一种C-V2V宽带大规模MIMO导频复用信道获取方法

技术领域

本发明涉及一种导频复用信道获取方法，尤其涉及一种行驶车辆网络中通信使用的C-V2V宽带大规模MIMO导频复用信道获取方法。

背景技术

随着5G通信技术的发展以及业务的多样性需求,车辆-车辆(V2V)和车辆-网络(V2N)通信在近几年取得了快速发展。为满足未来V2V通信应用需求，需要深度挖掘利用空间无线资源，大幅提升V2V无线通信的频谱利用率和功率利用率。因此，把大规模MIMO系统引入V2V通信中成为一个非常有潜力的解决方案。在车辆接收端配置大规模天线阵列(数十根以上)，以深度挖掘利用空间维度资源，成为未来V2V无线通信的发展趋势之一。

正交频分复用(OFDM)技术能够将宽带信道分解为多个并行的窄带信道，适用于实际的无线传播信道。在实际无线通信系统中，为了准确及时地获取信道信息，常采用基于全正交导频辅助的信道估计方法。然而，在V2V和V2N场景中，由于车辆用户的高速移动，V2V/V2N信道衰落快，并且随着大量蜂窝用户和车辆用户的接入，导频开销呈现指数级增长，进而导致无线通信系统频谱效率及功率效率的大幅降低，成为系统构建的瓶颈问题。因此，非正交导频传输在V2V无线通信具有相当大的优势。实际的宽带无线传播信道在角度时延域呈现能量集中特性，利用该特性能够有效降低系统的导频开销。利用蜂窝与V2V混合大规模MIMO-OFDM信道的角度时延域稀疏特点，本发明给出了一种C-V2V宽带大规模MIMO导频复用信道获取方法。

发明内容

发明目的：针对上述技术的不足之处，提供一种充分挖掘角度时延域的导频资源，节省系统的导频开销，降低信道获取的复杂度，并在动态确定导频调制模式的过程中，充分考虑角度时延域导频复用下蜂窝用户和V2V-Tx之间以及不同通信对中所有V2V-Tx之间的相互干扰，有效提升信道估计的准确性的C-V2V宽带大规模MIMO导频复用信道获取方法。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明的C-V2V宽带大规模MIMO导频复用信道获取方法，在蜂窝网络中配置基站、多个蜂窝用户和多对V2V通信对，每个V2V通信对包含一个V2V-Tx和一个V2V-Rx，基站侧配备的天线个数为M，V2V-Rx配备的天线个数为N，蜂窝用户个数为K，V2V通信对个数为D，蜂窝用户和V2V-Tx均配备单天线,以

首先，蜂窝网络中的所有蜂窝用户和所有V2V-Tx在一个或多个连续OFDM符号的多个子载波上分别向基站和匹配的V2V-Rx同时发送上行探测信号,基站和各V2V-Rx根据接收到的探测信号获取每个蜂窝用户和发送车辆用户的角度时延域统计信道信息；

然后，利用所有用户的角度时延域统计信道信息对蜂窝用户和V2V-Tx进行联合导频调制因子分配，并将分配结果通过回程链路反馈给基站和各V2V-Rx；

基站和各V2V-Rx根据反馈的导频调制因子分配结果为蜂窝用户和V2V-Tx分配对应的导频信号，蜂窝用户和V2V-Tx周期性循环发送各自分配的导频给基站和对应的V2V-Rx，基站利用接收到的导频信号实时更新蜂窝用户的导频段信道估计及信道估计误差统计信息；V2V-Rx利用接收到的导频信号更新同一通信对中V2V-Tx的导频段信道估计及信道估计误差统计信息，从而完成上行导频对导频段信道估计的训练；

最后，利用信道的时域相关特性和各用户的导频段信道估计，基站获得蜂窝用户的实时数据段信道预测及信道预测误差统计信息；各V2V-Rx获得同一通信对中V2V-Tx的实时数据段信道预测及信道预测误差统计信息，导频段信道估计和数据段信道预测即为获取的复用信道。

其中导频段为连续若干个用来发送上行导频的OFDM符号，数据段是剩余若干个用来发送数据的OFDM符号，具体步骤如下：

S1蜂窝网络中的所有蜂窝用户和V2V-Tx在一个或多个连续OFDM符号的多个子载波上同时向基站以及匹配的V2V-T发送上行探测信号，基站和各V2V-Rx根据接收到的探测信号获取蜂窝用户、V2V-Tx和V2V-Rx每个用户的角度时延域统计信道信息；

