大规模MIMO系统中基于用户位置的导频分配

信系统中较难获取。基于信道到达角的方法需要假设用户到基 站的到达角较窄且不同用户的到达角互不重叠 [6]，但此假设在 实际系统中较难满足。基于导频分配的导频污染能减轻方案通 过对用户所发射的导频序列进行重新分配，从而降低使用相同 或非正交导频序列用户之间的小区间干扰。文献 [7-12] 从导频
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大规模 MIMO 系统中基于用户位置的导频分配
作者 机构 DOI 基金项目 预排期卷 摘要 张进彦，金凤，尹礼欣，马东亚 重庆邮电大学 移动通信重庆市重点实验室 10.3969/j.issn.1001-3695.2018.01.0012 长江学者和创新团队发展计划资助项目（IRT_16R72） 《计算机应用研究》 2019 年第 36 卷第 6 期 大规模多输入多输出（multiple input multiple output，MIMO）系统中因导频复用而存在的导 频污染问题，成为其性能提高的瓶颈。针对此问题， 提出一种基于用户位置的导频分配方案。 该方案通过上行功率控制方法保证不同用户到各自小区基站的信号功率相同，并在功率控制 情况下，根据干扰用户到本小区基站距离与到目标小区基站距离的比值来定义干扰用户对目 标用户的导频污染强度，并给用户间导频污染强度较小的两个不同小区用户分配相同的导 频。仿真结果表明，所提方案能够有效提高系统容量，减小用户间性能差距，较好地降低了 用户间的导频污染。 关键词 作者简介 大规模多输入多输出；导频污染；功率控制；用户位置；导频分配 张 进 彦 （ 1990- ） ， 男 ， 山 东 青 岛 人 ， 硕 士 研 究 生 ， 主 要 研 究 方 向 为 大 规 模 MIMO （913577355@） ；金凤（1992-） ，男，河北唐山人，硕士研究生，主要研究方向为大 规模 MIMO； 尹礼欣 （1992-） ， 男， 安徽铜陵人， 硕士研究生， 主要研究方向为大规模 MIMO； 马东亚（1993-） ，男，安徽阜阳人，硕士研究生，主要研究方向为多小区干扰对齐技术． 中图分类号 访问地址 投稿日期 修回日期 发布日期 TN929.5 /article/02-2019-06-046.html 2018 年 1 月 20 日 2018 年 3 月 8 日 2018 年 3 月 16 日
第 36 卷第 6 期 优先出版
计算机应用研究 Application Research of Computers
Vol. 36 No. 6 Online Publication
大规模 MIMO 系统中基于用户位置的导频分配
张进彦，金 凤，尹礼欣，马东亚
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(重庆邮电大学 移动通信重庆市重点实验室, 重庆 400065) 摘 要：大规模多输入多输出（multiple input multiple output，MIMO）系统中因导频复用而存在的导频污染问题，成
为其性能提高的瓶颈。针对此问题，提出一种基于用户位置的导频分配方案。该方案通过上行功率控制方法保证不同 用户到各自小区基站的信号功率相同，并在功率控制情况下，根据干扰用户到本小区基站距离与到目标小区基站距离 的比值来定义干扰用户对目标用户的导频污染强度，并给用户间导频污染强度较小的两个不同小区用户分配相同的导 频。仿真结果表明，所提方案能够有效提高系统容量，减小用户间性能差距，较好地降低了用户间的导频污染。 关键词：大规模多输入多输Байду номын сангаас；导频污染；功率控制；用户位置；导频分配 中图分类号：TN929.5 doi: 10.3969/j.issn.1001-3695.2018.01.0012
improvement in Massive multiple input mutiple output （MIMO）systems. To solve this problem, we proposed a pilot allocation scheme based on user location. In this scheme, the uplink power control method ensured that signal power of different users to the base station of their own cell were equal. In the case of power control, we defined the pilot contamination intensity of the interfering users to the target user as the ratio of the distance from the interfering user to the base station of interference cell to the distance of target cell. we allocated the same pilot to two users of different cell with less pilot contamination