Massive MIMO 蜂窩網(wǎng)絡(luò)中減輕導(dǎo)頻污染研究

何慶松，鹿存東

（江蘇科技大學(xué) 江蘇 鎮(zhèn)江212003）

Massive MIMO 蜂窩網(wǎng)絡(luò)中減輕導(dǎo)頻污染研究

何慶松，鹿存東

（江蘇科技大學(xué) 江蘇 鎮(zhèn)江212003）

Massive MIMO系統(tǒng)是5G通信的關(guān)鍵技術(shù)，而上行導(dǎo)頻污染是Massive MIMO蜂窩網(wǎng)絡(luò)TDD系統(tǒng)的主要性能瓶頸。解決這個(gè)問題的有效方法是在時(shí)間維度上錯(cuò)開相鄰小區(qū)之間發(fā)射的導(dǎo)頻序列。本文在綜述了兩種運(yùn)用導(dǎo)頻序列減輕相鄰小區(qū)的導(dǎo)頻污染基礎(chǔ)上，提出了一種新型的蜂窩系統(tǒng)中小區(qū)劃分方案，即將每3個(gè)小區(qū)劃分為一組，并在小組內(nèi)應(yīng)用交錯(cuò)幀結(jié)構(gòu)，在時(shí)隙上錯(cuò)開小組內(nèi)小區(qū)導(dǎo)頻序列，并結(jié)合蜂窩系統(tǒng)中小區(qū)自行劃分調(diào)度的方法，來共同達(dá)到減輕導(dǎo)頻污染的目的。

Massive MIMO；導(dǎo)頻污染；蜂窩網(wǎng)絡(luò)；時(shí)分雙工系統(tǒng)；時(shí)隙交錯(cuò)幀

隨著現(xiàn)代信息社會的發(fā)展，使得寬帶信息服務(wù)逐步延展到移動(dòng)終端成為必然趨勢，以提供語音業(yè)務(wù)為主的傳統(tǒng)蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，正逐步演變?yōu)橄蛞苿?dòng)用戶提供互聯(lián)網(wǎng)接入以及視頻和多媒體業(yè)務(wù)的寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)。然而傳統(tǒng)的MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術(shù)并不能滿足現(xiàn)代人們?nèi)找嬖鲩L的支持圖片、視頻和互聯(lián)網(wǎng)接入等更高數(shù)據(jù)速率的業(yè)務(wù)需求，因此在有限的頻譜資源下提高系統(tǒng)的頻譜效率成為設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵。由此形成了Massive MIMO[1]無線通信系統(tǒng)。

Massive MIMO系統(tǒng)作為新出現(xiàn)的技術(shù)[2]，目前主要考慮應(yīng)用與時(shí)分雙工（TDD，time division duplex）系統(tǒng)，利用信道互易性來獲得信道狀態(tài)信息（CSI，channel state information）[3-5]，這是由于相較于傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)，Massive MIMO系統(tǒng)在基站處存在大量天線，傳統(tǒng)的信道狀態(tài)信息反饋模式已無法適用。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的信道狀態(tài)信息反饋量是隨著天線數(shù)量而呈線性增長的趨勢，當(dāng)天線數(shù)很多時(shí)，反饋所需的時(shí)間將會遠(yuǎn)大于信道相干時(shí)間。然而由于相互正交的導(dǎo)頻序列是有限的，而小區(qū)內(nèi)用戶數(shù)量是巨大的，所以總是會存在不同小區(qū)間用戶使用相同的導(dǎo)頻序列，使得基站無法區(qū)分此導(dǎo)頻序列是否為本小區(qū)用戶發(fā)出，從而形成了所謂的“導(dǎo)頻污染”（pilot contamination）[6-7]。

為了解決這個(gè)問題，大量的文獻(xiàn)已被提出，如文獻(xiàn)[8]提出了將目標(biāo)小區(qū)的導(dǎo)頻幀在結(jié)構(gòu)上與相鄰小區(qū)的數(shù)據(jù)幀相對齊，已到達(dá)減少導(dǎo)頻污染的目的。但是在實(shí)際運(yùn)用中，由于用戶發(fā)送導(dǎo)頻序列功率較小，目標(biāo)小區(qū)導(dǎo)頻卻會受到相鄰小區(qū)基站發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的干擾，且對現(xiàn)有幀結(jié)構(gòu)改動(dòng)過大，缺乏實(shí)用性。文獻(xiàn)[9]提出了一種一維小區(qū)分類方法，令相鄰小區(qū)的用戶在非交疊的時(shí)隙發(fā)送導(dǎo)頻，從而達(dá)到減少導(dǎo)頻污染的目的。文中再此基礎(chǔ)上，將每3個(gè)相鄰小區(qū)分為一組，在每一組小區(qū)內(nèi)采用時(shí)隙交錯(cuò)導(dǎo)頻幀，將相鄰小區(qū)的導(dǎo)頻在時(shí)隙上相互錯(cuò)開，以達(dá)到減少導(dǎo)頻污染的目的，從而提高下行鏈路和速率。

