用于大規(guī)模mimo系統(tǒng)的拓?fù)鋵?dǎo)頻污染消除的方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 下述描述大體上設(shè)及一種用于大規(guī)模MIMO系統(tǒng)(也被稱為"大規(guī)模天線系統(tǒng)"）中 的導(dǎo)頻污染消除的方法和裝置，并且具體地，設(shè)及一種基于利用拓?fù)涓蓴_對齊的信道估計(jì) 的大規(guī)模MIMO通信系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 大規(guī)模MIMO(多輸入和多輸出）是一種新興技術(shù)，其中，移動終端的數(shù)量遠(yuǎn)小于基 站天線的數(shù)量。在富散射環(huán)境中，可W利用簡單的波束成形技術(shù)(例如最大比例傳輸(MRT) 或迫零(ZF))來開發(fā)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的全部優(yōu)勢。為了充分實(shí)現(xiàn)大規(guī)模MIMO的運(yùn)些益處，必 須完美地獲得精確的信道狀態(tài)信息(CSI)。然而，在實(shí)踐中，根據(jù)正交導(dǎo)頻序列來估計(jì)發(fā)送 器和接收器之間的信道，該正交導(dǎo)頻序列受到信道的相干時間的限制。更重要地是，在多小 區(qū)設(shè)置中，多個共信道小區(qū)的導(dǎo)頻序列的再使用將造成導(dǎo)頻污染。當(dāng)存在導(dǎo)頻污染時，大規(guī) 模MIMO的性能大幅度地下降。
[0003] 如果基站(BS)配備有大量天線，則會存在被稱為信道硬化的特殊方面，運(yùn)意味著 小規(guī)模衰退由數(shù)量漸進(jìn)無限的天線所消除。信道硬化指下述現(xiàn)象:隨著信道增益矩陣H的大 小增加，與對角線項(xiàng)相比，矩陣的非對角線項(xiàng)逐漸變?nèi)酢?br>[0004] 例如，如果假設(shè)對于不同的小區(qū)，所有的L個小區(qū)中的每一個均具有K個UE(用戶設(shè) 備），它們的第k個肥使用同一導(dǎo)頻時隙，則天線數(shù)量趨近于無窮大時，容量可W被表達(dá)為：
[0005] 因?yàn)?
所W
[0006] 其中標(biāo)量P是發(fā)射功率，M是BS天線的數(shù)量，H是信道增益矩陣，（.）H表示埃爾米特 矩陣。當(dāng)發(fā)射天線的數(shù)量M趨于無限大時，H的行向量漸進(jìn)正交，并且因此
小規(guī)模衰退部分消失。僅余下大規(guī)模衰退(路徑損耗和遮蔽效應(yīng)）。它們形成導(dǎo)頻污染的主 要部分。
[0007] 為了緩解導(dǎo)頻污染的效應(yīng)，可W僅關(guān)注運(yùn)種大規(guī)模衰退(路徑損耗和遮蔽效應(yīng)）。 幸運(yùn)的是，在實(shí)際系統(tǒng)中，運(yùn)種大規(guī)模衰退中存在部分連通性特征。并非所有的小區(qū)間干擾 鏈路都強(qiáng)大到足W被同等重視。僅部分鏈路形成強(qiáng)的干擾，而其他可W被忽略。參考圖1，對 于小區(qū)1中的BS，小區(qū)邊緣的UE將形成強(qiáng)小區(qū)間干擾，但小區(qū)2中遠(yuǎn)離BS的一些肥僅引入可 忽略的干擾。
[000引例如，如果具有4個BS、4個UE(每個BS-個UE)和用于導(dǎo)頻的4個時隙，則Tx(發(fā)射 器)導(dǎo)頻和Rx(接收器)投影設(shè)計(jì)可W是簡單的，如圖2所示。僅需要給每個UE分配一個正交 時隙。參考圖2, 0是85投影矩陣，其中，行數(shù)等于BS數(shù)量4,并且列數(shù)等于時隙數(shù)量，每個行 表示用于各個BS的4個時隙投影系數(shù)。W是UE導(dǎo)頻矩陣，其中，行數(shù)等于時隙數(shù)量，并且列數(shù) 等于肥數(shù)量，每個列表示用于各個UE的4個時隙導(dǎo)頻信號。因此在該實(shí)例中，BS投影矩陣是 04X4,并且肥導(dǎo)頻矩陣是^4X4。
