射频电路失配情况下大规模MIMO下行无线通信方法与流程

本发明涉及一种使用多天线的MIMO无线通信系统，尤其涉及一种用于存在射频电路失配情况下大规模MIMO无线通信系统。
背景技术：
：随着智能移动终端的普及应用和移动新业务需求的不断发展，移动通信传输速率需求继续呈指数增长。为满足未来移动通信应用需求，需要深度挖掘利用空间无线资源，大幅提升无线通信的频谱利用率和功率利用率。采用多天线发送和多天线接收的MIMO无线传输技术，是提高无线通信频谱和功率效率的基本技术，在过去十余年内一直是无线通信研究领域的主流技术之一。受天线数量的限制(例如在3GPP的LTE-A标准中，基站侧最多可配置8根天线)，传统MIMO技术的频谱和功率效率仍然较低。在基站侧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，成为未来无线通信的发展趋势之一。在时分双工(TDD)大规模MIMO无线通信系统中，上行信号和下行信号共享同一频带，因此上下行信号传播路径相同，上下行信道存在互易性。然而实际系统中，基站侧和用户侧的每个天线射前端频单元都由两套电路分别完成信号的发射和接收如图1所示。由于硬件工艺误差，以及射频单元工作环境不同等因素，导致射频电路增益系数不同，产生射频电路失配，使得信道互易性受损。对于大规模MIMO系统中布置了大规模天线阵列而言，失配程度尤为严重。若直接用上行信道估计进行下行预编码传输，将会明显损失系统性能。本发明给出了一种用于存在射频电路失配情况下大规模MIMO下行无线通信方法，包括基站侧和用户侧射频电路增益系数获取，利用射频电路增益系数获取下行信道估计以及下行信道估计误差统计信息，实施针对下行信道估计误差的鲁棒下行预编码传输以及遍历可达速率预测。技术实现要素：技术问题：本发明的目的是提供一种用于存在射频电路失配情况下的大规模MIMO下行无线通信方法。该方法基本特点是基于射频电路增益系数估计获取下行信道估计以及估计误差统计信息，针对估计误差实施鲁棒下行预编码传输，提高系统频谱效率。技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种射频电路失配情况下大规模MIMO下行无线通信方法，适用于时分双工(TDD)大规模MIMO无线通信系统，基站侧配备大规模阵列天线，天线个数达数十根以上，基站在同一时频资源上与多个用户进行无线通信；该方法具体包括：(1)射频电路增益系数获取：通过在收发天线前端射频电路设增益系数测量单元，所述测量单元向射频电路发送参考信号并接收信号反馈估计基站侧和用户侧的绝对射频电路增益系数；或者，通过基站侧参考天线与其它天线之间收发参考信号获取双向信道估计，进而获取基站侧相对射频电路增益系数，以及参考天线与用户之间收发参考信号获取上下行信道参数，进而获取用户侧相对射频电路增益系数；(2)用户下行信道估计：各用户在同一时频资源上发送各自上行导频信号，基站依据收到的导频信号以及获取到的基站侧和用户侧的射频电路增益系数进行各用户的下行信道估计，并获取估计误差统计信息；其中下行信道估计采用基于绝对射频电路增益系数的方式计算获取，或者采用基于相对射频电路增益系数结合上行信道估计的方式计算获取；(3)下行鲁棒预编码数据传输：在下行数据传输阶段，基站利用获取的下行信道估计以及下行信道估计误差的统计信息，得到向各用户信号发送数据所需的鲁棒预编码矩阵，实施鲁棒预编码，在同一时频资源上向各用户同时发送数据信号。所述的TDD大规模MIMO无线通信系统中基站侧天线阵列包含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波长或波长或1个波长；每个天线单元可采用单极化或多极化天线；通信过程包括基站侧和用户侧射频电路增益系数获取，下行信道估计、下行鲁棒预编码数据传输三个阶段。