适用于大规模MIMO蜂窝移动通信网络的导频调度方法技术

本发明专利技术公开了适用于大规模MIMO蜂窝移动通信网络的导频调度方法，包括以下步骤：步骤(1)采集基站与基站内用户之间的信道状态信息；步骤(2)初始化启发式信息与构建图上的信息素；步骤(3)生成多只人工蚂蚁，完成蚂蚁在构建图上的行走；步骤(4)记录蚂蚁的行走路径并产生导频分配矩阵；步骤(5)判断是否满足停止条件，若满足，停止并输出导频分配矩阵；步骤(6)更新构建图上信息素并跳转到步骤(3)。本发明专利技术基于蚁群优化工具，提出一种用于减轻大规模MIMO系统中导频污染带来的影响的导频调度方法，实现了系统可获得信息速率的最大化。

Pilot scheduling method for large scale MIMO cellular mobile communication networks

Pilot scheduling method is disclosed for large-scale MIMO cellular mobile communication network, which comprises the following steps: (1) the channel state information acquisition between base station and base station user; step (2) initialization heuristic information and the construction of the map information; step (3) generated more than artificial ants, complete in the construction of ants on the graph walk steps; (4) record and produce ant walking path pilot distribution matrix; step (5) to determine whether they meet the stop condition, if satisfied, stop and output the pilot distribution matrix; step (6) new construction on the map more pheromone and jump to step (3). The present invention based on ant colony optimization tools, put forward a pilot scheduling method to reduce the impact of large scale MIMO system pilot pollution, to achieve the maximization of the system can obtain information rate.

