用户辅助的时分双工多输入多输出三基站信道校准方法
【专利摘要】本发明涉及用户辅助的时分双工多输入多输出三基站信道校准方法，属于无线通信多输入多输出系统信道校准技术领域，该方法包括在每个基站的多根天线中任意选择一个天线作为参考天线，获得该参考天线与该基站的其他天线的上下行信道状态信息，根据获得的上下行信道状态信息得到该参考天线与该基站其他天线的信道校准系数；在已知用户大尺度衰落的前提下，选择辅助校准用户得到三个基站的三个参考天线之间的信道校准系数；根据得到的参考天线与该基站的其他天线的信道校准系数和三个参考天线之间的信道校准系数估算出三基站系统所有天线间的信道校准系数。该方法引入辅助校准用户，可提升CSI准确度进而提高信道校准精度，且降低信道校准的复杂度。
【专利说明】
用户辅助的时分双工多输入多输出三基站信道校准方法
技术领域
[0001] 本发明属于无线通信多输入多输出系统信道校准技术领域，特别涉及一种无线通 信领域用户辅助的时分双工多输入多输出三基站信道校准方法。
【背景技术】
[0002] 随着移动终端的不断增加，下行数据的业务量也越来越大，多输入多输出(ΜΜ0) 系统可以增大信道容量，从而引起产业界和学术界的广泛关注。ΜΜ0有两种双工模式，一种 是频分双工(FDD)，另一种是时分双工(TDD)。频分双工(FDD)是现在广泛应用的一种双工模 式，主要特征为上下行信道工作在不同的频段。在ΜΜ0系统中，频分双工(FDD)在对下行信 道状态进行估计时导频开销巨大;而若采用时分双工(TDD)模式，因其上下行信道都工作在 同一频段，故上下行信道存在互易性，因此可根据上行信道状态信息(CSI)估计下行信道状 态信息。然而实际系统中，由于上下行发射和接收器件不完美，破坏了信道互易性，所以利 用上行信道状态信息不能准确地估算出下行信道状态信息。故需要对上下行信道的差异进 行校准，使其满足互易性。
[0003] 目前对TDD上下行信道校准的方式主要有两种，绝对信道校准和相对信道校准。其 中绝对信道校准需要额外硬件对信道校准进行测量和补偿，增加了整个系统的复杂度和成 本;相对信道校准不需额外硬件，只需交换基站与用户间的CSI即可对信道进行校准。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为推进无线通信领域的时分双工多输入多输出技术的应用，提出 用户辅助的时分双工多输入多输出三基站信道校准方法，该方法可以较为准确地校准时分 双工多输入多输出系统上下行信道的差异，通过互易性原理可以比较简洁地得到下行信道 准确的信道状态信息。
[0005] 本发明提出的用户辅助的时分双工多输入多输出三基站信道校准方法，其特征在 于:在每个基站的多根天线中任意选择一个天线作为参考天线，获得该参考天线与该基站 的其他天线的上下行信道状态信息，根据获得的上下行信道状态信息得到该参考天线与该 基站其他天线的信道校准系数;在已知用户大尺度衰落的前提下，选择辅助校准用户得到 三个基站的三个参考天线之间的信道校准系数;根据得到的参考天线与该基站的其他天线 的信道校准系数和三个参考天线之间的信道校准系数估算出三基站系统所有天线间的信 道校准系数。
[0006] 本方法具体包括以下步骤：
[0007] 1)设三基站系统中的三个基站记为基站1、基站2和基站3,每个基站有N根天线，三 个基站共服务K个用户，N、K为任意正整数，每个用户只有一根天线;在每个基站的N根天线 中分别任选一根天线作为参考天线；
[0008] 2)建立基站参考天线与该基站的其他天线的信道校准系数:根据最小均方误差 (MMSE)方法估计基站参考天线与该基站的其他天线的上下行信道状态信息；设第m个基站 的参考天线与该基站的其他第η根天线的上行信道状态信息gm,n,N和下行信道状态信息 hm,n,N分别为：
[0009]
[0010]
