一种移动通信信道误差建模方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及多用户多入多出（MIM0,multiplei吨utmultipleoutput)频分双 工(P孤，化equencydivision化plexing)移动通信系统，特别是移动通信信道误差建模领 域。
【背景技术】
[0002] 多入多出（MIM0,multipleinputmultipleoutput)技术能够有效提升频谱效率 和传输速率，已经被大量应用在现代通信系统中，如多用户无线通信系统等。多用户MIM0 下行系统中基站炬S，basestation)在同一时频资源上与多个用户进行通信，用户不可避 免地受到多用户干扰。为了消除该种干扰，通常选择在BS端进行波束成形。
[0003] 目前已有的波束成形算法均假设BS能够获得理想信道状态信息（CSI，channel statein化rmation)。但是在实际通信应用中，BS无法获得理想CSI;如在时分双工 订孤,timedivision化plexing)系统中，BS可W根据上下行链路的互惠性，通过上行信 道进行信道估计获得CSI，但是由于估计的不准确性，会导致信道估计误差；而在频分双工 (?孤，化equencydivision化plexing)系统中，BS-般通过用户端的信道估计和有限反馈 的方式获得CSI，有限反馈会导致量化误差，且信道反馈过程会带来延时误差。从现有的中 外大量文献调研中发现，存在一些对W上H种误差中的一种或两种综合分析的建模方法， 但并不多，而对该H种误差进行综合分析的建模方法还未出现。但在实际的通信系统中，信 道误差对移动通信系统性能的影响非常大，因此研究不同误差的综合因素在通信应用中具 有巨大意义。
[0004] 基于此，本发明结合信道估计、量化和延时误差提出一种移动通信信道误差建模 方法，综合考虑移动用户反馈到BS的CSI同时存在估计、量化和延时误差，有效地实现逼真 的实际信道状态。
【发明内容】
[0005] 发明目的；提出一种在多用户MIM0通信系统中，BS无法获取理想CSI时对信道进 行估计而产生的估计误差、量化误差W及信道反馈过程产生的延时误差的建模方法，为实 际多用户MIM0下行传输优化提供设计基础。
[0006] 本发明的技术方案：
[0007] 系统模型为多用户下行MIM0系统，其中BS在同一时频资源上为K个用户服务，BS 配置M根发送天线，每个用户配置N根接收天线，如附图1所示。
[0008] 第k个用户接收到的信号可W表示为：
[0009] y*： =G}Wx+Hk (1)
[0010] 其中，G;心表示从BS到用户k的信道矩阵，其元素相互独立且为零均值、单 位方差的复高斯随机变量，n;eC^xi表示用户k所接收到的高斯加性白噪声向量，其元素 相互独立且为零均值、单位方差的复高斯随机变量，WeCMxKw和xgC^xi分别为预编码 矩阵和发送信号向量，（?）H表示矩阵的共辆转置。
[0011] 有K个用户接收到的信号为：
[0012] y=GWx+n似
[0013] 其中，y=(押，…，沁)T，G=咕，...，Gk)h，n=(片...，n;-)T，（ ?)嗦示矩阵的转置。 注意到E[nn^ =l，E[x巧=1，设BS发射功率限制为P，则有tr(WfH)《p，tr(.)表示矩 阵的迹。
[0014] BS和用户间信道估计、量化反馈和传输数据的过程如附图2所示。主要分为H个 步骤：
[0015] ①BS向用户发送信道训练序列；
[0016] ②用户接收训练序列并根据最小均方误差（MM沈,minimummeansquareerror) 准则估计信道矩阵，用户得到估计的信道矩阵后，采用随机矢量量化（RVQ，randomvector quantization)方法量化，选择距离最小的码字作为CSI的量化矩阵，并将码字对应的索引 号发送给BS;
[0017] ③BS根据索引号从码本找到对应的码字，从而得到信道矩阵，即CSI。上述估计、 量化、反馈的过程分别会带来信道估计、量化和延时误差，BS根据该种非理想的CSI，确定 预编码矩阵W，并向K个用户同时发送信号。
[0018] 为了设计同时存在信道估计、量化和延迟误差的建模方法，首先建立H种信道误 差，在此基础上再给出联合信道误差建模方法。
[0019] (1)估计信道误差模型
[0020] 假设Hk为用户k对原始信道矩阵Gk进行信道估计后得到的估计信道矩阵，则有W 下信道估计模型：
[0021] Gk=Hk+Ak做
[002引其中，AteC"xw为信道估计误差矩阵，其元素相互独立且均为零均值，方差为cTt2 的复高斯随机变量。需要说明的是，Ak与发送信号向量X，噪声向量n相互独立。
[0023] (2)量化信道误差模型
