吳玉成,李 亮,馬云飛,劉 統(tǒng)

(1.重慶大學(xué) 微電子與通信工程學(xué)院,重慶 400044; 2.重慶華偉工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,重慶 400712)

0 概述

對(duì)于第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)(5G)的典型應(yīng)用熱點(diǎn)高容量密集場(chǎng)景,利用大規(guī)模MIMO[1]技術(shù)可以成倍地提升其系統(tǒng)容量。但是,隨著天線數(shù)的增加,導(dǎo)頻污染問(wèn)題致使系統(tǒng)性能受到限制,因此,研究多小區(qū)多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)導(dǎo)頻污染的抑制方法具有重要意義[2]。大規(guī)模MIMO系統(tǒng)抑制導(dǎo)頻污染的措施主要包括信道估計(jì)方法[3-5]、發(fā)射預(yù)編碼方法[6-7]和導(dǎo)頻分配方法3種。在同頻同時(shí)情況下不同用戶使用相同導(dǎo)頻序列導(dǎo)致基站無(wú)法獲得完美的用戶信道狀態(tài)信息(Channel State Information,CSI),從而造成導(dǎo)頻污染問(wèn)題,如何通過(guò)一定方法為相互干擾的用戶分配更優(yōu)的導(dǎo)頻序列從而在根本上抑制導(dǎo)頻污染,引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。

現(xiàn)有的導(dǎo)頻分配方案大致分為導(dǎo)頻時(shí)移、導(dǎo)頻功率控制、部分導(dǎo)頻復(fù)用、導(dǎo)頻分階段發(fā)送、導(dǎo)頻協(xié)調(diào)分配和基于深度學(xué)習(xí)的導(dǎo)頻分配6類?；趯?dǎo)頻時(shí)移的分配方法[8-9]使導(dǎo)頻在幀結(jié)構(gòu)中存在一定的偏移,相鄰小區(qū)用戶的導(dǎo)頻在不同時(shí)隙進(jìn)行傳輸,該方法的導(dǎo)頻信息對(duì)數(shù)據(jù)接收產(chǎn)生影響,增強(qiáng)了信號(hào)干擾。基于導(dǎo)頻功率控制的分配方法[10-11]通過(guò)設(shè)計(jì)相互正交的導(dǎo)頻組區(qū)分相鄰小區(qū),保證在同一時(shí)刻導(dǎo)頻序列正交,該方法對(duì)控制策略有著嚴(yán)格的要求,實(shí)現(xiàn)過(guò)程復(fù)雜,而且隨著天線數(shù)目的增加其信息處理時(shí)延增大,無(wú)法快速降低導(dǎo)頻污染?；诓糠謱?dǎo)頻復(fù)用的分配方法[12-13]以增加導(dǎo)頻開(kāi)銷的方式為邊緣用戶提供額外的正交導(dǎo)頻?；趯?dǎo)頻分階段發(fā)送的分配方法[14-15]按照某種規(guī)則或某種方法分時(shí)分段向基站發(fā)送導(dǎo)頻,該方法信息處理時(shí)延較長(zhǎng)?；谏疃葘W(xué)習(xí)的導(dǎo)頻分配方法[16]存在訓(xùn)練模型復(fù)雜的問(wèn)題。在基于導(dǎo)頻協(xié)調(diào)的分配方法中,文獻(xiàn)[17]提出了一種多小區(qū)協(xié)同處理的導(dǎo)頻分配方法,其利用多小區(qū)多天線的協(xié)同特性以及終端與基站共享信息從而完成導(dǎo)頻分配,該方法有效解決了單小區(qū)處理信息時(shí)的盲區(qū),但存在極大的系統(tǒng)開(kāi)銷,增加了系統(tǒng)復(fù)雜度。文獻(xiàn)[18]提出一種基于用戶到達(dá)角(Angle of Arrival,AOA)信息劃分扇區(qū)的導(dǎo)頻分配方法,該方法利用了大規(guī)模MIMO系統(tǒng)靈活的空間自由度,避免了扇區(qū)用戶之間的干擾。文獻(xiàn)[19]提出的基于用戶位置信息的導(dǎo)頻分配方法,利用用戶到基站距離的不同來(lái)劃分中心和邊緣用戶,中心用戶隨機(jī)分配導(dǎo)頻,邊緣用戶按照最小干擾原則分配導(dǎo)頻,從而提升了系統(tǒng)可達(dá)和速率。文獻(xiàn)[20]提出的基于用戶位置信息的導(dǎo)頻分配方法,通過(guò)“四步法”完成導(dǎo)頻分配,有效提升了系統(tǒng)的可達(dá)和速率。文獻(xiàn)[21]提出的基于用戶位置信息的導(dǎo)頻分配方法,以基站為極點(diǎn)建立極坐標(biāo)系,根據(jù)用戶位置在極坐標(biāo)系下的極角大小來(lái)對(duì)用戶進(jìn)行排序并依次分配導(dǎo)頻,該方法提高了可達(dá)和速率與系統(tǒng)公平性。