[0009]然而，在實(shí)踐中，肥的數(shù)量總是大于導(dǎo)頻時隙的數(shù)量。例如，如果具有6個BS、6個肥 (每個BS-個UE)和用于導(dǎo)頻的4個時隙，則之前的正交導(dǎo)頻不可用。因此在該實(shí)例中，BS投 影矩陣是06X4,并且肥導(dǎo)頻矩陣是? 4X6。導(dǎo)頻必須在時間資源上重疊。
[0011] 在TDD系統(tǒng)中，所有小區(qū)中的所有用戶首先同步地發(fā)送上行數(shù)據(jù)信號。隨后，用戶 發(fā)送導(dǎo)頻序列。BS使用運(yùn)些導(dǎo)頻序列來為位于其小區(qū)內(nèi)的用戶估計(jì)CSI。然后，BS使用估計(jì) 的CSI來檢測上行鏈路數(shù)據(jù)并且生成用于下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄊ尚蜗蛄?。然而，由于?限的信道相干時間，相鄰小區(qū)中的用戶所使用的導(dǎo)頻序列可能不再與小區(qū)內(nèi)的導(dǎo)頻序列正 交，從而導(dǎo)致導(dǎo)頻污染問題(圖3)。
[0012] 對于基于TDD的大規(guī)模MIMO傳輸系統(tǒng)，導(dǎo)頻序列在上行鏈路由用戶發(fā)送，W估計(jì)信 道。使^,=(^<1，一，^^^,^為小區(qū)1中的用戶輸導(dǎo)頻序列，其中，1表示導(dǎo)頻序列的長度。盡 管運(yùn)不是必須的，但是在下文中做此假設(shè)并且使用該假設(shè)是方便的。理想地，同一小區(qū)和相 鄰小區(qū)內(nèi)的用戶所使用的導(dǎo)頻序列應(yīng)該是正交的，即：
[0013] y,/沖難-'/邱-/'] (2)
[0014] 其中S[.]被限定為： -I f l ft 二 0
[001 引在 H 二' (3) L」1() 1?;則 、J
[0016] 在運(yùn)種情況下，信道向量不與其他用戶的信道向量相關(guān)，從運(yùn)個意義來說，BS可W 獲得該信道向量的無污染估計(jì)。
[0017] 然而，具有給定周期和帶寬的正交導(dǎo)頻序列的數(shù)量被限制，運(yùn)轉(zhuǎn)而限制了可W服 務(wù)的用戶的數(shù)量。為了處理更多用戶，在相鄰小區(qū)中使用非正交導(dǎo)頻序列。因此，對于一些 不同的k，j，l和1'，可W具有
[001引中/''/中.,.'/'卓(） （4)
[0019] 因此，用于用戶的信道向量的估計(jì)變?yōu)榕c具有非正交導(dǎo)頻序列的用戶的信道向量 相關(guān)。
[0020] 總之，在典型的多小區(qū)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，來自相鄰小區(qū)的用戶可W使用非正交 導(dǎo)頻。其原因十分簡單一一正交導(dǎo)頻的數(shù)量小于用戶的數(shù)量。非正交導(dǎo)頻的使用導(dǎo)致導(dǎo)頻 污染問題。導(dǎo)頻污染導(dǎo)致定向的小區(qū)間干擾，與其他的干擾源不同，定向的小區(qū)間干擾隨著 BS天線的數(shù)量一起增長，并且顯著地?fù)p害系統(tǒng)性能。各種信道估計(jì)、預(yù)編碼和合作方法已經(jīng) 被提出W解決該問題。然而，在BS之間具有良好性能、低復(fù)雜度W及受限或零合作的更加有 效的方法值得更深入的研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0021] 因此，本發(fā)明的一個方面在于提供用于大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的導(dǎo)頻污染消除的方法 和裝置。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，一種大規(guī)模多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)中的拓?fù)鋵?dǎo)頻污染 消除的方法，該系統(tǒng)包括一個或多個基站(BS)、一個或多個用戶設(shè)備(肥)和中央控制器，該 方法包括：
