本發(fā)明涉及一種寬帶大規(guī)模MIMO多用戶導頻設計及信道信息獲取方法和裝置，尤其涉及一種基于Zadoff-Chu序列的寬帶多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)多用戶上行和下行導頻設計及信道信息獲取方法和裝置。

背景技術：

大規(guī)模MIMO在提高功率效率和頻譜效率、抑制干擾以及魯棒傳輸?shù)确矫娑季哂蟹浅＞薮蟮膬?yōu)勢，是未來移動通信關鍵技術之一。正交頻分復用(OFDM)技術能夠?qū)拵诺婪纸鉃槎鄠€并行的窄帶信道，適用于實際的無線傳播信道。大規(guī)模MIMO與OFDM相結(jié)合是下一代寬帶移動通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢之一。

在實際無線通信系統(tǒng)中，為了準確及時地獲取信道信息，常采用基于導頻輔助的信道估計方法。對于多用戶大規(guī)模MIMO-OFDM無線通信系統(tǒng)來說，大量待估計的信道參數(shù)會導致巨大的導頻開銷，同時線性最小均方誤差信道估計需要高維矩陣求逆運算，實現(xiàn)復雜度較高。如何減小系統(tǒng)的導頻開銷以及降低信道估計的復雜度是大規(guī)模MIMO系統(tǒng)亟需解決的核心問題之一。

采用壓縮感知進行信號精確重建時，隨機測量矩陣能夠提供最優(yōu)性能，但在實際應用中需要存儲并訪問隨機矩陣，且硬件實現(xiàn)成本較高。目前已經(jīng)研究了一些結(jié)構(gòu)性測量矩陣，如隨機卷積矩陣，Toeplitz結(jié)構(gòu)隨機矩陣，隨機序列調(diào)制構(gòu)建測量矩陣等等，在一定程度上降低了測量矩陣的隨機性，但仍無法避免隨機性，也不太容易擴展到現(xiàn)有的系統(tǒng)中。因此非常有必要研究確定性的測量矩陣。

Zadoff-Chu序列具有良好的周期自相關性和互相關性，目前在LTE中被用作參考信號序列。利用Zadoff-Chu序列良好的相關性質(zhì)和大規(guī)模MIMO信道通常呈現(xiàn)出較強空間局部性和時域稀疏特性的特點，本發(fā)明給出了一種基于Zadoff-Chu序列的寬帶多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)上行和下行信道估計方法。該方法不僅可以顯著降低系統(tǒng)的導頻開銷，而且更有利于實際系統(tǒng)實現(xiàn)。

技術實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種基于Zadoff-Chu序列的寬帶多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)上行和下行導頻設計及信道信息獲取方法和裝置，節(jié)省系統(tǒng)的導頻開銷并降低信道估計的復雜度。

技術方案：為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

一種寬帶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)多用戶上行導頻設計及信道信息獲取方法，包括：將多個由不同根指數(shù)生成的Zadoff-Chu序列及其經(jīng)過不同調(diào)制因子調(diào)制后的序列構(gòu)成上行導頻池；基站實施導頻調(diào)度從上行導頻池中為各用戶各發(fā)送端口選取上行導頻信號，并將選擇結(jié)果發(fā)送給各用戶；在上行信道訓練中，用戶發(fā)送上行導頻信號，基站依據(jù)接收的導頻信號實施信道信息獲取。

所述寬帶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)采用帶循環(huán)前綴的正交頻分復用(OFDM)調(diào)制方式，在上行信道訓練中，小區(qū)中各用戶在一個或多個連續(xù)OFDM符號的多個子載波上同時發(fā)送上行導頻信號，基站依據(jù)接收到的導頻信號進行小區(qū)中各用戶的上行鏈路信道估計。

生成Zadoff-Chu序列的根指數(shù)在與序列長度互素且小于序列長度的所有正整數(shù)中選擇。

從上行導頻池中為各用戶各發(fā)送端口選取上行導頻信號的準則為：不同小區(qū)中的用戶使用的導頻序列的根指數(shù)不同；同一小區(qū)中，兩個不同發(fā)送端口使用的導頻序列的根指數(shù)相同或不同，當根指數(shù)相同時，其對應的導頻序列的調(diào)制因子不同。

基站依據(jù)信道統(tǒng)計信息和各小區(qū)可用于生成導頻的根指數(shù)實施上行導頻資源調(diào)度，可采用的導頻調(diào)度算法包括但不限于窮舉搜索和貪婪算法；上行導頻調(diào)度完成后，基站將各用戶上行導頻序列的根指數(shù)和調(diào)制因子，或兩者的編碼，通過下行鏈路發(fā)送給各個用戶。

基站依據(jù)給定準則采用染色算法實現(xiàn)導頻資源調(diào)度，所述給定準則包括但不限于信道估計均方誤差之和最小(MMSE)準則；在MMSE準則下的步驟包括：