between users. The simulation results show that the proposed scheme can effectively improve the system capacity, reduce the performance gap between users, and reduce the pilot contaminationbetween users. Key words: Massive multiple input mutiple output; pilot contamination; power control; user location; pilot allocation 复用或者部分复用导频序列进行信道估计以提高系统的频谱效 率[4]，由此带来的导频污染问题无法通过增加基站端的天线数 来解决。因此，采取合理的导频污染减轻方法来降低小区间干 扰是发挥大规模 MIMO 技术优势的前提条件。 当前学术界对导频污染减轻方法已做了大量研究，主要有 以下三个研究方向:基于信道子空间的信道估计方法， 基于信号 到达角的方法，基于导频分配的方法。其中，基于信道子空间 的方法需要信道的二阶统计信息[5]，但二阶统计信息在实际通 理论研究表明， 大规模 MIMO 技术由于在基站端配置大量 天线，使得用户信道趋近于正交，蜂窝小区的频谱效率和能量 效率都能得到大幅的提升[3]，当基站天线数量逐渐增加时，上 下行传输中噪声和信道小尺度衰落对系统的性能影响都将逐步 减小乃至消除。但考虑在实际的多小区场景中，相邻小区往往
—————————— 收稿日期：2018-01-20；修回日期：2018-03-08 基金项目：长江学者和创新团队发展计划资助项目（IRT_16R72） 作者简介：张进彦（1990-） ，男，山东青岛人，硕士研究生，主要研究方向为大规模 MIMO（913577355@） ；金凤（1992-） ，男，河北唐山人，硕 士研究生，主要研究方向为大规模 MIMO；尹礼欣（1992-） ，男，安徽铜陵人，硕士研究生，主要研究方向为大规模 MIMO；马东亚（1993-） ，男，安徽阜阳 人，硕士研究生，主要研究方向为多小区干扰对齐技术．
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引言
近年来，随着移动互联网和物联网的爆发式增长，移动数
据流量呈现出指数级的增长态势，当前正在使用的第四代移动 通信系统其速率及系统容量已很难满足要求。因此，学术界和 工业界已全面展开对第五代移动通信系统（5G）的研究[1-2]，大 规模 MIMO 技术是提高 5G 传输速率和系统容量的关键技术之 一。
张进彦，等：大规模 MIMO 系统中基于用户位置的导频分配
第 36 卷第 6 期
分配的角度对减轻导频污染方案进行了研究。文献[7]的智能导 频分配（Smart Pilot Assignment,SPA）方案利用不同用户到基站 的大尺度衰落因子不同的特点，给目标小区中信道质量最差的 用户分配产生小区间干扰最小的导频序列。此方案虽然能够显 著提高边缘用户性能，但很大程度上降低了中心用户的性能。 文献 [8] 利用用户到基站的用户信号强度设置的干扰强度差将 用户分类，并对不同类用户采用不同的导频分配算法，一定程 度上提高了系统容量，但是其对于中心用户采用随机导频分配 方式分配导频，未能显著提高中心用户的性能。文献 [9]采用软 导频复用方案，将小区中用户分为中心用户组和边缘用户组， 对于中心用户组，相邻小区将复用同一导频子组以提高导频利 用率，而对于边缘用户组，将分配相互正交的导频子组以抑制 干扰。 文献[10]利用用户间的导频污染强度矩阵， 通过搜索整个 矩阵元素的方式给导频污染强度较大的两个用户分配不同的导 频。 此方案有效优化了导频分配算法， 大幅度提高了系统容量。 但此方案计算复杂度过高，在实际的通信系统中较难实现。文 献[11] 提出基于位置信息的导频分配方案，该方案根据用户位 置在所属基站为极点的极坐标系下的极角大小，对用户进行排 序并分配导频。此方案结合定向天线的特点，通过增大复用相 同导频的不同小区用户之间的距离来降低用户间的导频污染。 相似的， 文献[12]也利用定向天线的特点， 提出联合时移和空间 划分的导频分配方案，该方案从时域和空间域两个角度来降低 用户间的导频复用程度，从而有效地抑制了导频污染。 本文提出一种基于用户位置的导频分配方案来减轻用户间 的导频污染。首先，采用开环功率控制方法，通过调整上行功 率控制因子的大小，提高边缘用户的发射功率，适当降低中心 用户的发射功率，最终使基站接收到不同用户的功率相等。然 后，在功率控制的条件下，利用用户到本小区基站的距离与到 目标小区基站距离的比值来定义用户对目标小区中使用相同导 频用户的导频污染强度，使不同小区中导频污染强度之和较小 的两个用户分配相同的导频序列。与文献[7-9]中利用用户到基 站的大尺度衰落因子来定义用户信号强度不同的是，本文方案 为降低计算复杂度和系统开销，将用户到不同小区基站距离的 比值距离作为衡量用户间导频污染强度的主要因素，进而进行 导频分配。仿真结果表明，所提导频分配方案有效缩小了边缘 用户与中心用户的通信性能差距，也一定程度上提高了系统容 量，且本导频分配方案计算复杂度较低，在实际的通信系统中 更易实现。