文獻(xiàn)[18-21]方法都存在一個(gè)同樣的問(wèn)題,即在實(shí)際場(chǎng)景中大量用戶可能會(huì)隨機(jī)分配到同一區(qū)域,在此情況下,文獻(xiàn)[18-19]中的AOA會(huì)發(fā)生重疊,信號(hào)干擾增大從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能急劇下降甚至無(wú)法進(jìn)行可靠通信,文獻(xiàn)[20]中的“四步法”會(huì)造成復(fù)雜度大幅提升,文獻(xiàn)[21]對(duì)極角分辨率要求較高,需要的基站天線數(shù)過(guò)多,在現(xiàn)階段較難實(shí)現(xiàn)。針對(duì)上述問(wèn)題,本文提出一種基于用戶位置信息的導(dǎo)頻分配方法,以用戶到達(dá)基站的角度差和用戶之間的距離差作為分配依據(jù),設(shè)計(jì)一種干擾度量函數(shù),以降低AOA重疊對(duì)系統(tǒng)性能的影響。利用“兩步法”導(dǎo)頻分配策略降低算法復(fù)雜度與導(dǎo)頻開(kāi)銷,解決實(shí)際應(yīng)用中由于大量用戶被分配到同一區(qū)域?qū)е碌挠脩敉ㄐ刨|(zhì)量下降甚至無(wú)法可靠通信的問(wèn)題。

1 問(wèn)題描述

在5G無(wú)線技術(shù)架構(gòu)白皮書中提到,大規(guī)模MIMO天線技術(shù)的主要運(yùn)用場(chǎng)景為宏覆蓋、高層建筑、分布式、無(wú)線回傳及微覆蓋等。本文主要考慮宏覆蓋場(chǎng)景,以實(shí)現(xiàn)室外連續(xù)覆蓋。多小區(qū)導(dǎo)頻分配策略如圖1所示,所有導(dǎo)頻分為相互正交的6組[φ1,φ2,φ3,φ4,φ5,φ6],每個(gè)小區(qū)分為6個(gè)扇區(qū),目標(biāo)小區(qū)位于中心位置,外圍有6個(gè)一級(jí)小區(qū),一級(jí)小區(qū)外圍有12個(gè)二級(jí)小區(qū)。其中,目標(biāo)小區(qū)與一級(jí)小區(qū)導(dǎo)頻正交,相鄰一級(jí)小區(qū)導(dǎo)頻正交,二級(jí)小區(qū)與相鄰的一級(jí)小區(qū)、二級(jí)小區(qū)導(dǎo)頻正交,二級(jí)小區(qū)距離目標(biāo)小區(qū)較遠(yuǎn),干擾較小。因此,一級(jí)小區(qū)和二級(jí)小區(qū)對(duì)目標(biāo)小區(qū)影響較小,為簡(jiǎn)化描述,本文僅以單小區(qū)為目標(biāo)進(jìn)行研究。

