Massive MIMO多小区TDD系统中的导频污染减轻方法.doc

Massive MIMO多小区TDD系统1. MIMO的概念 移动通信中的MIMO技术指的是利用多根发射天线和多根接收天线进行无线传输的技术，使用这种技术的无线通信系统即为MIMO系统。当天线相互之间有足够远的距离，各根发射天线到各根接收天线之间的信号传输可以看成是相互独立的，所采用的多根天线可以称为分立式多天线，如应用于空间分集的多根天线。如果各根天线相互之间很近，各根发射天线到各根接收天线之间的信号传输可以看成是相关的，所采用的多根天线称为集中式多天线，如智能天线中的天线阵列。传统上，智能天线的智能性体现在权重选择算法而不是编码上，基于分立式天线空时码的研究正在改变这个观点。本文讨论的MIMO技术特指基于分立式天线的MIMO技术。MIMO的思想是把收发端天线的信号进行合并，以改进每个MIMO用户的通信质量和速率。运营商可以利用这个优点极大地提高网络的服务质量以增加收入。传统上认为多径传播是无线传输的一个缺陷，而MIMO系统的主要特征就是把多径传播转变为对用户有利的因素。MIMO有效地利用随机衰落来提高传输速率。因此，MIMO成功MIMO能在不以频谱为代价的条件下极大地提高无线通信性能。2. Massive MIMO的概念 随着时代的发展，传统的MIMO技术已经不能满足呈指数上涨的无线数据需求。在2010年底，贝尔实验室科学家Thomas L. Marzetta提出了大规模MIMO（Massive MIMO，Large-Scale Antenna System，Full-Dimension MIMO）时分双工(Time Division Duplex，TDD)概念[2]。Marzetta研究了一种时分复用（Time-Division Duplexing，TDD）的传输策略，在基站的天线数逐渐增加，直到无穷大的情况下系统的容量变化情况。他发现在基站天线数趋近于无穷时，通常严重影响通信系统性能的热噪声和小区间的干扰将可以被忽略不计，而且最简单的波束成型，比如最大比合并接收机（MRC receiver）将会变成最优。和LTE相比，同样占用20MHz带宽，Massive MIMO的小区吞吐率可以达到1200兆比特/秒，频谱利用率达到了史无前例的60比特/秒/赫兹/小区。 2.1 Massive MIMO的优点 （1）相对于传统的通过缩小小区规模来提高系统容量的方法[3]，大规模MIMO通过直接增加基站的天线数就可使系统容量增加。 （2）大规模的天线阵列增加了天线孔径，通过相干合并可以降低上下行链路所需的发射功率，符合未来“绿色通信”的要求[4]；文献[5]中已经证明在多小区多用户MIMO系统中，当保证一定的QoS(Quality-of-Service)，具有理想CSI(Channel State Information)时，用户的发射功率与基站的天线数成反比，而当CSI不理想时，则与基站天线数的平方根成反比（3）利用信道互易性，信道训练的开销仅与每小区的用户数相关，而与基站天线数无关。因此，当基站天线数趋向无穷时，并不会增加系统的反馈开销而且文献[6]已证明额外多出来的天线总是对性能有益的。2.2 Massive MIMO中的导频污染 从信息论的角度看，当基站的天线数趋近于无穷，信道容量应该是无限大。但是在实际应用的场景中，这并不成立。唯一的限制因素就是导频污染(Pilot Contamination)[2]。这是因为通常一个小区内各用户的导频是正交的，而相邻小区间的导频则是复用的。导频污染主要是由各小区用户向各自的基站发送不正交的上行导频训练序列所致。文献[7]指出在多小区系统中对特定的基站而言，其对各个信道的估计都是该基站接收信号与导频乘积的一个缩放，而基站在接收信号中无法区分本小区用户和其他小区用户，因而导频污染成了制约整个大规模MIMO系统性能的瓶颈。当所有小区的导频发射时隙相互重叠时，增加导频发射时的功率并不能降低导频污染[8]。[9]中把一个小区中的导频时隙对齐到相邻小区的数据时隙，这时增加导频发射功率则是有增益的。但是在一个多小区的系统中，即便不相邻的小区间也总还是存在着导频发射时的冲突。文献[10]提出一个各小区基站在信道估计时基于信道协方差的低速率协调方法，能较好地处理导频污染问题，提升系统的性能。 3. Massive MIMO系统模型 为了方便叙述，将本文所使用的符号定义如下：矩阵及矢量分别用黑体大小写字母表示。(A)T，(A)*，(A)↑分别表示矩阵A的转置，共轭和共轭转置；tr{A}，det(A)，则表示矩阵的迹，行列式和Frobenius范数。矩阵A和B的Kronecker积表示为AB。运算符E{·}表示期望，var{·}表示方差。IN表示N阶单位阵。系统模型如图l所示，是一个由L(L=3，5，