一种无线信号传输方法和装置与流程

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种无线信号传输方法和装置。

背景技术：

下一代无线通信标准5g(第5代移动通信技术)的主要技术挑战是如何大幅提高无线资源的频谱效率来满足日益增加的容量需求。解决这一技术难题的可行技术路线主要有三条：1)扩展频谱，即采用更宽的通信频带以提供更大的信道容量；2)缩小蜂窝，即减小蜂窝的面积以提高蜂窝内用户的数据率；3)提高频谱效率，比如采用更多天线，特别是在基站端使用大量天线，通过引入更多额外的空间自由度来提高系统的频谱效率。而毫米波与大规模多输入多输出(multi-inputmulti-output，mimo)技术的结合，则可非常巧妙地将上述三条技术路线结合到一起。另外，毫米波大规模mimo技术因其宽频带，高谱效的特点，被认为是下一代无线通信标准5g的关键技术之一。

然而，目前实现毫米波大规模mimo技术仍面临着技术上的诸多挑战，其中之一就是如何降低系统所需的射频数量。在传统的低频段系统中，每一根天线需要一个专有的射频链路(包括混频器，数模转换器等等)来支持，其功耗往往很大(约250mw/射频)，且价格不菲。如果直接将低频段的方案扩展到配置成百上千根天线的毫米波大规模mimo中，则系统将需要庞大的射频网络，其功耗与成本将是无法接受的，比如，一个配备64根天线的基站，其仅射频网络的部分，功耗就高达16w。

由此可见，如何降低毫米波大规模mimo的功耗成为现有技术系带解决的技术问题之一。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种无线信号传输方法和装置，用以降低毫米波大规模mimo的功耗，保证系统传输性能。

本发明实施例提供一种无线信号传输方法，包括：

利用均衡矩阵接收多个用户在不同时隙上发送的上行导频信号得到波束空间信号测量值；

根据所述波束空间信号测量值，确定上行估计信道；

利用根据所述上行估计信道确定出的下行估计信道，为每一用户选择一最佳波束；

根据选择出的最佳波束进行下行信号传输。

本发明实施例提供一种无线信号传输装置，包括：

接收单元，用于利用均衡矩阵接收多个用户在不同时隙上发送的上行导频信号得到波束空间信号测量值；

确定单元，用于根据所述波束空间信号测量值，确定上行估计信道；

选择单元，用于利用根据所述上行估计信道确定出的下行估计信道，为每一用户选择一最佳波束；

传输单元，用于根据选择出的最佳波束进行下行信号传输。

本发明实施例提供的无线信号传输方法中，针对天线数远远大于射频链路数量的通信系统，通过设计均衡矩阵接收用户发送的上行导频信号，并根据用户发送的上行导频信号对上行信道进行估计，根据上下行信道的互易性可以对下行信道进行估计，利用估计结果为每一个用户选择最优波束，以最大限度降低射频数量，在降低了通信系统功耗的同时保证了通信系统的性能。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例中，无线信号传输方法的实施流程示意图；

图2a为本发明实施例中，第一种导频信号发送方式；

图2b为本发明实施例中，第二种导频信号发送方式；

图3为本发明实施例中，透镜示意图；

图4为本发明实施例中，波束选择流程示意图；

图5为本发明实施例中，波束选择示意图；

图6为本发明实施例中，第一种仿真结果示意图；

图7为本发明实施例中，第二种仿真结果示意图；

图8为本发明实施例中，无线信号传输装置结构示意图。

具体实施方式

为了降低毫米波大规模mimo的功耗，同时保证系统性能，本发明实施例提供了一种无线信号传输方法和装置。

以下结合说明书附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明，并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明实施例提供的无线信号处理方法可以应用于移动通信系统中，尤其适用于毫米波tdd(时分双工)系统中。

如图1所示，为本发明实施例提供的无线信号传输方法的实施流程示意图，可以包括以下步骤：

s11、利用均衡矩阵接收多个用户在不同时隙上发送的上行导频信号得到波束空间信号测量值。

其中，每一用户使用n个波束在不同时隙上发送的上行导频信号，n为大于等于1的自然数。

s12、根据所述波束空间信号测量值，确定上行估计信道。

较佳地，具体实施时，可以利用压缩感知算法确定上行估计信道。

s13、利用根据上行估计信道确定出的下行估计信道，为每一用户选择一最佳波束。

本步骤中，根据tdd系统的信道互易性，根据上行估计信道可以得到下行估计信道。

s14、根据选择出的最佳波束进行下行信号传输。

假设有k(k为大于等于1的自然数)个单天线用户(本发明实施例中涉及的用户是指ue(userequipment，用户设备))向基站发送正交导频信号。具体实施时，用户可以按照以下任一方式向基站发送正交导频信号：