[0011] m=l，2,3，n=l，2,. . . ,n,. . . ,N-l，tm,n为第m个基站第η根天线的发送链路等效参 数，U,N为第m个基站参考天线的发送链路等效参数，rm,n为第m个基站第η根天线的接收链路 等效参数，rm,N为第m个基站参考天线的接收链路等效参数;ftn,η, Ν为用户到第m个基站第η根 天线的大尺度衰落，Cm, η, Ν为用户到第m个基站第η根天线的小尺度衰落；
[0012] 定义；为第m个基站的第η根天线发送链路等效参数和接收链路等效参 数的比值；
[0013]根据上下行信道状态信息及公式(3)得到参考天线与该基站的其他天线的信道校 准系数与发送链路和接收链路的比值的关系：
[0014] y m, l^m, 1,N = Y m,2^m,2,Ν-'' = T m,Ν (3)
[0015] 其中ym,N为第m个基站参考天线发送链路等效参数和接收链路等效参数的比值， 4,0 = 为所求的第m个基站参考天线到该基站其他第η根天线的信道校准系数；
[0016] 3)，选出两个用户作为辅助校准用户：
[0017] 3_1)，设第1^个用户到第111个基站的大尺度衰落为匕,1{沽=1，2，...，1...，1(;设每 个基站天线和用户天线的发送接收链路的等效参数服从相同的分布；
[0018] 3-2)，在任意两个基站之间选择一个用户，使其到两个基站的大尺度衰落之和最 小；三个基站选出的三个用户分别记为用户a，用户b和用户c，这三个用户到相应的两个基 站的大尺度衰落之和分别记为1汍，&;在冲选出较小的两个所对应的用户作为辅 助校准用户，设用户a和用户b为已选出的辅助校准用户；
[0019] 4)确定三基站系统的参考天线:所述两个辅助校准用户a和b的大尺度衰落之和均 与同一个基站相关，设该基站恰为基站2，则将该基站的参考天线确定为二基站系统参考天 线；
[0020] 5)确定三基站系统参考天线到其他基站参考天线之间的信道校准系数：
[0021] 用MMSE估计方法分别估计辅助校准用户a到基站1的参考天线上下行信道状态信 息81,^>^，辅助校准用户 &到基站2的参考天线上下行信道状态信息沿,^，112,^，辅助校 准用户b到基站2的参考天线的上下行信道状态信息沿^^，1^^辅助校准用户13到基站3的 参考天线的上下行信道状态信息g3,N,b，h 3,N,b;
[0022] 5-1)则基于辅助校准用户a辅助校准的基站1和基站2的上下行信道状态信息为 81,^11 2,^^2^111,^，基于辅助校准用户13辅助校准的基站2和基站3的上下行信道状态信 息为g2,N,bh3,N,b，g3,N,bh2,N，b;
[0023] 其中：= rMjv .机-vKuNj^1) '机_?,Λ·，m 二 1,2,3.7 = α,6 ; t j和 ^分别为用户j的发送和接收链路等效参数;cm,μ为用户j到第m个基站参考天线的小尺度 衰落;为用户j到第m个基站参考天线的大尺度衰落；
[0024] 5-2)，则以基站2的参考天线为三基站系统参考天线的三基站系统中，参考天线之 间的信道校准系数与接收链路和发送链路的比值的关系如公式(4)所示：
[0025] γ 1,Νλ?,2= γ 3,Νλ3,2= γ 2,Ν (4)
[0026] 其中
λ1>2为基站1的参考天线到基站2的参考天 线的信道校准系数；
[0027] 6)，则第m个基站的第η根天线到基站2的参考天线的信道校准系数为：
[0028] n； 2, Ν - η, N-^m, 2 (5);
[0029] 根据公式（5)可得到以基站2的参考天线为三基站系统参考天线的三基站系统的 信道校准系数，至此就得到了三基站系统中任意天线到三基站系统参考天线的信道校准系 数。
[0030] 本发明的特点及有益效果：
[0031] 本发明所提的信道校准方法基于相对信道校准的方式，在三基站系统中，先得到 每个基站的参考天线与该基站的其他天线的信道校准系数和三个基站的三个参考天线之 间的信道校准系数，再估算三基站系统所有天线间的信道校准系数，如此分步进行信道校 准，可进一步降低信道校准的复杂度;此外，本发明方法中引入辅助校准用户，可提升CSI准 确度进而提高信道校准精度。
