Massive MIMO 蜂窝网络中减轻导频污染研究

何庆松，鹿存东

（江苏科技大学 江苏 镇江212003）

Massive MIMO 蜂窝网络中减轻导频污染研究

何庆松，鹿存东

（江苏科技大学 江苏 镇江212003）

Massive MIMO系统是5G通信的关键技术，而上行导频污染是Massive MIMO蜂窝网络TDD系统的主要性能瓶颈。解决这个问题的有效方法是在时间维度上错开相邻小区之间发射的导频序列。本文在综述了两种运用导频序列减轻相邻小区的导频污染基础上，提出了一种新型的蜂窝系统中小区划分方案，即将每3个小区划分为一组，并在小组内应用交错帧结构，在时隙上错开小组内小区导频序列，并结合蜂窝系统中小区自行划分调度的方法，来共同达到减轻导频污染的目的。

Massive MIMO；导频污染；蜂窝网络；时分双工系统；时隙交错帧

随着现代信息社会的发展，使得宽带信息服务逐步延展到移动终端成为必然趋势，以提供语音业务为主的传统蜂窝移动通信系统，正逐步演变为向移动用户提供互联网接入以及视频和多媒体业务的宽带移动通信系统。然而传统的MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技术并不能满足现代人们日益增长的支持图片、视频和互联网接入等更高数据速率的业务需求，因此在有限的频谱资源下提高系统的频谱效率成为设计通信系统的关键。由此形成了Massive MIMO[1]无线通信系统。

Massive MIMO系统作为新出现的技术[2]，目前主要考虑应用与时分双工（TDD，time division duplex）系统，利用信道互易性来获得信道状态信息（CSI，channel state information）[3-5]，这是由于相较于传统MIMO系统，Massive MIMO系统在基站处存在大量天线，传统的信道状态信息反馈模式已无法适用。这是因为传统的信道状态信息反馈量是随着天线数量而呈线性增长的趋势，当天线数很多时，反馈所需的时间将会远大于信道相干时间。然而由于相互正交的导频序列是有限的，而小区内用户数量是巨大的，所以总是会存在不同小区间用户使用相同的导频序列，使得基站无法区分此导频序列是否为本小区用户发出，从而形成了所谓的“导频污染”（pilot contamination）[6-7]。

为了解决这个问题，大量的文献已被提出，如文献[8]提出了将目标小区的导频帧在结构上与相邻小区的数据帧相对齐，已到达减少导频污染的目的。但是在实际运用中，由于用户发送导频序列功率较小，目标小区导频却会受到相邻小区基站发送的数据帧的干扰，且对现有帧结构改动过大，缺乏实用性。文献[9]提出了一种一维小区分类方法，令相邻小区的用户在非交叠的时隙发送导频，从而达到减少导频污染的目的。文中再此基础上，将每3个相邻小区分为一组，在每一组小区内采用时隙交错导频帧，将相邻小区的导频在时隙上相互错开，以达到减少导频污染的目的，从而提高下行链路和速率。

文中使用符号定义如下：矩阵及矢量分别用黑体大小写字母表示。AT，A*，A÷分别表示矩阵A的转置，共轭和共轭转置。

1　系统模型

系统模型如图1所示，模型包含L个小区，考虑任一小区以及与之相邻的小区，即L=7。每个小区基站配备的天线数为M根，小区内有K个单天线用户 （K≤M）。系统设定为TDD模式，满足信道互易性，即可利用上行信道信息推倒出下行信道信息。各小区内导频序列相互正交。

图1　Massive Mimo蜂窝网络系统

以Cell-1小区为目标小区，则相邻的小区为Cell-2至Cell-7。则小区Cell-1基站接收到的上行导频信号为

由上式可以得出，当小区间 （这里只考虑相邻的6个小区，忽略其余更远的小区，这是由于信道的大尺度衰落因子对距离非常敏感，距离越远衰落越快）导频复用时，其基站收到的导频序列必然受到污染，导致信道估计性能变差。前文也说过，在正常情况下，小区间导频的复用是必然会发生的。所以本文基于此提出了小区分类的方法，通过小组内错开相邻小区导频发射时隙，来达到减少导频污染的目的。