S2基站和各V2V-Rx将所述角度时延域统计信道信息通过回程链路交予设置在机房中的中央控制单元，中央控制单元综合利用基站、蜂窝用户、V2V-Tx和V2V-Rx所有用户的统计信道信息，通过角度时延域统计信道信息辅助导频调制因子分配算法对所有的蜂窝用户和V2V-Tx进行联合导频调制因子分配获得联合导频调制因子分配方案，各蜂窝用户和V2V-Rx的调制因子不要求满足正交条件；将联合导频调制因子初步分配方案通过回程链路发送给基站和各对应的V2V-Rx；

S3基站和各V2V-Rx依据中央控制单元返回的蜂窝用户和V2V-Tx的导频调制因子分配方案，对同一恒模序列进行频域调制生成对应用户的导频信号，并将生成的导频分配给相应的蜂窝用户和V2V-Tx；

S4蜂窝用户和V2V-Tx在一个或多个连续OFDM符号的多个子载波上同时发送上行导频信号，基站利用接收到的导频信号获得蜂窝用户的导频段各OFDM符号上的信道估计及信道估计误差统计信息，各V2V-Rx利用接收到的导频信号获得同一通信对中V2V-Tx的导频段各OFDM符号上的信道估计及信道估计误差统计信息；

S5利用信道的时域相关特性和各用户的导频段各OFDM符号上的信道估计，具体利用各导频段信道估计值乘以一个数据段与导频段信道之间的时间相关系数，从而使基站获得蜂窝用户的数据段各OFDM符号上的信道预测及信道预测误差统计信息，各V2V-Rx获得同一通信对中V2V-Tx的数据段各OFDM符号上的信道预测及信道预测误差统计信息；导频段信道估计和数据段信道预测即为导频复用信道；

S6在蜂窝用户和V2V用户移动过程中，随着蜂窝用户和V2V用户的角度时延域信道统计特性的变化，基站和各V2V-Rx周期性获得更新后的角度时延域统计信道信息，并将该统计信道信息通过回程链路发送给中央控制单元，中央控制单元根据更新后的所有用户的角度时延域统计信道信息动态地实施蜂窝用户和V2V-Tx联合导频调制因子分配方案。

适用于C-V2V混合大规模MIMO无线通信系统中基站侧和各V2V-Rx侧天线阵列包含数十个以上的天线单元，各天线单元之间的间距小于载波的波长，当各天线采用全向天线或120度扇区天线或60度扇区天线时，各天线之间的间距为1/2波长或

角度时延域统计信道信息获取方法为：各用户角度时延域统计信道信息的获取由上行信道探测过程完成；蜂窝用户和各V2V-Tx在一个或多个连续OFDM符号的多个子载波上同时发送探测信号，各用户的探测信号由同一恒模序列经过频域调制生成：令

设各空间频率域信道矩阵的统计模型为：

其中x∈{c,v}，

中央控制单元导频调制因子分配步骤如下：基站和各V2V-Rx将所有蜂窝用户和V2V-Tx的角度时延域统计信道信息通过回程链路交于中央控制单元，中央控制单元综合所有用户到基站和各V2V-Rx的角度时延域统计信道信息，通过角度时延域统计信道信息辅助导频调制因子分配算法获得导频调制因子分配结果，并将该结果通过回程链路传达给基站和各V2V-Rx；假设用户在Q个连续OFDM符号上发送导频信号，φ

首先定义各用户间的导频干扰度为：

其中，

上述定义的信道相关度的值减小时，两集合中的用户之间的导频干扰也随之减小，导频复用下的信道获取准确度更高，当

导频调制因子分配算法的具体实施步骤为：将Q个连续OFDM符号作为导频段，其可用调制因子0,1,...,QN

1)初始化：色未分配导频调制因子的一组用户集合为

2)分配导频调制因子φ

3)更新数据：

4)判断

5)在该组调制因子中，判断是否能找到一个φ

6)在该组调制因子中找到使{u

7)更新数据：

8)判断

导频段信道估计方法具体如下：

基站和各V2V-Rx根据中央控制单元反馈的各用户的导频调制因子分配结果生成相应的导频，并分配给蜂窝用户和V2V-Tx，在信道训练阶段，蜂窝用户和V2V-Tx发送各自分配到的导频信号，假设用户在开始于第