【附图说明】
[0032]图1为多输入多输出三基站信道校准示意图。
[0033]图2为本发明的用户辅助的时分双工多输入多输出三基站信道校准方法流程图。
【具体实施方式】
[0034]为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本 发明作进一步详细说明。
[0035]本发明提出的用户辅助的时分双工多输入多输出三基站信道校准方法，其特征在 于:在每个基站(基站具有多根天线）的多根天线中任意选择一个天线作为参考天线，获得 该参考天线与该基站的其他天线的上下行信道状态信息，根据获得的上下行信道状态信息 得到该参考天线与该基站其他天线的信道校准系数;在已知用户大尺度衰落的前提下，选 择辅助校准用户得到三个基站的三个参考天线之间的信道校准系数;根据得到的参考天线 与该基站的其他天线的信道校准系数和三个参考天线之间的信道校准系数估算出三基站 系统所有天线间的信道校准系数。
[0036]本方法具体包括以下步骤：
[0037] 1)设三基站系统，如图1所示，图中标号1、2、3为基站，a、b、c为用户，双向箭头表示 基站与用户间相互通信，每个基站有N根天线，三个基站共服务K个用户(N、K为任意正整数， N可取典型值为几百，K可取典型值为几或几十），每个用户只有一根天线;在每个基站的N根 天线中分别任选一根天线11、12、13作为参考天线；
[0038] 2)建立基站参考天线与该基站的其他天线的信道校准系数:根据最小均方误差 (MMSE)方法估计基站参考天线与该基站的其他天线的上下行信道状态信息；设第m个基站 的参考天线与该基站的其他第η根天线的上行信道状态信息gm,n,N和下行信道状态信息 hm,n,N分别为：
[0039]
[0040]
[0041] m=l ,2,3，n=l ,2,. . . ,η,. . . ,Ν-l，tm,n为第m个基站第η根天线的发送链路等效参 数，U,N为第m个基站参考天线的发送链路等效参数，rm,n为第m个基站第η根天线的接收链路 等效参数，rm,N为第m个基站参考天线的接收链路等效参数，（1^、1:11^、1' 111,11、1^参数为信道 固有属性，是一种增益，上下行信道不对称时，"^辛^^"^辛^^因此需要进行信道校 准）；Κ,η,N为用户到第m个基站第η根天线的大尺度衰落(通过长期测量已知，在本方法中为 确定已知），Cm, η, Ν为用户到第m个基站第η根天线的小尺度衰落(未知中间量，在计算比值过 程中可约分，不需获得具体值）；
[0042] 定义、为第m个基站的第η根天线发送链路等效参数和接收链路等效参 数的比值；
[0043]根据上下行信道状态信息及公式(3)得到参考天线与该基站的其他天线的信道校 准系数与发送链路和接收链路的比值的关系：
[0044] ym,l^m,l,N= Υ??^λ,η^,Ν. . . = Ym,N (3)
[0045] 其中ym,N为第m个基站参考天线发送链路等效参数和接收链路等效参数的比值， 为所求的第m个基站参考天线到该基站其他第η根天线的信道校准系数；
[0046] 3)，选出两个用户作为辅助校准用户：
[0047] 3-1)，设第k个用户到第m个基站的大尺度衰落(第k个用户到第m个基站参考 天线的大尺度衰落等于第k个用户到第m个基站的大尺度衰落），k=l，2,. . .，k，. . .，K;设每 个基站天线和用户天线的发送接收链路的等效参数服从相同的分布，则根据MMSE方法估计 的信道状态信息准确度只与信道的大尺度衰落有关(大尺度衰落越大则信道估计越不准 确）；
[0048] 3-2)，在任意两个基站之间选择一个用户，使其到两个基站的大尺度衰落之和最 小;三个基站选出三个用户分别记为a，b，c，这三个用户到相应的两个基站（即用户介于该 相应两个基站之间）的大尺度衰落之和分别记为1仇，&。在1&，队中选出较小的两个，它 们所对应的用户作为辅助校准用户，设用户a和用户b为已选出的辅助校准用户；