圖1 多小區(qū)導(dǎo)頻分配策略示意圖Fig.1 Schematic diagram of multi-cell pilot allocation strategy

假設(shè)在單小區(qū)系統(tǒng)中心位置架設(shè)一個(gè)基站,基站上配置一個(gè)由M根天線構(gòu)成的天線陣,小區(qū)被均勻分為6個(gè)扇區(qū)s1～s6,每個(gè)扇區(qū)用戶數(shù)隨機(jī)分布,單小區(qū)總用戶數(shù)K一定,模型如圖2所示。部分扇區(qū)中沒(méi)有分布用戶,而部分扇區(qū)會(huì)分布較多用戶,符合實(shí)際場(chǎng)景。傳統(tǒng)AOA分配方法中扇區(qū)內(nèi)導(dǎo)頻正交,扇區(qū)與扇區(qū)間導(dǎo)頻復(fù)用,但前提是AOA角度不重疊,否則系統(tǒng)性能將大幅下降。而在實(shí)際場(chǎng)景中,大量用戶隨機(jī)分布到同一扇區(qū)時(shí)無(wú)法滿足上述條件。以扇區(qū)s1為例,此時(shí)有8個(gè)用戶,對(duì)于傳統(tǒng)AOA分配方法,則扇區(qū)內(nèi)需要8個(gè)正交導(dǎo)頻,導(dǎo)頻開(kāi)銷過(guò)大,且中間3個(gè)用戶相對(duì)基站的方向相同,必然會(huì)有用戶到達(dá)角度重疊,此時(shí)傳統(tǒng)的AOA分配方法性能將下降甚至無(wú)法通信。因此,本文提出基于用戶位置信息的導(dǎo)頻分配方法,以克服上述限制條件并降低導(dǎo)頻開(kāi)銷。對(duì)于單小區(qū)用戶而言,用戶與基站的距離以及到達(dá)基站的角度均存在差異,導(dǎo)致空間信號(hào)傳輸損耗不同,本文充分利用上述特性,通過(guò)一定的分配策略提升用戶平均信干噪比(SINR)和目標(biāo)扇區(qū)的可達(dá)和速率,并且盡可能地降低導(dǎo)頻開(kāi)銷。

圖2 用戶隨機(jī)分布模型拓?fù)銯ig.2 Users random distribution model topology

2 導(dǎo)頻分配方法

2.1 系統(tǒng)建模與干擾分析

目標(biāo)用戶的上行鏈路漸近信干噪比主要受到大尺度衰落因子的影響。為了簡(jiǎn)化分析,假設(shè)每個(gè)扇區(qū)最多有2個(gè)用戶共用同一組導(dǎo)頻序列,陰影衰落因子z=1。用戶1為目標(biāo)用戶,用戶2為干擾用戶,可得目標(biāo)用戶1的上行鏈路漸近SINR1為:

(1)

其中,β1表示目標(biāo)用戶1的大尺度衰落因子,β2表示干擾用戶2的大尺度衰落因子,兩者可以表示為:

(2)

(3)

其中,α表示路徑損耗因子,R表示小區(qū)半徑,r1表示目標(biāo)用戶1到基站的距離,r2表示干擾用戶2到基站的距離,滿足0

(4)

根據(jù)式(4),得到本文的第1個(gè)最優(yōu)化問(wèn)題P1:

(5)

利用三角形余弦定理,可得用戶2到基站的距離為:

s.t.|Δd/r1|≥sin Δθ

(6)

其中,Δθ表示2個(gè)用戶之間的角度差,Δd表示2個(gè)用戶的距離差。由式(6)可知,r2有2個(gè)取值。對(duì)于目標(biāo)用戶而言,干擾用戶距離基站越遠(yuǎn),信號(hào)衰減越大,對(duì)目標(biāo)用戶的干擾也就越小,因此,r2只取較大值,可得:

s.t.|Δd/r1|≥sin Δθ

(7)

