角度-时延域导频复用宽带大规模mim0通信方法
【专利摘要】本发明提出一种角度_时延域导频复用宽带大规模MIM0通信方法。基站侧在各子载波上与多个用户同时进行无线通信。各用户的探测序列由同一恒模序列经过频域调制生成，不同用户在一个或多个连续0FDM符号的多个子载波上同时发送上行探测信号，基站侧据此获取各用户的角度-时延域二维统计信道信息，并由此确定各用户的导频调制因子。各用户的导频序列由同一恒模序列经过频域调制生成，不同用户在一个或多个连续0FDM符号的多个子载波上同时发送上行导频信号，基站侧据此获取各用户导频段以及数据段的信道估计值。在各个子载波上，基站侧依据信道估计值以及估计误差空间相关阵实施上下行鲁棒传输。本发明能够降低系统导频开销，提升系统频谱及功率效率。
【专利说明】角度-时延域导频复用宽带大规模ΜΙΜΟ通信方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种使用多天线的宽带大规模ΜΙΜΟ无线通信方法，尤其涉及一种角 度-时延域导频复用宽带大规模ΜΜ0无线通信方法。
【背景技术】
[0002] 基站侧配备大规模天线阵列的大规模ΜΙΜΟ无线通信技术可以深度利用无线信道 的空间维度资源，相比传统小规模ΜΜ0技术能够进一步提升无线通信系统的有效性及可 靠性，引起了学术界和工业界的广泛关注。实际的无线传播信道均为宽带信道，而正交频分 复用（0FDM)技术能够将宽带信道分解为多个并行的窄带信道，大规模ΜΙΜΟ结合0FDM是下 一代宽带移动通信系统的发展趋势之一。
[0003] 无线通信系统传输质量取决于信道参数估计的准确程度，为了准确及时地获取信 道参数估计值，实际中常采用基于导频辅助的信道估计方法。对于大规模多用户MIM0-0FDM 无线通信系统来说，有大量的信道参数需要估计，这将导致大量的导频开销。同时，线性最 小均方误差信道估计需要高维矩阵求逆运算，实现复杂度较高。导频开销以及信道估计的 复杂度成为大规模MM0-0FDM无线通信的瓶颈问题。
[0004] 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。大规模MM0-0FDM信道在角度-时延域呈现解相关特性，利用该 特性能够有效降低线性最小均方误差信道估计的实现复杂度。基于以上特性，本发明给出 了一种基于角度-时延域二维统计信道信息的角度-时延域导频复用宽带大规模ΜΜ0无 线通信方法。
【发明内容】
[0005] 技术问题：本发明的目的是提供一种基于角度-时延域二维统计信道信息的角 度-时延域导频复用宽带大规模ΜΜ0无线通信方法，充分挖掘角度-时延域的导频资源， 节省系统的导频开销，降低信道估计的复杂度。该方法的基本特点是，小区中各用户在一个 或多个连续0FDM符号的多个子载波上同时发送上行探测信号，基站侧据此获取各用户的 角度-时延域二维统计信道信息。各用户在一个或多个连续0FDM符号的多个子载波上同 时发送上行导频信号，不同用户的频域导频序列由同一序列经过频域调制来生成。基站侧 利用各用户的角度-时延域二维统计信道信息，动态确定导频调制模式，即各用户的频域 导频序列调制因子。
[0006] 技术方案：一种角度-时延域导频复用宽带大规模ΜΙΜ0通信方法，其特征在于该 方法具体为：
[0007] a.适用于时分双工宽带大规模ΜΙΜ0无线通信系统，采用正交频分复用0FDM调制 方式，基站在各子载波上与多个用户同时进行无线通信；
[0008] b.通信过程由多个连续帧组成，每一帧信号由帧头的上行探测信号和多个子帧组 成；每一子帧的信号由多个0FDM符号组成，每一子帧依次由上行数据信号段、上行导频信 号段以及下行数据信号段组成，分别传输用户发送给基站的上行链路传输信号和上行导频 信号以及基站发给用户的下行链路传输信号；