[0049] 4)确定三基站系统的参考天线:若所述两个辅助校准用户a和b的大尺度衰落之和 均与同个基站相关，则将该基站的参考天线确定为二基站系统参考天线，该基站记为基 站2;(即用户a介于基站1和基站2之间，用户b介于基站2和基站3之间，它们的大尺度衰落i3a 和ft)均与基站2相关，则称基站2的参考天线为二基站系统参考天线）；
[0050] 5)确定三基站系统参考天线到其他基站参考天线之间的信道校准系数：
[0051] 用MMSE估计方法分别估计辅助校准用户a到基站1的参考天线上下行信道状态信 息81,^>^，辅助校准用户 &到基站2的参考天线上下行信道状态信息沿,^，112,^，辅助校 准用户b到基站2的参考天线的上下行信道状态信息沿^^，1^^辅助校准用户13到基站3的 参考天线的上下行信道状态信息g3,N,b，h 3,N,b;
[0052] 5-1)则基于辅助校准用户a辅助校准的基站1和基站2的上下行信道状态信息为 81,^11 2,^^2^111,^，基于辅助校准用户13辅助校准的基站2和基站3的上下行信道状态信 息为g2,N,bh3,N,b，g3,N,bh2,N，b;
[0053] 其中：
j和 ^分别为用户j的发送和接收链路等效参数;cm,μ为用户j到第m个基站参考天线的小尺度 衰落(未知中间量，在计算比值过程中可约分，不需获得具体值）为用户j到第m个基站 参考天线的大尺度衰落(通过长期测量已知，在本方法中为确定已知）；
[0054] 5-2)，则以基站2的参考天线为三基站系统参考天线的三基站系统中，参考天线之 间的信道校准系数与接收链路和发送链路的比值的关系如公式(4)所示：
[0055] γ ι,Νλι,2= γ 3,Νλ3,2= γ 2,ν (4)
[0056] 其牛
》λ1>2为基站1的参考天线到基站2的参考天 线的信道校准系数；
[0057] 6)，则第m个基站的第η根天线到基站2的参考天线的信道校准系数为：
[0058] λ^,η^,Ν - n, N^m, 2 (5);
[0059] 根据公式（5)可得到以基站2的参考天线为三基站系统参考天线的三基站系统的 信道校准系数，至此就得到了三基站系统中任意天线到三基站系统参考天线的信道校准系 数。
[0060] 实施例
[0061] 本发明方法实施例用于如图1所示在三基站系统中，每个基站有100根天线，每个 基站服务10个用户，每个用户只有一根天线。
[0062]本实施例具体包括以下步骤：
[0063] 1)在每个基站的100根天线中分别任选一根天线作为参考天线。
[0064] 2)根据最小均方误差(MMSE)方法估计基站参考天线与该基站其他天线的上下行 信道状态信息;本实施例的系统中，每个基站有100根天线，第m(m= 1，2，3)个基站的参考天 线与该基站其他第η根天线的上下行信道状态信息为：
[0065]
[0066]
[0067] tm,n(n = l，2，. . .，99)为第m个基站第η根天线的发送链路等效参数为第m个 基站参考天线的发送链路等效参数;5,"(11 = 1，2，..，99)为第111个基站第11根天线的接收链 路等效参数，rm, 100为第m个基站参考天线的接收链路等效参数。Cm,n, 100为用户到第m个基站 第η根天线的小尺度衰落(未知），ftn, n, 1QQ为用户到第m个基站第η根天线的大尺度衰落（已 知）。
[0068] 定义}为第m个基站第η根天线发送链路等效参数和接收链路等效参数 的比值；
[0069] 根据上下行信道状态信息及公式(3)得到参考天线与该基站其他天线的信道校准 参数与发送链路和接收链路的比值的关系：
[0070] y m,l^m,l,l〇〇= T m,2^m,2,l〇〇) · · , = T m,N (3)
