一种基于大规模阵列天线蜂窝通讯系统的导频污染消除方法技术方案

一种基于大规模阵列天线蜂窝通讯系统的导频污染消除方法，通过两次导频和波束赋形的方法来消除导频污染，本发明专利技术通过2次导频，2次信道信息获取和2次波束赋型的方法来消除导频污染问题，消除了基于大规模阵列天线蜂窝通讯系统的导频污染问题。而且，由于二次导频使得基站能够获得来自其他小区用户的信道信息，因此在第二次波束赋形中让系统实现了基站/小区间协作，从而进一步地提升了系统的性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及通讯
，特别是在使用大规模阵列天线的多小区时分复用蜂窝通讯系统中消除导频污染和小区间干扰，从而提升系统容量的方法。
技术介绍
随着信息技术的快速发展，人们对高速移动通讯系统的需求也快速增长，为了进一步提高系统性能，贝尔实验室提出了应用大规模阵列天线的方法。在大规模阵列天线蜂窝通讯系统中，每个基站使用上百个甚至上千个天线，通过导频，信道信息获取和波束赋形三个阶段，基站能够给予每个用户一个独立的信道，从而让每个用户使用所有的频谱资源，这极大的提升了系统容量。而且从理论上说，单小区环境中的阵列天线无线通讯系统的系统容量可以随着天线数的增加而持续增加，假如天线数趋于无穷，系统性能也会趋于无穷。因此大规模阵列天线也被认为是下一代移动通讯系统的中坚技术。然而，尽管在单小区条件下，大规模阵列天线系统提供了良好的性能表现，但是在多小区蜂窝网中，由于导频数量有限，因此需要在不同的小区内重复使用，从而会带来导频污染问题，导频污染会带来信道信息估计错误，而在随后的波束赋形中，使用受污染的信道信息就会导致小区间干扰，从而降低系统性能。数学模型和仿真实验都证明了，导频污染带来的问题不会随着天线数的增加以及基站发送功率的提升而消失，因此导频污染极大地限制了应用大规模阵列天线的蜂窝移动通讯系统的性能。为了解决这个问题，不少学者都提出了一些方法来试图解决这个问题，或者减少这个问题对系统性能的影响。其中最简单的方法是由贝尔实验室的Thomas L.Marzetta等人提出的，基于部分频率复用方式来规避导频污染。这个方法通过将整个频谱资源划分为多个子块，然后让临近的小区使用不同的频率子块，由于不同频谱子块之间没有重叠，因此也不会形成导频污染问题。部分频率复用方法虽然能够规避导频污染问题，但同时由于每个小区只能使用有限的频谱资源，因此系统容量也随之大幅度降低。Y.Haifan等人则在通过研究信道统计特性的基础上提出了到达角分布估计的方法来降低导频污染的干扰，但是这个方法需要首先获得信道的二阶统计特性，而且在到达角分布较大的情况下，如城市环境下性能表现很差，因此这个方法并不具有很强的适用性。F.Fernandes等人提出了通过使用异步导频发送机制来降低导频污染的方法，这个方法虽然有着较强的适用性，但是由于异步发送导频，一个小区的导频信号可能会被其他小区的下行数据信号所干扰，而且由于下行信号强度通常大于上行信号强度，因此这个干扰往往是强干扰，由于强干扰的存在，通过导频提取的信道信息也会带来较大的误差，从而影响系统性能。总结以上的所有方法可以看出，除了部分频率复用的方法，其他方法都无法完全消除导频污染问题，系统性能也不会随着天线数的增加而一直持续增加。而部分频率复用方法虽然能够规避导频污染问题，但是极大地牺牲了系统的容量。考虑到无线通讯系统本身的应用环境不同，范围广，发展快等特点，就需要一种适用性强，额外开销小的方案，并且能够适应无线通讯系统发展趋势的导频污染消除技术。
技术实现思路
为了克服上述方法的不足，本专利技术通过两次导频和两次波束赋形的方法来消除导频污染问题，提升系统容量。本专利技术的方法适用环境广，能够适用在城市、郊区以及农村等不同的蜂窝通讯场景中；系统额外开销小，只需要在传统大规模阵列天线开销的基础上增加非常有限个导频开销就能实现系统性能的极大提升；本专利技术也能适应未来无线移动通讯发展过程中，基站数增加，小区间干扰增加和基站天线数增加的总体趋势，使用本专利技术所提出的方法能让系统性能随着天线数的增加而持续提升。本专利技术所采用的技术方案是：一种基于大规模阵列天线蜂窝通讯系统的导频污染消除方法，通过两次导频和波束赋形的方法来消除导频污染，其特征是包括以下步骤：步骤一，第一次导频发送，所有用户发送导频，一个小区内的不同用户使用不同的导频，不同小区复用同一个导频组；步骤二，第一次估计信道信息，每个基站接收导频，并将导频乘以其共轭P*从而得到信道信息；步骤三，每个小区使用其获得的小区内用户的信道参数来使用波束赋形编码方法来构建波束赋形矩阵U，实现波束赋形；步骤四，二次导频发送，小区内的所有用户使用相同的导频，其他小区使用不同的导频；步骤五，接受和处理二次导频，基站将接收到的信号乘以步骤三获得的赋形矩阵，因此基站能分别获得来自不同用户的信号；步骤六，所有基站获得全用户信道参数；步骤七，利用获得的等效信道信息来构建二次波束赋形矩阵V；步骤八，对每个基站使用第一阶段的波束赋形矩阵U，并对整个网络使用第二阶段的波束赋形矩阵V来发送数据，此时不同基站对同一个用户发送用户需求的数据，系统干扰完全消除，系统性能提升。