为中心小区，对与其合作的基站划定基站簇；具体步骤包括：

a、对小区、基站编号：中心小区编号为①，中心小区的基站为基站1，与中心小区相邻的周围六个小区按逆时针顺序依次将其编号为②、③、④、⑤、⑥、⑦，对应小区中的基站依次为基站2、基站3、基站4、基站5、基站6、基站7；

b、划定基站簇：假定基站1与周围6个基站以以下方式进行合作：基站簇B₁包括基站1、基站2、基站3，基站簇B₂包括基站1、基站4、基站5，基站簇B₃包括基站1、基站6、基站7，相应地将中心小区的用户划分到3个用户簇中，3个用户簇包括用户簇U₁、用户簇U₂、用户簇U₃,每个用户簇中具有相同的用户数，设定|U_i|为用户簇U_i中的用户个数，i＝1,2,3则|U₁|＝|U₂|＝|U₃|＝K，用户簇U₁、用户簇U₂、用户簇U₃分别接受基站簇B₁、基站簇B₂、基站簇B₃的服务。

(3)求取中心小区中的任一用户i到每个基站j的大尺度衰落信息

(4)将中心小区中的任一用户i到每个基站j的大尺度衰落信息按照从小到大的顺序进行排序，确定中心小区中的任一用户i抗干扰能力的强弱；具体步骤包括：将中心小区中的任一用户i到其基站即基站1的大尺度衰落信息按照从小到大的顺序重新进行排序，表示用户的抗干扰能力由弱到强，重新排序后的大尺度衰落信息为中的上标[i]表示按抗干扰能力由弱到强排序后的排序为第i的用户[i]。如果[s]＜[t]，表示第[s]个用户的抗干扰能力比第[t]个用户的抗干扰能力弱。

(5)根据步骤(4)中确定的中心小区中的任一用户i抗干扰能力的强弱，利用贪婪算法，按照中心小区中的任一用户i抗干扰能力从弱到强的顺序，中心小区中的任一用户i分配在所受干扰最强的基站簇下的用户簇中，从而确定中心小区中每个用户所处的用户簇；如图5所示，具体步骤包括：

由于抗干扰能力弱的用户更易受到相邻基站的干扰，所以在给用户选定用户簇的时候优先为抗干扰能力弱的用户选定用户簇。

c、初始化用户起始编号i＝1，即从抗干扰能力最弱的上标为[1]的用户开始，为其选定用户簇；初始化用户簇U₁、用户簇U₂、用户簇U₃中当前的用户个数u₁、u₂、u₃均为0；

d、分别判断u₁、u₂、u₃是否均等于K，若是，则说明相应的用户簇内的用户已满，那么该用户簇将不再接受后面的用户分配，结束，否则，用户簇接受用户的分配，进入步骤e；

e、对用户数未满的用户簇，按照以下步骤计算SIR的方法计算出接受用户分配的用户簇所在的基站簇对用户[i]的影响：

当基站簇B₁接受用户的分配时，计算用户[i]在基站簇B₁中的信干比计算公式如式(I)所示:

${\mathrm{SIR}}_1^{\[i\]}={\left({\mathrm{\β}}_1^{\[i\]}\right)}^2/({\left({\mathrm{\β}}_2^{\[i\]}\right)}^2+{\left({\mathrm{\β}}_3^{\[i\]}\right)}^2)---\left(I\right);$

当基站簇B₂接受用户的分配时，计算用户[i]在基站簇B₂中的信干比计算公式如式(Ⅱ)所示:

${\mathrm{SIR}}_2^{\[i\]}={\left({\mathrm{\β}}_1^{\[i\]}\right)}^2/({\left({\mathrm{\β}}_4^{\[i\]}\right)}^2+{\left({\mathrm{\β}}_5^{\[i\]}\right)}^2)---\left(II\right);$

当基站簇B₃接受用户的分配时，计算用户[i]在基站簇B₃中的信干比计算公式如式(Ⅲ)所示:

${\mathrm{SIR}}_3^{\[i\]}={\left({\mathrm{\β}}_1^{\[i\]}\right)}^2/({\left({\mathrm{\β}}_6^{\[i\]}\right)}^2+{\left({\mathrm{\β}}_7^{\[i\]}\right)}^2)---\left(III\right);$

f、从步骤e计算出的SIR中选择最小值，并将用户[i]分配到该最小值所在的用户簇中，同时该用户簇内的用户数相应地加1，完成用户[i]的用户簇选择；

g、将i加1，如果i≤3K，说明中心小区的用户还未完全选定用户簇，继续为下一用户进行用户簇的选定,返回步骤d，否则，说明中心小区内的用户已全部选定用户簇，结束。

(6)按上述方法完成系统中的7个小区的所有用户的用户簇划分；

(7)为各用户簇分配相应的导频簇，完成相互正交的导频的分配，再利用导频污染预编码技术，将干扰信号减弱，从而降低导频污染带来的影响。具体步骤包括：

h、所有选择相同基站簇的用户簇分配相同的导频簇，同一小区内的用户簇分配的是正交的导频；

i、利用迫零的导频污染预编码技术，将共用相同导频的用户的数据进行线性组合。从而减弱干扰信号带来的影响，达到提高系统的性能的目的。