第一种发送方式、每个用户按顺序利用连续的q个时隙向基站发送导频信号，如图2a所示，所有用户所占用的时隙总数为m＝qk。

第二种发送方式、每个用户(user)依次利用1个时隙(timeslot)向基站发送导频信号，总共发送q次，所有用户所占用的时隙总数为m＝qk。假设用户k第q次发送的导频信号为sk,q，在基站端(配备n根天线，nrf＝k，即配置有k个射频链路)相应的接收信号为yk,q，则其中：nk,q为高斯噪声向量，服从cn(0,σ²i)，σ²为噪声能量，hk为用户k的信道，假设其服从毫米波下的saleh-valenzuela信道模型，u为空间离散傅里叶变换(discretefouriertransform，dft)矩阵，其功能由图3所示的透镜实现，图3中：dac为数字模拟转换器，rfchain表示射频链路，basebandprecoding是指基带预编码，mmwavebeamselector是指毫米波波束选择器。

具体实施时，定义波束空间信道由于毫米波传播过程中，有效散射体很少，因此，信道在进行空间离散傅里叶变换之后会具有明显的稀疏特性，即波束空间信道为稀疏向量。

用户发送导频信号之后，需要设计均衡矩阵pk,q对导频信号进行接收并采样。由于基站仅仅配置了nrf＝k个射频链路，小于天线数量，因此，传统的全数字设计方法不再适用。本发明实施例中，通过模拟均衡矩阵对导频信号进行接收，该均衡矩阵的每一元素的幅值为固定值，较佳的，该固定值可以为1，其可以由模拟移相网络实现，不需要射频链路，并用其取代传统波束空间mimo中的开关网络(如图3所示)。此外，该均衡矩阵每一元素的相位服从[0,2π]均匀分布。

假设用户发送的导频信号sk,q＝1，基站采用均衡矩阵pk,q(维度为k×n)对yk,q进行接收，则基站可同时获得k个关于～的测量值，记为向量zk，则由于每个用户总共发送q次导频信号，因此，基站可以获得m＝qk个关于的测量值，即其中，其中，为待恢复的稀疏向量，为压缩感知矩阵。基于此，可以直接利用压缩感知中经典的算法，例如，正交匹配追踪(orthogonalmatchingpursuit，omp)算法对进行估计得到估计结果。根据tdd系统上下行信道的互易性可以得到下行估计信道。为了便于描述，记得到的估计信道为

基于估计得到的信道，基站在步骤s13中，可以按照以下两步为每个用户选择一最佳波束(即基站为k个用户选择k个波束)：1、为每个用户选择v个候选波束；2、基于干扰避免方式为每个用户选择最优波束。

具体的，基站可以按照图4所示的流程为每个用户选择一最佳波束：

s41、针对每一用户，根据所述下行估计信道对该用户的n个波束按照幅值由大到小的顺序进行排序并依次选择v个候选波束得到候选波束集合。

本步骤中，基站根据估计的信道对每个用户k的n个波束按照幅值大小从高到低的顺序排序，并选择前v个幅值最大的波束作为候选波束集合，记为其中，为幅值第i大的波束序号，v小于等于n。

s42、判断该用户的候选波束集合中幅值最大的波束与其他任一用户幅值最大的波束是否相同，如果相同，则执行步骤s43，否则执行步骤s44。

s43、确定该用户为非干扰用户并将该用户候选波束集合中幅值最大的波束确定为该用户的最佳波束，流程结束。

具体实施时，由于毫米波的直射路径往往占有绝大部分能量，因此，在波束空间中，该路径所对应的波束，即将占有整个信道能量的绝大部分。因此，假若用户k的幅值最大波束不予其他用户的幅值最大波束发生重叠，则为最好的选择。

s44、确定该用户为干扰用户。

由于实际通信系统中，上述假设往往难以成立，两个具有相同幅值最大波束的用户之间将存在很严重的潜在干扰，因此，为了选择最佳波束集合，本发明实施例中可以预先避免这类干扰。