[0024] 用户对信道进行估计W后，采用RVQ量化方法，从码本大小为2B的码本中根据最 小距离原则选择码字，量化误差信道矩阵Hk与信道误差矩阵Hk的关系，表示为：
[0025] Hk=HkUJk+SkZk(4)
[002引其中，Hk是由Hk的列空间组成的正交基，即二Hw、山|，Ak为HtHf的特征 值组成的对角矩阵，且满足E(Ak) =MIw;U;_eCWxw是均匀分布在空间上的苗矩阵； Zi-ECWxw为上；角矩阵，且tr(ZfZfW冲-瓜），巧巧= 5为量化误差，其 只与反馈比特数和收发天线数有关；ecwxw为上H角矩阵，且满足VfV、. =Iw-ZfZf; S,_G(C'"xw，为Hk的左零空间组成的苗矩阵；Sk与Zk相互独立。把却巧=Ha-代入（4) 式，得到：
[0027](、）
[002引 （3)延时信道误差模型
[0029] 延时信道建模通常采用平稳遍历高斯马尔科夫块衰落方法，其数学形式表示如 下：
[0030] Hk[n] = P kHk[n-l]+Ek[n] (6)
[OOW其中，Hk[n]和Hk[n-U分别表示时刻n和时刻n-1的信道矩阵；Ek[n]为延时 误差矩阵，其元素为零均值、方差为1-A2的复高斯随机变量，且相互独立。参数Pk= Jc(2nfdkL)，Jn( ?)为0阶第一类贝塞尔函数，fdk为用户k的多普勒频移，TS为符号间隔。
[0032] (4)联合信道误差模型
[0033] 在信道估计、量化和延时误差同时存在的情况下，根据公式（3) (5)化），第n个时 刻BS到用户k的信道矩阵Gk[n]建模为：
[0034]
【主权项】
1. 本发明提出一种移动通信信道误差建模方法，具体为：针对多入多出MMO频分双工 FDD系统的实际应用中，移动用户反馈到基站BS的信道状态信息CSI同时存在估计、量化和 延时误差的实际问题，提出一种同时考虑上述三种信道误差的联合信道误差建模方法。
2. 根据权利要求1所述的一种移动通信信道误差建模方法，其特征在于： 为了设计同时存在信道估计、量化和延迟误差的建模方法，首先建立三种信道误差，在 此基础上再给出联合信道误差建模方法； (1) 估计信道误差模型 假设Hk为用户k对原始信道矩阵Gk进行信道估计后得到的估计信道矩阵，则有以下信 道估计模型： Gk=Hk+Ak 其中，Ait 为信道估计误差矩阵，其元素相互独立且均为零均值，方差为of的复 高斯随机变量；需要说明的是，Ak与发送信号向量x，噪声向量n相互独立； (2) 量化信道误差模型 用户对信道进行估计以后，采用随机矢量量化RVQ量化方法，从码本大小为2B的码本 中根据最小距离原则选择码字，量化误差信道矩阵Hk与信道误差矩阵Hk的关系，表示为： Hk=HkUkVSkZk
(3) 延时信道误差模型 延时信道建模通常采用平稳遍历高斯马尔科夫块衰落方法，其数学形式表示如下：Hk[n] =PkHk[n-l]+Ek[n] 其中，Hk[n]和Hk[n-1]分别表示时刻n和时刻n-1的信道矩阵；Ek[n]为延时误差矩阵， 其元素为零均值、方差为I-A2的复高斯随机变量，且相互独立；参数Pk=JciOjifdkTs)， J〇( ?)为〇阶第一类贝塞尔函数，fdk为用户k的多普勒频移，Ts为符号间隔； (4) 联合信道误差模型 在信道估计、量化和延时误差同时存在的情况下，根据公式Gk=Hk+Ak、
Hk[n] =PkHk [n-1]+Ek [n]，第n个时刻BS到用户k的信道 矩阵Gk [n]建模为：
diag( ?)表示对角矩阵。
3.根据权利要求2所述的一种移动通信信道误差建模方法，其特征在于： 联合信道误差建模具体流程如下，假设研究对象为小区中第k个用户， (1) 信道建模开始； (2) 建立第k个用户的信道估计误差的模型，估计信道矩阵含有估计误差矩阵如：Gk = Hk+Ak； (3) 结束对信道的估计后，采用RVQ量化方法，给出量化后的量化误差矩阵如：Hk=
(4) 采用平稳遍历高斯马尔科夫块衰落方法建立延时误差模型如：
(5) 在信道估计、量化和延时误差同时存在的情况下，根据各个误差模型表达式得出用 户k的联合信道误差矩阵如：
【专利摘要】本发明提出一种移动通信信道误差建模方法，具体为：针对多用户多入多出MIMO频分双工FDD系统的实际应用中，移动用户反馈到基站BS的信道状态信息CSI同时存在估计、量化和延时误差的实际问题，提出一种同时考虑上述三种信道误差的联合信道误差建模方法。该方法可用于逼真还原频分双工FDD移动通信系统信道，为多用户MIMO BS下行传输优化提供设计基础。
【IPC分类】H04B7-08, H04B7-06, H04L25-02, H04B17-391
【公开号】CN104717003
【申请号】CN201510094978
【发明人】廖勇, 周昕, 李瑜锋, 曹杰, 李 东
【申请人】重庆大学
【公开日】2015年6月17日
【申请日】2015年3月3日