文中使用符號定義如下：矩陣及矢量分別用黑體大小寫字母表示。AT，A*，A÷分別表示矩陣A的轉(zhuǎn)置，共軛和共軛轉(zhuǎn)置。

1　系統(tǒng)模型

系統(tǒng)模型如圖1所示，模型包含L個(gè)小區(qū)，考慮任一小區(qū)以及與之相鄰的小區(qū)，即L=7。每個(gè)小區(qū)基站配備的天線數(shù)為M根，小區(qū)內(nèi)有K個(gè)單天線用戶 （K≤M）。系統(tǒng)設(shè)定為TDD模式，滿足信道互易性，即可利用上行信道信息推倒出下行信道信息。各小區(qū)內(nèi)導(dǎo)頻序列相互正交。

圖1　Massive Mimo蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

以Cell-1小區(qū)為目標(biāo)小區(qū)，則相鄰的小區(qū)為Cell-2至Cell-7。則小區(qū)Cell-1基站接收到的上行導(dǎo)頻信號為

由上式可以得出，當(dāng)小區(qū)間 （這里只考慮相鄰的6個(gè)小區(qū)，忽略其余更遠(yuǎn)的小區(qū)，這是由于信道的大尺度衰落因子對距離非常敏感，距離越遠(yuǎn)衰落越快）導(dǎo)頻復(fù)用時(shí)，其基站收到的導(dǎo)頻序列必然受到污染，導(dǎo)致信道估計(jì)性能變差。前文也說過，在正常情況下，小區(qū)間導(dǎo)頻的復(fù)用是必然會發(fā)生的。所以本文基于此提出了小區(qū)分類的方法，通過小組內(nèi)錯(cuò)開相鄰小區(qū)導(dǎo)頻發(fā)射時(shí)隙，來達(dá)到減少導(dǎo)頻污染的目的。

2　小區(qū)分組減輕導(dǎo)頻污染方法

2.1導(dǎo)頻污染

圖2所示為導(dǎo)頻污染原理圖，由圖（a），當(dāng)小區(qū)a中用戶在發(fā)送上行導(dǎo)頻序列給基站時(shí)，同時(shí)小區(qū)b中基站也會收到同樣一份導(dǎo)頻序列。然而小區(qū)b中基站并不能識別一份導(dǎo)頻序列是否為本小區(qū)用戶發(fā)送。由于正交導(dǎo)頻序列的有限性和小區(qū)用戶的無限性，小區(qū)間必然會存在導(dǎo)頻復(fù)用。圖（b）可以清楚看出（圖中黑色部分對應(yīng)小區(qū)用戶發(fā)送的上行導(dǎo)頻序列，白色部分對應(yīng)下行數(shù)據(jù)幀），當(dāng)相鄰小區(qū)導(dǎo)頻采用同步的導(dǎo)頻序列時(shí)，小區(qū)a中用戶所發(fā)出的導(dǎo)頻序列必然會對小區(qū)b中用戶所發(fā)送的導(dǎo)頻序列造成污染。此時(shí)小區(qū)b利用TDD系統(tǒng)的信道互易信所估算出的實(shí)時(shí)下行信道狀態(tài)信息必然會有偏差，應(yīng)此極大地限制了Massive MIMO系統(tǒng)的下行鏈路可達(dá)和速率。

圖2　導(dǎo)頻污染原理圖

圖3　偏移的導(dǎo)頻正結(jié)構(gòu)

基于同步導(dǎo)頻序列，有文獻(xiàn)提出了偏移的導(dǎo)頻序列，如圖3顯示了偏移幀結(jié)構(gòu)示意圖。與同步幀結(jié)構(gòu)相比，各小區(qū)之間導(dǎo)頻序列互不重疊，這在一定程度上可以減輕導(dǎo)頻污染的問題，但是上行導(dǎo)頻序列與相鄰小區(qū)的下行信道數(shù)據(jù)幀重疊。因此，相比較于用戶發(fā)送的能量較小的上行導(dǎo)頻信號，相鄰小區(qū)基站發(fā)送的能量較大的下行數(shù)據(jù)信號會對其造成波壞，導(dǎo)致基站對上行信道估計(jì)的不準(zhǔn)確。這顯然不是我們所希望的。