初始化用戶集合及已分配導頻的用戶集合；

在所有用戶中選擇信道重合度之和最大的用戶，為其每個發(fā)送端口依次分配第一根指數(shù)下不同調(diào)制因子對應的導頻，若第一根指數(shù)對應的導頻不夠，則選擇下一根指數(shù)對應的導頻，分配完成后更新已分配導頻的用戶集合；

在所有未分配導頻的用戶中，選擇與已分配導頻用戶的信道重合度之和最大的用戶，若這樣的用戶不止一個，則在其中選擇與所有未分配導頻用戶的信道重合度之和最大的用戶，在當前分配根指數(shù)下未分配的調(diào)制因子中找出滿足給定條件的最小調(diào)制因子對應的導頻，為其第一發(fā)送端口分配該導頻，其余發(fā)送端口按順序依次分配，若當前分配根指數(shù)導頻數(shù)量不足或沒有滿足給定條件的調(diào)制因子，則選擇下一根指數(shù)對應的導頻依次進行分配，分配完成后更新已分配導頻的用戶集合；重復本步驟直至調(diào)度完成。

在各用戶移動過程中，隨著基站與各用戶間信道統(tǒng)計特性的變化，動態(tài)地實施所述導頻調(diào)度過程。

一種寬帶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)多用戶上行導頻設計及信道信息獲取裝置，包括基站側(cè)裝置和用戶側(cè)裝置；

所述基站側(cè)裝置，包括：

導頻序列生成模塊，用于根據(jù)不同根指數(shù)生成多個Zadoff-Chu序列，以及將生成的Zadoff-Chu序列經(jīng)過不同調(diào)制因子進行調(diào)制，生成調(diào)制后的序列；

上行導頻池，用于保存所述導頻序列生成模塊生成的Zadoff-Chu序列及調(diào)制后的序列；

上行導頻調(diào)度模塊，用于從所述上行導頻池中為各用戶各發(fā)送端口選取上行導頻信號；

導頻選擇結(jié)果發(fā)送模塊：用于將上行導頻調(diào)度模塊所得到的選擇結(jié)果向各用戶發(fā)送；

以及上行信道估計模塊，用于依據(jù)接收的導頻信號實施信道信息獲取；

所述用戶側(cè)裝置，包括：

上行導頻序列生成模塊，用于依據(jù)接收到的從基站發(fā)來的導頻選擇結(jié)果信息生成上行導頻序列；

以及上行導頻發(fā)送模塊，用于發(fā)送由所述上行導頻信號生成模塊生成的上行導頻序列。

一種寬帶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)多用戶下行導頻設計及信道信息獲取方法，包括：將多個由不同根指數(shù)生成的Zadoff-Chu序列及其經(jīng)過不同調(diào)制因子調(diào)制后的序列構(gòu)成下行導頻池；基站實施導頻調(diào)度從下行導頻池中為各波束選取下行導頻信號，并將選擇結(jié)果發(fā)送給各用戶；在下行信道訓練中，基站發(fā)送下行波束域?qū)ьl信號，用戶依據(jù)接收的導頻信號實施信道信息獲取。

所述寬帶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)采用帶循環(huán)前綴的正交頻分復用(OFDM)調(diào)制方式，在下行信道訓練中，基站在一個或多個連續(xù)OFDM符號的多個子載波上同時發(fā)送下行波束域?qū)ьl信號，用戶依據(jù)接收到的下行鏈路導頻信號實施下行信道估計。

生成Zadoff-Chu序列的根指數(shù)在與序列長度互素且小于序列長度的所有正整數(shù)中選擇。

從下行導頻池中為各波束選取的下行導頻信號的準則為：不同波束上使用的導頻信號可以不正交；不同波束可以使用由相同或者不同根指數(shù)生成的Zadoff-Chu序列經(jīng)過調(diào)制后所產(chǎn)生的序列，當不同波束使用由同一根指數(shù)生成的Zadoff-Chu序列經(jīng)過調(diào)制后所產(chǎn)生的序列，其所用序列的調(diào)制因子不相同。

基站采用如下步驟實施導頻調(diào)度，并將各波束所使用的下行導頻序列的根指數(shù)集合和調(diào)制因子集合，或兩者的編碼，通過下行鏈路發(fā)送給各個用戶：

為第一波束分配第一根指數(shù)下調(diào)制因子為0的導頻序列；

對于未分配導頻的波束，若當前根指數(shù)下調(diào)制序列還未使用完，則將當前根指數(shù)下未被分配的調(diào)制后的一個序列分配給該波束；若當前根指數(shù)下調(diào)制序列已經(jīng)使用完，則選取下一個根指數(shù)下調(diào)制因子為0的序列分配給該波束；重復該步驟直至所有波束均已分配相應的導頻序列。

在各用戶移動過程中，隨著基站與各用戶間信道特性的變化，動態(tài)地實施所述導頻調(diào)度過程。

在下行信道訓練中，用戶利用接收到的導頻信號實施下行信道估計的算法包括但不限于基于壓縮感知的信道估計算法。

一種寬帶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)多用戶下行導頻設計及信道信息獲取裝置，包括基站側(cè)裝置和用戶側(cè)裝置；

