信道状态信息获取方法、反馈方法、基站及终端与流程

文档序号:11138187
信道状态信息获取方法、反馈方法、基站及终端与制造工艺
本申请涉及无线通信
技术领域
,尤其涉及信道状态信息获取方法、反馈方法、基站及终端。
背景技术
:多输入多输出技术(Multiple-Input-Multiple-Output,简称为MIMO)通过利用空间资源可以成倍地提高无线通信系统的频谱效率,因此成为蜂窝通信的重要技术之一。然而,为了获得相应频谱增益,发射机必须知道信道方向信息(ChannelDirectionInformation,简称为CDI),以便计算预编码以及进行其它MIMO信号处理。CDI与信道质量信息(ChannelQualityInformation,简称为CQI)构成了完整的信道状态信息(ChannelStateInformation,简称为CSI)。对于MIMO系统来说,发射机获取准确的CDI是进行闭环MIMO传输的先决条件,也是影响系统性能的关键。第三代移动通信合作伙伴项目(3rdGenerationPartnershipProject,简称为3GPP)制定的EvolvedUniversalTerrestrialRadioAccess(E-UTRA)协议对应的长期演进(LongTermEvolution,简称为LTE)系统根据双工模式的不同,有不同的CDI获取方式。LTE的双工模式包括:时分双工(TimeDivisionDuplexing,简称TDD),以及频分双工(FrequencyDivisionDuplexing,简称FDD)。在TDD系统中,上行信道与下行信道具有对称特性。因此,TDD基站对上行信道进行信道估计,就可以获得所需下行信道的等效CDI。为了辅助信道估计,终端发射全向的探测导频信号(SoundingReferenceSignal,简称为SRS),其采用特定伪随机序列生成,比如Zadoff-Chu(ZC)序列,且终端与基站均已知该序列。TDD系统基于发射SRS及信道估计方式获取CDI的最大缺点是导频污染(pilotcontamination)问题。在LTE系统内,同一个小区的不同终端被分配的SRS是正交的,因此基站可以根据不同终端的SRS序列进行无干扰的信道估计,得到上行信道的CDI。然而,在LTE系统内,不同小区的终端被分配的SRS序列是非正交的,甚至可能出现多个终端使用相同的SRS序列的情况,即所谓的SRS冲突问题。在SRS冲突时,基站估计本小区终端的上行信道CDI的同时也将收到其他小区终端的上行SRS信号,因此,基站估计的本小区信道CDI也混叠了其它小区终端到该基站的信道CDI。这种现象被称为导频污染问题。导频污染对系统上行与下行数据传输均造成严重后果:1)当基站对期望终端在下行信道利用有指向性的预编码发送数据时,对位于混叠信道上的相邻小区终端也发送了有指向性的数据并成为了严重的小区间干扰;2)当基站对期望终端在上行信道利用有指向性的后处理接收数据时,对位于混叠信道上的相邻小区终端的数据也进行了增强性处理,因而放大了混叠信道的干扰。由于上述原因,导频污染问题严重制约了系统容量。特别是当天线数增加时,系统性能的提升容易出现瓶颈。大规模天线阵列系统(Large-scaleMIMO,或者MassiveMIMO)是第五代(5thGeneration,简称5G)蜂窝通信标准的主要候选技术。大规模天线使得系统利用丰富的信号处理自由度大幅度降低终端间干扰及小区间干扰,且计算复杂度低,能有效提高通信链路质量。另外,大规模天线可以有效降低单个天线单元的功率消耗,提高整个系统的能量效率。现有试验已经充分论证了基站配置数十甚至数百根天线的可行性。一种在毫米波段的具体实现方式为:基站通过配置大规模天线阵列,在天线间距很小时,利用天线之间的相位差,形成极窄的发射波束服务多个终端;同时,终端也可以配置多根天线,对不同来波方向形成不同增益,并选择增益较大的接收波束进行数据接收。