[0071] 其中为所求的第m个基站参考天线到该基站其他第n根天线的 信道校准系数。
[0072] 3)，选出两个用户作为辅助校准用户：
[0073] 3-1)，设第j个用户到第m个基站的大尺度衰落为(第j个用户到第m个基站参考 天线的大尺度衰落可认为等于第j个用户到第m个基站的大尺度衰落）。假设每个基站天线 和用户天线的收发链路的等效参数服从相同的分布，则根据MMSE方法估计的信道状态信息 准确度只与信道的大尺度衰落有关。大尺度衰落越大则信道估计越不准确；
[0074] 3-2)，如图1在任意两个基站之间选择一个用户，使其到两个基站的大尺度衰落之 和最小;设a，b，c为已选择的三个用户，记这三个用户到相应的两个基站的大尺度衰落之和 为&，f3b，&。在&，f3b，&中选出较小的两个，它们所对应的用户作为辅助校准用户；
[0075] 4)，确定三基站系统参考天线:假设用户a和用户b为已选择的辅助校准用户，用户 a介于基站1和基站2之间，用户b介于基站2和基站3之间，则称基站2的参考天线为二基站系 统参考天线
[0076] 5)，确定三基站系统参考天线到其他基站参考天线之间的信道校准系数：
[0077]用MMSE估计方法分别估计用户a到基站1的参考天线上下行信道状态信息gl,1() 0,a， hi,i〇Q,a，用户a到基站2的参考天线上下行信道状态信息82,1〇〇,3，112,1()(), ￡1，用户13到基站2的参 考天线的上下行信道状态信息82,100,15，112,1()(),1 )，用户13到基站3参考天线的上下行信道状态信 息 g3,100,b，h3,100，b;
[0078] 5-1)，则基于用户&辅助的基站1和基站2的上下行信道状态信息为8 1,1〇(),^12,1()0, 3， 区2,100,3111,1()(),￡1，基于用户13辅助的基站2和基站3的上下行信道状态信息为82,1()(),1 )113,1()0,1)， g3，100，bh2，100，b:
[0079] 其中
[0080]
j和G分别为第j个用户的发送 和接收链路等效参数为第j个用户到第m个基站参考天线的小尺度衰落（未知）。 为第j个用户到第m个基站参考天线的大尺度衰落(已知）。
[0081] 5-2)，则以第2个基站参考天线为三基站系统参考天线的系统中，参考天线之间的 信道校准系数与接收链路和发送链路的比值的关系如公式(4)所示。
[0082] γ ι,ι〇〇λι,2= γ 3,ι〇〇λ3,2= γ 2,ι〇〇 (4)
[0083] 其中
4,2为基站1的参考天线到基站2的参考 天线的信道校准系数。
[0084] 6)，则第m个基站的第η根天线到第2个基站参考天线的信道校准系数为
[0085] n； 2, loo - n； i〇〇Am； 2 (5)
[0086] 根据公式（5)可得到以第2个基站的参考天线为三基站系统参考天线的三基站系 统的信道校准系数。
【主权项】
1. 一种用户辅助的时分双工多输入多输出三基站信道校准方法，其特征在于:在每个 基站的多根天线中任意选择一个天线作为参考天线，获得该参考天线与该基站的其他天线 的上下行信道状态信息，根据获得的上下行信道状态信息得到该参考天线与该基站其他天 线的信道校准系数;在已知用户大尺度衰落的前提下，选择辅助校准用户得到三个基站的 三个参考天线之间的信道校准系数;根据得到的参考天线与该基站的其他天线的信道校准 系数和三个参考天线之间的信道校准系数估算出三基站系统所有天线间的信道校准系数。2. 