其中U为任意Q×Q维酉矩阵，σ

其中

对于第k个蜂窝用户，基站侧首先获得其角度时延域信道的最小二乘估计如下：

同样对于第d个V2V-Tx,其对应的通信对接收端第d个V2V-Rx首先获得其角度时延域信道的最小二乘估计如下：

依据大规模MIMO-OFDM角度时延域信道的解相关特性和统计信道信息，可逐元素对角度时延域信道进行线性MMSE估计，从而降低实现复杂度：令

其中，

根据角度时延域信道的MMSE估计值，可得到基站对第k个蜂窝用户和第d个V2V-Rx对同一通信对中V2V-Tx的空间频率域信道估计值分别如下：

第k个蜂窝用户在基站侧和第d个V2V-Tx在对应V2V-Rx处的信道估计误差空间相关阵分别为：

其中

a

导频调制因子的动态调整具体方法为：在蜂窝用户和V2V通信对用户移动过程中，随着基站和各V2V-Rx与所有用户间角度时延域信道的长时统计特性

角度时延域统计信道信息辅助导频调制因子分配算法依据与已分配导频用户信道相关度的大小为待分配用户分配合适的导频调制因子；对于待分配蜂窝用户k，信道相关度的计算要考虑待分配蜂窝用户k与已分配蜂窝用户k'在基站侧的相互干扰程度，干扰程度利用公式：

待分配蜂窝用户k对已分配V2V-Txd'在同一通信对中V2V-Rx一侧的干扰程度，具体利用公式：

以及已分配V2V-Txd'在基站侧对该待分配蜂窝用户k的干扰程度，具体利用公式：

对于待分配V2V-Txd，信道相关度的计算要考虑待分配V2V-Txd对已分配蜂窝用户k'在基站侧的干扰程度，具体利用：

已分配蜂窝用户k'和已分配V2V-Txd'对该待分配V2V-Txd在待分配V2V-Txd对应的2V-Rx一侧的干扰程度，具体通过公式：

待分配V2V-Txd对已分配V2V-Txd'在其对应V2V-Rx一侧的干扰程度，通过公式：

其中

基站在利用接收到的导频信号对蜂窝用户进行信道估计时，除了要考虑导频复用下不同蜂窝用户之间导频的干扰，还要考虑所有V2V-Tx发送的导频信号对基站的干扰；各V2V-Rx利用接收到的导频信号获得同一通信对中V2V-Tx的信道估计时，考虑导频复用模式下所有蜂窝用户与其他通信对中所有V2V-Tx发送的导频信号对当前通信对中V2V-Rx的干扰。

有益效果：

1、利用宽带无线传播信道在角度时延域的稀疏特性，充分挖掘角度时延域的导频资源，将导频复用应用于所有蜂窝用户和V2V-Tx，大幅降低系统的导频开销，进而提升系统的频谱效率和功率效率；

2、角度时延域统计信道信息辅助导频调制因子分配算法复杂度低，并通过相关门限值的设定进一步实现了复杂度和信道估计性能之间的平衡，能很好地应用于实际蜂窝与V2V混合宽带大规模MIMO系统；同时，适用于任意导频段OFDM符号长度，适应性强；

3、在信道获取过程中充分考虑了导频复用下蜂窝用户和V2V-Tx之间以及不同通信对中所有V2V-Tx之间的相互干扰，并对导频调制因子进行自适应的动态分配，提升了信道获取的准确性。

附图说明

图1为本发明C-V2V宽带大规模MIMO导频复用信道获取方法流程图。

图2为本发明方法适用的C-V2V宽带大规模MIMO无线通信系统示意图。

图3为本发明角度时延域信息辅助导频调制因子分配算法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施例做进一步说明：

如图1和图2所示，本发明实施例公开的一种C-V2V宽带大规模MIMO导频复用信道获取方法，在蜂窝网络中配置基站、多个蜂窝用户和多对V2V通信对，每个V2V通信对包含一个发送车辆用户(V2V-Tx)和一个接收车辆用户(V2V-Rx)，基站侧配备的天线个数为M，V2V-Rx配备的天线个数为N，蜂窝用户个数为K，V2V通信对个数为D，蜂窝用户和V2V-Tx均配备单天线,以

步骤如下：

首先，蜂窝网络中的所有蜂窝用户和所有V2V-Tx在一个或多个连续OFDM符号的多个子载波上分别向基站和匹配的V2V-Rx同时发送上行探测信号,基站和各V2V-Rx根据接收到的探测信号获取每个蜂窝用户和发送车辆用户的角度时延域统计信道信息；