如果基站的每一个发射波束服务一个终端,则终端之间干扰大为降低;如果相邻基站用不同方向的发射波束服务各自的终端,则小区间干扰大为降低。理论分析结果表明,在大规模天线系统中,如果发射机知道准确的终端信道CDI,那么上、下行信道的可达信噪比(signal-to-noiseratio,简称SNR)随着天线数增加而增大;对于数十甚至数百根发射天线,系统容量相应能够显著提高。然而,当发生导频污染问题时,大规模天线系统的实际容量却会严重降低,甚至即使基站发射功率较低,整个系统也工作在干扰受限状态。导频污染问题对于大规模天线系统的影响是致命性的。因此,设计新的CDI获取方式克服大规模天线系统中的导频污染问题对提升系统容量意义非凡。在FDD系统中,由于上、下行信道处于不同频带而不具有对称性,基站无法通过对上行信道估计获得下行信道CDI。在这种情况下,终端必须占用一部分上行信道资源将下行信道CDI和CQI反馈给基站。一种方法是显反馈,终端将下行信道CDI利用固定码本量化并对CQI进行多级别量化,并将量化结果通过上行信道汇报给基站;另一种方法是隐反馈,终端根据下行信道CDI从固定的若干个预编码中选择一个期望的预编码,并将选择结果以及在所选CDI下的CQI通过上行信道汇报给基站。为了实现以上方法,基站需要通过不同的CDI对参考信号进行预编码,终端测量不同的参考信号从而获得相应CDI下的信号强度并判断CQI。无论采用哪种方法,FDD系统中为了使基站获取足够准确的下行信道CSI,系统必须承担两种必要的开销:参考信号开销以及反馈开销。同时,两种开销都必须随着基站天线数增加而增加。并且更高的反馈量化精度也意味着更高的开销。这个结论意味着FDD系统基于反馈获取CDI的方式在大规模天线系统面临如何高效降低开销的挑战。另外一个重要的问题是,由于CDI测量的误差以及反馈的时延,如何基于CDI对下行数据信道进行预编码。如果CDI反馈精度较差并且终端处于高速移动的情况,则基站的下行数据可能偏离最优的信道方向,从而导致系统性能下降。综上所述,在5G通信系统设计中,大规模天线阵列系统的CDI获取问题更为迫切。设计快速且有效的CDI获取方法,可以有效地降低系统的参考信号和信令开销,同时避免基站使用错误CDI的概率,保证大规模天线带来的频谱增益,从而提高小区的系统容量。技术实现要素:为此,本申请提供了一种信道状态信息的获取方法、反馈方法、基站及终端,以减少信令开销,并避免基站获取无效信道状态信息。本申请提供的一种信道状态信息获取方法包括:发射端在至少一个探测区间发送第一探测信号和第二探测信号;从接收端接收基于对所述第一探测信号和第二探测信号的测量得到的信道状态信息;其中,所述信道状态信息包括以下信息中的一种或多种:波束宽度信息、自适应量化的信道方向信息、预测的信道质量信息。较佳的,所述第一探测信号的波束成形系数和第二探测信号的波束成形系数之间存在差分关系,第二探测信号的波束成形系数的前半部分与第一探测信号的波束成形系数的前半部分相同,第二探测信号的波束成形系数的后半部分为第一探测信号的波束成形系数的后半部分的相反数。较佳的,所述第一探测信号的波束成形系数为:第二探测信号的波束成形系数为:其中,θprob为第一探测信号和第二探测信号的发送中心角度,N为发射端的天线数,d为天线间的距离,λ为波长;第一探测信号的波束成形系数w1为N维向量,所述N维向量的第n个元素为其中1≤n≤N;第二探测信号的波束成形系数w2为N维向量,所述N维向量的前N/2个元素与第一探测信号的波束成形系数的前N/2个元素相同,后N/2个元素为第一探测信号的波束成形系数的后N/2个元素的相反数(对相应元素符号取反)。较佳的,所述波束宽度信息为发射端通过使用不同天线权重所能获得的波束成形宽度组合中的一个或多个。较佳的,该方法还包括:发射端调整天线权重使得发送波束的宽度等于所述波束宽度信息指示的波束宽度。较佳的,所述自适应量化的信道方向信息包括量化精度以及基于该量化精度下的信道方向信息。