本發(fā)明涉及無線通信領(lǐng)域，特別是涉及一種多小區(qū)多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的導(dǎo)頻分配方法。

背景技術(shù)：

大規(guī)模MIMO系統(tǒng)也稱多天線陣列，通過在基站側(cè)配置大規(guī)模天線陣列獲得豐富的空間自由度，利用相同的時(shí)頻資源為多用戶提供通信服務(wù)，每個(gè)用戶可選擇接入多根天線單元，既能增大用戶連接數(shù)密度，又能提升能量效率和系統(tǒng)容量。相對于僅配置中小規(guī)模天線陣列的傳統(tǒng)MIMO，大規(guī)模MIMO技術(shù)具有眾多優(yōu)點(diǎn)：首先，基于隨機(jī)矩陣?yán)碚摰臐u進(jìn)分析表明，隨著基站天線數(shù)的增加，無線信道的小尺度衰落效應(yīng)能得到有效抑制。其次，單天線發(fā)射功率隨天線數(shù)增加線性減小，意味著單位比特的發(fā)射能耗隨天線數(shù)增加大幅降低，且部分天線單元或射頻鏈路故障不會對系統(tǒng)整體性能造成嚴(yán)重影響，魯棒性強(qiáng)。再者，隨著基站天線數(shù)的增加，僅需采用低復(fù)雜度信號處理的接收檢測和發(fā)射預(yù)編碼就能優(yōu)化系統(tǒng)性能。

為了執(zhí)行上行鏈路接收檢測和下行鏈路發(fā)射預(yù)編碼，需要已知信道狀態(tài)信息。信道估計(jì)算法主要有基于導(dǎo)頻輔助的信道估計(jì)和盲信道估計(jì)兩類，前者是在發(fā)送信號中插入導(dǎo)頻，接收端利用接收信號估計(jì)信道參數(shù)，后者無需發(fā)送導(dǎo)頻，而是利用接收信號的高階統(tǒng)計(jì)量估計(jì)信道參數(shù)。但是在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，由于信道估計(jì)維度高，盲信道估計(jì)算法的運(yùn)算復(fù)雜度極高，難以適用，因而主要采用導(dǎo)頻輔助執(zhí)行信道估計(jì)。但在移動通信應(yīng)用中，無線電波傳播環(huán)境復(fù)雜，信道相干時(shí)間短，造成導(dǎo)頻序列長度和導(dǎo)頻集合規(guī)模受限，相鄰小區(qū)導(dǎo)頻復(fù)用產(chǎn)生的導(dǎo)頻污染會造成信道估計(jì)偏差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種多小區(qū)多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的導(dǎo)頻分配方法，根據(jù)大尺度衰落因子將各小區(qū)基站覆蓋區(qū)域的用戶劃分為中心用戶組和邊緣用戶組，中心用戶組用戶由于與小區(qū)基站之間的大尺度衰落因子較小，且相鄰小區(qū)中心用戶組之間的空間距離較遠(yuǎn)，所有小區(qū)的中心用戶組用戶復(fù)用相同的導(dǎo)頻集合，以減少導(dǎo)頻數(shù)量；而邊緣用戶組用戶由于與小區(qū)基站之間的大尺度衰落因子較大，且相鄰小區(qū)邊緣用戶組之間的空間距離較近，為不同小區(qū)的邊緣用戶組分配彼此正交的導(dǎo)頻，以抑制導(dǎo)頻污染。

技術(shù)方案如下：

一種多小區(qū)多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的導(dǎo)頻分配方法，所述MIMO系統(tǒng)包括L個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)配置1個(gè)小區(qū)基站，每個(gè)小區(qū)有K個(gè)用戶隨機(jī)分布在其覆蓋區(qū)域內(nèi)，其關(guān)鍵在于：包括以下步驟：

步驟1、估計(jì)信道參數(shù)：小區(qū)l(l＝1,…,L)的基站利用接收信號強(qiáng)度和信號檢測估計(jì)本小區(qū)內(nèi)用戶k(k＝1,…,K)與基站天線陣列之間的大尺度衰落因子其中，表示第l個(gè)小區(qū)的第k個(gè)用戶的大尺度衰落因子，包括傳輸路徑損失和陰影衰落的共同效應(yīng)；

步驟2、計(jì)算分組閾值：小區(qū)l(l＝1,…,L)的基站根據(jù)信道參數(shù)估計(jì)獲得的大尺度衰落因子計(jì)算本小區(qū)用戶分組閾值ρ_l,l＝1,…,L；

步驟3、用戶分組：小區(qū)l(l＝1,…,L)的基站將用戶k(k＝1,…,K)與該基站天線陣列之間的大尺度衰落因子與本小區(qū)用戶分組閾值ρ_l比較，執(zhí)行用戶分組，的用戶歸入中心用戶組其余用戶歸入邊緣用戶組中心用戶組和邊緣用戶組中的用戶數(shù)分別為和

