一种XL-MIMO系统中导频长度与VR估计阈值设计方法及系统

本发明涉及无线通信多天线传输，特别是一种xl-mimo系统中导频长度与vr估计阈值设计方法及系统。

背景技术：

1、随着第六代移动通信系统对超高频谱效率、更灵活的网络覆盖需求的不断增加，学术界正试图进一步扩大基站天线数量，将天线阵列规模推向xl-mimo。作为未来通信系统的关键技术之一，xl-mimo技术有望提供更大的空间复用增益，也能有效对抗用户间干扰和多径衰落，提升系统可靠性，但同时也面临着新的挑战。尤其是空间非平稳的新特性，使用户到基站天线阵列的信号传播可能被散射或遮挡，最终导致用户的发送能量只集中在阵列的部分天线，即用户的vr(全文所提及的“vr”均指visibility religions，其含义为“可视区域”)上。虽然当前已有不少研究考虑了xl-mimo系统的空间非平稳特性，例如在信道建模时加入生灭过程来模拟簇在阵列轴和时间轴上的非平稳特性或加入vr概念模拟接收信号能量沿阵列的变化情况，但目前大部分通过引入vr概念来建模空间非平稳特性的研究通常都是假设收发双方的vr信息完美已知，忽略不完美vr估计对系统性能分析和无线传输方案设计等的影响。

2、文献“localization and channel reconstruction for extra large ris-assisted massive mimo systems”(《ieee journal of selected topic signalprocessing》，16卷，5期，2022年8月)先进行信道估计，依据vr内外的估计信道存在显著的能量差异来判定vr的边界，但这样并没有规避对超大规模阵列进行信道估计所需的超高计算复杂度。如果能先利用用户发送导频信号进行vr估计，那么信道估计仅需在估计vr内进行，这样可大幅度节省计算资源。文献“performance analysis and low-complexitydesign for xl-mimo with near-field spatial non-stationarities”(《ieee journalon selected areas in communications》，2024年4月)认为接收用户功率最高的前n个子阵列对信噪比有主要贡献，以此作为vr估计结果，但该研究并没有分析vr估计对系统性能分析或无线传输方案设计的影响。因此，若能在通信前先进行vr估计，再在估计vr内进行信道估计、信号处理等操作，并将vr估计与无线传输方案的设计相结合，不仅更符合实际通信的场景，也能降低各种信号处理技术的计算复杂度，实现更精准、有效的资源分配。

技术实现思路

1、鉴于现有技术存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明所要解决的问题在于如何解决在实际通信场景中充分利用导频资源对vr信息和信道状态信息进行估计，并基于不完美的vr信息和信道估计结果对系统进行性能分析和无线传输方案设计的问题。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

4、第一方面，本发明实施例提供了一种xl-mimo系统中导频长度与vr估计阈值设计方法，其包括，基站根据用户组发送的上行正交导频信号进行vr估计，得到vr估计结果及对应的估计概率；

5、基站进一步利用上行导频进行估计vr内的信道估计，得到mmse信道估计结果及不完美信道估计因子；

6、基于估计vr结果及估计信道状态信息进行最大比合并接收检测，计算m阶qam调制下的系统平均误比特率，并通过交替优化vr估计阈值和导频长度来最小化系统平均误比特率；

7、其中，估计结果用表示，mmse信道估计结果用表示，不完美信道估计因子用表示，vr估计阈值用ζ表示，导频长度用τ表示。

8、作为本发明所述xl-mimo系统中导频长度与vr估计阈值设计方法的一种优选方案，其中：所述基站根据用户组发送的上行正交导频信号进行vr估计，得到vr估计结果及对应的估计概率，所述xl-mimo系统中的基站配备n根天线，服务k个单天线用户(n＞＞k)，该用户组由于地理位置相邻而拥有相同的所述表示包含l根基站天线，vr内的真实信道为基站处未知用户的vr信息和信道状态信息；基于xl-mimo系统平均误比特率最小化来优化设计vr估计阈值ζ和导频长度τ。

9、作为本发明所述xl-mimo系统中导频长度与vr估计阈值设计方法的一种优选方案，其中：所述基站根据用户组发送的上行正交导频信号进行vr估计，得到vr估计结果及对应的估计概率，根据基站接收的用户导频信号的分布情况，计算各天线处所接收到的用户组k个用户导频能量之和的概率分布，第n根天线上接收导频能量之和采用如下公式：

