大规模MIMO系统导频污染问题研究
多小区大规模MIMO系统中基于部分导频交替复用的导频污染减轻方法
第33卷第8期 2017年8月信号处理JOURNAL OF SIGNAL PROCESSINGVol.33 No.8Aug. 2017文章编号：1003-0530(2017)08-1104-11多小区大规模MIMO系统中基于部分导频交替复用的导频污染减轻方法李梦婉1景小荣M莫林琳1(1.重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆400065;2.移动通信技术重庆市重点实验室，重庆400065)摘要：在多小区大规模多输人多输出（Multiple Input Multiple Output, M I M O)系统中，导频污染（Pilot Contamina-turn, P C)已成为制约整个系统性能的瓶颈。
本文从系统级角度出发，提出了一种基于部分导频交替复用（Alternately Fractional Pilot Reuse, AF P R)的导频配置方案，即相邻小区的边缘用户配置相互正交的导频序列，而小区 中心用户复用相邻小区边缘用户所配置的导频序列。
同时从理论上推导出基于A F P R的导频配置方案上行可达频谱效率(Spectml Efficiency，S E)的关系式。
数值仿真结果表明，相比于传统的导频配置方案，无论采用最大比合并（Maximum Rati。
Combining, M R C)还是迫零（Zero Forcing, Z F)接收，该方案可显著地提升系统性能增益。
关键词：多小区；大规模多输人多输出系统；小区中心用户率；导频交替复用；频谱效率中图分类号：T N911.22 文献标识码：A DOI：10.16798/j. issn. 1003-0530.2017.08.011Pilot Contamination Reduction Method with Alternately Fractional Pilot Reuse for Multi-cell Massive MIMO SystemsLI Meng-wan1JING Xiao-rong1,2MO Lin-lin1(1. School of Communication and Information Engineering, Chongqing University ofPosts and Telecommunications, Chongqing 400065, China； 2. Chongqing Key Lab ofMobile Communications Technology, Chongqing 400065 , China)Abstract ：In multi-cell massive multiple input multiple output (M I M O)systems,pilot contamination (P C)has become the bottleneck that r estricts the performance of the whole system. From a system level point of view, this paper proposes a pilot allocation scheme based on the alternately fractional pilot reuse (A F P R).In the scheme，the users at the age of neighbor cells are allocated orthogonal pilot sequences meanwhile the users at the center of the cells are multiplexed pilot sequences of neighbor cell edge users. At the same time, the expression of the spectral efficiency (SE) i s derived theoretically based on AFPR. The numerical simulation results show that the proposed scheme can significantly improve the system performance gain compared t o the conventional pilot allocation schemes for the maximum r a tio combining (M R C)receiver or the zero forcing (Z F)receiver.Key words：multi-cell； massive M I M O systems；rate of users at the center of the cell；alternately fractional pilot reuse (AFPR) ； spectral efficiency (SE)i引言贝尔实验室的Marzetta在各基站配置无限根天线的条件下，研究了多用户多输入多输出（Multiple-input Multiple-Output,MIMO)技术[1]，并提出了大规 模M IM O的概念。
链状网大规模MIMO系统中导频污染减轻方案
链状网大规模MIMO系统中导频污染减轻方案
张翠芳;曾桂根
【期刊名称】《信号处理》
【年(卷),期】2016(32)10
【摘要】为了减轻大规模MIMO多小区TDD系统中的导频污染,本文针对链状网大规模MIMO多小区TDD系统特点,提出了一种新的导频污染减轻方案.方案中将每个小区分成左区和右区,并将正交的导频序列分成三组.三组导频序列组依次、循环地分配给链状网中的各个左、右区域用户,从而实现目标用户与其相邻近区域用户安排正交导频序列,而目标用户与较远区域用户复用导频序列,从而减轻了导频污染.仿真结果表明,本文方案由于节省了上行信道估计时间,其吞吐量优于导频功率控制法.而且本文方案相对于导频列举法,计算量小,具有一定的实用价值.
