［楊中豪 喬寬］

?

Massive MIMO系統(tǒng)導頻污染下的信道估計

［楊中豪 喬寬］

摘要

大規(guī)模MIMO（Multiple-Input-Multiple-Output）目前已成為5G無線通信領(lǐng)域最具潛力的研究方向之一，導頻污染成了制約整個大規(guī)模MIMO系統(tǒng)性能的“瓶頸”。本文論述了大規(guī)模MIMO系統(tǒng)導頻污染問題，分析了導頻污染下的傳統(tǒng)信道估計算法。針對導頻污染下最小均方誤差（Minimum Mean-Squared Error，MMSE）估計算法需要獲取完美的小區(qū)間大尺度信道系數(shù)，介紹一種改進的多小區(qū)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)信道估計算法，性能接近理想的MMSE算法。

關(guān)鍵詞：大規(guī)模MIMO MMSE 導頻污染

楊中豪

重慶郵電大學通信與信息工程學院。

喬寬

重慶郵電大學通信與信息工程學院。

0 引言

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，通信領(lǐng)域也處在不斷的進步之中，特別是近些年來，更是突飛猛進。圖1為移動通信技術(shù)演進示意圖，到目前為止，5G還沒有一個具體的標準。大規(guī)模MIMO無線通信，在基站覆蓋區(qū)域內(nèi)配置數(shù)十根甚至數(shù)百根以上天線，較4G系統(tǒng)中的4（或8）根天線數(shù)增加一個量級以上，已經(jīng)成為下一代通信的關(guān)鍵候選技術(shù)，如圖1所示。

總體來說，大規(guī)模 MIMO能夠在未來提供更高的能量效率、頻譜效率和更好的安全性、更強的穩(wěn)健性的無線寬帶網(wǎng)絡。研究表明，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的性能主要受限于導頻污染[1]。導頻污染的根本原因是不同小區(qū)共享頻譜，而直接原因是不同小區(qū)用戶的導頻序列是相關(guān)的，信道估計過程中包含了小區(qū)間干擾。

圖1 移動通信技術(shù)演進示意圖

1 導頻污染

大規(guī)模MIMO技術(shù)主要是應用在 TDD 系統(tǒng)中，而在TDD 系統(tǒng)中根據(jù)幀的結(jié)構(gòu)，可知導頻序列的長度是有限的，因此每個小區(qū)中可用的正交導頻序列也是有限的。由于導頻序列長度的有限性，而移動通信用戶數(shù)的巨大性，使得相鄰小區(qū)之間不得不重復使用相同的導頻序列，或是不正交的導頻序列。由此導致了在上行傳輸中，當目標用戶發(fā)送導頻序列對目標信道進行估計時，相鄰小區(qū)內(nèi)在相同時頻資源塊上發(fā)送的導頻序列，可能會對目標用戶發(fā)送的導頻序列造成干擾，進而影響基站對上行信道進行精確估計[2]。由此可知，導頻序列之間的非正交性是導頻污染產(chǎn)生的根源，正如圖 2 所示。

圖2 導頻污染圖解

從理論上來說可以重新設計通信系統(tǒng)中幀的結(jié)構(gòu)，使相鄰小區(qū)間的導頻發(fā)送時隙錯開，從而使導頻在發(fā)送時間上相互正交，以此來避免導頻之間的相互干擾。但通信系統(tǒng)中導頻傳輸時隙的增加，意味著用于傳輸有效數(shù)據(jù)的資源塊數(shù)會減少，從而使通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量下降。而現(xiàn)在移動用戶對通信速率的要求越來越高，吞吐量的下降顯然不是現(xiàn)代通信所期望的。

因此很多文獻考慮本小區(qū)內(nèi)用戶用來傳輸導頻的時隙，在其他小區(qū)中，該時隙用來傳輸上行的發(fā)送數(shù)據(jù)，正如圖 3所示。由此可以在不減少傳輸有效數(shù)據(jù)的資源塊數(shù)的基礎(chǔ)上，又保證導頻序列之間發(fā)送時隙的正交性。

針對導頻污染問題，已經(jīng)有很多文獻給出了理論研究和可以減輕的方法。用戶在上行鏈路發(fā)送導頻信號，基站側(cè)可以基于LS或者MMSE方法對信道進行估計。文獻[3]介紹了MMSE信道估計算法隨天線M接近無窮時的漸進性能，文中假設小區(qū)間和小區(qū)內(nèi)的大尺度衰落系數(shù)是完全已知的，這在實際場景中是不可能的。

圖3 導頻偏移的幀結(jié)構(gòu)

2 信道估計

考慮一個多小區(qū)系統(tǒng)，其中有L個小區(qū)，每個小區(qū)中有一個配置M 個天線的基站BS和K個單天線用戶，用戶隨機分配在小區(qū)中。假設信道為頻率平坦衰落，用戶以及天線間相互獨立。用gilkm表示小區(qū)l 中的用戶k 到小區(qū)i 中的第m 條天線的信道增益。，其中為大尺度系數(shù)，hilkm為多徑瑞利衰落的小尺度系數(shù)，服從CN（0,1）分布。Gil表示M× K的信道矩陣，其中第k 列表示小區(qū)中的用戶k 到小區(qū)i 的信道增益。在估計過程中我們假定是確定的。我們考慮一個典型的大規(guī)模MIMO場景，不同小區(qū)中的用戶同時發(fā)送相同的導頻序列，導頻復用因子為1。 K 個用戶導頻信號用K× τ矩陣ΦH來表示，其正交特性?；緄接收的導頻信號為M× τ的矩陣