[0009] c.基站侧通过各用户的上行探测获取小区中各用户的角度-时延域二维统计信 道信息，不同用户的探测信号不要求使用正交时频资源；
[0010] d小区中各用户在每一子帧上行导频信号段的一个或多个连续0FDM符号的多个 子载波上同时发送上行导频信号，同一小区中不同用户在上行导频信号段多个连续0FDM 符号上所使用的导频序列由同一导频序列经过频域调制生成，不同用户的导频调制因子由 基站侧依据各用户角度-时延域二维统计信道信息动态确定；
[0011] e.依据各用户的角度-时延域二维统计信道信息，基站侧利用当前子帧上行导频 信号段接收到的导频信号对各用户在当前子帧导频信号段各0FDM符号上的信道参数进行 估计，并利用各用户的导频调制因子，确定当前子帧导频信号段各0FDM符号上各用户的信 道估计误差空间相关阵；
[0012] f.基站侧利用信道的时域相关特性以及当前子帧导频信号段的信道参数估计值， 实施当前子帧上行及下行数据信号段各0FDM符号上的各用户信道参数估计，并获取数据 信号段各0FDM符号上各用户的信道估计误差空间相关阵；
[0013] g.在上行数据发送阶段，各用户分别在各个子载波上同时发送上行数据信号，基 站侧存储所接收到的数据信号，待基站侧接收完上行导频信号并完成当前子帧上行数据信 号段各0FDM符号上的各用户信道参数估计后，利用信道参数估计值以及估计误差空间相 关阵对上行链路数据信号进行鲁棒接收处理；
[0014] h.在下行数据传输阶段，基站侧分别在各个子载波上向各用户同时发送数据信 号，基站侧利用当前子帧下行数据信号段各0FDM符号上的各用户信道参数估计值以及估 计误差空间相关阵，在各子载波上分别实施鲁棒预编码，向各用户同时发送数据信号，各用 户在各子载波上分别进行接收处理；
[0015] i.基站侧依据各用户的角度-时延域二维统计信道信息，确定本小区中各用户的 导频调制模式，即小区中各用户的导频序列调制因子，并通知本小区中的各用户。
[0016] 所述的时分双工宽带大规模ΜΙΜ0无线通信系统采用0FDM调制方式，基站侧分别 在各个子载波上与多个用户同时进行通信。
[0017] 所述的上行链路传输信号包括上行探测信号、上行数据信号及上行导频信号，下 行链路传输信号包括下行数据信号。传输过程可划分为多个连续的帧，每一帧信号由帧头 的上行探测信号和多个子帧组成。每一子帧的信号由多个0FDM符号组成，每一子帧依次由 上行数据信号段、上行导频信号段以及下行数据信号段组成。
[0018] 所述的各用户的角度-时延域二维统计信道信息获取由上行链路的信道探测过 程完成。各用户在每一帧帧头的一个或多个连续0FDM符号的多个子载波上同时发送上行 探测信号，不同用户的探测信号不要求使用正交时频资源。同一小区中不同用户的频域探 测信号由同一恒模序列（称为该小区的基本探测序列）经过频域调制生成，相邻小区的基 本探测序列要求具有较好的互相关特性，即互相关小于系统所要求的门限值。各小区基 站依据接收到的上行探测信号获取小区中各用户当前帧中角度-时延域信道参数的最小 二乘估计，进而利用迭代法估计当前帧中各用户的角度-时延域二维统计信道信息，即角 度-时延域信道能量耦合矩阵。
[0019] 所述的小区中各用户在每一子帧上行导频信号段的一个或多个连续OFDM符号的 多个子载波上同时发送上行导频信号。同一小区中不同用户所使用的导频序列由同一导频 序列（称为该小区的基本导频序列）经过频域调制生成，其调制因子由基站侧依据小区内 各用户的角度-时延域二维统计信道信息动态确定。相邻小区的基本导频序列要求具有较 好的互相关特性，即互相关小于系统所要求的门限值。