基于此，本发明实施例中，可以预先区分出干扰用户与非干扰用户。其中，干扰用户与非干扰用户被定义为：若用户k幅值最大的波束与其他用户幅值最大的波束均不同，即则定义用户k为非干扰用户，这里k为用户总数。相反，若两个用户k1与k2的幅值最大的波束相同，即则称用户k1与k2均为干扰用户。所有干扰用户组成集合uni，所有非干扰用户组成集合ui，且uni∩ui＝φ，uni∪ui＝{1,2,…,k}。针对非干扰用户可以按照步骤s43确定其最佳波束，即从其候选波束集合中选择幅值最大的波束最为最佳波束，所有非干扰用户的最佳波束并集记为

s45、针对确定出的干扰用户，从所有干扰用户的候选波束集合并集中为每一干扰用户搜索一最佳波束得到干扰用户的最佳波束集合。

本步骤中，可以按照以下流程实施：基站根据干扰用户数量，从候选波束集合并集中选择相同数量的波束得到候选波束子集；根据选择出的候选波束子集和所有非干扰用户的最佳波束并集对下行估计信道进行降维；确定使降维后的下行估计信道对应的可达速率最大的候选波束子集为干扰用户对应的最佳波束集合。

具体，对于确定出的干扰用户，本发明实施例中，首先对所有干扰用户的候选波束集合取并，构成搜索集合并按照以下步骤确定所有干扰用户的嘴角波束集合：

步骤1、从搜索集合b中选择|ui|个波束构成辅助集合bi。

其中，|ui|为干扰用户数量。

步骤2、根据bi与构成集合s(可能存在重复波束)，其集合大小为|s|＝k。

步骤3、根据s对估计的信道进行降维处理得到

本步骤中，即根据选择的波束从选择k行，其中，l∈s，表示被选择波束所在行的行号。

步骤4、对于降维后的信道计算该降维信道的可达速率r。

具体实施时，可以按照以下公式计算降维信道的可到速率r：

其中，其中，为的第k列，为降维后用户k的全数字预编码向量。

重复上述4个步骤，确定使降维后的信道的可达速率最大的bi为将作为所有干扰用户最佳的波束集合，波束选择示意图如图5所示。图5中，假设有4个用户向基站发送导频信号，每一用户发送导频信号的资源占用情况如图5所示，第一阶段为确定干扰用户和非干扰用户，其中，标号为1的波束为每一用户的幅值最大的波束，标号为2和3的波束分别为幅值次大和第3大的波束。经过步骤s42确定出干扰用户和非干扰用户，在第二阶段，标号为“s1”的波束表示为非干扰用户选择的最佳波束，而标号为“s2”的波束为干扰用户的候选波束集合并集。从候选波束集合并集中每次选择2个波束(图5中标号为“s3”的波束)，结合已被选中的2个波束，对估计的信道进行降维，并利用选择的波束(包括为非干扰用户选择的2个波束(第一阶段中已经确定出)和为干扰用户选择的2个波束)计算降维后的信道的可达速率。第三阶段，选择对应的可达速率最大的波束集合为为用户选择的最佳波束集合(即本阶段中需为干扰用户确定出最佳波束，加上第一阶段中为非干扰用户选择出的最佳波束，得到为所有用户选择的最佳波束集合，图5第三阶段中均以s1进行标识)。

最终，为k个用户选择出的最佳波束集合(包括k个波束)为最终选择的波束集合大小为|s^opt|＝k。

具体实施时，根据s^opt可以选择相应的波束来降低系统的等效维度，这一过程同样可以由图3所示的移相网络实现。具体的，可以根据选择的波束，将相应的移相器设置为移相0度，而其他的移相器关闭，使其实现选择矩阵的作用，即该矩阵的每一行有且仅有一个1，而其他元素为0，对于降维后的系统，可以采用传统的全数字预编码(维度为k×k，仅需k)个射频，比如经典的迫零算法进行下行多用户信号传输，其预编码矩阵可以表示为其中，为上行估计信道(根据tdd系统的互易性，其也为下行估计信道)。

本发明实施例提供的无线信号传输方法，包括基于压缩感知的波束空间信道估计以及基于干扰预知的波束选择，其中基于压缩感知的波束空间信道估计可以采用较少的射频数量(小于天线数)精确估计波束空间信道，同时，相比传统的tdd信道估计算法，可以降低导频开销，而基于干扰预知的波束选择方法，可以直接利用估计的信道结果为每一个用户选择最优波束，可最大限度降低射频数量，同时获得与全数字系统十分接近的性能。