將式(7)代入式(5),最優(yōu)化問(wèn)題P1可修改為:

(8)

根據(jù)式(8)可知,當(dāng)Δθ最小時(shí),上述最優(yōu)化問(wèn)題取得最大值,但此處忽略了一個(gè)重要前提:用戶角度必須盡可能大。因此,本文的第2個(gè)優(yōu)化問(wèn)題P2為:

(9)

其中,Sθ表示扇區(qū)s的角度分布范圍。

以上2個(gè)最優(yōu)化問(wèn)題相互矛盾,必須采取折中方式取得性能最大化。以第2個(gè)優(yōu)化問(wèn)題為主、第1個(gè)優(yōu)化問(wèn)題為輔分2步進(jìn)行討論:

1)針對(duì)第2個(gè)優(yōu)化問(wèn)題,Δθ越小,信道狀態(tài)信息越不完美,干擾也就越大,可以用cos Δθ來(lái)間接表示角度對(duì)目標(biāo)用戶的干擾程度。

2)針對(duì)第1個(gè)優(yōu)化問(wèn)題,Δd/r1越小,SINR越小,干擾越大,可以用1/(Δd/r1)來(lái)表示2個(gè)用戶距離差對(duì)目標(biāo)用戶的干擾程度。

綜合以上分析,目標(biāo)用戶的干擾主要由2個(gè)方面組成:一是角度的重疊,即相同導(dǎo)頻用戶之間的角度差決定了污染嚴(yán)重程度,二是目標(biāo)用戶與干擾用戶之間的距離差,其決定了目標(biāo)用戶與干擾用戶到達(dá)基站的衰減程度。因此,本文提出以下度量函數(shù)來(lái)表征目標(biāo)用戶受干擾的程度:

(10)

式(10)表明角度差Δθ越小,距離差Δd越小,則I越大,即目標(biāo)用戶受到的污染越大。

2.2 兩步法導(dǎo)頻分配

假設(shè)單小區(qū)系統(tǒng)由正六邊形構(gòu)成,等角度間隔分為6個(gè)扇區(qū),隨機(jī)分布著12個(gè)單天線用戶,共有2組正交導(dǎo)頻,每組2個(gè),即4個(gè)相互正交的導(dǎo)頻,本文分配策略將關(guān)于基站對(duì)稱的扇區(qū)合并在一起進(jìn)行統(tǒng)一分配。

以扇區(qū)s1和對(duì)角扇區(qū)s4為例,總用戶數(shù)為Ks1,假設(shè)所有用戶均分配相同導(dǎo)頻,計(jì)算用戶相互之間的度量函數(shù),如用戶i與用戶j的度量函數(shù)Iij表示為:

(11)

則扇區(qū)s1的度量函數(shù)Is1可表示為:

(12)

根據(jù)度量函數(shù)Is1得到其他用戶對(duì)目標(biāo)用戶的干擾和Isum為:

(13)

Isum=[Isum,1,Isum,2,…,Isum,Ks1]

(14)

基于用戶位置信息的導(dǎo)頻分配算法具體分配步驟如下:

算法1基于用戶位置信息的導(dǎo)頻分配算法

1.初始化;

2.計(jì)算Is1和Iij,其中,i,j∈Ks1且i≠j;

3.計(jì)算Isum;

4.if Ks1>8

5.尋找Isum集合中最大的Ks1-4個(gè)用戶并分配正交導(dǎo)頻;

6.k=4;

7.While k>0 do

8.尋找Isum集合中最小值對(duì)應(yīng)的用戶Umin;

9.選取Isl(Umin,:)中最小的已分配正交導(dǎo)頻且未被復(fù)用的用戶Umulti;