【总页数】11页(P1202-1212)
【作者】张翠芳;曾桂根
【作者单位】南京邮电大学通信与信息工程学院,江苏南京210003;南京邮电大学通信与信息工程学院,江苏南京210003
【正文语种】中文
【中图分类】TN911.22
【相关文献】
1.大规模MIMO系统中基于EVD半盲信道估计的导频污染研究 [J], 胡丞;宋荣方
2.大规模MIMO蜂窝网络系统中的导频污染减轻方法 [J], 王海荣;王玉辉;黄永明;
杨绿溪
3.大规模MIMO系统中基于导频分配策略消除导频污染算法研究 [J], 牛戈;贾元启;穆晓敏;张健康
4.多小区大规模MIMO系统中基于部分导频交替复用的导频污染减轻方法 [J], 李梦婉;景小荣;莫林琳
5.大规模MIMO多小区TDD系统中的导频污染减轻方法 [J], 王海荣;王玉辉;黄永明;杨绿溪
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大规模MIMO
五、大规模MIMO的优点
第一, 大规模MIMO 的空间分辨率与现有MIMO 相比显著增强,
能深度挖掘空间维度资源, 使得网络中的多个用户可以在同一时频资 源上利用大规模MIMO 提供的空间自由度与基站同时进行通信, 从 而在不需要增加基站密度和带宽的条件下大幅度提高频谱效率. 第二, 大规模MIMO 可将波束集中在很窄的范围内, 从而大幅度降 低干扰. 第三, 当天线数量足够大时, 最简单的线性预编码和线性检测器趋 于最优, 并且噪声和不相关干扰都可忽略不计. 第四, 可大幅降低发射功率, 从而提高功率效率.
七、大规模MIMO的展望
2014年9月，ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ为携手中国移动完成全球首次 Massive MIMO多天线解决方案应用于TD-LTE网 络的演示。
七、大规模MIMO的展望
2014年11月，中兴通讯联合中国移动完成了 全球首个TD-LTE3D/MassiveMIMO基站的预商用 测试。
近日新闻报道，2015年3月3日，在巴塞罗那举 办GTI的2015年世界移动通信大会上，中兴通讯与 中国移动联合展示了5G 3D/MassiveMIMO预商用 基站，中兴通讯获得2014年度GTI“创新解决方案 与应用大奖”。 3D/MassiveMIMO是5G的核心技术之一，将 5G的3D/MassiveMIMO关键技术提前引入现网， 可以帮助运营商在4G时代占据5G先机。
信号检测和预编码都需要高维矩阵运算, 复杂度高, 并且由于需要利用上下行信 道的互易性, 难以适应高速移动场景和FDD 系统;
在分析信道容量及传输方案的性能时, 大都假设独立同分布信道, 从而认为导频 污染是大规模MIMO 的瓶颈问题, 使得分析结果存在明显的局限性，等等
值得一提的是. . . . . .
Massive-MIMO
信道估计
在移动通信系统中，信号传输的有效性依赖于信道状态信息(CSI)的准确性。然而， 在Massive MIMO系统中，基站侧天线数以及小区内用户数目的增加，导致信道状态信 息的获取及准确性成为关键性问题。
波束赋形
波束赋形的主要原理是利用空间信道的强相关性以及波的干涉技术，通过调整天线 阵元的输出，从而产生强方向性的辐射方向图，使辐射方向图的主瓣指向移动终端所在 的地方，从而提高接收信噪比，减小用户之间的干扰，增加系统的吞吐量和提高整个系 统的覆盖范围主要的应用场景:信道状况较差的地方如小区的边缘。
在传统MIMO系统中，天线的部署较为松散，天线端口的间距足够大以至于互耦效 应并不明显。但是当应用Massive MIMO系统时，基站侧需要在固定的物理空间内装备 大量的天线，往往不能保证天线端口间的隔离距离。经典的MIMO研宄理论表明，当天 线端口之间的间距小于或者等于二分之一传输电磁波的波长时，可以明显观察到信号受 到天线互耦效应的影响。当天线端口之间的间距进一步减小时，互耦效应对于信号的影 响则愈加明显。
TDD可以利用信道互易性直接利用上行导频估计出信道矩阵，避免了大量的反馈信 息需求。对于TDD系统这种消耗则与用户数量成正比。CSI获取的具体过程如下：
首先，系统中所有的信道状态信息；接着基站使用估测到的信道状态信息检测上行 数据并生成下行传的用户同时发送上行数据信号；随后用户发送导频序列，基站利用这 些导频序列估计小区中用户输的波束赋形矢量。然而，由于多用户Massive MIMO系统 中，基站侧天线数目及系统中用户数目都很多，使得相邻小区的不同用户对应的导频序 列可能不完全正交，从而引入了用户间干扰，及导频污染问题。对于TDD传输模式，导 频污染是限制其性能的重要因素之一，因而受到了国内外专家学者的广泛重视。