步驟4：計(jì)算總的導(dǎo)頻需求數(shù)量并劃分為兩個(gè)子集：總的導(dǎo)頻需求數(shù)量為C(1)＝C₁(1)+C₂(1)，其中，C₁(1)為所有L個(gè)小區(qū)的中心用戶組中用戶數(shù)的最大值，

C₂(1)為所有L個(gè)小區(qū)的邊緣用戶組中用戶數(shù)的總和，將總的導(dǎo)頻需求數(shù)量劃分為兩個(gè)子集，子集1和子集2的導(dǎo)頻數(shù)分別為C₁(1)和C₂(1)；

步驟5：導(dǎo)頻預(yù)分配：同一小區(qū)基站的中心用戶組中的用戶分配子集1中的導(dǎo)頻，不同小區(qū)基站的中心用戶組中的用戶復(fù)用子集1中的導(dǎo)頻；各個(gè)小區(qū)的邊緣用戶組中的用戶分配子集2中的導(dǎo)頻；

步驟6、二次篩選：依據(jù)小區(qū)基站的平均信干比對邊緣用戶組中的用戶進(jìn)行二次篩選，確定最終的用戶分組，即獲得最終中心用戶組和最終邊緣用戶組最終中心用戶組和最終邊緣用戶組中的用戶數(shù)分別為和

步驟7：計(jì)算二次篩選后的總的導(dǎo)頻需求數(shù)量并劃分為兩個(gè)子集：總的導(dǎo)頻需求數(shù)量為C(2)＝C₁(2)+C₂(2)，其中，為所有L個(gè)小區(qū)的最終的中心用戶組中用戶數(shù)的最大值，為所有L個(gè)小區(qū)的最終的邊緣用戶組中用戶數(shù)的總和，重新將總的導(dǎo)頻需求數(shù)量劃分為兩個(gè)新的子集，新的子集1和新的子集2的導(dǎo)頻數(shù)分別為C₁(2)和C₂(2)；

步驟8、導(dǎo)頻再分配：同一小區(qū)基站的中心用戶組中的用戶分配新的子集1中的導(dǎo)頻，不同小區(qū)基站的中心用戶組中的用戶復(fù)用新的子集1中的導(dǎo)頻；各個(gè)小區(qū)的邊緣用戶組中的用戶分配新的子集2中的導(dǎo)頻。

采用上述方法，對多小區(qū)多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的用戶區(qū)別對待，中心用戶組用戶由于與歸屬基站之間的大尺度衰落因子較小，且相鄰小區(qū)中心用戶組之間的空間距離較遠(yuǎn)，所有小區(qū)的中心用戶組用戶復(fù)用導(dǎo)頻集合，可以減少導(dǎo)頻數(shù)量；而邊緣用戶組用戶由于與歸屬基站之間的大尺度衰落因子較大，且相鄰小區(qū)邊緣用戶組之間的空間距離較近，為不同小區(qū)的邊緣用戶組分配彼此正交的導(dǎo)頻，可以抑制導(dǎo)頻污染。

更進(jìn)一步的，步驟2中小區(qū)l(l＝1,…,L)的基站按照以下公式計(jì)算分組閾值：

其中，λ為分組參數(shù)，用于調(diào)節(jié)中心用戶組和邊緣用戶組的規(guī)模，根據(jù)系統(tǒng)性能需求和導(dǎo)頻集合規(guī)模選取。

采用上述方法，不同用戶的大尺度衰落因子可以依據(jù)接收信號強(qiáng)度和導(dǎo)頻信號檢測容易估計(jì)，便于對用戶分組。

更進(jìn)一步的，步驟6對邊緣用戶組進(jìn)行二次篩選的具體步驟為：

步驟6.1、小區(qū)l(l＝1,…,L)的基站與其相鄰小區(qū)的基站交互各自小區(qū)的用戶預(yù)分配的導(dǎo)頻；

步驟6.2、小區(qū)l(l＝1,…,L)的基站測算其邊緣用戶組的用戶與相鄰小區(qū)的用戶復(fù)用和不復(fù)用導(dǎo)頻時(shí)的平均信干比和并計(jì)算性能增益：

其中，為小區(qū)l的第k_e個(gè)邊緣用戶分配與相鄰小區(qū)j的用戶正交的導(dǎo)頻時(shí)小區(qū)l的平均信干比，為小區(qū)l的第k_e個(gè)邊緣用戶與相鄰小區(qū)j的用戶復(fù)用導(dǎo)頻時(shí)小區(qū)l的平均信干比；