10.根據(jù)F(U,Φ)為用戶Umin分配復(fù)用導(dǎo)頻Φmulti,得到用戶與導(dǎo)頻的分配關(guān)系F′(U,Φ);

11.利用式(16)更新Isum和F(U,Φ);

12.k=k-1;

13.End while

14.else if 4

15.尋找Isum集合中最大的4個(gè)用戶并分配正交導(dǎo)頻;

16.k=Ks1-4;

17.重復(fù)步驟7～步驟13;

18.else

19.隨機(jī)分配正交導(dǎo)頻,得到用戶與導(dǎo)頻的分配關(guān)系F′(U,Φ);

20.end if

21.輸出用戶與導(dǎo)頻的分配關(guān)系F′(U,Φ).

本文應(yīng)用兩步法進(jìn)行導(dǎo)頻分配:

第1步正交導(dǎo)頻分配,分為以下3種情況:

1)當(dāng)扇區(qū)中用戶數(shù)大于2倍導(dǎo)頻數(shù),即Ks1>8時(shí),增加額外的導(dǎo)頻數(shù),為Isum集合中最大的Ks1-4個(gè)用戶分配正交導(dǎo)頻。

2)當(dāng)4

3)當(dāng)Ks1≤4時(shí),隨機(jī)選取導(dǎo)頻進(jìn)行分配。

以上3種情況完成之后,得到導(dǎo)頻分配集合與用戶的對(duì)應(yīng)關(guān)系F(U,Φ)和F′(U,Φ),此時(shí)兩者相等。

第2步復(fù)用導(dǎo)頻分配:

1)選取Isum集合中最小的用戶Umin進(jìn)行優(yōu)先分配,選取Is1(Umin,:)中最小的已分配正交導(dǎo)頻且未被復(fù)用的用戶Umulti,根據(jù)關(guān)系F(U,Φ),復(fù)用Umulti對(duì)應(yīng)的導(dǎo)頻Φmulti并記錄復(fù)用用戶對(duì)應(yīng)的導(dǎo)頻,更新F(U,Φ)到新的用戶導(dǎo)頻對(duì)應(yīng)關(guān)系式F′(U,Φ):

F′(U,Φ)←F′(U,Φ)+F(Umin,Φmulti)

(15)

2)從集合F(U,Φ)中剔除已復(fù)用用戶與導(dǎo)頻對(duì)應(yīng)組,并從Isum中剔除已分配的最小用戶Umin,即:

F(U,Φ)←F(U,Φ)/F(Umulti,Φmulti)

Isum←Isum/Isum(Umin)

(16)

3)繼續(xù)選取Isum中最小的用戶Umin,依據(jù)Is1(Umin,:)中最小的已分配正交導(dǎo)頻且未被復(fù)用的用戶Umulti,分配導(dǎo)頻Φmulti,依次類推,直到所有用戶完成導(dǎo)頻分配,得到用戶與導(dǎo)頻的對(duì)應(yīng)關(guān)系F′(U,Φ)。

相較傳統(tǒng)導(dǎo)頻分配方法,本文兩步法導(dǎo)頻分配具有如下優(yōu)勢(shì):

2)在兩步法導(dǎo)頻分配步驟中,以用戶數(shù)Ks和Ks/2為分界,分成3級(jí)進(jìn)行正交導(dǎo)頻分配,然后依據(jù)度量函數(shù)I復(fù)用導(dǎo)頻,從而使該導(dǎo)頻分配方法每個(gè)扇區(qū)的導(dǎo)頻開(kāi)銷為Ks/2,小于傳統(tǒng)AOA導(dǎo)頻分配方法(Ks)。本文方法整個(gè)小區(qū)的導(dǎo)頻開(kāi)銷(K/2)也小于文獻(xiàn)[22]中基于用戶位置信息的導(dǎo)頻分配方法(K),尤其存在大量用戶時(shí),該優(yōu)勢(shì)更明顯。