所述基站側(cè)裝置，包括：

導頻序列生成模塊，用于根據(jù)不同根指數(shù)生成多個Zadoff-Chu序列，以及將生成的Zadoff-Chu序列經(jīng)過不同調(diào)制因子進行調(diào)制，生成調(diào)制后的序列；

下行導頻池，用于保存所述導頻序列生成模塊生成的Zadoff-Chu序列及調(diào)制后的序列；

下行導頻調(diào)度模塊，用于從所述上行導頻池中為各波束選取下行導頻信號；

導頻選擇結(jié)果發(fā)送模塊：用于將下行導頻調(diào)度模塊所得到的選擇結(jié)果向各用戶發(fā)送；

以及下行導頻發(fā)送模塊，用于根據(jù)下行導頻調(diào)度模塊的波束導頻分配結(jié)果發(fā)送下行波束域?qū)ьl信號；

所述用戶側(cè)裝置，包括：

下行導頻矩陣生成模塊，用于依據(jù)接收到的從基站發(fā)來的各波束下行導頻選擇結(jié)果信息生成下行導頻矩陣；

以及下行信道估計模塊，用于依據(jù)下行導頻矩陣及接收的導頻信號實施信道信息獲取。

有益效果：本發(fā)明提供的基于Zadoff-Chu序列的寬帶多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)上行和下行導頻設計與信道估計方法的基本特點是，基于由不同根指數(shù)生成的多個Zadoff-Chu序列及其經(jīng)過不同調(diào)制因子調(diào)制后生成的序列構(gòu)建上行及下行導頻池。上行各用戶各發(fā)送端口(天線口或波束口)頻域?qū)ьl信號由基站側(cè)在上行導頻池中選取，選取的導頻序列滿足如下設計準則：不同小區(qū)中的用戶使用的導頻序列的根指數(shù)不同；同一小區(qū)中，兩個不同發(fā)送端口(天線或波束)使用的導頻序列的根指數(shù)相同或不同，當根指數(shù)相同時，其對應的導頻序列的調(diào)制因子不同?；緜?cè)依據(jù)信道統(tǒng)計信息和可用于生成該小區(qū)用戶導頻的根指數(shù)，實施上行導頻資源調(diào)度。在上行信道訓練中，不同用戶在一個或多個連續(xù)OFDM符號的多個子載波上同時發(fā)送上行導頻信號，基站側(cè)據(jù)此獲取各用戶的信道估計值。在各用戶移動過程中，隨信道長時統(tǒng)計特性的變化動態(tài)地實施上行導頻調(diào)度。在下行信道訓練中，基站發(fā)送導頻給用戶，用戶依據(jù)接收到的導頻信號估計信道信息。下行導頻信號在波束域(由波束成形生成的一組波束收發(fā)端口)發(fā)送，且由基站側(cè)在下行導頻池中選取，選取的導頻序列滿足如下設計準則：不同波束上的導頻信號不要求滿足正交條件；不同波束使用由多個不同根指數(shù)生成的Zadoff-Chu序列及其經(jīng)過不同調(diào)制因子的調(diào)制后所產(chǎn)生的序列。本發(fā)明能夠降低系統(tǒng)的導頻開銷，提高無線通信系統(tǒng)的頻譜效率及功率效率。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

1、采用基于多個Zadoff-Chu序列所構(gòu)建的導頻池可以大幅降低大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的導頻開銷，進而提升系統(tǒng)的頻譜效率及功率效率。

2、利用Zadoff-Chu序列良好的自相關和互相關特性，提升了信道估計的準確性。

3、依據(jù)各用戶的統(tǒng)計信道信息，對導頻資源進行自適應調(diào)度，在降低導頻開銷的同時，保障信道估計性能，并提升系統(tǒng)的靈活性。

4、本方法中的導頻矩陣為采用Zadoff-Chu序列構(gòu)造的確定性矩陣，與壓縮感知技術中常用的隨機導頻矩陣相比，更加適用于實際系統(tǒng)。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅表明本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他實施例的附圖。

圖1為上行導頻設計及信道信息獲取方法流程圖。

圖2為上行導頻設計及信道信息獲取裝置結(jié)構(gòu)框圖。

圖3為下行導頻設計及信道信息獲取方法流程圖。

圖4為下行導頻設計及信道信息獲取裝置結(jié)構(gòu)框圖。

圖5為單小區(qū)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)示意圖。

圖6為上行導頻池生成流程示意圖。

圖7為各用戶上行導頻生成流程示意圖。

圖8為下行導頻池生成流程示意圖。

圖9為各用戶下行導頻生成流程示意圖。

具體實施方式

為了使本技術領域的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬于本發(fā)明保護的范圍。

如圖1所示，本發(fā)明實施例公開的一種寬帶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)多用戶上行導頻設計及信道信息獲取方法，主要包括：(1)將多個由不同根指數(shù)生成的Zadoff-Chu序列及其經(jīng)過不同調(diào)制因子調(diào)制后的序列構(gòu)成上行導頻池；(2)基站實施導頻調(diào)度從上行導頻池中為各用戶各發(fā)送端口選取上行導頻信號，并將選擇結(jié)果發(fā)送給各用戶；(3)在上行信道訓練中，用戶發(fā)送上行導頻信號，基站依據(jù)接收的導頻信號實施信道信息獲取。