2.2時(shí)序交錯(cuò)的導(dǎo)頻序列

由文獻(xiàn)[10]可知，利用信道互易性，信道訓(xùn)練的開銷僅與每小區(qū)的用戶數(shù)相關(guān)，而與基站天線數(shù)無關(guān)。因此，當(dāng)基站天線數(shù)趨向無窮時(shí)，并不會增加系統(tǒng)的反饋開銷而且額外多出來的天線總是對性能有益的。

再此我們設(shè)定如下條件來分析信道估計(jì)的均方誤差（MSE，Mean Squared Error）性能：假定每個(gè)小區(qū)只有一個(gè)用戶（K=1），且所用用戶運(yùn)用相同的導(dǎo)頻序列（ψj=ψ，對任意j成立）。參考文獻(xiàn)[11]，可得：

其中，MMSE表示相鄰小區(qū)第k個(gè)用戶到目標(biāo)小區(qū)基站所有天線信道的均方誤差，也就是目標(biāo)基站對所有信道的均方誤差。

然而在實(shí)際情況下[12]，用戶發(fā)射功率pr為有限值，且所發(fā)送的上行導(dǎo)頻序列長度也為有限值。即由式（4）可得，當(dāng)M→∞時(shí)，通過增加導(dǎo)頻序列長度或是提高用戶發(fā)射上行導(dǎo)頻序列的功率對MMSE影響并不明顯，而且這兩種方法本身可用性也不大。但是此時(shí)通過減少導(dǎo)頻序列長度τ（當(dāng)τ相對較大時(shí)）來使相鄰小區(qū)間導(dǎo)頻序列在時(shí)隙上錯(cuò)開以達(dá)到改善系統(tǒng)性能是可實(shí)現(xiàn)的，也是易于操作的。

圖4　蜂窩網(wǎng)絡(luò)小區(qū)分組結(jié)合導(dǎo)頻時(shí)隙錯(cuò)開的方案

如圖4（a）所示，將圓圈內(nèi)3個(gè)小區(qū)分為一組，在同一小組內(nèi)小區(qū)，如a，b，c 3個(gè)小區(qū)，任一小區(qū)的對所有信道和期望信道所得的信道估計(jì)的均方誤差分別為M和Ms，由式（4）則可得：

可發(fā)現(xiàn)此時(shí)對于目標(biāo)小區(qū)完全不存在導(dǎo)頻污染。

通常我們知道，使用更長的導(dǎo)頻序列可以獲得更加精確的信道估計(jì)，但是當(dāng)導(dǎo)頻污染嚴(yán)重時(shí)，無論是否采用更長的導(dǎo)頻序列還是增加基站天線數(shù)M，對于系統(tǒng)系統(tǒng)都是極其有限的[13-15]。但是通過縮短導(dǎo)頻序列長度，使得相鄰小區(qū)導(dǎo)頻序列在時(shí)隙上相互交錯(cuò)，并以此來消除導(dǎo)頻污染。則可以有效的提升系統(tǒng)的整體性能。

周圍相鄰小區(qū)也基于相同的原理以小組的形式進(jìn)行劃分，假設(shè)每個(gè)小區(qū)之間導(dǎo)頻類別使用信息都用基站相互連接的電纜相互告知，并以自適應(yīng)的方式劃分小區(qū)，這在實(shí)際情況下是非常容易實(shí)現(xiàn)的 （可參考思科無線系統(tǒng)在2.4 GHz所采用的錯(cuò)頻部署方案）。即使某一小區(qū)基站出現(xiàn)故障，使用了與相鄰小區(qū)同類型的導(dǎo)頻序列，也可根據(jù)小區(qū)小組的編號，快速實(shí)現(xiàn)小區(qū)內(nèi)的收斂，不致使其擴(kuò)散到整個(gè)蜂窩網(wǎng)絡(luò)。

3　結(jié)束語

文中綜述了兩種運(yùn)用改變導(dǎo)頻序列來達(dá)到減輕導(dǎo)頻污染的的方法，并在此基礎(chǔ)上提出了一個(gè)因用于Massive MIMO蜂窩網(wǎng)絡(luò)在TDD模式下減輕導(dǎo)頻污染的方案，即運(yùn)用小區(qū)分組及時(shí)隙交錯(cuò)導(dǎo)頻幀結(jié)構(gòu)的方法來共同實(shí)現(xiàn)：首先把原有導(dǎo)頻序列分為3類，并保證在時(shí)隙上相互交錯(cuò)；然后將每3個(gè)相鄰小區(qū)劃分為一組，小組內(nèi)小區(qū)分別采用一類導(dǎo)頻序列結(jié)構(gòu)，使得任意小區(qū)在接收上行導(dǎo)頻序列的時(shí)，與其相鄰的小區(qū)不會對其產(chǎn)生導(dǎo)頻污染。在運(yùn)用基站之間的自協(xié)調(diào)，即使某一小區(qū)出現(xiàn)故障采用了錯(cuò)誤的導(dǎo)頻序列類型，也能夠快速的根據(jù)本小區(qū)所在小組實(shí)現(xiàn)恢復(fù)原有類別的導(dǎo)頻序列，從而極大減輕了導(dǎo)頻污染，提高了系統(tǒng)的性能。