3)本文兩步法導(dǎo)頻分配的復(fù)雜度遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)[20]中的四步法導(dǎo)頻分配。

4)本文方法解決了實(shí)際中由于大量用戶被分配到同一扇區(qū)導(dǎo)致的用戶通信質(zhì)量下降甚至無(wú)法可靠通信的問(wèn)題。

3 性能仿真與分析

3.1 仿真場(chǎng)景及參數(shù)設(shè)置

本文基于MATLAB平臺(tái)進(jìn)行性能分析,仿真場(chǎng)景如圖2所示,單小區(qū)多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)由6個(gè)均勻等角度間隔扇區(qū)構(gòu)成的正六邊形組成,具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。小區(qū)半徑為500 m,基站位于小區(qū)中央且部署M根天線,天線間距等于載波波長(zhǎng)λ的1/2,不考慮天線間的相關(guān)性和互耦效應(yīng)。參照《工業(yè)和信息化部關(guān)于第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)使用3 300 MHz～3 600 MHz和4 800 MHz～5 000 MHz頻段相關(guān)事宜的通知》,結(jié)合華為公司已有的天線陣列設(shè)計(jì),本文選取3 500 MHz作為載波頻率。每個(gè)扇區(qū)中的每個(gè)用戶占用統(tǒng)一時(shí)頻資源塊,用戶隨機(jī)分布在各個(gè)扇區(qū)中。系統(tǒng)分別對(duì)每個(gè)扇區(qū)進(jìn)行導(dǎo)頻分配,根據(jù)用戶到達(dá)基站的角度差和用戶之間的距離差計(jì)算出用戶干擾度量函數(shù),再利用本文所提兩步導(dǎo)頻分配方法實(shí)現(xiàn)導(dǎo)頻分配,并與全正交、全復(fù)用方法進(jìn)行對(duì)比,從用戶平均SINR和可達(dá)和速率C兩個(gè)性能指標(biāo)角度驗(yàn)證本文方法的優(yōu)勢(shì)。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置Table 1 System simulation parameters setting

3.2 結(jié)果分析

圖3所示為用戶一次隨機(jī)分布仿真拓?fù)?其中,三角代表配備M根天線的基站,實(shí)心圓點(diǎn)代表終端單天線用戶,虛線代表扇區(qū)分界線,加粗虛線與實(shí)線圍成的三角代表目標(biāo)扇區(qū)。

圖3 隨機(jī)產(chǎn)生的用戶分布拓?fù)銯ig.3 Randomly generated user distribution topology

基于圖3拓?fù)?本文從如下3個(gè)方面對(duì)導(dǎo)頻分配方法進(jìn)行仿真分析:

1)仿真AOA 2種分布方式對(duì)用戶平均SINR和可達(dá)和速率C的影響,以驗(yàn)證AOA重疊問(wèn)題是否嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能,從而證明本文度量函數(shù)的合理性以及其解決AOA重疊問(wèn)題的價(jià)值和意義。

2)仿真對(duì)比不同導(dǎo)頻分配方法下的用戶平均SINR和可達(dá)和速率C,導(dǎo)頻分配方法包括本文方法和理想的全正交、全復(fù)用方法。

3)對(duì)比不同用戶數(shù)目對(duì)用戶平均SINR和可達(dá)和速率C的影響,以驗(yàn)證隨著用戶數(shù)的增加,本文方法是否依舊具備很好的性能,從而說(shuō)明其解決由于大量用戶隨機(jī)分配到同一扇區(qū)導(dǎo)致的用戶通信質(zhì)量下降甚至無(wú)法可靠通信的問(wèn)題的可能性。