通信系統(tǒng)采用帶循環(huán)前綴的正交頻分復用(OFDM)調(diào)制方式，基站在相同的時頻資源上與多個用戶同時進行無線通信；通信過程中通過導頻信號實施信道信息獲取。在上行信道訓練中，小區(qū)中各用戶在一個或多個連續(xù)OFDM符號的多個子載波上同時發(fā)送上行導頻信號，基站依據(jù)接收到的導頻信號進行小區(qū)中各用戶的上行鏈路信道估計。

上行頻域?qū)ьl信號由基站側(cè)在上行導頻池中選取，選取的導頻序列滿足如下設計準則：不同小區(qū)中的用戶使用的導頻序列的根指數(shù)不同；同一小區(qū)中，兩個不同發(fā)送端口(天線或波束)使用的導頻序列的根指數(shù)相同或不同，當根指數(shù)相同時，其對應的導頻序列的調(diào)制因子不同。

如圖2所示，本發(fā)明實施例公開的一種寬帶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)多用戶上行導頻設計及信道信息獲取的裝置，包括基站側(cè)裝置和用戶側(cè)裝置；其中基站側(cè)裝置，包括：導頻序列生成模塊，用于根據(jù)不同根指數(shù)生成多個Zadoff-Chu序列，以及將生成的Zadoff-Chu序列經(jīng)過不同調(diào)制因子進行調(diào)制，生成調(diào)制后的序列；上行導頻池，用于保存導頻序列生成模塊生成的Zadoff-Chu序列及調(diào)制后的序列；上行導頻調(diào)度模塊，用于從所述上行導頻池中為各用戶各發(fā)送端口選取上行導頻信號；導頻選擇結(jié)果發(fā)送模塊，用于將上行導頻調(diào)度模塊所得到的選擇結(jié)果向各用戶發(fā)送；以及上行信道估計模塊，用于依據(jù)接收的導頻信號實施信道信息獲取。用戶側(cè)裝置，包括：上行導頻序列生成模塊，用于依據(jù)接收到的從基站發(fā)來的導頻選擇結(jié)果信息生成上行導頻序列；以及上行導頻發(fā)送模塊，用于發(fā)送由上行導頻信號生成模塊生成的上行導頻序列。

如圖3所示，本發(fā)明實施例公開的一種寬帶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)多用戶下行導頻設計及信道信息獲取方法，包括：(1)將多個由不同根指數(shù)生成的Zadoff-Chu序列及其經(jīng)過不同調(diào)制因子調(diào)制后的序列構(gòu)成下行導頻池；(2)基站實施導頻調(diào)度從下行導頻池中為各波束選取下行導頻信號，并將選擇結(jié)果發(fā)送給各用戶；(3)在下行信道訓練中，基站發(fā)送下行波束域?qū)ьl信號，用戶依據(jù)接收的導頻信號實施信道信息獲取。

在下行信道訓練中，基站在一個或多個連續(xù)OFDM符號的多個子載波上同時發(fā)送下行波束域?qū)ьl信號，用戶依據(jù)接收到的下行鏈路導頻信號實施下行信道估計。下行導頻信號在波束域發(fā)送，從下行導頻池選取的導頻序列滿足如下設計準則：不同波束上使用的導頻信號可以不正交；不同波束可以使用由相同或者不同根指數(shù)生成的Zadoff-Chu序列經(jīng)過調(diào)制后所產(chǎn)生的序列，當不同波束使用由同一根指數(shù)生成的Zadoff-Chu序列經(jīng)過調(diào)制后所產(chǎn)生的序列，其所用序列的調(diào)制因子不相同。

如圖4所示，本發(fā)明實施例公開的一種寬帶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)多用戶下行導頻設計及信道信息獲取裝置，包括基站側(cè)裝置和用戶側(cè)裝置；其中，基站側(cè)裝置，包括：導頻序列生成模塊，用于根據(jù)不同根指數(shù)生成多個Zadoff-Chu序列，以及將生成的Zadoff-Chu序列經(jīng)過不同調(diào)制因子進行調(diào)制，生成調(diào)制后的序列；下行導頻池，用于保存導頻序列生成模塊生成的Zadoff-Chu序列及調(diào)制后的序列；下行導頻調(diào)度模塊，用于從所述上行導頻池中為各波束選取下行導頻信號；導頻選擇結(jié)果發(fā)送模塊，用于將下行導頻調(diào)度模塊所得到的選擇結(jié)果向各用戶發(fā)送；以及下行導頻發(fā)送模塊，用于根據(jù)下行導頻調(diào)度模塊的波束導頻分配結(jié)果發(fā)送下行波束域?qū)ьl信號。用戶側(cè)裝置，包括：下行導頻矩陣生成模塊，用于依據(jù)接收到的從基站發(fā)來的各波束下行導頻選擇結(jié)果信息生成下行導頻矩陣；以及下行信道估計模塊，用于依據(jù)下行導頻矩陣及接收的導頻信號實施信道信息獲取。