10、

11、其中，k表示用户组内用户数，表示基站第n根天线处接收的用户k导频信号；

12、用户k到基站的信道βk为大尺度衰落系数，d＝diag{δ1,...,δn}表示基站n天线对该组用户的可视情况，可视时对角线元素δn＝1，否则为0，用户组发送的导频信号xp相互正交且长度为τ，基站接收导频信号采用如下公式：

13、

14、其中，h表示该用户组与基站间的完整信道，[·]h表示表示取共轭转置，pp为导频发送功率矩阵，np是方差为的加性高斯白噪声，上式两边同时右乘xp后得到的yp第(n,k)个元素服从复高斯分布，其采用如下公式：

15、

16、其中，δn为指示基站第n根天线对该组用户的可视情况，可视时置为1，否则为0，τ表示导频长度，表示导频传输阶段的噪声方差，是为了简化公式表达的标记函数，运算过程：下标k为索引，表示第k个用户，当δn＝0时，qn的概率密度函数采用如下公式：

17、

18、其中，表示概率密度函数，γ(x)为伽马函数，k表示用户组用户数，e表示自然对数底，表示导频传输阶段的噪声方差，τ表示导频长度，当δn＝1时，qn的概率密度函数采用如下公式：

19、

20、其中，k表示用户组内用户数，是为了简化公式表达的标记函数，运算过程：下标k为索引，表示第k个用户。

21、作为本发明所述xl-mimo系统中导频长度与vr估计阈值设计方法的一种优选方案，其中：所述基站根据用户组发送的上行正交导频信号进行vr估计，得到vr估计结果及对应的估计概率，根据接收的用户组发送的上行正交导频信号能量之和是否达到预设的vr估计阈值进行vr估计，得到的vr估计结果用δn表征，并计算估计过程中可能出现的两种错误事件的发生概率及vr估计概率，vr的估计过程采用如下公式：

22、

23、其中，ζ表示vr估计阈值，δn表示对δn的估计结果，qn是第n根天线上接收的导频能量之和；

24、在vr估计过程中，存在两种可能的错误事件虚警事件和漏检事件对应的发生概率p10和p01分别采用如下公式：

25、

26、接着计算vr估计概率，其采用如下公式：

27、

28、其中，p10和p01计算公式中的ζ表示预设的vr估计阈值，表示导频传输阶段的噪声方差，τ表示导频长度，k表示用户组内用户数，是为了简化公式表达的标记函数，运算过程：下标k为索引，表示第k个用户，vr估计概率pi,j公式中的i(0≤i≤l)表示在实际的l根天线中被正确估计的天线数，j(0≤j≤n-l)表示被错误估计的天线数，所述错误估计包括虚警和漏检。

29、作为本发明所述xl-mimo系统中导频长度与vr估计阈值设计方法的一种优选方案，其中：所述基站进一步利用上行导频进行估计vr内的信道估计，得到mmse信道估计结果及不完美信道估计因子，继而对用户发送数据信号进行最大比合并接收检测，计算检测瞬时信干噪比，检测结果如下：

30、

31、其中，为估计内的mmse信道估计结果，表示用户发送数据信号，根据接收检测数据信号计算第k个用户的检测瞬时信干噪比其采用如下公式：

32、

33、其中，表示第k个用户的瞬时信干噪比，βi表示用户经历的大尺度衰落系数，下标i为索引，表示第i个用户，||·||2表示向量欧几里得范数的平方，p为用户数据信号的发送功率，为用户数据符号的平均能量，σ2为数据传输阶段信道噪声的方差，表示第k个mmse信道估计的不完美估计因子，表达式如下所示：

34、

35、其中，i表示vr估计过程中被正确估计的天线数，j表示被错误估计的天线数，η为导频符号与数据符号的长度之比，μ为导频符号与数据符号的能量之比，pp,k表示第k个用户的导频发送功率，βk表示第k个用户经历的大尺度衰落系数，τ表示导频长度，eb为平均比特能量，n0为噪声单边功率谱密度。