[0020] 所述基站侧利用当前子帧上行导频信号段接收到的导频信号对各用户在当前子 帧各0FDM符号上的信道参数进行估计。基站侧利用各用户的角度-时延域二维统计信道 信息，实现低复杂度的线性最小均方误差信道参数估计。首先对各用户的角度-时延域信 道参数实施最小二乘估计，进而依据角度-时延域信道的解相关特性，对角度-时延域信道 实施低复杂度的逐元素最小二乘估计，最后通过酉变换获得各用户在当前子帧导频信号段 的空间-频率域信道参数估计值。导频信号段各用户信道估计误差空间相关阵通过各用户 角度-时延域二维统计信道信息以及导频调制模式确定。
[0021] 所述基站侧利用信道的时域相关特性以及当前子帧导频信号段的信道参数估计 值，实施当前子帧上行及下行数据信号段各0FDM符号上的各用户信道参数估计，并获取数 据信号段各0FDM符号上的信道估计误差空间相关阵。数据信号段各用户信道估计误差空 间相关阵通过各用户角度-时延域二维统计信道信息、信道时域相关特性以及导频调制模 式确定。
[0022] 所述的在上行数据发送阶段，各用户分别在各个子载波上同时发送上行数据信 号，基站侧存储所接收到的数据信号。待基站接收完上行导频信号并完成当前子帧上行数 据信号段各0FDM符号上各用户信道参数估计后，分别在各个子载波上利用信道参数估计 值以及估计误差空间相关阵对上行链路数据信号进行鲁棒接收处理。
[0023] 所述的在下行数据传输阶段，基站侧分别在各个子载波上向各用户同时发送数据 信号。基站利用当前子帧下行数据信号段各0FDM符号上的各用户信道参数估计值以及估 计误差空间相关阵，在各子载波上分别实施鲁棒预编码，向各用户同时发送数据信号，各用 户在各子载波上分别进行接收处理。
[0024] 所述的基站侧依据各用户的角度-时延域二维统计信道信息，确定本小区中各用 户的导频调制模式，即小区中各用户的频域导频调制因子，并通知本小区中的各用户。各用 户的导频调制因子依据角度-时延域二维统计信道信息自适应变化。
[0025] 有益效果：本发明提供的基于角度-时延域二维统计信道信息的角度-时延域导 频复用宽带大规模ΜΜ0无线通信方法具有如下优点 ：
[0026] 1、利用宽带无线传播信道在角度-时延域的统计特征，充分挖掘角度-时延域的 导频资源，大幅降低系统的导频开销，进而提升系统的频谱效率及功率效率。
[0027] 2、依据各用户的角度-时延域二维统计信道信息，对导频资源进行自适应的动态 调度，在降低导频开销的同时，保障信道估计性能，并提升系统的灵活性。
[0028] 3、利用宽带大规模ΜΙΜ0信道在角度-时延域的解相关特性，可以大幅降低线性最 小均方误差信道估计的实现复杂度。利用信道的时域相关特性对数据传输阶段的信道进行 估计，进一步提升了数据段信道估计的准确性。
[0029] 4、每一帧上行数据信号在上行导频信号之前发送，减小了信道估计不准确对上行 数据传输性能的影响，提升了系统的鲁棒性。
【专利附图】
【附图说明】
[0030] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述 中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅表明本发明的一 些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些 附图获得其他实施例的附图。
[0031] 图1为基于角度-时延域二维统计信道信息的大规模MIM0-0FDM系统传输信号帧 结构示意图。
【具体实施方式】
[0032] 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。
[0033] 1、系统配置、传输信号帧结构及通信过程
