技术领域
[0001] 本
发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种用于去蜂窝大规模MIMO系统的非正交导频分配方法。
背景技术
[0002] cell-free(去蜂窝)大规模多输入多输出(multiple-input multiple-output MIMO)系统由于能够避免在小区间的大规模MIMO通信系统中出现的小区间干扰问题，实现了信道容量和
频谱效率的大幅提升，从而引起了无线通信领域的广泛关注。在cell-free大规模MIMO系统中，很大数量的分布式基站同时为较小数量的用户提供均匀的服务，采用时分双工(Time Division Duplexing，TDD)操作。在TDD通信机制中，上行训练和数据传输都在同一段相干时间内完成。因而利用信道的互易性，信道状态信息(Channel state information，CSI)可以通过上行训练得到。
[0003] 由于用于信道估计的正交导频序列的个数是有限的，无法保证分配给所有用户的导频序列相互正交，从而导致获得的信道估计收到了使用相同导频用户信道的干扰，即“导频污染”。研究表明，当基站上的天线数趋于无穷大时，非相关噪声和快衰落对信道估计的影响将会消失，致使导频污染成为大规模MIMO系统中影响通信
质量的主要因素。
[0004]
现有技术中，用于导频污染的解决方案是通过先随机分配导频序列，再根据用户实际的信干噪声比(Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR)，采用贪婪的
算法，对SINR较小的用户进行导频重新分配，从而提高系统的吞吐量，基于这种方法的效果上仍然欠缺，因此，需要一种考虑所有用户的可能导频污染干扰情况，从整体的
角度考虑，对所有用户进行导频序列统一分配的方法。
发明内容
[0005] 本发明提供了一种用于去蜂窝大规模MIMO系统的非正交导频分配方法，以有效的提高用户吞吐量，减小导频污染。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
[0007] 本发明提供了一种用于去蜂窝大规模MIMO系统的非正交导频分配方法，包括：
[0008] S1获取一定范围内用户到各基站的信道大尺度衰落系数，并计算用户对各个基站的信道大尺度衰落系数占对应用户对所有基站的信道大尺度衰落系数总和的系数比例。
[0009] S2根据所述系数比例，选取每个用户的最少个数的系数比例之和大于一定比例因子，并将选取系数比例所对应的基站作为该用户的基站群组。
[0010] S3根据各用户的基站群组得到无向图，采用图论
顶点染色理论对所述的无向图进行染色，并根据判断机制更新所述染色结果。
[0011] S4根据得到的所述染色结果对系统的非正交导频进行分配。
[0012] 优选地，根据判断机制更新所述染色结果，包括：根据所述的染色结果得到所需的总导频数，当所需的总导频数大于提供的导频数，则采用二分法
迭代更新所述的一定比例因子，直至所需的总导频数不大于提供的导频数，停止迭代。
[0013] 优选地，根据各用户的基站群组得到无向图，采用图论顶点染色理论对所述的无向图进行染色，包括：根据生成的无向图，对其进行染色，并且将
颜色相同的用户分配相同的导频，保证相互连接的用户使用不同的导频，任两个导频复用的次数之差低于一定数量，且任一个导频复用的次数不大于用户数除以总导频数的向上取整值。
[0014] 优选地，获取一定范围内用户到各基站的信道大尺度衰落系数，包括：采用
最小均方误差算法对用户发送的上行导频序列进行信道估计，得到用户到各基站的信道大尺度衰落系数。
[0015] 优选地，计算用户对各个基站的信道大尺度衰落系数占对应用户对所有基站的信道大尺度衰落系数总和的系数比例，包括：根据下式(1)计算系数比例：
[0016]
[0017] 其中，k为对应用户，Mk为从大到小
选定的第k个用户的基站群组中基站的个数，M为总的用户数，βmk是第k个用户和第m个基站之间的大尺度衰落系数，βm'k为选定的基站群组中的基站的m′的大尺度衰落系数， 是第k个用户对各个基站的信道大尺度衰落系数总和。
[0018] 优选地，根据所述系数比例，选取每个用户的最少个数的系数比例之和大于一定比例因子，并将选取系数比例所对应的基站作为该用户的基站群组，包括：对每个用户系数比例按大到小进行排序，从大到小进行选取系数比例并求和，当其满足大于一定比例因子，则将选取的信道大尺度衰落系数对应的基站作为该用户的基站群组。
[0019] 优选地，根据所述系数比例，选取每个用户的最少个数的系数比例之和大于一定比例因子，并将选取系数比例所对应的基站作为该用户的基站群组，包括：所述的一定比例因子为90％。
[0020] 优选地，根据各用户基站群组的关系得到无向图，包括：判断任意两个用户对应的基站群组是否存在任一相同的基站，如果存在，则这两个用户之间有干扰，在无向图中，对其进行连接；否则，在无向图中，不需要连接。