【技术实现步骤摘要】
适用于大规模MIMO蜂窝移动通信网络的导频调度方法
本专利技术属于无线通信与通信信号处理
，尤其涉及适用于大规模MIMO蜂窝移动通信网络的导频调度方法。
技术介绍
大规模MIMO(massivemultiple-inputmultiple-output，多入多出)技术通过在基站采用大量的天线构成巨型天线阵列，能够极大的提升蜂窝移动网络的频谱效率与能量效率，是5G移动通信网络的物理层核心技术。基于大规模MIMO技术，能够消除非相关噪声以及基站内干扰。然而由于正交导频在多个基站中被复用，由此产生的基站间干扰是无法消除的，这种现象通常被称为“导频污染”(pilotcontamination)。导频污染会降低用户的信号与干扰噪声比，从而降低系统的可获得信息速率。由于信道的相干时间很短，能够获得的导频序列的数目受到限制。因此当基站数目以及基站内的用户数目增加时，在多个基站中进行导频复用是不可避免的。在这样的背景下，为实现大规模MIMO通信系统的部署，导频污染带来的系统可获得信息速率降低问题需被认真对待。
技术实现思路
为解决现有技术的问题，在本专利技术中，基于蚁群优化理论，提出一种用于减轻大规模MIMO系统中导频污染带来的影响的导频调度方法，实现了系统可获得信息速率的最大化。本专利技术具体包括如下步骤：步骤1，对所有Q个蜂窝小区信道状态信息进行采集，每个小区内有K个用户终端UT，分别采集第p个蜂窝小区内的第k个用户终端UT与第q个基站间的距离d<p,k>,q，第p个蜂窝小区内的第k个用户终端UT记为UT<p,k>，其中p,q＝1,2,...,Q，k＝1,2,...,K；步骤2，初始化构建图中每条边es,s+1(j)上分布的信息素τs,s+1(j)与启发式信息ηs,s+1(j)；步骤3，生成m只人工蚂蚁，每只蚂蚁按概率Pr(es,s+1(j))选择边es,s+1(j)，记录蚂蚁Q×K次移动经过的边，选择路径中的边所对应的用户终端UT组成导频分配指示矩阵A；步骤4，计算每只蚂蚁选择的导频分配指示矩阵A的系统信息速率，选取最大系统信息速率所对应的导频分配指示矩阵作为最优导频分配矩阵；步骤5，判断是否达到最大迭代次数(最大迭代次数一般设置为30)，若满足，停止并输出最优导频分配矩阵，若不满足，更新构建图上信息素并跳转到步骤3。步骤2中，通过如下公式计算信息素τs,s+1(j)：τs,s+1(j)＝(τmax+τmin)/2，其中，设置τmax＝8，τmin＝3，s＝0,1,...,Q×K，j＝1,2,...,Q×K×S，其中K为单小区中用户终端UT的数目，S为导频数目。步骤2中，通过如下公式计算启发式信息ηs,s+1(j)：其中，κs,s+1(j)是导频干扰指数，用于衡量导频所分配用户对其他蜂窝小区的导频干扰情况，若导频所分配用户处于其他任意n个蜂窝小区的导频干扰半径范围内，则κs,s+1(j)＝n。表示不同的蜂窝小区内与UT<p,k>使用相同的导频序列的用户集合。β<p,k>,q表示第p个小区中的第k个用户终端UT<p,k>与第q个基站间的大尺度信道系数，β<q,l>,p表示第q个小区中的第l个用户终端UT<q,l>与第p个基站间的大尺度信道系数，通过如下公式计算：其中γ为传输指数，通常取值为3-5之间，s<p,k>,q与s<q,l>,p为表示标准差为σshadowdB的阴影对数正态项。d<q,l>,p表示第q个蜂窝小区内的第l个用户终端UT与第p个基站间的距离，通过步骤1采集得到。步骤3中，通过如下公式计算概率Pr(es,s+1(j))：其中，es,s+1(j)表示连接状态s与下一状态s+1的第j条边，表示连接状态s与下一状态s+1的所有边的集合，τs,s+1(j)表示边es,s+1(j)上的信息素含量，ηs,s+1(j)表示边es,s+1(j)上的先验启发式信息值。α和β均为权重参数，蚂蚁数m设定为5-20之间，权重α，β设置为α＝2，β＝3。步骤4中，通过如下公式计算每只蚂蚁选择的导频分配指示矩阵A的系统信息速率V：根据该公式得到所有蚂蚁选择的导频分配指示矩阵A的系统信息速率中的最大值，作为最大系统信息速率，记为步骤6中，按照以下方法更新信息素τs,s+1(j)：其中，设置ρ为信息素挥发常数，一般设置为ρ＝0.04，为所对应的路径，eij为最优路径中的边，C为一常数，用于控制最大系统信息速率对信息素的影响，一般设置为C＝0.02。有益效果：本专利技术中提出一种用于大规模MIMO蜂窝通信系统的导频调度算法，通过导频干扰抑制技术消除了小区间的严重导频干扰现象，并利用蚁群优化算法实现了高效的导频调度，最大化系统可获得信息速率。通过实验表明，本专利技术中提出的方法能够取得优异的性能。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做更进一步的具体说明，本专利技术的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。图1为本专利技术的场景示意图。图2为导频调度问题的相应构建图。图3a～图3c为不同基站天线数目时的实时系统容量示意图。图4是本专利技术流程图。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步说明。如图4所示，本专利技术公开了适用于大规模MIMO蜂窝移动通信网络的导频调度方法，本专利技术考虑的基于时分复用的大规模MIMO系统中的下行通信场景，如图1所示，包含有Q个蜂窝小区，每个蜂窝小区中有一个装备有M根天线的基站(basestation，BS)与K个均匀分布的单天线用户终端(userterminal，UT)，其中M＞＞K。为表述方便，第p个蜂窝小区内的第k个UT被称为UT＜p,k＞，那么UT<p,k>与第q个基站间的信道增益向量可表示为：其中与分别为UT<p,k>与第q个基站间的大尺度信道系数与小尺度衰落向量。h<p,k>,q中的元素为独立同分布零均值循环对称复高斯的随机变量。β<p,k>,q被建模为：其中d<p,k>,q是UT<p,k>与第q个基站间的距离，α为传输指数，通常取值为3-5之间。s<p,k>,q表示标准差为σshadowdB的阴影对数正态项。在时分复用网络中，基站可通过导频辅助的信道估计来获得信道状态信息。然而，由于能够使用的正交导频序列的数目是受限的，正交导频序列序列需要在多个蜂窝小区内被重复使用。假定这样的一个正交导频序列的长度为τ，能够使用的导频数目为S且S≥K，所有能够使用的正交导频序列构成的集合为Φ。这里，表示具有归一化正交列向量的导频矩阵因此有ΦHΦ＝ΙS。为将导频分配给每个UT，引入变量ap,k∈{1,2,3,...,S}来表示导频序列被分给UT<p,k>。直观上的导频分配方法是保证在同一个蜂窝小区内任意一个导频序列没有被重复使用本文档来自技高网...