较佳的,该方法还包括:发射端根据所述自适应量化的信道方向信息中的量化精度,提取信道方向信息,并将波束成形中心方向对准提取到的信道方向。较佳的,所述预测的信道质量信息为发射端调整波束成形方式后应该使用的调制编码方式。较佳的,该方法还包括:发射端按照所述调制编码方式发送数据。本申请还提供了一种基站,包括:信号发送模块和反馈接收模块,其中:信号发送模块,用于在至少一个探测区间发送第一探测信号和第二探测信号;反馈接收模块,用于从接收端接收基于对所述第一探测信号和第二探测信号的测量得到的信道状态信息;其中,所述信道状态信息包括以下信息中的一个或多个:波束宽度信息、自适应量化的信道方向信息、预测的信道质量信息。本申请还提供了一种信道状态信息反馈方法,包括:接收端在至少一个探测区间接收第一探测信号和第二探测信号;基于所述第一探测信号和第二探测信号得到信道状态信息,并向发射端反馈信道状态信息;其中,所述信道状态信息包括以下信息中的一种或多种:波束宽度信息、自适应量化的信道方向信息、预测的信道质量信息。较佳的,所述第一探测信号的波束成形系数和第二探测信号的波束成形系数之间存在差分关系,第二探测信号的波束成形系数的前半部分与第一探测信号的波束成形系数的前半部分相同,第二探测信号的波束成形系数的后半部分符号为第一探测信号的波束成形系数的后半部分的相反数。较佳的,该方法还包括:接收端通过测量第一探测信号和第二探测信号得到接收端的移动角速度,并根据信道质量和移动角速度计算所述波束宽度信息。较佳的,该方法还包括:接收端根据参考信号的SNR和移动角速度选取不同量化精度,并根据选取的量化精度量化得到所述信道方向信息。较佳的,该方法还包括:预测发射端基于接收端反馈的信道方向信息和/或波束宽度信息对波束成形系数的调整后,发射端应该使用的调制编码方式,将其作为预测的信道质量信息。较佳的,所述预测通过测量第一探测信号和第二探测信号得出。本申请还提供了一种终端,包括:信号接收模块和反馈模块,其中:所述信号接收模块,用于在至少一个探测区间接收第一探测信号和第二探测信号;所述反馈模块,用于基于所述第一探测信号和第二探测信号得到信道状态信息,并向发射端反馈信道状态信息;其中,所述信道状态信息包括以下信息中的一种或多种:波束宽度信息、自适应量化的信道方向信息、预测的信道质量信息。由上述技术方案可见,本申请提供的技术方案通过发射端在至少一个探测区间发送第一探测信号和第二探测信号,使得接收端能够通过对第一探测信号和第二探测信号的检测得出波束宽度信息、自适应量化的信道方向信息以及预测的信道质量信息等信道状态信息,而这些信道状态信息反馈给发射端后,发射端可以据此调整波束成形的发送方向、波束成形的波束宽度和调制编码方式,从而使得用于反馈的信令开销得以减少,并避免了基站获取无效的信道状态信息。附图说明图1为本申请一较佳基于探测信号的信道状态信息的获取方法在发射端的流程示意图;图2为本申请一较佳基于探测信号的信道状态信息的反馈方法在接收端的流程示意图;图3为本申请实施例中第一和第二探测信号在不同方向上的响应示意图;图4为本申请实施例中一个基于差分方法检测信道方向误差的示意图;图5为本申请实施例中一个波束宽度指示反馈及波束调整示意图;图6为本申请实施例中终端预测CQI的流程示意图;图7为本申请实施例中终端预测CQI的计算方法示意图;图8为本申请一较佳基站的组成结构示意图;图9为本申请一较佳终端的组成结构示意图。具体实施方式为使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下参照附图并举实施例,对本申请作进一步详细说明。本发明提出了一种信道状态信息的获取方法,可以提高信道状态信息的反馈效率,降低反馈开销并提高基于反馈的波束成形传输的效率。本发明可以应用在传统频带下的大规模阵列天线系统下,也可以应用在基于毫米波的大规模阵列天线系统中。图1为本申请一较佳基于探测信号的信道状态信息的获取方法在发射端的流程图,该流程图示出的是基站侧的主要操作,包括:步骤1:发射端在至少一个探测区间发送第一探测信号和第二探测信号。