[0023] 通過中央控制器，基于從BS獲得的信道增益獲得大尺度衰落矩陣；
[0024] 通過中央控制器，基于大尺度衰落矩陣獲得拓?fù)浞疥嚕?br>[0025] 通過中央控制器，歸一化拓?fù)浞疥嘩形成歸一化的拓?fù)浞疥嚕?br>[0026] 通過中央控制器，基于歸一化的拓?fù)浞疥嚭蛯?dǎo)頻資源的數(shù)量通過矩陣分解獲得導(dǎo) 頻矩陣；
[0027] 通過中央控制器，基于導(dǎo)頻矩陣和拓?fù)浞疥嚝@得優(yōu)化的估計(jì)器投影矩陣;及
[0028] 通過獨(dú)立的BS，基于優(yōu)化的估計(jì)器投影矩陣和UE發(fā)送的導(dǎo)頻執(zhí)行信道估計(jì)，其中 所有肥的導(dǎo)頻由導(dǎo)頻矩陣給出。
[0029] 優(yōu)選地，導(dǎo)頻資源位于正交域中，該正交域包括時間域、頻率域或碼域等。
[0030] 優(yōu)選地，獲得拓?fù)浞疥嚨牟襟E還包括:通過將服務(wù)多個肥的每個BS劃分為多個虛 擬BS，將大尺度衰落矩陣轉(zhuǎn)換為拓?fù)浞疥?，其中，每個虛擬BS服務(wù)一個UE，并且具有與相應(yīng) 的源BS相同的參數(shù)。
[0031 ]優(yōu)選地，歸一化拓?fù)浞疥嚨牟襟E還包括:通過將拓?fù)浞疥嚺c歸一化矩陣相乘，實(shí)現(xiàn) 對拓?fù)浞疥囍懈鱾€肥信道增益向量的關(guān)于期望鏈路信道增益的歸一化，其中，歸一化矩陣 是對角矩陣，期望鏈路信道增益的倒數(shù)作為對角線值。
[0032] 優(yōu)選地，獲得導(dǎo)頻矩陣的步驟還包括：
[0033] 通過利用預(yù)定闊值四舍五入歸一化的拓?fù)浞疥囍械目珊雎栽@得部分連通矩 陣；
[0034] 通過使該部分連通矩陣中的非零值的非對角線元素為零，基于部分連通矩陣獲得 互補(bǔ)矩陣，并且為部分連通矩陣中的各個零元素分配任意值；
[0035] 通過基于導(dǎo)頻資源的數(shù)量將互補(bǔ)矩陣分解成BS投影矩陣和歸一化的導(dǎo)頻矩陣，獲 得歸一化的導(dǎo)頻矩陣，其中，BS投影矩陣和歸一化的導(dǎo)頻矩陣均滿足下列要求：
[0036] BS投影矩陣和歸一化的導(dǎo)頻矩陣的積得出互補(bǔ)矩陣;和
[0037] BS投影矩陣的尺寸為KXT，而歸一化的導(dǎo)頻矩陣的尺寸為TXK，其中，K是所有小 區(qū)中的UE的數(shù)量，并且T是導(dǎo)頻資源的數(shù)量；
[0038] 通過將歸一化的導(dǎo)頻矩陣與歸一化矩陣相乘，獲得導(dǎo)頻矩陣。
[0039] 優(yōu)選地，通過拓?fù)涓蓴_對齊運(yùn)算獲得導(dǎo)頻矩陣，該運(yùn)算包括：
[0040] 生成KXK的隨機(jī)矩陣A*^并且設(shè)置i = 0;
[0041] 迭代地進(jìn)行下列步驟：
[00創(chuàng)獲得Ai的奇異值分解(SVD): Ai = Ui SiyiH,通過迫使的對角線上的最小化-T)個 奇異值為零而獲得若，并且獲得棘二護(hù)愛；
[0043] 通過迫使對角線元素為IW及迫使在中具有0值的相應(yīng)元素為零，而獲得A1+1, 如下：
[0045] 如果Ai+i收斂，則中斷迭代;否則，設(shè)置i = i+l，并且進(jìn)入下一迭代；
[0046] 獲得歸一化的導(dǎo)頻矩陣，其為