3.2.1 AOA的2種分布方式對(duì)結(jié)果的影響

圖4所示為AOA服從均勻分布和高斯分布下目標(biāo)扇區(qū)用戶平均SINR隨天線數(shù)M的變化關(guān)系,圖5所示為AOA服從均勻分布和高斯分布下目標(biāo)扇區(qū)用戶可達(dá)和速率隨天線數(shù)M的變化關(guān)系。從中可以看出,無(wú)論天線數(shù)目為多少,均勻分布下目標(biāo)扇區(qū)用戶平均SINR和用戶可達(dá)和速率都要優(yōu)于高斯分布,說(shuō)明高斯分布下AOA角度的擴(kuò)展使得用戶之間角度的重疊面積更大,導(dǎo)致用戶性能降低。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出:AOA的擴(kuò)展對(duì)系統(tǒng)有較大影響,解決AOA重疊問(wèn)題至關(guān)重要,也間接說(shuō)明本文度量函數(shù)的合理性,即優(yōu)先考慮角度重疊,通過(guò)用戶之間AOA的差異,對(duì)差異大的用戶分配復(fù)用導(dǎo)頻,差異小的用戶采用正交導(dǎo)頻,可以提升系統(tǒng)整體性能。

圖4 2種分布下天線數(shù)對(duì)目標(biāo)扇區(qū)用戶平均SINR的影響Fig.4 Influence of antenna number on user average SINR of target sector under two distributions

圖5 2種分布下天線數(shù)對(duì)目標(biāo)扇區(qū)用戶可達(dá)和速率的影響Fig.5 Influence of antenna number on user achievable sum rate of target sector under two distributions

3.2.2 不同方法下的用戶平均SINR和可達(dá)和速率C

從圖6可以看出,當(dāng)天線數(shù)M小于等于256時(shí),基于用戶位置信息的導(dǎo)頻分配方法的用戶平均SINR優(yōu)于全正交導(dǎo)頻分配方法,這是由于天線數(shù)較小時(shí),全正交導(dǎo)頻分配不能忽略小區(qū)內(nèi)的用戶干擾,而基于位置信息的導(dǎo)頻分配方法可以通過(guò)用戶AOA將小區(qū)內(nèi)AOA不重疊的用戶干擾完全去除,從而提高系統(tǒng)性能。而當(dāng)M大于256時(shí),全正交導(dǎo)頻分配方法優(yōu)于基于位置信息的導(dǎo)頻分配方法,這是由于全正交導(dǎo)頻分配方法信道逐漸正交,而基于位置信息的導(dǎo)頻分配方法由于AOA的重疊導(dǎo)致用戶之間的干擾無(wú)法完全去除。從圖7可以看出,在天線數(shù)較少時(shí),基于位置信息的導(dǎo)頻分配方法的用戶可達(dá)和速率優(yōu)于全正交導(dǎo)頻分配方法,當(dāng)天線數(shù)持續(xù)增大時(shí),基于位置信息的導(dǎo)頻分配方法的目標(biāo)扇區(qū)用戶可達(dá)和速率雖不及全正交導(dǎo)頻分配方法,但比全復(fù)用導(dǎo)頻分配方法高。

圖6 3種方法下天線數(shù)對(duì)目標(biāo)扇區(qū)用戶平均SINR的影響Fig.6 Influence of antenna number on user average SINR of target sector under three methods

圖7 3種方法下天線數(shù)對(duì)目標(biāo)扇區(qū)用戶可達(dá)和速率的影響Fig.7 Influence of antenna number on user achievable sum rate of target sector under three methods

綜上,本文基于位置信息的導(dǎo)頻分配方法在天線數(shù)較少時(shí)極大地提高了目標(biāo)扇區(qū)用戶平均SINR,天線數(shù)增大時(shí)其性能依然優(yōu)于全復(fù)用導(dǎo)頻分配方法。