[0034] 多小区蜂窝系统中，各小区基站侧配置包含数十个以上天线单元的大规模天线阵 列，大规模天线阵列可采用线阵列、圆阵列或者板阵列等多种阵列结构之一。假设基站侧配 备的天线单元数目为M，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，各天线单元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。假设小区中存在K个配备单根 天线的用户，^
【权利要求】
1. 一种角度-时延域导频复用宽带大规模MMO通信方法，其特征在于该方法具体为： a. 适用于时分双工宽带大规模ΜΙΜΟ无线通信系统，采用正交频分复用OFDM调制方式， 基站在各子载波上与多个用户同时进行无线通信； b. 通信过程由多个连续帧组成，每一帧信号由帧头的上行探测信号和多个子帧组成； 每一子帧的信号由多个OFDM符号组成，每一子帧依次由上行数据信号段、上行导频信号段 以及下行数据信号段组成，分别传输用户发送给基站的上行链路传输信号和上行导频信号 以及基站发给用户的下行链路传输信号； c. 基站侧通过各用户的上行探测获取小区中各用户的角度-时延域二维统计信道信 息，不同用户的探测信号不要求使用正交时频资源； d. 小区中各用户在每一子帧上行导频信号段的一个或多个连续OFDM符号的多个子载 波上同时发送上行导频信号，同一小区中不同用户在上行导频信号段多个连续OFDM符号 上所使用的导频序列由同一导频序列经过频域调制生成，不同用户的导频调制因子由基站 侧依据各用户角度-时延域二维统计信道信息动态确定； e. 依据各用户的角度-时延域二维统计信道信息，基站侧利用当前子帧上行导频信 号段接收到的导频信号对各用户在当前子帧导频信号段各OFDM符号上的信道参数进行估 计，并利用各用户的导频调制因子，确定当前子帧导频信号段各OFDM符号上各用户的信道 估计误差空间相关阵； f. 基站侧利用信道的时域相关特性以及当前子帧导频信号段的信道参数估计值，实施 当前子帧上行及下行数据信号段各OFDM符号上的各用户信道参数估计，并获取数据信号 段各OFDM符号上各用户的信道估计误差空间相关阵； g. 在上行数据发送阶段，各用户分别在各个子载波上同时发送上行数据信号，基站侧 存储所接收到的数据信号，待基站侧接收完上行导频信号并完成当前子帧上行数据信号段 各OFDM符号上的各用户信道参数估计后，利用信道参数估计值以及估计误差空间相关阵 对上行链路数据信号进行鲁棒接收处理； h. 在下行数据传输阶段，基站侧分别在各个子载波上向各用户同时发送数据信号，基 站侧利用当前子帧下行数据信号段各OFDM符号上的各用户信道参数估计值以及估计误差 空间相关阵，在各子载波上分别实施鲁棒预编码，向各用户同时发送数据信号，各用户在各 子载波上分别进行接收处理； i. 基站侧依据各用户的角度-时延域二维统计信道信息，确定本小区中各用户的导频 调制模式，即小区中各用户的导频序列调制因子，并通知本小区中的各用户。
2. 根据权利要求1所述的角度-时延域导频复用宽带大规模ΜΙΜΟ通信方法，其特征在 于：所述的时分双工宽带大规模ΜΜ0无线通信系统采用OFDM调制方式，基站侧分别在各个 子载波上与多个用户同时进行通信。
3. 根据权利要求1所述的角度-时延域导频复用宽带大规模ΜΙΜΟ通信方法，其特征在 于：所述的上行链路传输信号包括上行探测信号、上行数据信号及上行导频信号，下行链路 传输信号包括下行数据信号；传输过程可划分为多个连续的帧，每一帧信号由帧头的上行 探测信号和多个子帧组成；每一子帧的信号由多个OFDM符号组成，每一子帧依次由上行数 据信号段、上行导频信号段以及下行数据信号段组成。