如权利要求1所述用户辅助的时分双工多输入多输出三基站信道校准方法，其特征 在于，该方法具体包括以下步骤： 1) 设三基站系统中的三个基站记为基站1、基站2和基站3，每个基站有N根天线，三个基 站共服务K个用户，N、K为任意正整数，每个用户只有一根天线;在每个基站的N根天线中分 别任选一根天线作为参考天线； 2) 建立基站参考天线与该基站的其他天线的信道校准系数:根据最小均方误差(MMSE) 方法估计基站参考天线与该基站的其他天线的上下行信道状态信息；设第m个基站的参考 天线与该基站的其他第η根天线的上行信道状态信息g m,n,N和下行信道状态信息hm,n,N分别 为：m=l，2,3，n = l，2, . . . ,n, . . . ,N-l，tm,n为第m个基站第η根天线的发送链路等效参数， U,N为第m个基站参考天线的发送链路等效参数，rm,n为第m个基站第η根天线的接收链路等 效参数，rm,N为第m个基站参考天线的接收链路等效参数;ftn,n,N为用户到第m个基站第η根天 线的大尺度衰落， Cm,n,N为用户到第m个基站第η根天线的小尺度衰落； 定义为第m个基站的第η根天线发送链路等效参数和接收链路等效参数的 比值； 根据上下行信道状态信息及公式(3)得到参考天线与该基站的其他天线的信道校准系 数与发送链路和接收链路的比值的关系： Y m, l-^m, I, N - Y m, 2-^m, 2, N . . . - Y m, N ( 3 ) 其中γη,N为第m个基站参考天线发送链路等效参数和接收链路等效参数的比值， 为所求的第m个基站参考天线到该基站其他第η根天线的信道校准系数； 3) ，选出两个用户作为辅助校准用户： 3-1)，设第k个用户到第m个基站的大尺度衰落Si3m,k，k=l，2, . . .，k，. . .，Κ;设每个基 站天线和用户天线的发送接收链路的等效参数服从相同的分布； 3-2)，在任意两个基站之间选择一个用户，使其到两个基站的大尺度衰落之和最小;三 个基站选出的三个用户分别记为用户a，用户b和用户c，这三个用户到相应的两个基站的大 尺度衰落之和分别记为^，仇，β。;在^，仇，β。中选出较小的两个所对应的用户作为辅助校准 用户，设用户a和用户b为已选出的辅助校准用户； 4) 确定三基站系统的参考天线:所述两个辅助校准用户a和b的大尺度衰落之和均与同 一个基站相关，设该基站恰为基站2，则将该基站的参考天线确定为三基站系统参考天线； 5)确定三基站系统参考天线到其他基站参考天线之间的信道校准系数： 用MMSE估计方法分别估计辅助校准用户a到基站1的参考天线上下行信道状态信息 81,1￡1，111^，辅助校准用户&到基站2的参考天线上下行信道状态信息82,1￡1，112,1 ￡1，辅助校准 用户b到基站2的参考天线的上下行信道状态信息82,^，1!2,^，辅助校准用户13到基站3的参 考天线的上下行信道状态信息g 3,N,b，h3,M; 5-1)则基于辅助校准用户a辅助校准的基站1和基站2的上下行信道状态信息为(gl,N, ah2,N,N,a)，基于辅助校准用户b辅助校准的基站2和基站3的上下行信道状态信息 为（g2，N，bh3，N，b,g3，N，bh2，N，b);^分别为用户j的发送和接收链路等效参数;Cm,M为用户j到第m个基站参考天线的小尺度 衰落;为用户j到第m个基站参考天线的大尺度衰落； 5-2)，则以基站2的参考天线为三基站系统参考天线的三基站系统中，参考天线之间的 信道校准系数与接收链路和发送链路的比值的关系如公式(4)所示： Υ?，Νλ?，2=Υ3，Νλ3,2=Υ2，Ν (4)^i, 2为基站1的参考天线到基站2的参考天线的 信道校准系数； 6 )，则第m个基站的第η根天线到基站2的参考天线的信道校准系数为： ^?m, η, 2, N - n, N^m, 2 ( 5 ); 根据公式(5)可得到以基站2的参考天线为三基站系统参考天线的三基站系统的信道 校准系数，至此就得到了三基站系统中任意天线到三基站系统参考天线的信道校准系数。
【文档编号】H04B7/04GK105933047SQ201610204125
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月1日
【发明人】粟欣, 曾捷, 林小枫, 容丽萍, 许希斌, 王京, 赵明
【申请人】清华大学