本發(fā)明方法主要適用于基站側(cè)配備大規(guī)模天線陣列以同時服務多個用戶的大規(guī)模MIMO-OFDM系統(tǒng)。下面結(jié)合具體的通信系統(tǒng)實例對本發(fā)明涉及的上行和下行導頻設計及信道信息獲取方法的具體實現(xiàn)過程作詳細說明，需要說明的是本發(fā)明方法不僅適用于下面示例所舉的具體系統(tǒng)模型，也同樣適用于其它配置的系統(tǒng)模型。

一、系統(tǒng)配置

在此實施例中，考慮大規(guī)模MIMO-OFDM系統(tǒng)，基站側(cè)配置包含數(shù)十個以上天線單元的大規(guī)模天線陣列，大規(guī)模天線陣列可采用線陣列、圓陣列或者板陣列等多種陣列結(jié)構(gòu)之一。假設基站側(cè)配備的天線單元數(shù)目為N_BS，各天線單元可采用全向天線或者扇區(qū)天線，當各天線單元采用全向天線、120度扇區(qū)天線和60度扇區(qū)天線時，各天線單元之間的間距可配置為1/2波長、波長和1個波長。各天線單元可采用單極化或多極化天線。圖5為單小區(qū)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)示意圖，假設小區(qū)中存在K個配備多根天線的用戶，每個用戶配備N_UT根天線。采用帶循環(huán)前綴的正交頻分復用(OFDM)調(diào)制傳輸技術，子載波個數(shù)為N，采用其中的N_c個子載波發(fā)送頻域?qū)ьl序列，稱這N_c個子載波為有效子載波，循環(huán)前綴長度為N_g。

二、上行導頻設計及信道信息獲取

1、上行信號模型

下面以用戶終端天線作為發(fā)送端口的上行信號模型。以用戶終端波束為發(fā)送端口的情況相似。以單小區(qū)場景為例，令表示在第n個有效子載波上第k個用戶第t根天線與基站的N_BS根天線之間的上行鏈路信道頻率響應，則第k個用戶第t根天線的信道頻率響應可表示為

令表示第k個用戶第t根天線發(fā)送的頻域?qū)ьl矢量x_k,t所構(gòu)成的矩陣，X_k,t對角元素所構(gòu)成的矢量即為頻域?qū)ьl矢量x_k,t，即：X_k,t＝diag{x_k,t}，則基站接收到的OFDM頻域信號可以表示為

其中，表示基站的接收信號，表示加性白高斯噪聲矩陣，其各個元素的均值為零，方差為σ_z。

令表示空間-頻率域矩陣的自相關陣。當天線數(shù)目較大時，的特征矩陣趨于同一個矩陣U^ul(自相關陣的特征向量組成的酉矩陣)，且可近似表示為：

其中為取決于基站側(cè)天線配置方式的酉矩陣，表示N_c維酉DFT矩陣的前N_g列。

設空間-頻率域信道矩陣的波束-時延域信道響應矩陣為則空間-頻率域信道響應矩陣和波束-時延域信道響應矩陣的關系可表示如下：

其中波束-時延域信道響應矩陣的計算公式如下：

采用波束-時延域信道表示，則(1)式給出的接收信號可以表示為：

2、上行導頻設計

為降低大規(guī)模MIMO無線通信系統(tǒng)的導頻開銷，利用具有良好自相關和互相關特性的Zadoff-Chu序列構(gòu)造上行導頻池。由序列長度和根指數(shù)可生成相應的Zadoff-Chu序列，其中根指數(shù)在與序列長度互素且小于序列長度的所有整數(shù)中選擇。對于給定的序列長度，不同根指數(shù)生成的Zadoff-Chu序列經(jīng)過調(diào)制后生成的序列共同構(gòu)造出上行導頻池。上行導頻池生成流程示意圖如圖6所示，具體構(gòu)造流程如下：

(1)根據(jù)序列長度N_c確定可用于生成Zadoff-Chu序列的根指數(shù)集合其中r_i為小于N_c且與N_c互質(zhì)的正整數(shù)，L為根指數(shù)的個數(shù)，可由歐拉公式得到。假設序列長度為素數(shù)，則小于序列長度的所有正整數(shù)都可以作為根指數(shù)來生成Zadoff-Chu序列。每個小區(qū)可使用的根指數(shù)r_i的具體取值集合的大小可根據(jù)小區(qū)內(nèi)可以支持的用戶終端發(fā)送端口(天線或波束)總數(shù)N_port和循環(huán)前綴的長度確定N_g，如N_port/N_g。