步骤(1)中的绝对射频电路增益系数由下式计算：χ^t=1σxmytm(xtm)*]]>其中，为增益系数测量单元发送参考信号功率，表示增益系数测量单元在第t个周期内向天线m前端射频电路模块发送的参考信号，为增益系数测量单元接收到参考信号，表示基站侧或者用户侧的发射天线或者接收天线前端射频电路增益系数的估计值。步骤(1)中的基站侧的相对射频电路增益系数由下式计算：q^bm=h^m→0h^0→m]]>其中，为基站侧第m根天线的相对射频电路增益系数估计，为基站侧第m根天线到参考天线的信道估计，为参考天线到第m根天线的信道估计。步骤(1)中的用户侧射频电路相对增益系数由下式获取：q^uk=g^0→kg^k→0]]>其中，为用户k的相对射频电路增益系数估计，表示参考天线到用户k的下行信道估计，表示用户k到参考天线的上行信道估计。步骤(2)中基于绝对射频电路增益系数进行下行信道估计具体为：基于基站侧接收天线绝对射频电路增益系数估计发送天线绝对射频电路增益系数估计用户k接收天线绝对射频电路增益系数发送天线绝对射频电路增益系数以及基站接收到的用户发送的导频信号Ytr通过下面三种方式中任一方式获取下行信道估计：方式一：先由下式获取用户k无线信道部分估计：v^k=1σxtrCkw(Σj=1KCjw+1ρtrI)-1Ytr(xktr)*]]>然后由下式获取下行信道估计：g^kdl=T^bv^kr^uk]]>其中，为用户k无线信道估计，为用户k无线信道的协方差矩阵，ρtr为导频训练信噪比，为用户k发送的正交导频序列，为用户k发送导频序列功率，K为用户数；方式二：先由下式获取用户k上行信道估计：g^kul=1σxtrCkul(Σj=1KCjul+1ρtrI)-1Ytr(xktr)*]]>然后由下式获取下行信道估计：g^kdl=T^bR^b-1g^kult^k-1r^uk]]>式中，为用户j上行信道的协方差矩阵；方式三：直接由下式获取用户k下行信道估计g^kdl=1σxtr(r^ukt^uk-1)*Ckdl(R^b-1T^b)H(Σj=1KCjdl+1ρtrI)-1Ytr(xktr)*]]>式中，为用户j下行信道的协方差矩阵；下行信道估计误差的协方差矩阵按下式计算：Cg~kdl=T^b[Ckw-Ckw(Σj=1KCjw+1ρtrI)-1Ckw]R^u]]>步骤(2)中基于相对射频电路增益系数进行下行信道估计具体为：基于基站侧相对射频电路增益系数估计用户k相对射频电路增益系数估计以及上行信道估计获取下行信道估计，用户k的下行信道估计根据下式计算：g^kdl=Q^bg^kulq^uk]]>其中为用户k上行信道估计，由下式计算：g^kul=1σxtrCjul(Σj=1KCjul+1ρtrI)-1Ytr(xktr)*]]>下行信道估计误差协方差矩阵由下式获取：Cg~kdl=Q^bCg~kulq^uk]]>其中为用户k上行信道估计误差，由下式计算：Cg~kul=Ckul-Ckul(Σj=1KCkul+1ρtrI)-1Ckul]]>步骤(3)中的鲁棒预编码矩阵由下式计算：B=1γ[(G^dl(G^dl)H+Σk=1KCg~kdl+1ρdlI)-1G^dl]*]]>其中，为下行信道估计，ρdl为各用户下行传输的平均发射信噪比，γ为基站侧发射功率约束参数，由下式计算：γ=tr{(G^dl)H(G^dl(G^dl)H+Σk=1KCg~kdl+1ρdlI)-2G^dl}K]]>其中tr{.}表示矩阵求迹运算。有益效果：本发明提供的射频电路失配情况下大规模MIMO下行无线通信方法具有如下优点：1、存在由射频电路失配导致信道互易性不满足情况下，获取下行信道估计及其估计误差统计特性，保证下行预编码传输性能。2、下行数据传输时考虑信道估计误差，提升了系统数据传输的鲁棒性和效率。3、基站可以基于绝对射频电路增益系数对用户下行遍历速率进行预测。附图说明图1为基站侧和用户侧天线前端收发系统示意图。图2为射频电路增益测量单元示意图。具体实施方式为了使本