假设每个基站拥有M个天线，一个小区内拥有K个用户，整个网络由L个小区所构成。在第一阶段中，单个小区内的所有用户使用不同的导频，导频间彼此正交，因此需要K个正交的导频，所以这组导频的长度τp1≥K。同一组导频被不同的小区重复使用。所有用户同时 发送导频ψk，基站i接收导频信号获得YiP1。由于不同小区使用同一组导频，因此基站接收到的导频除了涵盖本小区的用户信息，也包含了其他小区的用户的导频，也就是传统认为的导频污染。由于小区内导频彼此正交，因此，利用正交导频，基站就能够分别估计出来自本小区内不同用户的信道信息。具体而言，对于用户k，其信道信息hik＝Yip1×ψk*，对于基站i而言，通过将不同用户的信道信息组合起来就能构成一个K乘以M的矩阵Hi。由于存在导频污染，因此估计出的信道信息包含了来自其他小区用户到本小区基站的信道信息。利用信道矩阵Hi使用编码器F1，(F1可以是Conjugate Beforming编码器或者Zero-Forcing编码器等编码器)就能构建一个M乘以K波束赋形矩阵Ui。利用波束赋形矩阵Ui，就能为小区i内的每个用户创造一个独立的信道。对网络中的其他小区使用相同的方法来分别获得U1(1＝1...L)。上述阶段的方法与传统大规模阵列天线蜂窝系统的方法一致。由于估计出的信道信息也包含了其他小区到达本小区基站的信道信息，因此波束赋形的结果让本小区基站除了接受本小区用户的信号也会接收到来自临近小区使用相同导频的用户的信号。在第二阶段中，一个小区内的所有用户使用同一个导频ξi，不同小区内的用户使用不同的导频ξl，(1＝1...L)。对于L个小区就需要L个正交的导频，所以导频组的长度为L。所有用户同时发送导频，基站i接受导频信号获得YiP2。然后基站将获得的导频信号乘以第一阶段构建的波束赋形矩阵Ui，获得YiP22。由于使用了Ui，基站i中的每个用户都能获得独立的信道，因此让基站可以区分来自本小区内不同用户的信号。此时YiP22中对角线上的每个元素分别代表了小区i中不同用户的信息以及来自其他小区在第一阶段中使用相同导频的用户的信息。然后让Yip22对角线上第k个元素分别乘以不同小区的导频的共轭ξl*就可以让基站i分别获得基站i得到的来自小区1中用户k之间的信道信息所以基站i能够获得来自包含本小区内用户k在内的所有小区内的用户k到达基站i的信道信息。用同样的方法处理YiP22对角线上的其他元素就能获得小区i中不同用户到达基站i的信道信息以及其他小区内用户到达基站i的信道信息。由于信道信息可以分别获取，因此也就消除了导频污染本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于大规模阵列天线蜂窝通讯系统的导频污染消除方法，通过两次导频和波束赋形的方法来消除导频污染，其特征是包括以下步骤：步骤一，第一次导频发送，所有用户发送导频，一个小区内的不同用户使用不同的导频，不同小区复用同一个导频组；步骤二，第一次估计信道信息，每个基站接收导频，并将导频乘以其共轭P*从而得到信道信息；步骤三，每个小区使用其获得的小区内用户的信道参数来使用波束赋形编码方法来实现波束赋形；步骤四，二次导频发送，小区内的所有用户使用相同的导频，其他小区使用不同的导频；步骤五，接受和处理二次导频，基站将接收到的信号乘以步骤三获得的赋形矩阵，因此基站能分别获得来自用户1和用户2的信号；步骤六，获得全用户信道参数；步骤七，利用获得的等效信道信息来构建二次波束赋形矩阵V；步骤八，对每个基站使用第一阶段的波束赋形矩阵U，并对整个网络使用第二阶段的波束赋形矩阵V来发送数据，此时不同基站对同一个用户发送用户需求的数据，系统干扰完全消除，系统性能提升。

【技术特征摘要】
1.一种基于大规模阵列天线蜂窝通讯系统的导频污染消除方法，通过两次导频和波束赋形的方法来消除导频污染，其特征是包括以下步骤：步骤一，第一次导频发送，所有用户发送导频，一个小区内的不同用户使用不同的导频，不同小区复用同一个导频组；步骤二，第一次估计信道信息，每个基站接收导频，并将导频乘以其共轭P*从而得到信道信息；步骤三，每个小区使用其获得的小区内用户的信道参数来使用波束赋形编码方法来实现波束赋形；步骤四，二次导频发送，小区...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐佳康，
申请(专利权)人：徐佳康，
类型：发明
国别省市：上海;31