(2)采用上一步產(chǎn)生的每個根指數(shù)r_i，按照下式產(chǎn)生Zadoff-Chu序列矢量的第n個元素：

其中，(·)₂表示對2取余。

(3)對進行調(diào)制，產(chǎn)生序列其中為的第τ列，為調(diào)制因子，⊙表示逐元素乘積。τ的具體取值集合可根據(jù)循環(huán)前綴長度N_g確定，如

(4)將上一步中Zadoff-Chu序列經(jīng)調(diào)制后產(chǎn)生的序列放入導頻池，由此建立上行導頻池，其中τ取值為0時所對應的序列可以看成是未經(jīng)調(diào)制的原序列。

小區(qū)中各用戶在一個OFDM符號的N_C個子載波上同時發(fā)送上行導頻信號，上行頻域?qū)ьl信號由基站側(cè)在上行導頻池中選取，選取的導頻序列滿足如下設計準則：不同小區(qū)中的用戶使用的導頻序列的根指數(shù)不同；同一小區(qū)中，兩個不同發(fā)送端口(天線或波束)使用的導頻序列的根指數(shù)相同或不同，當根指數(shù)相同時，其對應的導頻序列的調(diào)制因子不同。

基站側(cè)將上行導頻調(diào)度所得的各用戶各自生成上行導頻序列的根指數(shù)和移位因子，或其編碼，通過下行鏈路發(fā)送給各個用戶。各用戶依據(jù)接收到的生成上行導頻序列的根指數(shù)和移位因子生成各自的上行導頻序列。各用戶上行導頻生成流程示意圖如圖7所示。

3、上行信道估計

在上行信道訓練中，小區(qū)中各用戶在一個OFDM符號的N_C個子載波上同時發(fā)送上行導頻信號?；纠媒邮盏降纳闲袑ьl信號和各用戶信道的統(tǒng)計信息，實現(xiàn)小區(qū)中各用戶的信道估計。其中各用戶信道的統(tǒng)計信息可在基站側(cè)通過各用戶的上行探測來獲取，不同用戶的探測信號不要求使用正交時頻資源。下面以用戶終端天線作為發(fā)送端口的上行信道估計。以用戶終端波束為發(fā)送端口的情況相似。

令r_k,t和τ_k,t分別表示第k個用戶第t根天線所用導頻對應的根指數(shù)和調(diào)制因子，則該天線的頻域?qū)ьl信號矩陣為

其中，σ_tr表示上行導頻信號功率，則有

基站接收到的導頻信號可表示為：

基站依據(jù)接收到的導頻信號進行信道估計，獲得各用戶信道的估計值及其均方誤差。利用波束-時延域信道各元素之間的解相關特性，基站側(cè)可以實現(xiàn)低復雜度的線性最小均方誤差大規(guī)模MIMO-OFDM信道參數(shù)估計。

對于第k個用戶第t根天線，首先獲得其波束-時延域信道參數(shù)的最小二乘估計值為

其中，ρ＝σ_tr/σ_z為信噪比，中各元素獨立且服從分布。

依據(jù)大規(guī)模MIMO-OFDM信道的波束-時延域二維統(tǒng)計信道信息，可獲得其波束-時延域信道參數(shù)的線性最小均方誤差估計。由于大規(guī)模MIMO-OFDM信道在波束-時延域呈現(xiàn)解相關特性，可以對的每個元素分別進行線性最小均方誤差估計，從而降低實現(xiàn)復雜度，其第i行第j列元素的估計式為：

其中，

Ω_k,t為波束-時延域二維統(tǒng)計信道信息，可在基站側(cè)通過各用戶的上行探測獲取。由MMSE估計的正交性，可得估計誤差為

由(3)式即可得到空間-頻率域信道矩陣的估計值

4、上行導頻調(diào)度

上行導頻調(diào)度在基站側(cè)根據(jù)各用戶的統(tǒng)計信道信息和該基站所在小區(qū)對應的根指數(shù)集合完成。基站依據(jù)某一給定準則，如信道估計均方誤差之和最小準則，對小區(qū)中的用戶及導頻池中可用導頻資源進行調(diào)度，確定各用戶各天線使用的Zadoff-Chu序列對應的根指數(shù)和調(diào)制因子，并通知小區(qū)中各用戶。下面以用戶終端天線作為發(fā)送端口的上行導頻調(diào)度。以用戶終端波束為發(fā)送端口的情況相似。