2　小区分组减轻导频污染方法

2.1导频污染

图2所示为导频污染原理图，由图（a），当小区a中用户在发送上行导频序列给基站时，同时小区b中基站也会收到同样一份导频序列。然而小区b中基站并不能识别一份导频序列是否为本小区用户发送。由于正交导频序列的有限性和小区用户的无限性，小区间必然会存在导频复用。图（b）可以清楚看出（图中黑色部分对应小区用户发送的上行导频序列，白色部分对应下行数据帧），当相邻小区导频采用同步的导频序列时，小区a中用户所发出的导频序列必然会对小区b中用户所发送的导频序列造成污染。此时小区b利用TDD系统的信道互易信所估算出的实时下行信道状态信息必然会有偏差，应此极大地限制了Massive MIMO系统的下行链路可达和速率。

图2　导频污染原理图

图3　偏移的导频正结构

基于同步导频序列，有文献提出了偏移的导频序列，如图3显示了偏移帧结构示意图。与同步帧结构相比，各小区之间导频序列互不重叠，这在一定程度上可以减轻导频污染的问题，但是上行导频序列与相邻小区的下行信道数据帧重叠。因此，相比较于用户发送的能量较小的上行导频信号，相邻小区基站发送的能量较大的下行数据信号会对其造成波坏，导致基站对上行信道估计的不准确。这显然不是我们所希望的。

2.2时序交错的导频序列

由文献[10]可知，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额外多出来的天线总是对性能有益的。

再此我们设定如下条件来分析信道估计的均方误差（MSE，Mean Squared Error）性能：假定每个小区只有一个用户（K=1），且所用用户运用相同的导频序列（ψj=ψ，对任意j成立）。参考文献[11]，可得：

其中，MMSE表示相邻小区第k个用户到目标小区基站所有天线信道的均方误差，也就是目标基站对所有信道的均方误差。

然而在实际情况下[12]，用户发射功率pr为有限值，且所发送的上行导频序列长度也为有限值。即由式（4）可得，当M→∞时，通过增加导频序列长度或是提高用户发射上行导频序列的功率对MMSE影响并不明显，而且这两种方法本身可用性也不大。但是此时通过减少导频序列长度τ（当τ相对较大时）来使相邻小区间导频序列在时隙上错开以达到改善系统性能是可实现的，也是易于操作的。

图4　蜂窝网络小区分组结合导频时隙错开的方案

如图4（a）所示，将圆圈内3个小区分为一组，在同一小组内小区，如a，b，c 3个小区，任一小区的对所有信道和期望信道所得的信道估计的均方误差分别为M和Ms，由式（4）则可得：

可发现此时对于目标小区完全不存在导频污染。

通常我们知道，使用更长的导频序列可以获得更加精确的信道估计，但是当导频污染严重时，无论是否采用更长的导频序列还是增加基站天线数M，对于系统系统都是极其有限的[13-15]。但是通过缩短导频序列长度，使得相邻小区导频序列在时隙上相互交错，并以此来消除导频污染。则可以有效的提升系统的整体性能。

周围相邻小区也基于相同的原理以小组的形式进行划分，假设每个小区之间导频类别使用信息都用基站相互连接的电缆相互告知，并以自适应的方式划分小区，这在实际情况下是非常容易实现的 （可参考思科无线系统在2.4 GHz所采用的错频部署方案）。即使某一小区基站出现故障，使用了与相邻小区同类型的导频序列，也可根据小区小组的编号，快速实现小区内的收敛，不致使其扩散到整个蜂窝网络。

3　结束语

文中综述了两种运用改变导频序列来达到减轻导频污染的的方法，并在此基础上提出了一个因用于Massive MIMO蜂窝网络在TDD模式下减轻导频污染的方案，即运用小区分组及时隙交错导频帧结构的方法来共同实现：首先把原有导频序列分为3类，并保证在时隙上相互交错；然后将每3个相邻小区划分为一组，小组内小区分别采用一类导频序列结构，使得任意小区在接收上行导频序列的时，与其相邻的小区不会对其产生导频污染。在运用基站之间的自协调，即使某一小区出现故障采用了错误的导频序列类型，也能够快速的根据本小区所在小组实现恢复原有类别的导频序列，从而极大减轻了导频污染，提高了系统的性能。

[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]王海荣，王玉辉，黄永明，等.大规模MIMO多小区TDD系统中的导频污染减轻方法[J].信号处理，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.

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[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.

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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稿件编号：201512031

何庆松（1991—），男，江苏盐城人，硕士研究生。研究方向：大规模天线系统。