技术领域：
的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。1、系统配置及通信过程图1为基站侧大规模天线阵列配置示意图，图中考虑单小区基站的情况，基站侧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、波长和1个波长。各天线单元可采用单极化或多极化天线。在此实施例中，仅考虑窄带信道，在所考虑的窄带信道中只有单个复合径，所考虑的窄带信道可以看做是常规宽带OFDM系统中的单个子载波信道。考虑时分双工(TDD)传输方式，并设基站侧配备的天线个数为M，用户个数为K，每个用户配备单根天线。基于上述大规模MIMO系统通信过程包括以下三个阶段：i.基站侧和用户侧射频电路增益系数获取：射频电路绝对增益系数可以通过在收发天线前端射频电路增加测量装置获取，模型如图2所示，测量装置通过向射频电路发送参考信号并接收信号反馈估计射频电路增益系数，当用户接入基站时，用户将用户侧射频电路绝对增益系数通过专门反馈链路发送给基站；基站侧可以选定参考天线，通过参考天线先与其它天线之间收发参考信号获取双向信道估计，基站依据参考天线与其它天线之间的信道估计获取基站侧射频电路相对增益系数，当用户接入基站时，基站参考通过天线与用户之间收发参考信号获取参考天线和用户之间的上下行信道参数，进而获取用户侧射频电路相对增益系数。ii.用户下行信道估计：各用户发送上行导频信号，基站侧利用接收到的导频信号，并结合获取的射频电路增益系数，计算获取下行信道估计以及下行信道估计误差统计信息。iii.下行鲁棒预编码数据传输：基站利用下行信道参数估计和估计误差的统计信息得到向各用户信号发送数据所需的鲁棒预编码矩阵，由此生成下行发送信号，由基站向各用户同时发送，各用户依据接收到的信号进行接收处理，获得下行发送比特数据流。此外基站还可以基于绝对射频电路增益系数基站预测用户遍历速率。2、基站侧和用户侧射频电路增益系数获取：(1)绝对增益系数获取射频电路增益系数可以通过在收发天线前端射频电路增加测量装置获取，模型如图2所示，测量装置通过向射频电路发送参考信号并接收信号反馈估计射频电路增益系数，当用户接入基站时，用户将用户侧射频电路增益系数通过专门反馈链路发送给基站。射频增益系数测量单元间隙地向天线前端射频模块发送参考信号，依据接收到的射频模块反馈信号估计射频电路增益系数。以表示射频增益系数测量单元在第t个周期内向天线m前端射频电路模块发送的参考信号，表示射频增益系数测量单元在第t个周期内接收到的由天线m前端射频电路模块反馈信号，则射频电路增益系数的测量单元根据下式估计射频电路增益系数：χ^t=1σxmytm(xtm)*---(1)]]>其中，为参考信号功率，表示发送天线或者接收天线前端射频电路增益系数的估计值。(2)相对增益系数获取基站通过内部天线间歇发送探测信号获取基站侧射频电路相对增益系数。需要选定一根天线为参考天线，或者设置一根单独额外天线作为参考天线。假设选取基站侧第i根天线为参考天线，以表示在第t个周期内参考天线向其它天线发送的参考信号，表示第m根天线在第t个周期接收到的参考信号，表示在第t个周期内其它天线依次向参考天线发送的参考信号，表示在t个周期内参考天线接收到的第m根天线发送的参考信号，h0→m表示参考天线到第m根天线的信道参数，其中h0→m＝rbmvmtb0，rbm表示第m根天线接收通道中射频电路增益系数，vm表示参考天线到第m根天线的无线信道参数，tb0表示参考天线发送通道中射频电路增益系数。