大規模MIMO系統導頻污染問題研究

楊濟海 劉興 楊濤 薛鵬

摘? ?要：Massive MIMO也稱為大規模多輸入多輸出系統，是通過在基站端布置上百根的天線，利用天線數的增多來提升通信效率，進而獲得極大的增益。在Massive MIMO系統中，影響系統性能的一個主要問題是導頻復用造成的導頻污染，文章對Massive MIMO信道模型和導頻污染進行分析，深入研究了導頻分配技術，并通過仿真驗證了其抑制導頻污染的可行性。

關鍵詞：大規模多輸入多輸出系統;導頻污染;導頻分配

在大規模多輸入多輸出系統（Massive Multiple-Input Multiple-Output，Massive MIMO）中，系統為每個終端分配一個正交上行導頻序列，而存在的正交導頻序列的最大個數是由信道相干時間間隔除以信道延遲擴展決定的。因此在多小區系統中，很容易超出可以提供的正交導頻個數[1-2]。兩個小區間使用相同的導頻序列所產生的影響和相關的消極結果稱為導頻污染。基于受污染的信道估計的下行鏈路波束成形會對使用同一個導頻序列的這些終端，造成內部定向干擾。類似的干擾和上行鏈路數據傳輸有關。這些定向干擾會隨著服務天線的個數同比例增長[3]。

1? ? 系統模型

考慮到多小區多用戶MIMO系統中L個小區分享同一個頻率帶寬，同樣的長度為τ的導頻信號集合。每個小區由一個配備有M個天線陣列的基站以及K個單天線用戶組成，則第l個小區中基站接收到的M×1向量：

其中，Hli表示第i個小區中K個用戶到第l個小區中基站的快衰落系數矩陣，Dli1/2表示第i個小區中K個用戶到第l個小區中基站的大尺度衰落系數（Large Scale Fading Coefficient，LSFC）矩陣，在一個相干時間內，可以認為同一個用戶到達指定基站天線的大尺度衰落系數是不變的[4-5]。

2? ? 導頻污染

在導頻訓練階段，小區內的用戶分配一套相互正交的導頻序列，導頻序列的長度為τ，K個用戶使用的導頻序列可以用一個τ×K的矩陣來表示（pp=τpu），。第l個小區（目標小區）內基站接收到信息為：

其中，Gli表示第i個小區中K個用戶到第l個小區中M個基站天線的M×K傳輸矩陣，用表示第l個小區中M根基站天線到第l小區中K個用戶的信道傳輸矩陣的估計，則：

3? ? 導頻分配

其中，rlik表示小區i中第k個用戶到小區l中基站的距離，γ表示幾何衰減指數;zlik是一個對數正態隨機變量，σshadow表示陰影衰落的標準差。這里假設同一基站的M根天線所組成的天線陣列足夠緊湊，對特定的用戶有著相同的大尺度衰落。且由于幾何衰落和陰影衰落在空間維度變化較慢，βlik相對于基站天線指數m不變。等效的SINR可以寫作：

小區l中用戶k收到的由導頻污染帶來的小區間干擾來自于其他小區中與用戶k使用相同導頻訓練序列的用戶，即，不同用戶配對情況下基站接收到的每個用戶的干擾信號也不相同。可以將導頻序列自適應地分配給網絡中的不同用戶。導頻分配就是對使用相同導頻序列的用戶進行優化配對組合，從而減小其他小區用戶由導頻污染帶來的干擾，目的在于整個系統可達和速率最大化。

4? ? 仿真分析

采用窮舉法遍歷所有可能的用戶配對組合（L=2，K=4），以每個用戶的平均可達速率為目標參數，仿真得到的結果如圖1所示，“Max”表示鏈路速率的最優結果，反映出導頻優化分配的可行性;“Min”表示導頻復用引起的導頻污染對系統性能最嚴重的影響程度;“Avg”表示不同的導頻分配情況下系統能夠達到的平均性能。從圖1可以看出，在50%分界點處，最優的導頻分配結果相對于平均情況下對每個用戶的平均速率，有約3 bit/s/Hz的改善。

5? ? 結語

本文分析了Massive MIMO系統的模型，對Massive MIMO系統的導頻污染問題和導頻分配技術進行了研究，仿真表明合理的導頻分配方式可以提升系統性能，抑制導頻污染問題的影響。

[參考文獻]

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