[0047] 優(yōu)選地，執(zhí)行信道估計(jì)的步驟還包括：由每個UE發(fā)送由導(dǎo)頻矩陣的相應(yīng)列所指定 的導(dǎo)頻。
[004引優(yōu)選地，執(zhí)行信道估計(jì)的步驟還包括:利用優(yōu)化的估計(jì)器投影矩陣投影接收的導(dǎo) 頻。
[0049] 優(yōu)選地，通過最小均方誤差(MMSE)方法獲得估計(jì)器投影矩陣。
【附圖說明】
[0050] 下文中，將參考附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明的實(shí)施方式，附圖中：
[0051] 圖1示出了展示無線系統(tǒng)中信道衰落的視圖；
[0052] 圖2示出了 BS投影矩陣和肥導(dǎo)頻矩陣；
[0053 ]圖3示出了來自其他小區(qū)UE的導(dǎo)頻污染和干擾；
[0054] 圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的用于大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的拓?fù)鋵?dǎo)頻污染消除的方法的流程 圖；W及
[0055] 圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的基于利用拓?fù)涓蓴_對齊的信道估計(jì)的大規(guī)模MIMO通信系 統(tǒng)架構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】
[0056] 在下文中，W優(yōu)選實(shí)例的形式列出了用于大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的導(dǎo)頻污染消除的方 法。對于本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員顯而易見的是，可W在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下做 出改進(jìn)，包括增加和/或替換。具體細(xì)節(jié)可W被省略W便不會模糊本發(fā)明；然而，本公開文本 被撰寫成使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)本文的教導(dǎo)，而不需要過度的實(shí)驗(yàn)。
[0057] 如上所述，考慮具有L個小區(qū)的系統(tǒng)。假設(shè)每個小區(qū)具有K個單天線用戶和具有M個 天線的BS，其中，M〉〉K。出于展示的目的，假設(shè)所有的L個小區(qū)均使用同一組K個導(dǎo)頻序列。 [005引隨著BS天線數(shù)量變大，即，第j個小區(qū)中的第k個用戶的SINR(信號與干擾加 噪聲比）趨于W下限制：
巧)
[0060] 其中，山,k,i是大尺度信道衰落系數(shù)。根據(jù)式(5) ,SINR僅取決于信道的大尺度衰落 因子，而小尺度衰落因子和噪聲被平均掉。因此在大規(guī)模MIMO中，可W利用強(qiáng)的大尺度衰落 來進(jìn)行導(dǎo)頻污染消除。
[0061] 如上文中關(guān)于圖1所討論的，并非所有的小區(qū)間干擾鏈路都足夠強(qiáng)。僅小區(qū)邊緣上 的UE將形成強(qiáng)的小區(qū)間干擾，一些肥僅引入可忽略的干擾。部分連通性使得正交導(dǎo)頻傳輸 能夠用于比導(dǎo)頻時隙數(shù)量更多的肥?？蒞基于部分連通性使用拓?fù)涓蓴_對齊來實(shí)現(xiàn)運(yùn)個目 的。
[0062] 圖4公開了描述根據(jù)本發(fā)明的用于大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的拓?fù)鋵?dǎo)頻污染消除的方法的