第m根天线接收到的参考信号可表示为：yt,0→mbrc=h0→mxt,0brc+zt0brc=rbmvmtb0xt,0brc+zt0brc---(2)]]>其中，为加性高斯白噪声，均值为零，方差为参考天线接收到的来自第m根天线的参考信号可表示为：yt,m→0brc=h,m→0xt,mbrc+ztmbrc=rb0vmtbmxt,mbrc+ztmbrc---(3)]]>其中，hm→0＝rb0vmtbm为第m根天线到参考天线的信道参数，rb0表示参考天线接收通道中射频电路增益系数，tbm表示第m根天线发送通道中射频电路增益系数，为加性高斯白噪声，均值为零，方差为假设参考信号功率均为则参考天线和第m根天线之间的信道估计为：h^0→m=1σxbrcyt,mbrc(xt,0brc)*=rbmvmtb0+ztbrc(xt,0brc)*σxbrc---(4)]]>h^m→0=1σxbrcyt,0,mbrc(xt,mbrc)*=rb0vmtbm+ztbrc(xt,mbrc)*σxbrc---(5)]]>则第m根天线的射频电路相对增益系数由下式获得：q^bm=h^m→0h^0→m≈rb0tb0tbmrbm---(6)]]>当用户k接入基站时，基站通过参考天线先向用户k发送下行参考信号然后用户k将接收到的参考信号通过专门链路反馈给基站，以表示参考天线接收到的用户k反馈信号并假设基站接收到的反馈信号准确，g0→k表示参考天线到用户k的下行信道参数，其中g0→k＝rukvktb0，ruk表示用户k接收通道中射频电路增益，vk表示参考天线到用户k无线信道参数。设下行参考信号功率均为参考天线和用户k之间的下行信道估计为：g^0→k=1σxucry0→kucr(x0ucr)*=rukvktb0+z0ucr(x0ucr)*σxucr---(7)]]>其中，为加性高斯白噪声，均值为零，方差为然后用户k向基站发射上行参考信号以表示参考天线接收到的参考信号，gk→0表示用户k到参考天线的上行信道参数，其中gk→0＝rb0vktuk，tuk表示参考天线用户k发送通道中射频电路增益。设上行参考信号功率均为用户k到参考天线之间的上行信道估计为：g^k→0=1σkucryk→0ucr(xkucr)*=rb0vktuk+zkucr(xkucr)*σkucr---(8)]]>其中，为加性高斯白噪声，均值为零，方差为用户侧射频电路相对增益系数由下式获取：q^uk=g^0→kg^k→0≈tb0rb0ruktuk---(9)]]>3、用户下行信道估计(1)基于绝对射频电路增益系数下行信道估计基于获取的绝对射频电路增益系数，各用户统计信道信息的获取由上行信道探测过程完成。在上行链路，各用户间歇地发送探测信号，各用户的探测信号之间相互正交。以表示小区中第k个用户在第t个探测周期发送的探测信号，表示基站侧第m根天线在第t个探测周期接收到的探测信号，gt,k→m表示第k个用户到基站侧第m根天线之间在第t个探测周期的信道参数，表示第k个用户到基站侧M个天线之间的信道矢量，的第m个元素为gt,k→m。设其中T表示矩阵转置。设其中H表示矩阵的共轭转置，为发送信号的功率，I为单位矩阵，L为探测信号的长度。基站接收到的探测信号可表示为：Ytsd=GtulXtsd+Ztsd---(10)]]>其中为加性白高斯噪声矩阵，其各个元素的均值为零，方差为设的统计模型为其中U为取决于基站侧天线配置方式的固定矩阵(称为特征模式矩阵，例如当基站侧天线采用均匀线阵的时候，特征模式矩阵为DFT矩阵)，Rb＝diag{rb1,rb2,…,rbM}为基站侧接收天线射频电路增益系数矩阵，rbm为基站侧第m根天线射频电路增益系数，tuk为用户k发送天线射频电路增益系数，mk为第k个用户所特有的信道统计参量构成的矢量(各元素均为正值)，的各个元素服从独立同分布假设(各元素均值为零、方差为1)，表示逐元素乘积。