Ni是服從CN(0, 1)獨立同分布的M× τ噪聲矩陣。用φk表示Φ的第k列。在基站i 處信道giik進行估計，充分統(tǒng)計量

2.1 LS信道估計

LS估計中每個天線的均方誤差MSE為

2.2 MMSE信道估計

MMSE信道估計器需要獲取估計參數(shù)的統(tǒng)計信息，包括噪聲和干擾等。很多基于MMSE的估計需要獲取信道信息，假設完美的大尺度衰落信息，然而在實際場景中是不可能的[4]。當有完美的大尺度衰落系數(shù)時，理想的MMSE估計器為?？梢詫懗桑捎诟咚鼓Ｊ较?MMSE的特性，和估計誤差是相互獨立的。理想的MMSE估計情況下，每個天線的均方誤差MSE可以寫成

2.3 改進的算法

這種信道估計方法，不需要獲知小區(qū)間的大尺度衰落系數(shù)。主要思想是不用獲得各自的信道系數(shù)，而是使用一個有效的參數(shù)，此參數(shù)是各自衰落系數(shù)的總和再加上歸一化的噪聲方差。改進的方法可以估計有效參數(shù)，然后將之代入到MMSE估計器公式中，同時可以得到改進算法的MSE分析表達式。

3 仿真與結(jié)果分析

圖4

圖4可以看出信道估計MSE隨SNR的變化曲線。此時a=0.05，M=30。隨著SNR的增大，3種信道估計算法的MSE值都逐漸減小。由于導頻污染的存在，3種算法都會到達性能極限。在較低的SNR時，改進的算法的均方差非常接近理想的MMSE信道估計，然而LS算法與理想的MMSE算法相差較大，如圖2所示。

圖5

圖5中，在當a=0.05,SNR q=10dB的情況下?？梢钥闯觯S著天線M的增大，改進的信道估計算法的性能趨近理想MMSE算法的性能，而LS算法性能不變。

4 結(jié)論

Massive MIMO作為傳統(tǒng)MIMO技術(shù)的延伸，是下一代無線通信的一個重要研究方向。它通過大量增加通信的天線數(shù)，采用時分雙工的通信模式，使系統(tǒng)性能達到空前的高度，而導頻污染成了制約整個大規(guī)模MIMO系統(tǒng)性能的阻礙[6]。本文探討了大規(guī)模MIMO的導頻污染問題，同時介紹了一種改進的信道估計算法，在規(guī)模MIMO導頻污染的情況下，這種更為簡易的估計方法不用獲取額外的系統(tǒng)開銷，其MSE性能十分接近理想的最小均方誤差估計算法。

參考文獻

1Marzetta T L, Noncooperative cellular wireless with unlimited numbers of BS antennas.IEEE Transactions on Wireless Communications, 2010, 9(11): 3590-3600

2葉賢洪. TDD宏MIMO的上行信道估計研究[D].成都：電子科技大學，2013

3Choi, Jun Won; Lee, Byungju; Shim, Byonghyo; Kang, Insung, "Low complexity detection and precoding for massive MIMO systems," in Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), 2013 IEEE , vol., no., pp.2857-2861, 7-10 April 2013

4multiuser MIMO uplink with very large antenna arrays and a finite-dimensional channel," IEEE Trans. Commun., vol. 61, no. 6, pp. 2350–2361,Jun. 2013

5Khansefid, A.; Hlaing Minn, "On Channel Estimation for Massive MIMO With Pilot Contamination," in Communications Letters, IEEE , vol.19, no.9, pp.1660-1663, Sept. 2015

6"Mitigating pilot contamination in massive MIMO system —5G: An overview," in Control Conference (ASCC), 2015 10th Asian , vol., no., pp.1-6, May 31 2015-June 3 2015

簡訊

百家運營商采用愛立信無線點系統(tǒng)增強室內(nèi)應用覆蓋

我們幾乎90%的時間都是在室內(nèi)度過的，然而，愛立信消費者研究室的調(diào)查結(jié)果顯示，只有30%的智能手機用戶認為室內(nèi)語音質(zhì)量、覆蓋和可靠性是良好的。智能手機流量預計會在2015年至2021年間激增11倍，并且，到2021年底將占移動數(shù)據(jù)流量的90%左右，這些都加劇了室內(nèi)覆蓋挑戰(zhàn)。為了增強移動消費者和企業(yè)客戶的室內(nèi)應用覆蓋，全球領(lǐng)先的運營商均已采用愛立信無線點系統(tǒng)，該系統(tǒng)是在2014年第四季度實現(xiàn)商用的創(chuàng)新型室內(nèi)小型蜂窩解決方案。最近，中國西部最大的移動通信運營商四川移動成為全球第100家部署愛立信無線點系統(tǒng)的移動運營商。愛立信無線點系統(tǒng)可以使移動運營商在各種樓宇中提供始終如一的高性能語音和數(shù)據(jù)覆蓋及容量。該系統(tǒng)是一個時尚的可吊頂安裝的天線原件——“點”，為整個大樓提供高性能應用覆蓋并可與室外移動網(wǎng)絡進行無縫切換。該系統(tǒng)采用愛立信網(wǎng)絡軟件16A即可進行遠程軟件升級，并支持高達600 Mbps的峰值速率。它不僅可以實現(xiàn)LTE-A載波聚合，并進一步降低了功耗。愛立信無線點系統(tǒng)支持的軟件與運營商室外宏蜂窩網(wǎng)絡相同，確保實現(xiàn)無縫的用戶體驗并加快新性能和節(jié)能功能推向市場。

隨著5G網(wǎng)絡將在2020年左右實現(xiàn)商用，愛立信無線點系統(tǒng)等小型蜂窩將愈加普及。移動寬帶和視頻需求及創(chuàng)新的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）用例不斷推動5G發(fā)展，包括LTE的演進以及新無線接入技術(shù)的發(fā)展。

收稿日期：（2015-12-30）