大规模MIMO多小区多用户TDD系统导频污染抑制方法
大规模MIMO多小区多用户TDD系统导频污染抑制方法吴玉成;刘统;曹猛;杨婷婷【期刊名称】《工程科学与技术》【年(卷),期】2018(050)002【摘要】针对大规模MIMO系统中导频污染问题，提出一种基于路径损耗执行用户分组的导频调度策略（pilot scheduling based on path loss to perform user grouping，PLUG），该策略以用户受导频干扰程度为依据将用户划分为中心用户组和边缘用户组，受导频污染较轻的中心用户分配相同导频，受导频污染严重的边缘用户分配正交导频，从而抑制导频污染的影响。
PLUG策略假定每个小区的边缘用户数相同，为提高PLUG策略灵活性，进一步提出一种改进的基于路径损耗执行用户分组的导频调度策略（improved pilot scheduling based on path loss to perform user grouping，IPLUG），该策略利用判决参数实现每个小区边缘用户数的动态选取，成功地避免一些信道条件好的用户被误划为边缘用户造成导频开销浪费，或信道条件差的用户被误划为中心用户导致通信质量下降，提高了用户分组的准确性和合理性。
理论分析和仿真结果表明，所提策略均能在不明显降低中心用户性能的前提下显著提高小区边缘用户的信道估计归一化MSE、上行链路SINR和上行可达速率。
由此可知，所提策略可有效抑制大规模MIMO系统的导频污染并降低通信中断概率。
【总页数】7页(P105-111)【作者】吴玉成;刘统;曹猛;杨婷婷【作者单位】重庆大学通信工程学院,重庆400044;重庆大学通信工程学院,重庆400044;重庆大学通信工程学院,重庆400044;重庆大学通信工程学院,重庆400044【正文语种】中文【中图分类】TN929.5【相关文献】1.大规模MIMO多小区多用户TDD系统导频污染抑制方法2.基于QoS的多小区下行TDD大规模MIMO系统顽健波束成形3.多小区多用户 TDD MIMO 下行链路干扰抑制预编码算法4.多小区大规模MIMO系统中基于部分导频交替复用的导频污染减轻方法5.大规模MIMO多小区TDD系统中的导频污染减轻方法因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
联合时移和空间划分方法抑制大规模MIMO导频污染
联合时移和空间划分方法抑制大规模MIMO导频污染宋新雷;杨霖;杜嘉良【摘要】在大规模MIMO(multiple input multiple output)系统的信道估计过程中,不可避免地需要在不同小区中复用同样的导频序列,由此而产生导频污染问题,且当基站天线趋向于无穷多时,它成为了系统性能提升的瓶颈.为了抑制导频污染,提出一种联合时移和小区空间划分的导频序列分配(TS-CSPA,time shifted-cell sectorization pilot assignment)方法,该方法通过从时域和空间域2个角度降低导频复用程度来抑制导频污染.推导了系统使用该方案时的等效信干比和用户可达速率.仿真结果表明所提出的方法能有效地抑制大规模MIMO系统的导频污染,相比于其他几种抑制方法能够在系统性能上获得一定程度的提升.%Pilot contamination is appeared in massive MIMO (multiple input multiple output) system when using the same pilot sequences at different cells to get the channel state information. It becomes a bottleneck problem of massive MIMO when the number of antenna goes infinite. In order to dealt with pilot contamination, a new TS-CSPA joint scheme was proposed. This scheme can mitigate pilot contamination by reduce the reuse of pilot sequence through the time domain and space domain. And the closed-form expression for the achieved rates and signal to interference plus noise ratio(SINR) to verify the advantages of the proposed scheme were given. Numerical results show that significant performance gains to mitigate pilot contamination problem compared to other methods.