称为第k个用户在第t个探测周期的特征模式域信道矢量，并设在特征模式矩阵U已知的情况下，rk即为所需获得的第k个用户的统计信道信息，称为特征模式域信道能量耦合矢量。在第t个探测周期，首先由接收信号获得各用户特征模式域信道矢量的估计值，计算公式如下：h^t,kul=1Lσxsdt^ukUHR^b-1Ytsd(xt,ksd)*---(11)]]>其中*表示各元素取共轭，为基站侧接天线绝对射频电路增益系数估计值，为用户k发送天线绝对射频电路增益系数估计。然后利用和样本加强平均方法，即可获得的特征模式域信道能量耦合矢量ek的估计值，计算公式如下：ek=Σt′=0Ns-1αt′(h^t-t′,k)*⊗h^t-t′,k---(12)]]>式中，αt'为加权因子，满足Ns为窗口尺寸。由ek和U可以得到第t个探测周期内各用户无线信道的空间相关阵：Ckw=Udiag(ek)UH---(13)]]>式中，diag(ek)表示对角矩阵，其对角元素构成的矢量为ek。上行信道的空间相关阵：Ckul=t^ukR^bUdiag(ek)UHR^bHt^uk*---(14)]]>下行信道的空间相关阵：Ckdl=r^ukT^bUdiag(ek)UHT^bHr^uk*---(15)]]>式中，为基站侧发送天线绝对射频电路增益系数估计，为用户k接收天线绝对射频电路增益系数估计。各用户上行信道估计在上行训练阶段完成。设小区中存在K个单天线用户，用户发送的导频信号相互正交，即其中为发送导频信号的功率，以表示基站侧第m根天线接收到的导频信号，gk→m＝rbmwkmtuk表示第k个用户到基站侧第m根天线之间在当前训练周期的上行信道参数，其中wkm表示用户k到基站侧第m根天线的无线信道，表示第k个用户到基站侧M个天线之间的上行信道矢量，gk的第m个元素为gk→m。设基站接收到的导频信号可表示为：Ytr＝GulXtr+Ztr(16)其中Ztr为加性白高斯噪声矩阵，其各个元素的均值为零，方差为基站依据接收到的导频信号作最小均方误差(MMSE)估计，可以通过以下三种方式获取下行信道估计：(1)先由下式获取用户k无线信道部分估计：v^k=1σxtrCkw(Σj=1KCjw+1ρtrI)-1Ytr(xktr)*---(17)]]>然后由下式获取下行信道估计：g^kdl=T^bv^kr^uk---(18)]]>(2)先由下式获取用户k上行信道估计：g^kul=1σxtrCkul(Σj=1KCjul+1ρtrI)-1Ytr(xktr)*---(19)]]>然后由下式获取下行信道估计：g^kdl=T^bR^b-1g^kult^uk-1r^uk---(20)]]>(3)直接由下式获取用户k下行信道估计g^kdl=1σxtx(r^ukt^uk-1)*Ckdl(R^b-1T^b)H(Σj=1KCjdl+1ρtrI)-1Ytr(xktr)*---(21)]]>以上三种方式获取的下行信道估计相同。其估计的均方误差均可按下式计算：Cg~kdl=T^b[Ckw-Ckw(Σj=1KCjw+1ρtrI)-1Ckw]R^u---(22)]]>其中，(2)基于相对射频电路增益系数下行信道估计在上行训练阶段完成个用户上行信道估计。设小区中存在K个单天线用户，用户发送的导频信号相互正交，即其中为发送导频信号的功率，以表示基站侧第m根天线接收到的导频信号，gk→m＝rbmvkmtuk表示第k个用户到基站侧第m根天线之间在当前训练周期的上行信道参数，其中vkm表示用户k到基站侧第m根天线的无线信道，表示第k个用户到基站侧M个天线之间的上行信道矢量，gk的第m个元素为gk→m。