步骤2:发射端接收终端反馈的信道状态信息,所述信道状态信息时基于对所述第一探测信号和第二探测信号的测量得到的,所述信道状态信息包括以下信息中的一种或多种:信道方向信息、自适应量化的波束宽度信息和预测的信道质量信息。步骤3:发射端基于所述信道状态信息,使用相应的波束成形和调制编码方式发送数据。具体的:所述波束宽度信息为发射端通过使用不同天线权重所能获得的波束成形宽度组合中的一个或多个,发射端调整天线权重使得发送波束的宽度等于所述波束宽度信息指示的波束宽度;所述自适应量化的信道方向信息包括量化精度以及基于该量化精度下的信道方向信息,发射端根据所述自适应量化的信道方向信息中的量化精度,提取信道方向信息,并将波束成形中心方向对准提取到的信道方向;所述预测的信道质量信息为发射端调整波束成形方式后应该使用的调制编码方式,发射端按照所述调制编码方式发送数据。调整后,发射端使用对应的波束宽度、波束成形中心方向和指示的调制编码方式发送数据。图2为本申请一较佳基于探测信号的信道状态信息的获取方法在接收端的流程图,该流程图示出的是终端侧的主要操作,包括:步骤1:接收端在至少一个探测区间接收第一探测信号和第二探测信号。步骤2:根据第一探测信号和第二探测信号估计信道方向信息,持续监测信道方向信息估计终端移动角速度。步骤3:选择最优的波束宽度、信道方向信息的量化精度以及最优调制编码方式。步骤4:向发射端反馈信道状态信息,其中,所述信道状态信息包括以下信息中的一种或多种:波束宽度信息、自适应量化的信道方向信息、预测的信道质量信息。具体实施例一下面结合图3和图4详细说明CDI探测信号的发射波束成形方法。基站发送第一探测信号和第二探测信号所使用的波束成形方法为:在不同的天线上使用不同的预编码方式,使得第一探测信号的波束成形系数和第二探测信号的波束成形系数之间存在差分关系,第二探测信号的波束成形系数的前半部分与第一探测信号的波束成形系数的前半部分相同,第二探测信号的波束成形系数的后半部分为第一探测信号的波束成形系数的后半部分的相反数。需要说明的是:第一探测信号与第二探测信号本身可以是不同时频资源上相同的信号,两者的区别在于波束成形系数不同。具体的:第一探测信号所使用的波束成形系数(也可称为波束成形权重系数)为:第二探测信号(也可以将第一探测信号称为探测信号,相应地,将第二探测信号称为辅助探测信号)所使用的波束成形系数为:其中,θprob为第一探测信号和第二探测信号的发送中心角度,我们称之为探测角度,N为发射端的天线数,d为天线间的距离,λ为波长。即:第一探测信号的波束成形系数w1为N维向量,其第n个元素表示为其中1≤n≤N;第二探测信号的波束成形系数w2为N维向量,其前N/2个元素与第一探测信号的波束成形系数的前N/2个元素相同,后N/2个元素为第一探测信号的波束成形系数的后N/2个元素的相反数(对相应元素符号取反)。假设终端的真实信道方向为θtrue,则探测角度与终端的真实信道方向存在偏差Φ。如图3所示,两个探测信号在不同偏差值Φ时将获得不同的接收信号增益。由此,两组探测信号构成一组差异的信道方向响应,进而使得接收端可以利用该差异信息进行差分计算,得出具体的信道方向信息θtrue。接收端通过计算两组探测信号的增益比值来进行差分检测。如图4所示,信道真实方向与探测中心角度的偏差小于0.2的时候,两者比值与实际偏差存在一一对应的关系:当偏差为正数时,辅助探测信号与探测信号的接收增益之比为实数;当偏差为负数时,辅助探测信号与探测信号的接收增益之比为虚数;且随着偏差绝对值的增加,接收增益之比也单调增加。因此,对于位于相对探测中心角度(-0.2,0.2)范围内的不同终端,终端总是可以通过测量两组探测信号的增益比值估算与探测中心角度的偏差。相较而言,传统的方法仅能比较终端在多个波束方向上的接收增益,进而选择增益最高的波束方向。也就是说,传统的方法不能获得超过探测信号波束宽度的分辨率。而上述基于差分的方法总是能够在探测区间内获得精确的信道方向信息。