[0021] 由上述本发明的用于去蜂窝大规模MIMO系统的非正交导频分配方法提供的技术方案可以看出，本发明提出一种适用于第五代移动通信系统的非正交导频分配方法，考虑了系统的整体导频污染情况，采用图论顶点染色理论实现多用户非正交导频的统一分配，可以有效提高用户吞吐量，减小导频污染。
[0022] 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0023] 为了更清楚地说明本发明
实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0024] 图1为用于去蜂窝大规模MIMO系统的非正交导频分配方法示意图；
[0025] 图2为用于去蜂窝大规模MIMO系统的非正交导频分配方法
流程图；
[0026] 图3为图论顶点染色迭代分配导频示意图；
[0027] 图4为不同导频个数时95％用户的净吞吐量效果图。
具体实施方式
[0028] 下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0029] 本技术领域技术人员可以理解，除非特意
声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的
说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤和/或操作，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作和/或元件。应该理解，这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
[0030] 本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0031] 为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明。
[0032] 实施例一
[0033] 图1为用于去蜂窝大规模MIMO系统的非正交导频分配方法示意图，图2为用于去蜂窝大规模MIMO系统的非正交导频分配方法流程图，参照图1和图2，该方法包括：
[0034] S1获取一定范围内用户到各基站的信道大尺度衰落系数，并计算用户对各个基站的信道大尺度衰落系数占对应用户对所有基站的信道大尺度衰落系数总和的系数比例。
[0035] 示意性地，在1km×1km的范围内，随机分布着M个基站和K个用户，采用最小均方误差算法对用户发送改的导频序列进行信道估计，得到用户到各基站的信道大尺度衰落系数。按照整数顺序依次对用户进行编号，获取每个用户到该范围内各基站的信道大尺度衰落系数βmk，其中M是基站的个数m∈{1,...,M}，K是用户的个数，k∈{1,...,K}，M远大于K，M和K的取值范围是大于1的整数。
[0036] 根据下式(1)计算系数比例：
[0037]
[0038] 其中，k为对应用户，Mk为从大到小选定的第k个用户的基站群组中基站的个数，M为总的用户数，βmk是第k个用户和第m个基站之间的大尺度衰落系数，βm'k为选定的基站群组中的基站的m′的大尺度衰落系数， 是第k个用户对各个基站的信道大尺度衰落系数总和。
[0039] S2根据所述系数比例，选取每个用户的最少个数的系数比例之和大于一定比例因子，并将选取系数比例所对应的基站作为该用户的基站群组。对每个用户系数比例按大到小进行排序 从大到小进行选取系数比例并求和，当其满足大于一定比例因子，则将选取的信道大尺度衰落系数对应的基站作为该用户的基站群组。根据下式(2)选择为每个用户进行服务的基站群组，根据需求的大尺度衰落系数占所有大尺度衰落系数的比例，选择大尺度衰落系数较大的基站，意味着距离用户近，对于用户的服务影响较大的基站。根据用户的大尺度衰落系数选出对于用户的服务效率比较高的基站组，可以将对于每个用户的导频污染比较严重的基站选择出来。
[0040]
[0041] 其中，δ％为设定的一定比例因子。这里的一定比例因子可以为90％。根据不同的比例因子可以得到不同的基站服务群组
[0042] S3根据各用户的基站群组得到无向图，采用图论顶点染色理论对所述的无向图进行染色，并根据判断机制更新所述染色结果。
[0043] 判断任意两个用户对应的基站群组是否存在任一相同的基站，如果存在，则这两个用户之间有干扰，在无向图中，对其进行连接；否则，在无向图中，不需要连接。用户的基站群组为基站服务群组，例如，如果两个用户的基站服务群组中有任何一个重合的基站，那么就可以认为，此两个用户如果使用相同的导频，就会产生较大的导频污染。所以在无向图中，此两个用户需要被连接起来，以保证被分配不同的导频序列。
[0044] 在无向图中，需要连接起来，即在用户干扰关系矩阵中记为1；否则，两个用户之间没有干扰，在无向图中，不需要连接起来，即在用户干扰关系矩阵中记为0。得到总的干扰矩阵也即是无向图B。