設小區(qū)中存在K個被調(diào)度的用戶，導頻序列長度為N_c，以表示被調(diào)度用戶集合，表示可用于生成該小區(qū)用戶導頻序列的根指數(shù)集合。兩根不同天線使用的導頻序列的根指數(shù)可以相同，當根指數(shù)相同時，其對應的導頻序列的調(diào)制因子不同。同一用戶的不同天線優(yōu)先分配根指數(shù)相同的導頻序列，當該根指數(shù)對應的導頻序列分配完之后，則可使用其他根指數(shù)生成的導頻序列；在本實施例中，同一用戶任意兩不同天線的導頻序列的根指數(shù)如果相同，則將兩序列的調(diào)制因子之差設置為不小于頻帶保護間隔的數(shù)值N_g。令r_k,t和τ_k,t分別表示第k個用戶第t根天線所使用的導頻序列對應的根指數(shù)和調(diào)制因子，表示導頻分配模式，其中和分別為分配給第k個用戶各天線的導頻序列的根指數(shù)集合及調(diào)制因子集合，由此可得到對應的頻域?qū)ьl信號。

上行信道估計均方誤差之和為

基于信道估計均方誤差之和最小準則的導頻調(diào)度即是：搜索出使得ε^ul最小的導頻分配方案該導頻調(diào)度可通過窮舉搜索或貪婪算法完成，此處以染色算法為例，給出如何實現(xiàn)導頻資源調(diào)度的過程。

定義用戶k與用戶k'之間的信道重合度為：

定義用戶k與用戶k'之間的干擾度為：

令α表示兩用戶間干擾度的門限值，則基于染色算法的導頻調(diào)度算法描述如下：

步驟1：初始化用戶集合：用戶集合已分配導頻的用戶集合

步驟2：初始化導頻分配：在所有用戶中選擇信道重合度之和最大的用戶u，即

為其分配根指數(shù)為r₁、調(diào)制因子為0,N_g,2N_g,...,(N_UT-1)N_g的導頻，這些導頻依次分配給該用戶的N_UT根天線。當該根指數(shù)下的導頻分配完成時，則選擇下一根指數(shù)生成的導頻，且調(diào)制因子重新從0開始以N_g的間隔遞增，直至該用戶所有天線的導頻序列均分配完成。更新已分配導頻的用戶集合：

步驟3：用戶選擇：在所有未分配導頻的用戶中，選出與已分配導頻用戶的信道重合度之和最大的用戶，即

如果這樣的用戶不止一個，則在其中選出與所有未分配導頻用戶的信道重合度之和最大的用戶。即

步驟4：導頻分配：為步驟3中選擇出的用戶u分配導頻。若當前根指數(shù)下調(diào)制因子為0～N_g-1的導頻還未被分配完畢，則在這些調(diào)制因子中尋找一最小調(diào)制因子滿足下述條件

將該調(diào)制因子分配給該用戶的第一根天線，且剩余天線對應的調(diào)制因子以N_g的間隔依次遞增，遞增過程中若可用導頻數(shù)量不足，則考慮下一個根指數(shù)，且對應的調(diào)制因子重新從0開始以N_g的間隔遞增，依次分配給各天線；若已分配完畢或無法找到滿足該條件的調(diào)制因子值，則考慮下一個根指數(shù)，且對應的調(diào)制因子從0開始以N_g的間隔遞增，依次分配給該用戶的N_UT根天線。

步驟5：如果返回步驟3進行循環(huán)；否則終止調(diào)度。

在各用戶移動過程中，隨著基站與各用戶間信道的長時統(tǒng)計特性的變化，基站側(cè)動態(tài)地實施前述導頻調(diào)度，形成更新后的導頻分配，進而實施前述的信道估計方法。長時統(tǒng)計特性的變化與具體的應用場景有關，其典型統(tǒng)計時間窗是短時傳輸時間窗的數(shù)倍或數(shù)十倍，相關的信道統(tǒng)計信息的獲取也在較大的時間寬度上進行。

三、下行導頻設計及信道信息獲取

1、下行信號模型

考慮單小區(qū)場景，以表示基站第i個發(fā)送端口(波束)在頻域發(fā)送的導頻序列，表示基站第i個發(fā)送端口與第k個用戶第j個接收端口(天線或波束)之間的信道頻率響應。則下行頻域信號表示為：

其中表示第k個用戶第j個接收端口收到的導頻信號，表示加性白高斯噪聲，其各個元素的均值為零，方差為令則上式可表示如下：

其中為基站端發(fā)送端口和第k個用戶第j個接收端口之間的信道響應矩陣，P為波束域?qū)ьl矩陣，為矩陣的向量表示。

2、下行導頻設計

為了減少大規(guī)模MIMO系統(tǒng)信道估計的導頻開銷，采用Zadoff-Chu序列構(gòu)建下行導頻池。由序列長度和根指數(shù)可生成相應的Zadoff-Chu序列，其中根指數(shù)可以在與序列長度互素且小于序列長度的所有整數(shù)中選擇。對于給定的序列長度，不同根指數(shù)對應的Zadoff-Chu序列經(jīng)過調(diào)制后生成的所有序列共同構(gòu)造出下行導頻池。下行導頻信號在波束域發(fā)送，選取的導頻序列滿足如下設計準則：不同波束上使用的導頻信號可以不正交；不同波束可以使用由相同或者不同根指數(shù)生成的Zadoff-Chu序列經(jīng)過調(diào)制后所產(chǎn)生的序列，當不同波束使用由同一根指數(shù)生成的Zadoff-Chu序列經(jīng)過調(diào)制后所產(chǎn)生的序列，其所用序列的調(diào)制因子不相同。