设基站接收到的导频信号可表示为：Ytr＝GulXtr+Ztr(23)其中Ztr为加性白高斯噪声矩阵，其各个元素的均值为零，方差为假设基站侧已知各用户上行信道统计信息基站依据接收到的导频信号作最小均方误差(MMSE)信道估计，获得各用户上行信道的估计值及其均方误差。第k个用户信道估计值按下式计算：g^kul=1σxtrCkul(Σj=1KCjul+1ρtrI)-1Ytr(xktr)*---(24)]]>其估计的均方误差按下式计算：Cg~kul=Ckul-Ckul(Σj=1KCjul+1ρtrI)-1Ckul---(25)]]>其中为各用户上行训练阶段的发射信噪比。利用所获得的各用户的上行信道估计值以及信道估计的均方误差，下行信道估计值可由下式获取:g^kdl=Q^bg^kulq^uk---(26)]]>式中，下行信道估计均方误差由下式获取：Cg~kdl=Q^bCg~kulq^uk---(27)]]>4、下行鲁棒预编码以xdl表示基站在当前时刻向小区中K个用户发送的预编码之前的数据信号，其中第k个元素为第k个用户的发送数据信号，设其均值为零、方差为每个用户的发送数据信号为其发送信息比特流经过信道编码、交织及调制符号映射后得到的数据信号。以B表示基站预编码矩阵，基站侧实际发送信号为Bxdl。以ydl表示K个用户接收到的数据信号，其中第k个元素为第k个用户接收到的数据信号。以Gdl表示下行信道。接收信号可表示为：ydl＝GdlBxdl+zdl(28)其中zdl为加性白高斯噪声矢量，其各个元素的均值为零，方差为在平均最小均方误差准则下，基站侧的鲁棒预编码矩阵由下式计算：B=1γ[(G^dl(G^dl)H+Σk=1KCg~kdl+1ρdlI)-1G^dl]*---(29)]]>其中，为各用户下行传输的平均发射信噪比，γ为基站侧发射功率约束参数，可由下式计算：γ=tr{(G^dl)H(G^dl(G^dl)H+Σk=1KCg~kdl+1ρdlI)-2G^dl}K---(30)]]>其中tr{.}表示矩阵求迹运算。各调度用户利用接收到的信号，经过解调、解交织及信道解码等过程，可获得下行发送信息比特流的估计值。5、基于绝对射频电路增益系数预测用户遍历速率若获取绝对射频电路增益系数，则用户k的下行信干噪比可以由下式近似：其中，其中，式中，Ψ由下式计算，Ψ=(1NΣj=1K|ruk|2Tb*CeqjTTb1+ej+1NCg~kdl+1ρdlIN)-1---(37)]]>e[e1,e2,…,eK]中的元素定义为对于t＝1,2,…ek(t)=1Ntr{|ruk|2Tb*CeqkTTb(1NΣj=1K|ruk|2Tb*CeqjTTb1+ej(t-1)+1NCg~kdl*+1ρdlIN)-1}---(38)]]>且初值当小于给定迭代终止值时，迭代停止，函数和分别定义为：式中，Ψ′I＝Ψ′(I)，其中Ψ′(D)为关于D的函数定义为：Ψ′(D)=Ψ[1NΣj=1KTb*CeqjTTbej′(D)(1+ej)2+D]Ψ---(42)]]>其中e′(D)＝[e1′(D)…e′K(D)]T由下式计算：e′(D)＝[In-J]-1q(D)(43)其中，J和q(D)由下式计算：[J]i,j=1Ntr{Tb*CiTTbΨTb*CjTTbΨ}N[1+ej]2,1≤i,j≤K---(44)]]>[q(D)]i=1Ntr{Tb*CiTTbΨDΨ},1≤i≤K---(45)]]>则用户k的遍历速率可由下式近似：以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。当前第1页1 2 3