[1]Pitarokoilis A.，Mohammed S.K.，Larsson E.G.On the Optimality of Single-Carrier Transmission in Large Scale Antenna Systems[C]//IEEE Wireless Commun.Lett.，2012，1 （4）：276-79.

[2]Ngo H.Q.，Larsson E.G.，Marzetta T.L.Energy and Spectral Efficiency of Very Large Multiuser MIMO Systems [C]//IEEE Trans.Commu.，2013（61）：1436-1449.

[3]Rusek F，Persson D，Lau B K，et al.Scaling up MIMO: opportunities and challenges with very large arrays[J].IEEE Signal Proces Mag，2012，30（1）:40-46.

[4]Ngo H Q，Larsson E G，Marzetta T L.Energy and spectral efficiency of very large multiuser MIMO systems[J].IEEE Trans Commun，2012，61（4）:1436-1449.

[5]LARSSON E G.Very Large MIMO Systems Part I:Theory and Analysis[R].2012.

[6]Jose J，Ashikhmin A，Marzetta T L，et al.Pilot contamination problem in multi-cell TDD systems[C]//ISIT 2009 IEEE International Symposium on Information Theory.Washington D C:IEEE Press，2009:2184-2188.

[7]Jose J，Ashikhmin A，Marzetta T L，et al.Pilot contamination and precoding in multi-cell TDD systems[J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2011，10（8）:2640-2651.

[8]Appaiah K，Ashikhmin A，Marzetta TL.Pilot contamination reduction in multi-user TDD systems[C]//Proc IEEE International Conference on Communications（ICC’10）CapeTown，South Africa，2010.1-5.

[9]Fernandes F，Ashikhmin A，Marzetta T L.Interference reduction on cellular networks with large antenna arrays[C]// Proc IEEE International Conference on Communications（ICC），Ottawa，Canada，2012：5773-5777.

[10]Marzetta T L.How much training is required for multiuser MIMO[C]//In Proc.Fortieth Asilomar Conference on Signals Systems and Computers（ACSSC06），2006：359-363.

[11]王海榮，王玉輝，黃永明，等.大規(guī)模MIMO多小區(qū)TDD系統(tǒng)中的導(dǎo)頻污染減輕方法[J].信號處理，2013，29（2）:171-180.

[12]Rusek F.，et al.Scaling up MIMO:Opportunities and challenges with very large arrays[C]//IEEE Signal Process.Mag.，2013，30（1）：40-46.

[13]Larsson E G，Tufvesson F，Edfors O，et al.Massive MIMO for next generation wireless systems[C]//IEEE Commun. Mag.，2014，52（2）：186-195.

[14]Rao X,Lau V K.N.Distributed compressive CSIT estimation and feedback for FDD multi-user massive MIMO systems [C]//IEEE Trans.Signal Process.，2014，62（12）:3261-3271.

[15]Adhikary A，Nam J，Ahn J Y，et al.Joint spatial divisionand multiplexing:The large-scale array regime[C]// IEEE Trans.Inf.Theory，2013，59（10）：6441-6463.

Pilot contamination reduction in Massive MIMO cellular network systems

HE Qing-song，LU Cun-dong
（Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China）

Massive multiple-input multiple-output（MIMO）system is the key technology in fifth generation（5G）wireless systems.However，the uplink pilot contamination limits the performance of massive MIMO cellular network in time division duplex（TDD）wireless system severely.An efficient way to solve this problem is shifting the location of pilots in time frames used in neighboring cells.To deal with this problem，a new cell assignment scheme is proposed in this letter.Specifically，dividing each three adjacent cells into one group，then the time interleaved frame can be used in order to shift the location of pilot in time frame at one group.By coordinating among base stations，the cells can be divided into groups by themselves. Thus，the problem of pilot contamination could be solved，greatly enhancing the performance of all system.

Massive MIMO；pilot contamination；cellular network；time division duplex system；time interleaved frame

TN99

A

1674－6236（2016）22-0020-03

2015-12-03稿件編號：201512031

何慶松（1991—），男，江蘇鹽城人，碩士研究生。研究方向：大規(guī)模天線系統(tǒng)。