【期刊名称】《通信学报》【年(卷),期】2017(038)002【总页数】8页(P165-172)【关键词】大规模MIMO;导频污染;频谱效率;信道估计【作者】宋新雷;杨霖;杜嘉良【作者单位】电子科技大学通信抗干扰技术国家重点实验室,四川成都 611731;电子科技大学通信抗干扰技术国家重点实验室,四川成都 611731;电子科技大学通信抗干扰技术国家重点实验室,四川成都 611731【正文语种】中文【中图分类】TP393在过去的数10年里，MIMO技术一直是移动通信的研究热点，MIMO技术可以在同样的信道带宽和发射功率的条件下，成倍地提高无线移动通信系统的频谱和能源效率，极大地缓解了频谱资源稀缺和日益增长的信道容量需求之间的矛盾[1,2]。
大规模多用户MIMO系统的设计与优化研究
大规模多用户MIMO系统的设计与优化研究大规模多用户MIMO系统（Massive Multiple-Input Multiple-Output，简称Massive MIMO），是指在一个基站中配备有大量的天线，同时为多个用户提供无线通信服务。
该技术通过使用大量的天线进行波束形成、空分复用和干扰消除等技术手段，显著提高系统的容量和性能。
1.天线分布优化：大规模多用户MIMO系统中，天线的分布对系统性能具有重要影响。
通过合理设计天线数组的位置和间距，可以实现天线间的正交性和低互相关性，减小干扰，提高系统容量。
3. 多用户检测算法：大规模多用户MIMO系统中，多个用户同时进行通信，天线接收到的信号包含了多个用户的信息，因此需要进行用户检测。
传统的检测算法如最小均方误差（Minimum Mean Square Error，MMSE）等已经被广泛应用于大规模多用户MIMO系统中，但在高信噪比下性能有限，需要进一步研究和改进。
4. 干扰管理算法：在大规模多用户MIMO系统中，多个用户之间会产生干扰，影响系统性能。
通过采用合适的信号处理算法，可以有效减小干扰，提高系统容量。
常用的干扰管理算法有零干扰处理（Zero Interference Processing，ZIP）和零消除零干扰（Zero Forcing Zero Interference，ZF-ZI）等。
5.资源分配算法：大规模多用户MIMO系统中，天线数目众多，需要合理分配资源。
资源包括天线、功率和子载波等。
通过设计合理的资源分配算法，可以最大化系统的容量和性能。
6. 反馈技术：大规模多用户MIMO系统中，基站需要根据用户信道状态信息（Channel State Information，CSI）进行波束形成和干扰消除等操作。
然而，CSI反馈带来的开销较大，限制了系统性能的提升。
因此，如何通过有效的CSI反馈技术降低开销，提高系统性能是一个关键问题。
总之，大规模多用户MIMO系统的设计与优化研究是一个复杂而关键的领域。
Massive MIMO系统导频污染下的信道估计
Massive MIMO系统导频污染下的信道估计杨中豪;乔宽【摘要】大规模MIMO(Multiple-Input-Multiple-Output)目前已成为5G无线通信领域最具潜力的研究方向之一,导频污染成了制约整个大规模MIMO系统性能的"瓶颈".本文论述了大规模MIMO系统导频污染问题,分析了导频污染下的传统信道估计算法.针对导频污染下最小均方误差(Minimum Mean-SquaredError,MMSE)估计算法需要获取完美的小区间大尺度信道系数,介绍一种改进的多小区大规模MIMO系统信道估计算法,性能接近理想的MMSE算法.【期刊名称】《广东通信技术》【年(卷),期】2016(036)002【总页数】4页(P76-79)【关键词】大规模 MIMO;MMSE 导频污染【作者】杨中豪;乔宽【作者单位】重庆邮电大学通信与信息工程学院;重庆邮电大学通信与信息工程学院【正文语种】中文大规模MIMO（Multiple-Input-Multiple-Output）目前已成为5G无线通信领域最具潜力的研究方向之一，导频污染成了制约整个大规模MIMO系统性能的“瓶颈”。
本文论述了大规模MIMO系统导频污染问题，分析了导频污染下的传统信道估计算法。