然后，利用所有用户的角度时延域统计信道信息对蜂窝用户和V2V-Tx进行联合导频调制因子分配，并将分配结果通过回程链路反馈给基站和各V2V-Rx；

基站和各V2V-Rx根据反馈的导频调制因子分配结果为蜂窝用户和V2V-Tx分配对应的导频信号，蜂窝用户和V2V-Tx周期性循环发送各自分配的导频给基站和对应的V2V-Rx，基站利用接收到的导频信号实时更新蜂窝用户的导频段信道估计及信道估计误差统计信息；V2V-Rx利用接收到的导频信号更新同一通信对中V2V-Tx的导频段信道估计及信道估计误差统计信息，从而完成上行导频对导频段信道估计的训练；

最后，利用信道的时域相关特性和各用户的导频段信道估计，基站获得蜂窝用户的实时数据段信道预测及信道预测误差统计信息；各V2V-Rx获得同一通信对中V2V-Tx的实时数据段信道预测及信道预测误差统计信息，导频段信道估计和数据段信道预测即为获取的复用信道。

其中导频段为连续若干个用来发送上行导频的OFDM符号，数据段是剩余若干个用来发送数据的OFDM符号，其特征在于具体步骤如下：

(1)蜂窝网络中的所有蜂窝用户和V2V-Tx在一个或多个连续OFDM符号的多个子载波上同时向基站以及匹配的V2V-Tx发送上行探测信号，基站和各V2V-Rx根据接收到的探测信号获取蜂窝用户、V2V-Tx和V2V-Rx每个用户的角度时延域统计信道信息；

(2)基站和各V2V-Rx将所述角度时延域统计信道信息通过回程链路交予设置在央控制单元，中央控制单元综合利用基站、蜂窝用户、V2V-Tx和V2V-Rx所有用户的统计信道信息，通过角度时延域统计信道信息辅助导频调制因子分配算法对所有的蜂窝用户和V2V-Tx进行联合导频调制因子分配获得联合导频调制因子分配方案，各蜂窝用户和V2V-Rx的调制因子不要求满足正交条件；将联合导频调制因子初步分配方案通过回程链路发送给基站和各对应的V2V-Rx；

(3)基站和各V2V-Rx依据中央控制单元返回的蜂窝用户和V2V-Tx的导频调制因子分配方案，对同一恒模序列进行频域调制生成对应用户的导频信号，并将生成的导频分配给相应的蜂窝用户和V2V-Tx；

(4)蜂窝用户和V2V-Tx在一个或多个连续OFDM符号的多个子载波上同时发送上行导频信号，基站利用接收到的导频信号获得蜂窝用户的导频段各OFDM符号上的信道估计及信道估计误差统计信息，各V2V-Rx利用接收到的导频信号获得同一通信对中V2V-Tx的导频段各OFDM符号上的信道估计及信道估计误差统计信息；

(5)利用信道的时域相关特性和各用户的导频段各OFDM符号上的信道估计，具体利用各导频段信道估计值乘以一个数据段与导频段信道之间的时间相关系数，从而使基站获得蜂窝用户的数据段各OFDM符号上的信道预测及信道预测误差统计信息，各V2V-Rx获得同一通信对中V2V-Tx的数据段各OFDM符号上的信道预测及信道预测误差统计信息；导频段信道估计和数据段信道预测即为导频复用信道；

(6)在蜂窝用户和V2V用户移动过程中，随着蜂窝用户和V2V用户的角度时延域信道统计特性的变化，基站和各V2V-Rx周期性获得更新后的角度时延域统计信道信息，并将该统计信道信息通过回程链路发送给中央控制单元，中央控制单元根据更新后的所有用户的角度时延域统计信道信息动态地实施蜂窝用户和V2V-Tx联合导频调制因子分配方案。

下面结合具体系统模型对本发明实施例作进一步详细介绍。

1、C-V2V混合宽带大规模MIMO系统配置及通信过程

在C-V2V混合宽带大规模MIMO系统模型中，基站位于小区中心，所有的蜂窝用户和V2V通信对分布在该区域上，基站侧和V2V接收端配置包含数十个以上天线单元的天线阵列，大规模天线阵列可以采用线阵列、圆阵列、板阵列或其它阵列结构。各天线单元可采用全向天线或者扇区天线，当各天线单元采用全向天线、120度扇区天线和60度扇区天线时，各天线之间的间距可配置为1/2波长、