[0045] 根据生成的无向图，对其进行染色，从顶点度数最小的顶点开始染色，找到不与其相邻的顶点，并选择其中一个顶点进行染色，再找与这两个顶点都不相邻的顶点集合，并对其中一个进行染色，直到找不到为止。再找未染色的度数小的顶点，重复以上过程，直到所有顶点都已染色为止。并且将颜色相同的用户分配相同的导频，保证相互连接的用户使用不同的导频，加入限制条件，任两个导频复用的次数之差低于一定数量，且任一个导频复用的次数不大于用户数除以总导频数的向上取整值，确保不会出现部分的导频复用次数过多而产生严重的导频污染。最终得到非正交导频分配的方案。
[0046] 根据所述的染色结果得到所需的总导频数，当所需的总导频数大于提供的导频数，则重复步骤S2采用二分法迭代更新所述的一定比例因子，设置初始最小的
阈值为20％，最大的阈值为99％，如果更新结果为所需的总导频数更大，则更新的阈值为 如果更新结果为所需的总导频数更小，则更新的阈值为 其中，δ％是当前的比例因子，δmin％是最小的阈值，δmax％是最大的阈值，每次更新后，最大阈值和最小阈值变为相应区间的两端端点处的值。直至所需的总导频数不大于提供的导频数，停止迭代。需要说明的是，该迭代的目的是用于保证实际的导频够用，且能够使用所有提供的导频，尽可能减少导频污染。图3为图论顶点染色迭代分配导频示意图。
[0047] S4根据得到的所述染色结果对系统的非正交导频进行分配。
[0048] 分配方式根据染色结果，为相同颜色的用户，分配相同的导频序列。
[0049] 实施例二
[0050] 该实施例2为采用本发明的方法进行用于去蜂窝大规模MIMO系统的非正交导频分配，具体包括如下步骤：
[0051] 场景参数设置：设有1km×1km的正方形区域，有100个基站，40个用户，长度为20符号的20个导频序列在用户中复用。在这里我们采用常用的大尺度衰落模型是Hata-COST231，阴影衰落的衰减因子是8dB，根据用户和基站之间的距离的远近不同，将路径损耗分为三段式：
[0052]
[0053] 其中，dmk是第k个用户和第m个基站之间距离，d0是第一段的参考距离，d0为10m，d1是第二段的参考距离，d1为50m，
[0054] L＝46.3+33.9log10(f)-13.82log10(hAP)-(1.1log10(f)-0.7)hUE+(1.56log10(f)-0.8)
[0055] 其中，f是载波
频率，f为1.9GHz，hAP是基站的高度，hAP为15m，hUE是用户的高度，hUE为1.65m。
[0056] 在仿真试验中，采用蒙特卡洛方法，随机产生100次独立的用户分布进行仿真。
[0057] 根据路径损耗和阴影衰落，我们可以得到用户与基站之间的大尺度衰落系数，得到40×100的大尺度衰落系数矩阵。根据初始比例因子90％，再对每一个用户进行基站选择，得到每个用户的基站群组。对任意两个用户的基站群组取交集，如果不是空集，则用户之间有干扰，在干扰矩阵中，对应的元素为1；否则为0。依此原则，得到40×40干扰矩阵中用户两两之间的关系的对应元素的值。根据此干扰矩阵，用图论顶点染色理论进行染色。根据染色所得的结果，对相同颜色的用户分配相同的导频。如果染色后所需的总导频数不等于系统所提供的导频数20，则利用二分法，更新比例因子，进行迭代，直到两者相等为止。
[0058] 图4为不同导频个数时95％用户的净吞吐量效果图，参照图4，横坐标表示导频的个数，纵坐标表示95％以上用户能够达到的净吞吐量。在不同的导频个数情况下，和随机导频分配以及贪婪导频分配方法相比，本发明实例中，用户的吞吐量都得到了显著的提高，且当导频数目减小时，提高的幅度更大，优势更加明显。
[0059] 本领域技术人员应能理解上述仿真类型仅为举例，其他现有的或今后可能出现的应用类型如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。
[0060] 本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的流程并不一定是实施本发明所必须的。
[0061] 通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助
软件加必需的通用
硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，
服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
[0062] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉
本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以
权利要求的保护范围为准。