3.2.3 不同用戶數(shù)下的用戶平均SINR和可達(dá)和速率C

圖8所示為天線數(shù)M等于512時(shí)3種分配方法目標(biāo)扇區(qū)用戶平均SINR與用戶數(shù)的變化關(guān)系。從中可以看出,隨著用戶數(shù)的增加,全正交導(dǎo)頻分配方法和全復(fù)用導(dǎo)頻分配方法用戶平均SINR迅速下降,而基于位置信息的導(dǎo)頻分配方法用戶平均SINR下降緩慢,尤其是當(dāng)用戶數(shù)大于一定數(shù)量時(shí),本文分配方法的用戶平均SINR明顯優(yōu)于全正交導(dǎo)頻分配方法,這是由于隨著用戶數(shù)的增加,小區(qū)內(nèi)干擾增加,必須采用更多數(shù)量的天線陣才能保證用戶間的信道正交,而本文分配方法可以減少這種干擾。

圖8 3種方法下用戶數(shù)對(duì)目標(biāo)扇區(qū)用戶平均SINR的影響Fig.8 Influence of user number on user average SINR of target sector under three methods

圖9所示為天線數(shù)M等于512時(shí)3種分配方法目標(biāo)扇區(qū)用戶可達(dá)和速率與用戶數(shù)的變化關(guān)系。從中可以看出,隨著用戶數(shù)的增加,本文方法與另外2種分配方法的用戶可達(dá)和速率差值逐漸增大。綜上,本文方法在用戶數(shù)增大而天線數(shù)有限的情況下具有較大優(yōu)勢(shì),為大量用戶在同一扇區(qū)的同時(shí)通信提供了可能性。

圖9 3種方法下用戶數(shù)對(duì)目標(biāo)扇區(qū)用戶可達(dá)和速率的影響Fig.9 Influence of user number on user achievable sum rate of target sector under three methods

通過(guò)以上仿真分析可以得出:

1)本文所提干擾度量函數(shù)具有合理性。

2)本文分配方法在天線數(shù)較少時(shí)極大地提高了目標(biāo)扇區(qū)用戶平均SINR,天線數(shù)增大時(shí)其性能依然優(yōu)于全復(fù)用導(dǎo)頻分配方法。

3)本文分配方法提高了用戶接入數(shù),解決了由于大量用戶隨機(jī)分配到同一扇區(qū)導(dǎo)致的用戶通信質(zhì)量下降甚至無(wú)法可靠通信的問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

多小區(qū)多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中,大量用戶被隨機(jī)分配到同一扇區(qū)從而導(dǎo)致用戶通信質(zhì)量下降甚至無(wú)法進(jìn)行可靠通信,為解決該問(wèn)題,本文以用戶到達(dá)基站的角度差和用戶之間的距離差作為分配依據(jù),設(shè)計(jì)一種基于用戶位置信息的干擾度量函數(shù),在此基礎(chǔ)上提出一種導(dǎo)頻分配方法。根據(jù)扇區(qū)用戶數(shù)的不同分3種情況進(jìn)行分析,在極端情況下增加正交導(dǎo)頻,其余情況復(fù)用導(dǎo)頻,盡可能地保證干擾大的用戶分配正交導(dǎo)頻,干擾小的用戶尋求最優(yōu)用戶復(fù)用導(dǎo)頻,從而提高系統(tǒng)整體性能。仿真結(jié)果表明,該方法在天線數(shù)較少時(shí)可對(duì)導(dǎo)頻污染產(chǎn)生顯著的抑制效果,且具有較好的平均信干噪比,當(dāng)天線數(shù)增大時(shí),該方法依然能夠保持良好的系統(tǒng)整體性能,且能夠提高用戶連接數(shù),具備實(shí)際工程意義與應(yīng)用價(jià)值。本文僅依據(jù)導(dǎo)頻分配來(lái)抑制導(dǎo)頻污染,下一步將考慮信道估計(jì)、導(dǎo)頻分配和發(fā)射預(yù)編碼的特性并進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),以提高系統(tǒng)性能。此外,將深度學(xué)習(xí)模型運(yùn)用于導(dǎo)頻污染抑制任務(wù)中,進(jìn)一步提高導(dǎo)頻分配的速率和可靠性,也是今后的研究重點(diǎn)。