步驟6.3、小區(qū)l(l＝1,…,L)的基站將性能增益與篩選閾值δ比較，若性能增益不小于篩選閾值δ，則在邊緣用戶組中保留該用戶；若性能增益小于篩選閾值δ，則將該用戶重新歸入中心用戶組，構(gòu)成最終邊緣用戶組和最終中心用戶組

采用上述方法，能篩選出受相鄰小區(qū)導(dǎo)頻污染較小的邊緣用戶，將此類邊緣用戶歸入中心用戶組，通過導(dǎo)頻復(fù)用，能進(jìn)一步節(jié)省導(dǎo)頻開銷。

更進(jìn)一步的，所述篩選閾值δ根據(jù)系統(tǒng)的工作環(huán)境、傳輸質(zhì)量和通信開銷等運(yùn)行參數(shù)綜合選取。

采用上述方法，能根據(jù)通信環(huán)境變化和通信質(zhì)量要求確定篩選閾值，使本發(fā)明的適應(yīng)性更強(qiáng)。

有益效果：采用本發(fā)明的多小區(qū)多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的導(dǎo)頻分配方法既能減少對導(dǎo)頻集合規(guī)模的要求，節(jié)省導(dǎo)頻資源開銷，又能抑制來自相鄰小區(qū)用戶對本小區(qū)用戶形成的導(dǎo)頻污染，提高信道估計(jì)精度，進(jìn)而提升系統(tǒng)的通信性能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的多小區(qū)多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本發(fā)明的用戶分組和導(dǎo)頻分配流程圖；

圖3為本發(fā)明的邊緣用戶二次篩選流程圖；

圖4為本發(fā)明的用戶分組及其效果圖；

圖5為本發(fā)明的邊緣用戶二次篩選后的用戶分組及其效果圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1所示的多小區(qū)多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖中，L＝7個(gè)正六邊形結(jié)構(gòu)的小區(qū)且小區(qū)之間彼此相連，每個(gè)小區(qū)配置1套基站，每個(gè)小區(qū)基站利用相同的時(shí)頻資源為K＝11用戶提供服務(wù)，且11個(gè)用戶隨機(jī)分布在小區(qū)內(nèi)。采用多小區(qū)多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的導(dǎo)頻分配方法對各個(gè)小區(qū)進(jìn)行導(dǎo)頻分配。

如圖2-5所示，該方法包括以下步驟：

步驟1、估計(jì)信道參數(shù)：小區(qū)l(l＝1,…,7)的基站利用接收信號強(qiáng)度和信號檢測估計(jì)本小區(qū)內(nèi)用戶k(k＝1,…,11)與基站天線陣列之間的大尺度衰落因子其中，表示第l個(gè)小區(qū)的第k個(gè)用戶的大尺度衰落因子，包括傳輸路徑損失和陰影衰落的共同效應(yīng)。

小區(qū)l的基站對其覆蓋區(qū)域內(nèi)的用戶k(k＝1,…,11)執(zhí)行信道參數(shù)估計(jì)，獲得的大尺度衰落因子為：

其中，r_lk為用戶k到小區(qū)l的基站的距離，僅與基站和用戶位置有關(guān)，通過測量接收信號強(qiáng)度，依據(jù)經(jīng)典的電波傳播模型估算；R為小區(qū)半徑，z_lk為服從對數(shù)正態(tài)分布的陰影衰落，即10log(z_lk)服從均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為σ_s的高斯分布，α為路徑損失指數(shù)，取決于小區(qū)內(nèi)散射體的分布，通過導(dǎo)頻信號檢測或經(jīng)驗(yàn)估算。

步驟2、計(jì)算分組閾值：小區(qū)l(l＝1,…,L)的基站根據(jù)信道參數(shù)估計(jì)獲得的大尺度衰落因子計(jì)算本小區(qū)用戶分組閾值。

目標(biāo)小區(qū)l(l＝1,…,7)的基站利用用戶k(k＝1,…,11)的大尺度衰落因子計(jì)算分組閾值：

其中，λ為分組參數(shù)，用于調(diào)節(jié)中心用戶組和邊緣用戶組的規(guī)模，根據(jù)系統(tǒng)性能需求和導(dǎo)頻集合規(guī)模選取，本實(shí)施例中，分組參數(shù)選擇為λ＝0.1。

步驟3、用戶分組：小區(qū)l(l＝1,…,7)的基站將用戶k(k＝1,…,11)與該基站天線陣列之間的大尺度衰落因子與本小區(qū)用戶分組閾值ρ_l比較，執(zhí)行用戶分組，的用戶歸入中心用戶組其余用戶歸入邊緣用戶組中心用戶組和邊緣用戶組中的用戶數(shù)分別為和