这意味着差分的方法能够获得远远高于传统方法的测量精度。由于差分的方法能够在探测区域内提供高精度的信道方向信息测量,这使得接收端获得了一种新的可能:通过持续测量信道方向信息从而估计终端的角速度。正如终端可以通过多普勒频移估算相对基站垂直方向上的速度,终端可以通过测量信道方向角度的变化率获得相对基站的角速度。一种最简单的方法为在单位时间内,测量信道方向角度的变化量。例如,终端根据两次探测信号获得的信道方向信息和推算终端角速度:由于终端的角速度决定了终端对方向信息准确度的敏感性:角速度越高,终端偏离波束成形中心方向的概率越高。同时我们知道,越宽的波束成形,终端偏离波束成形中心方向造成的接收功率的变化越小。因此,本申请引入一个新的信道状态信息指标:波束宽度指示(Beamwidthindication,简称BWI),用以指示波束宽度信息。该方法的具体流程为:在系统中预定义多个波束宽度,接收端通过估计自身的角速度,选择最优的波束宽度。波束宽度的选择准则为:角速度越大的终端选取越宽的波束以保障链路的可靠性;角速度越低的终端选取越窄的波束以提高接收信号功率。图5为一个上述波束宽度反馈以及波束宽度调整示意图。同时,信道方向测量的准确性也可以作为一个参考准则,当信道方向估计存在较大误差时,应选用较宽的波束以保障链路可靠性。具体实施例二基于以上方法,接收端可以测量精确的信道方向信息。然而,将量化后的信道方向信息反馈回基站必须占用一定的额外开销。因此,信道方向信息的量化需要考虑开销与效率之间的平衡:更高的量化精度意味着基站可以使用更准确的波束成形,然而却必须占用更高的上行控制信令;反之,低量化精度可以有效降低反馈开销,但是却会降低基站的波束成形效率。因此,一种自适应的量化精度选择能够平衡两者之间的关系,使得系统整体性能得到提升。系统预定义一系列的量化精度,由粗到细。接收端根据测量到的信道状态选择最优的量化精度。例如,如果终端的SNR较低,或终端的移动速度较大,则很高的量化精度并不能有效提升波束成形的效率。这是由于低SNR本身就会降低信道方向信息的估计,同时高移动速度加重了信道信息的时效性,即使反馈的信道方向信息非常准确,基站的波束成形也将偏离最优方向。因此,终端可以根据测量到的SNR以及移动速度选取最优的量化精度。一个可行的方法为量化误差小于估计误差和反馈时延带来的误差。同时,终端在反馈信息中应指示所选用的量化精度。由于探测空间的角度为固定的,自适应的量化精度选择也可以有效降低不必要的反馈开销。表1为一个探测空间为0.4π的多级量化精度示意。表1量化等级abc量化比特数234量化误差0.1π0.05π0.025π匹配SNR5dB10dB20dB具体实施例三信道质量信息(Channelqualityindex,简称CQI)也是信道状态信息中的一个重要指标,CQI指示了基站可以使用的最优调制编码方式。在上述大规模天线系统中,波束成形技术能够有效提升接收信号的SNR。基站可以根据反馈的信道状态信息进行波束成形调整:包括方向的调整和波束宽度的调整。这些调整将会影响到终端的CQI测量。例如,当波束成形能够更加精确地对准终端时,终端由于获得了更高的SNR从而可以使用更高阶的调制方式或使用更高码率的编码。由于本申请中使用了一种高精度的信道方向信息获取方法,使得终端可以准确知道信道方向与当前波束成形中心角度的偏差。这就提供了一种新的可能:终端可以根据这个偏差预测波束调整后所获得的SNR值,也就是波束调整后最优的调制编码方式。终端可以通过反馈将这个预测的CQI反馈回基站,而无需在波束调整后再次测量CQI。注意,这种预测波束调整后的CQI只有在高精度信道方向信息可知的情况下才可能实现。因此传统的信道方向信息获取方法无法支持这种新型的反馈方式。图6为本申请实施例中一个反馈预测的CQI的方法流程图。首先,终端接收第一探测信号和第二探测信号,进而估计信道方向信息以及接收信号SNR。然后,终端通过基站侧的波束成形方法计算波束成形调整后接收信号功率的改变。