36、作为本发明所述xl-mimo系统中导频长度与vr估计阈值设计方法的一种优选方案，其中：所述根据估计vr内第k个用户的估计信道的范数平方的分布推导第k个用户的检测瞬时信干噪比的概率密度分布，是i个方差为和j个方差为的高斯随机变量的平方和，其概率密度函数采用如下公式：

37、

38、其中，第一组方差和第二组方差与第k个用户经历的大尺度衰落系数βk及第k个mmse信道估计的不完美估计因子有关，i表示vr估计过程中被正确估计的天线数，j表示被错误估计的天线数，ψ1,l和ψ2,l用于简化公式表达的标记函数，其运算公式分别如下表示：

39、

40、的概率密度函数采用如下公式：

41、

42、其中，系数c表达式采用如下公式：

43、

44、其中，i表示vr估计过程中被正确估计的天线数，j表示被错误估计的天线数，βi表示用户经历的大尺度衰落系数，下标i为索引，表示第i个用户，表示第k个mmse信道估计的不完美估计因子，p为用户数据信号的发送功率，为用户数据符号的平均能量，σ2为数据传输阶段信道噪声的方差；

45、计算考虑vr估计的系统平均误差比特率，其采用如下公式：

46、

47、其中，pi,j为vr估计概率，i表示vr估计过程中被正确估计的天线数，j表示被错误估计的天线数，通过将以瞬时信干噪比为条件的误比特率公式p(b|γ)以及的概率密度函数代入平均误比特率计算公式计算得出，其采用如下公式：

48、

49、其中，各个参数的计算分别采用如下公式计算：

50、

51、

52、其中，m为qam调制阶数。

53、作为本发明所述xl-mimo系统中导频长度与vr估计阈值设计方法的一种优选方案，其中：所述基于估计vr结果及估计信道状态信息进行最大比合并接收检测，计算m阶qam调制下的系统平均误比特率，并通过交替优化vr估计阈值和导频长度来最小化系统平均误比特率，其通过设计vr估计阈值和导频长度来最小化系统误比特率，优化问题描述采用如下公式：

54、

55、其中，采取交替优化方法将分解为两个一维子问题，先固定导频长度来优化vr估计阈值，采用如下公式：

56、

57、再固定ζ＝ζopt来优化τ：

58、

59、此时，vr估计阈值ζ和导频长度τ的设计可使系统平均误比特率性能达到最优。

60、第二方面，本发明实施例提供了xl-mimo系统中导频长度与vr估计阈值设计系统，其包括估算模块，基站根据用户组发送的上行正交导频信号进行vr估计，得到vr估计结果及对应的估计概率；

61、输出模块，基站进一步利用上行导频进行估计vr内的信道估计，得到mmse信道估计结果及不完美信道估计因子

62、评估模块，基于估计vr结果及估计信道状态信息进行最大比合并接收检测，计算m阶qam调制下的系统平均误比特率，并通过交替优化vr估计阈值ζ和导频长度τ来最小化系统平均误比特率。

63、第三方面，本发明实施例提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其中：所述计算机程序指令被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的xl-mimo系统中导频长度与vr估计阈值设计方法的步骤。

64、第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中：所述计算机程序指令被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的xl-mimo系统中导频长度与vr估计阈值设计方法的步骤。

65、本发明有益效果为：本发明考虑了空间非平稳的xl-mimo系统更为实际的通信场景，在通信前收发双方未知vr信息，而是通过用户发送的上行正交导频进行vr估计，获得不完美的vr信息，并基于此不完美vr信息再次利用上行导频进行信道估计，这样充分利用了导频资源，也可以规避超大规模天线阵列中传统信道估计、信号处理等技术的超高计算复杂度。

66、本发明提出的vr估计方案优于现有方案。本发明是在基站各个天线处将接收到的同组距离相近而具有相同vr的用户发送的导频能量进行累加，而现有方案是检测用户组中任一用户的导频能量进行vr估计。本发明的vr估计方案通过设置合理的vr估计阈值，可以显著降低vr估计过程中两种错误事件的发生概率。

67、本发明考虑了vr估计对xl-mimo系统平均误比特率性能的影响，推导了具体的求解公式，并通过对比完美估计方案和不建模vr方案在4qam和16qam调制下的系统平均误比特率性能，说明了建模vr并进行vr估计的必要性。