【技术保护点】
适用于大规模MIMO蜂窝移动通信网络的导频调度方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤1，对所有Q个蜂窝小区信道状态信息进行采集，每个小区内有K个用户终端，分别采集第p个蜂窝小区内的第k个用户终端UT与第q个基站间的距离d<p,k>,q，第p个蜂窝小区内的第k个用户终端UT记为UT<p,k>，其中p,q＝1,2,...,Q，k＝1,2,...,K；步骤2，初始化构建图中每条边es,s+1(j)上分布的信息素τs,s+1(j)与启发式信息ηs,s+1(j)；步骤3，生成m只人工蚂蚁，每只蚂蚁按概率Pr(es,s+1(j))选择边es,s+1(j)，记录蚂蚁Q×K次移动经过的边，选择路径中的边所对应的用户终端UT组成导频分配指示矩阵A；步骤4，计算每只蚂蚁选择的导频分配指示矩阵A的系统信息速率，选取最大系统信息速率所对应的导频分配指示矩阵作为最优导频分配矩阵；步骤5，判断是否达到最大迭代次数，若满足，停止并输出最优导频分配矩阵，若不满足，更新构建图上信息素并跳转到步骤3。

【技术特征摘要】
1.适用于大规模MIMO蜂窝移动通信网络的导频调度方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤1，对所有Q个蜂窝小区信道状态信息进行采集，每个小区内有K个用户终端，分别采集第p个蜂窝小区内的第k个用户终端UT与第q个基站间的距离d&lt;p,k&gt;,q，第p个蜂窝小区内的第k个用户终端UT记为UT&lt;p,k&gt;，其中p,q＝1,2,...,Q，k＝1,2,...,K；步骤2，初始化构建图中每条边es,s+1(j)上分布的信息素τs,s+1(j)与启发式信息ηs,s+1(j)；步骤3，生成m只人工蚂蚁，每只蚂蚁按概率Pr(es,s+1(j))选择边es,s+1(j)，记录蚂蚁Q×K次移动经过的边，选择路径中的边所对应的用户终端UT组成导频分配指示矩阵A；步骤4，计算每只蚂蚁选择的导频分配指示矩阵A的系统信息速率，选取最大系统信息速率所对应的导频分配指示矩阵作为最优导频分配矩阵；步骤5，判断是否达到最大迭代次数，若满足，停止并输出最优导频分配矩阵，若不满足，更新构建图上信息素并跳转到步骤3。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，通过如下公式计算信息素τs,s+1(j)：τs,s+1(j)＝(τmax+τmin)/2，其中，设置τmax＝8，τmin＝3，s＝0,1,...,Q×K，j＝1,2,...,Q×K×S，其中K为单小区中用户终端UT的数目，S为导频数目。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2中，通过如下公式计算启发式信息ηs,s+1(j)：其中，κs,s+1(j)是导频干扰指数，用于衡量导频所分配用户对其他蜂窝小区的导频干扰情况，表示不同的蜂窝小区内与UT&lt;p,k&gt;使用相同的导频序列的用户集合，β&lt;p,k&gt;,q表示用户终端UT&lt;p,k&gt;与第q个基站间的大尺度信道系数，β&lt;q,l&gt;,p表示第q个小区中的第l个用户终端UT&a...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴启宗，田原，陈俊雷，戴春雷，
申请(专利权)人：江苏省邮电规划设计院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32