分組結(jié)果如圖4所示，圖中·表示邊緣用戶，+表示中心用戶，7個(gè)小區(qū)的分組情況為：中心用戶組中的用戶數(shù)分別為{8,6,7,3,9,5,7}，邊緣用戶組中的用戶數(shù)分別為{3,5,4,8,2,6,4}。

步驟4：計(jì)算總的導(dǎo)頻需求數(shù)量并劃分為兩個(gè)子集：總的導(dǎo)頻需求數(shù)量為C(1)＝C₁(1)+C₂(1)＝9+32＝41，其中，為所有7個(gè)小區(qū)的中心用戶組中用戶數(shù)的最大值，為所有7個(gè)小區(qū)的邊緣用戶組中用戶數(shù)的總和，將總的導(dǎo)頻需求數(shù)量劃分為兩個(gè)子集，子集1和子集2的導(dǎo)頻數(shù)分別為C₁(1)＝9和C₂(1)＝32；

步驟5：導(dǎo)頻預(yù)分配：同一小區(qū)基站的中心用戶組中的用戶分配子集1中的導(dǎo)頻，不同小區(qū)基站的中心用戶組中的用戶復(fù)用子集1中的導(dǎo)頻；各個(gè)小區(qū)的邊緣用戶組中的用戶分配子集2中的導(dǎo)頻。

步驟6、二次篩選：依據(jù)小區(qū)基站的平均信干比對邊緣用戶組中的用戶進(jìn)行二次篩選，確定最終的用戶分組，即獲得最終中心用戶組和最終邊緣用戶組最終中心用戶組和最終邊緣用戶組中的用戶數(shù)分別為和

步驟6.1、小區(qū)l(l＝1,…,L)的基站與其相鄰小區(qū)的基站交互各自小區(qū)的用戶預(yù)分配的導(dǎo)頻。

步驟6.2、小區(qū)l(l＝1,…,L)的基站測算其邊緣用戶組的用戶與相鄰小區(qū)的用戶復(fù)用和不復(fù)用導(dǎo)頻時(shí)的平均信干比和并計(jì)算性能增益：

其中，為小區(qū)l的第k_e個(gè)邊緣用戶分配與相鄰小區(qū)j的用戶正交的導(dǎo)頻時(shí)小區(qū)l的平均信干比，為小區(qū)l的第k_e個(gè)邊緣用戶與相鄰小區(qū)j的用戶復(fù)用導(dǎo)頻時(shí)小區(qū)l的平均信干比，7個(gè)小區(qū)的邊緣用戶組中的用戶數(shù)分別為{3,5,4,8,2,6,4}。

步驟6.3、小區(qū)l(l＝1,…,7)的基站將性能增益與篩選閾值δ比較，若性能增益不小于篩選閾值δ，則在邊緣用戶組中保留該用戶；若性能增益小于篩選閾值δ，則將該用戶重新歸入中心用戶組，構(gòu)成最終邊緣用戶組和最終中心用戶組篩選閾值δ根據(jù)系統(tǒng)的工作環(huán)境、傳輸質(zhì)量和通信開銷等運(yùn)行參數(shù)綜合選取，本實(shí)施例中選取的二次篩選閾值為δ＝5％。

二次篩選后的分組結(jié)果如圖5所示，圖中·表示邊緣用戶，+表示中心用戶，7個(gè)小區(qū)的分組情況為：中心用戶組中的用戶數(shù)分別為{10,10,8,8,9,7,7}，邊緣用戶組中的用戶數(shù)分別為{1,1,3,3,2,4,4}。

步驟7：計(jì)算二次篩選后的總的導(dǎo)頻需求數(shù)量并劃分為兩個(gè)子集：總的導(dǎo)頻需求數(shù)量為：

C(2)＝C₁(2)+C₂(2)＝10+18＝28

其中，為所有7個(gè)小區(qū)的最終的中心用戶組中用戶數(shù)的最大值，為所有7個(gè)小區(qū)的最終的邊緣用戶組中用戶數(shù)的總和，重新將總的導(dǎo)頻需求數(shù)量劃分為兩個(gè)新的子集，新的子集1和新的子集2的導(dǎo)頻數(shù)分別為C₁(2)＝10和C₂(2)＝18。

步驟8、導(dǎo)頻再分配：同一小區(qū)基站的中心用戶組中的用戶分配新的子集1中的導(dǎo)頻，不同小區(qū)基站的中心用戶組中的用戶復(fù)用新的子集1中的導(dǎo)頻；各個(gè)小區(qū)的邊緣用戶組中的用戶分配新的子集2中的導(dǎo)頻。

經(jīng)過二次篩選后，總的導(dǎo)頻需求數(shù)量減少了(41-28)/41＝31.7％。

最后需要說明的是，上述描述僅僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不違背本發(fā)明宗旨及權(quán)利要求的前提下，可以做出多種類似的表示，這樣的變換均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。