针对导频污染下最小均方误差（Minimum Mean-SquaredError，MMSE）估计算法需要获取完美的小区间大尺度信道系数，介绍一种改进的多小区大规模MIMO系统信道估计算法，性能接近理想的MMSE算法。
杨中豪重庆邮电大学通信与信息工程学院。
乔宽重庆邮电大学通信与信息工程学院。
随着现代科学技术的迅猛发展，通信领域也处在不断的进步之中，特别是近些年来，更是突飞猛进。
图1为移动通信技术演进示意图，到目前为止，5G还没有一个具体的标准。
大规模MIMO无线通信，在基站覆盖区域内配置数十根甚至数百根以上天线，较4G系统中的4（或8）根天线数增加一个量级以上，已经成为下一代通信的关键候选技术，如图1所示。
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大规模MIMO系统导频污染问题研究
关键词：大规模MIMO；导频污染；通信系统；系统性能；频谱利用效率
导频污染是指在大规模MIMO系统中，由于天线数量巨大和信道容量增加导致的导频频段不足或者过度分散的情况，从而导致接收端无法正确识别导频信号，影响了系统的性能。
导频污染的存在会导致通信系统的误码率增加、传输速率下降和系统覆盖范围减小等问题，因此成为了大规模MIMO系统中需要解决的重要问题之一。
本文将从导频污染对大规模MIMO系统性能的影响、导频污染的主要原因、导频污染问题的解决方案以及未来的研究方向等方面展开讨论，旨在为解决大规模MIMO系统中的导频污染问题提供一定的参考。
二、导频污染对大规模MIMO系统性能的影响
导频污染对大规模MIMO系统的性能影响主要体现在以下几个方面：
1. 误码率增加：在存在导频污染的情况下，接收端无法正确识别导频信号，导致了
接收端在信号解调和解码过程中出现错误，从而增加了系统的误码率。
误码率的增加会导
致通信质量下降，降低了系统的可靠性和稳定性。
2. 传输速率下降：由于导频污染导致信号识别出错，使得接收端在数据传输中出现
了丢包或重发等情况，从而降低了系统的传输速率。
传输速率的下降不仅影响了用户的通
信体验，还限制了系统的数据传输能力。
3. 系统覆盖范围减小：导频污染导致了信号传输的不稳定性，使得系统的覆盖范围
受到限制，无法满足用户对通信覆盖的需求。
系统覆盖范围减小直接影响了通信系统的使
用范围和效果，降低了系统的实用性和可靠性。
导频污染对大规模MIMO系统的性能影响较为显著，需要引起重视并及时采取相应的解决措施。
三、导频污染的主要原因
导频污染的产生主要有以下几个原因：
1. 天线数量巨大：大规模MIMO系统的特点之一就是天线数量大，通常涉及数百甚至
数千个天线。
在这种情况下，导频频段的分配和使用面临着一定的挑战，容易导致导频信
号的不足或者分散。
2. 信道容量增加：大规模MIMO系统由于天线数量多，使得系统的信道容量得到了显
著增加。
信道容量的增加使得导频信号的传输变得更加复杂，容易受到干扰和损耗，从而
导致导频污染的产生。
3. 频谱资源受限：在实际通信中，频谱资源往往是有限的，大规模MIMO系统需要在有限的频谱资源中实现大量天线的频谱分配和使用。
频谱资源受限使得导频信号的频段分配变得更加困难，容易导致导频污染的发生。
大规模MIMO系统中导频污染的产生主要有天线数量巨大、信道容量增加和频谱资源受限等原因，需要从这些方面入手来解决导频污染问题。
四、导频污染问题的解决方案
为了解决大规模MIMO系统中导频污染问题，可以考虑采取以下一些解决方案：
1. 导频优化算法：通过对大规模MIMO系统中的导频信号的频段分配和使用进行优化设计，提高导频信号的识别和传输质量，从而减轻导频污染的影响。
2. 天线部署优化：合理设计大规模MIMO系统中的天线部署方式，控制天线数量和密度，降低导频污染的产生，提高系统性能。
3. 频谱资源管理：优化大规模MIMO系统中的频谱资源分配和利用策略，提高频谱资源的利用效率，减少导频污染的发生。
4. 抗干扰技术：引入抗干扰技术，提高大规模MIMO系统对干扰的抵抗能力，减少导频污染的影响。
在解决导频污染问题方面，需要综合考虑系统的实际需求和技术限制，选择合适的解决方案并进行有效实施，从而提高大规模MIMO系统的性能和稳定性。
五、未来的研究方向
随着大规模MIMO技术的不断发展，导频污染问题仍然是一个亟待解决的重要挑战。
未来的研究方向可以从以下几个方面展开：
3. 窄带化技术：研究窄带化技术在大规模MIMO系统中的应用，减少导频信号的频段分散，降低导频污染的影响。
未来的研究方向需要从技术创新和系统集成等方面入手，积极探索和应用新的解决方案，为解决大规模MIMO系统中的导频污染问题提供更多的技术支持和解决思路。