下行導頻池生成流程示意圖如圖8所示，具體構(gòu)造流程如下：

(1)根據(jù)序列長度N_c確定可用于生成Zadoff-Chu序列的根指數(shù)集合其中r_i為小于N_c且與N_c互質(zhì)的正整數(shù)，L為根指數(shù)的個數(shù)，可由歐拉公式得到。假設序列長度為素數(shù)，則小于序列長度的所有正整數(shù)都可以作為根指數(shù)來生成Zadoff-Chu序列。每個小區(qū)可使用的根指數(shù)r_i的具體取值集合的大小可根據(jù)基站發(fā)送端口(波束)總數(shù)N_port和循環(huán)前綴的長度確定N_g，如N_port/N_g。

(2)采用上一步產(chǎn)生的每個根指數(shù)r_i，按照下式產(chǎn)生Zadoff-Chu序列矢量的第n個元素：

其中，(·)₂表示對2取余。

(3)對進行調(diào)制，產(chǎn)生序列其中為的第φ列，為調(diào)制因子，⊙表示逐元素乘積。φ的具體取值集合可根據(jù)循環(huán)前綴長度N_g確定，如

(4)將上一步中Zadoff-Chu序列經(jīng)調(diào)制后產(chǎn)生的序列放入導頻池，由此建立下行導頻池，其中φ取值為0時所對應的序列可以看成是未經(jīng)調(diào)制的原序列。

下行導頻信號在波束域發(fā)送，基站側(cè)按照如下過程在下行導頻池中選取導頻分配給各波束：

步驟1：初始化導頻分配，為波束1分配根指數(shù)為r₁、調(diào)制因子為0的導頻序列。

步驟2：對于未分配導頻的波束i，若當前根指數(shù)下調(diào)制序列還未使用完，則將當前根指數(shù)下未被分配的調(diào)制后的一個序列分配給波束i；若當前根指數(shù)下調(diào)制序列已經(jīng)使用完，則選取下一個根指數(shù)下調(diào)制因子為0的序列分配給波束i。

步驟3：重復步驟2，直到所有波束均已分配相應的導頻序列。

由上述步驟即可獲得波束域?qū)ьl矩陣P。

基站側(cè)將各波束所使用下行導頻序列的根指數(shù)集合和調(diào)制因子集合，或其編碼，通過下行鏈路發(fā)送給各個用戶。各用戶依據(jù)接收到的各波束所使用下行導頻序列的根指數(shù)集合和調(diào)制因子集合生成下行導頻矩陣。各用戶下行導頻矩陣生成流程示意圖如圖9所示。

3、下行信道估計

在下行信道訓練中，用戶依據(jù)接收到的下行鏈路導頻信號實施信道估計。在此實施例中，用戶采用基于子空間追蹤的算法來實施下行信道估計。

用戶側(cè)接收到的導頻信號可以表示為：

將接收信號波束域?qū)ьl矩陣以及波束域信道稀疏度s作為基于子空間追蹤的恢復算法的輸入，對波束域信道矩陣進行估計。

基于子空間追蹤的恢復算法具體步驟表示如下：

步驟1：輸入用戶側(cè)接收導頻數(shù)據(jù)波束域?qū)ьl矩陣P，波束域信道的稀疏度s，接收端信噪比估計值SNR，殘余接收信號與導頻矩陣的列向量間相關性的門限值η；

步驟2：初始化：j＝0，

步驟3：稀疏度修剪；如果信噪比SNR大于門限值，則降低稀疏度；反之，則增加稀疏度；

步驟4：如果條件不滿足，則執(zhí)行步驟5；否則，執(zhí)行如下過程：

4.1j＝j+1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6如果||r^k,j||2＞||r^k,j-1||2

Ω^k,j＝Ω^k,j-1，退出循環(huán)，執(zhí)行步驟5；

4.7繼續(xù)執(zhí)行步驟4；

步驟5：令輸出波束域信道估計結(jié)果為：在Ω^k,j處有非零項在其他位置處的元素值為零，即

在本申請所提供的實施例中，應該理解到，所揭露的方法，在沒有超過本申請的精神和范圍內(nèi)，可以通過其他的方式實現(xiàn)。當前的實施例只是一種示范性的例子，不應該作為限制，所給出的具體內(nèi)容不應該限制本申請的目的。例如，多個單元或組件可以結(jié)合或者可以集成到另一個系統(tǒng)，或一些特征可以忽略，或不執(zhí)行。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應以所述權利要求的保護范圍為準。