基于该计算结果,终端可以预测波束调整后的SNR值,从而获得最优的CQI参数。最后,终端将预测的CQI参数反馈回基站。图7为本申请实施例中一个终端预测CQI的具体示例。终端通过探测信号检测到信道方向与当前波束成形中心角度相差0.4π,当前信道增益为5。基于该偏差,终端可以获得波束成形角度调整后信道增益应为10。因此,波束调整后的SNR增益为2倍。终端依次信息计算最优的CQI并进行反馈。对应于上述方法,本申请还提供了一种基站,其组成结构如图8所示,该基站包括:信号发送模块和反馈接收模块,其中:信号发送模块,用于在至少一个探测区间发送第一探测信号和第二探测信号;反馈接收模块,用于从接收端接收基于对所述第一探测信号和第二探测信号的测量得到的信道状态信息;其中,所述信道状态信息包括以下信息中的一个或多个:信道宽度信息、自适应量化的信道方向信息、预测的信道质量信息。较佳地,所述信号发送模块发送的所述第一探测信号的波束成形系数和第二探测信号的波束成形系数之间存在差分关系,第二探测信号的波束成形系数的前半部分与第一探测信号的波束成形系数的前半部分相同,第二探测信号的波束成形系数的后半部分为第一探测信号的波束成形系数的后半部分的相反数。较佳的,所述第一探测信号的波束成形系数为:第二探测信号的波束成形系数为:其中,θprob为第一探测信号和第二探测信号的发送中心角度,N为发射端的天线数,d为天线间的距离,λ为波长。即第一探测信号的波束成形系数为N维向量,其第n个元素表示为其中1≤n≤N;第二探测信号的波束成形系数为N维向量,其前N/2个元素与第一探测信号的波束成形系数的前N/2个元素相同,后N/2个元素为第一探测信号的波束成形系数的后N/2个元素的相反数(对相应元素符号取反)。较佳的,所述反馈接收模块接收的所述波束宽度信息为发射端通过使用不同天线权重所能获得的波束成形宽度组合中的一个或多个;所述信号发送模块,还用于调整天线权重使得发送波束的宽度等于所述波束宽度信息指示的波束宽度。较佳的,所述反馈接收模块接收的所述自适应量化的信道方向信息包括量化精度以及基于该量化精度下的信道方向信息;较佳的,所述反馈接收模块接收的所述预测的信道质量信息为发射端调整波束成形方式后应该使用的调制编码方式;所述信号发送模块,还用于按照所述调制编码方式发送数据。对应于上述方法,本申请还提供了一种终端,其组成结构如图9所示,包括:信号接收模块和反馈模块,其中:所述信号接收模块,用于在至少一个探测区间接收第一探测信号和第二探测信号;所述反馈模块,用于基于所述第一探测信号和第二探测信号得到信道状态信息,并向发射端反馈信道状态信息;其中,所述信道状态信息包括以下信息中的一种或多种:信道宽度信息、自适应量化的信道方向信息、预测的信道质量信息。较佳的,所述第一探测信号的波束成形系数和第二探测信号的波束成形系数之间存在差分关系,第二探测信号的波束成形系数的前半部分与第一探测信号的波束成形系数的前半部分相同,第二探测信号的波束成形系数的后半部分为第一探测信号的波束成形系数的后半部分的相反数。较佳的,所述反馈模块用于通过测量第一探测信号和第二探测信号得到接收端的移动角速度,并根据信道质量和移动角速度计算所述波束宽度信息。较佳的,所述反馈模块用于根据参考信号的SNR和移动角速度选取不同量化精度,并根据选取的量化精度量化得到所述信道方向信息。较佳的,所述反馈模块用于预测发射端基于接收端反馈的信道方向信息和/或波束宽度信息对波束成形系数的调整后,发射端应该使用的调制编码方式,将其作为预测的信道质量信息。较佳的,所述反馈模块通过测量第一探测信号和第二探测信号进行所述预测。以上所述仅为本申请的较佳实施例而已,并不用以限制本申请,凡在本申请的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请保护的范围之内。当前第1页1 2 3 
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