4. 根据权利要求1所述的角度-时延域导频复用宽带大规模MM0通信方法，其特征 在于：所述的各用户的角度-时延域二维统计信道信息获取由上行链路的信道探测过程完 成；各用户在每一帧帧头的一个或多个连续OFDM符号的多个子载波上同时发送上行探测 信号，不同用户的探测信号不要求使用正交时频资源；同一小区中不同用户的频域探测信 号由同一恒模序列（称为该小区的基本探测序列）经过频域调制生成，相邻小区的基本探 测序列要求具有较好的互相关特性，即互相关小于系统所要求的门限值；各小区基站依据 接收到的上行探测信号获取小区中各用户当前帧中角度-时延域信道参数的最小二乘估 计，进而利用迭代法估计当前帧中各用户的角度-时延域二维统计信道信息，即角度-时延 域信道能量耦合矩阵。
5. 根据权利要求1所述的角度-时延域导频复用宽带大规模ΜΙΜΟ通信方法，其特征在 于：所述的小区中各用户在每一子帧上行导频信号段的一个或多个连续OFDM符号的多个 子载波上同时发送上行导频信号；同一小区中不同用户所使用的导频序列由同一导频序列 称为该小区的基本导频序列，经过频域调制生成，其调制因子由基站侧依据小区内各用户 的角度-时延域二维统计信道信息动态确定；相邻小区的基本导频序列要求具有较好的互 相关特性，即互相关小于系统所要求的门限值。
6. 根据权利要求1所述的角度-时延域导频复用宽带大规模MM0通信方法，其特征 在于：所述基站侧利用当前子帧上行导频信号段接收到的导频信号对各用户在当前子帧各 OFDM符号上的信道参数进行估计；基站侧利用各用户的角度-时延域二维统计信道信息， 实现低复杂度的线性最小均方误差信道参数估计；首先对各用户的角度-时延域信道参数 实施最小二乘估计，进而依据角度-时延域信道的解相关特性，对角度-时延域信道实施 低复杂度的逐元素最小二乘估计，最后通过酉变换获得各用户在当前子帧导频信号段的空 间-频率域信道参数估计值；导频信号段各用户信道估计误差空间相关阵通过各用户角 度-时延域二维统计信道信息以及导频调制模式确定。
7. 根据权利要求1所述的角度-时延域导频复用宽带大规模ΜΙΜΟ通信方法，其特征在 于：所述基站侧利用信道的时域相关特性以及当前子帧导频信号段的信道参数估计值，实 施当前子帧上行及下行数据信号段各OFDM符号上的各用户信道参数估计，并获取数据信 号段各OFDM符号上的信道估计误差空间相关阵；数据信号段各用户信道估计误差空间相 关阵通过各用户角度-时延域二维统计信道信息、信道时域相关特性以及导频调制模式确 定。
8. 根据权利要求1所述的角度-时延域导频复用宽带大规模ΜΙΜΟ通信方法，其特征在 于：所述的在上行数据发送阶段，各用户分别在各个子载波上同时发送上行数据信号，基站 侧存储所接收到的数据信号；待基站接收完上行导频信号并完成当前子帧上行数据信号段 各OFDM符号上各用户信道参数估计后，分别在各个子载波上利用信道参数估计值以及估 计误差空间相关阵对上行链路数据信号进行鲁棒接收处理。
9. 根据权利要求1所述的角度-时延域导频复用宽带大规模ΜΙΜΟ通信方法，其特征在 于：所述的在下行数据传输阶段，基站侧分别在各个子载波上向各用户同时发送数据信号； 基站利用当前子帧下行数据信号段各OFDM符号上的各用户信道参数估计值以及估计误差 空间相关阵，在各子载波上分别实施鲁棒预编码，向各用户同时发送数据信号，各用户在各 子载波上分别进行接收处理。
10. 根据权利要求1所述的角度-时延域导频复用宽带大规模MM0通信方法，其特征 在于：所述的基站侧依据各用户的角度-时延域二维统计信道信息，确定本小区中各用户 的导频调制模式，即小区中各用户的频域导频调制因子，并通知本小区中的各用户；各用户 的导频调制因子依据角度-时延域二维统计信道信息自适应变化。
【文档编号】H04L27/26GK104219189SQ201410446640
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月3日 优先权日:2014年9月3日
【发明者】高西奇, 尤力, 仲文, 江彬 申请人:东南大学