此种情况下，C-V2V混合宽带大规模MIMO通信过程包含以下四个步骤：

i.信道探测：基站端和各V2V-Rx依据接收到的探测信号获取各用户的角度时延域统计信道信息。

ii.导频分配：基站和各V2V-Rx端通过回程链路将所有用户的角度时延域统计信道信息交予中央控制单元。中央控制单元利用该统计信道信息，根据角度时延域统计信道信息辅助导频调制因子分配算法对蜂窝用户和V2V-Tx进行联合导频调制因子分配，并将分配结果通过回程链路反馈给基站和各V2V-Rx。

iii.信道训练：基站和各V2V-Rx根据中央控制单元反馈的导频调制因子分配结果为蜂窝用户和V2V-Tx分配对应的导频信号。蜂窝用户和V2V-Tx周期性地发送各自分配的导频给基站和对应的V2V-Rx。基站利用接收到的导频信号获得蜂窝用户的导频段信道估计及信道估计误差统计信息；V2V-Rx利用接收到的导频信号获得同一通信对中V2V-Tx的导频段信道估计及信道估计误差统计信息。

iv.信道预测：利用信道的时域相关特性和各用户的导频段信道估计，基站获得蜂窝用户的数据段信道预测及信道预测误差统计信息；各V2V-Rx获得同一通信对中V2V-Tx的数据段信道预测及信道预测误差统计信息

2、角度时延域统计信道信息获取

各用户角度时延域统计信道信息的获取由上行信道探测过程完成。蜂窝用户和各V2V-Tx在一个或多个连续OFDM符号的多个子载波上同时发送探测信号，各用户的探测信号由同一恒模序列经过频域调制生成。令

设各空间频率域信道矩阵的统计模型为

其中x∈{c,v}，

3、中央控制单元导频调制因子分配

图2为C-V2V混合宽带大规模MIMO无线通信示意图，系统中基站和多个V2V-Rx通过回程链路连接到中央控制单元(负责协调蜂窝用户和V2V用户)。以该系统模型为例，基站和各V2V-Rx将所有蜂窝用户和V2V-Tx的角度时延域统计信道信息通过回程链路交于中央控制单元。中央控制单元综合所有用户到基站和各V2V-Rx的角度时延域统计信道信息，通过角度时延域统计信道信息辅助导频调制因子分配算法获得导频调制因子分配结果，并将该结果通过回程链路传达给基站和各V2V-Rx。

假设用户在Q个连续OFDM符号上发送导频信号，φ

其中，

上述定义的信道相关度的值减小时，两集合中的用户之间的导频干扰也随之减小，导频复用下的信道获取准确度更高。当

在角度时延域统计信道信息辅助导频调制因子分配算法中，依据给定的准则，如信道估计均方误差最小准则，通过信道相关度的计算为所有蜂窝用户和V2V-Tx实施联合导频调制因子分配。使用式(46)中构造的相移可调导频时，对于Q个连续OFDM符号作为导频段的情形，其可用调制因子0,1,...,QN

1)初始化：未分配导频调制因子的一组用户集合为

2)分配导频调制因子φ

3)更新数据：

4)判断

5)在该组调制因子中，是否能找到一个φ

6)在该组调制因子中找到使{u

7)更新数据：φ

8)判断

4、导频段信道估计

基站和各V2V-Rx根据中央控制单元反馈的各用户的导频调制因子分配结果生成相应的导频，并分配给蜂窝用户和V2V-Tx。在信道训练阶段，蜂窝用户和V2V-Tx发送各自分配到的导频信号。假设用户在开始于第

其中U为任意Q×Q维酉矩阵，σ

其中

对于第k个蜂窝用户，基站侧首先获得其角度时延域信道的最小二乘估计如下

同样对于第d个V2V-Tx,其对应的通信对接收端第d个V2V-Rx首先获得其角度时延域信道的最小二乘估计如下

依据大规模MIMO-OFDM角度时延域信道的解相关特性和统计信道信息，可逐元素对角度时延域信道进行线性MMSE估计，从而降低实现复杂度。令

其中，

根据角度时延域信道的MMSE估计值，可得到基站对第k个蜂窝用户和第d个V2V-Rx对同一通信对中V2V-Tx的空间频率域信道估计值分别如下

第k个蜂窝用户在基站侧和第d个V2V-Tx在对应V2V-Rx处的信道估计误差空间相关阵分别为

其中

a

5、数据段信道预测

在导频段(第

其中J

其中

a

6、导频调制因子的动态调整

在蜂窝用户和V2V通信对用户移动过程中，随着基站和各V2V-Rx与所有用户间角度时延域信道的长时统计特性