本发明实施例提供的无线信号传输方法的仿真结果分别如图6和图7所示。其中，具体的仿真参数如下：载波频率为28ghz，基站发射天线数为n＝256，射频链路数为nrf＝16，单天线用户数为k＝16；导频训练时隙为m＝qk＝128，其中，每个用户发送q＝8次导频信号；波束选择方案中为每个用户选择v＝3个候选波束；最后采用迫零预编码进行下行信号传输，信道采用毫米波中广泛使用的saleh-valenzuela模型：

基站配置均匀直线阵列，阵元间距为半波长，相应的其阵列响应向量为a(ψ)＝[e-^j2πψm]m∈i(n)，i(n)＝{l-(n-1)/2,l＝0,1,…,n-1}，传播环境假设为1条直射路径，其幅值空间角度两条(l＝2)非直射路径，其幅值空间角度

图6给出了基于压缩感知的波束空间信道估计算法的归一化均方误差性能。可以看出该算法具有获得很好的估计精度，在中等信噪比(10db)时，算法就可以将误差降到5％以下。此外，根据本发明实施例仅需要16个射频链路而不是传统方案中的256个(天线数)，因此可以显著地降低系统的成本与功耗。最后，由于充分利用了毫米波系统的稀疏特性，并将压缩感知与信道估计结合起来，本方案仅仅需要128个时隙即可达到满意的估计性能。相比而言，非压缩感知方案所需的时隙数至少要等于天线数，即256。因此，本发明实施例提供的技术方案还可以将导频开销降低50％以上。

图7给出了基于干扰避免的波束选择方案的系统可达速率性能。可以看出，在信道已知的条件下，本发明实施例提供的技术方案相比于传统方案有1db左右的性能提升，同时其性能也十分接近全数字系统(需要256个射频)。此外，本本发明实施例提供的方案解决了传统方法中射频数量不固定的问题，其所具有的射频数量不仅少于传统方法，且固定为，因此更利于在实际系统中实现。最后，若信道为估计信道，本方案仍然可以获得与完美信道几乎相同性能。同时，对比图6与图7还可以看出，该方案对信道精度不敏感，具有更好的鲁棒性。比如信噪比为-5db时，信道估计的精度并不高，但已经可以获得与完美信道相比很接近的性能。这也意味着，本发明实施例提供的技术方案可以在导频开销与系统可达速率之间获得更优的折中。

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种无线信号传输装置，由于上述装置解决问题的原理与无线信号传输方法相似，因此上述装置的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。

如图8所示，为本发明实施例提供的无线信号传输装置的结构示意图，可以包括：

接收单元81，用于利用均衡矩阵接收多个用户在不同时隙上发送的上行导频信号得到波束空间信号测量值；

其中，每一用户使用n个波束在不同时隙上发送的上行导频信号，n为大于等于1的自然数；预设的均衡矩阵的每一元素的幅值为固定值，以及每一元素的相位服从[0,2π]均匀分布。该均衡矩阵可以通过模拟移相网络实现。

确定单元82，用于根据所述波束空间信号测量值，确定上行估计信道；

选择单元83，用于利用根据所述上行估计信道确定出的下行估计信道，为每一用户选择一最佳波束；

传输单元84，用于根据选择出的最佳波束进行下行信号传输。

较佳的，所述选择单元83，可以包括：

第一选择子单元，用于针对每一用户，根据所述下行估计信道对该用户的n个波束按照幅值由大到小的顺序进行排序并依次选择v个候选波束得到候选波束集合，v小于等于n；

第一确定子单元，用于如果该用户的候选波束集合中幅值最大的波束与其他任一用户幅值最大的波束不同，则确定该用户为非干扰用户并将该用户候选波束集合中幅值最大的波束确定为该用户的最佳波束。

所述选择单元83，还可以包括：

第二确定子单元，用于针对每一用户，如果该用户的候选波束集合幅值最大的波束与其他任一用户幅值最大的波束相同则确定该用户为干扰用户；

搜索子单元，用于针对确定出的干扰用户，从所有干扰用户的候选波束集合并集中为每一干扰用户搜索最佳波束得到干扰用户的最佳波束集合。

所述选择单元83，还可以包括：

第二选择子单元，用于根据干扰用户数量，从所述候选波束集合并集中选择相同数量的波束得到候选波束子集；

处理子单元，用于根据所述第二选择子单元选择出的候选波束子集和所有非干扰用户的最佳波束并集对下行估计信道进行降维；

第三确定子单元，用于确定使降维后的下行估计信道对应的可达速率最大的候选波束子集为干扰用户对应的最佳波束集合。

为了描述的方便，以上各部分按照功能划分为各模块(或单元)分别描述。当然，在实施本发明时可以把各模块(或单元)的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。例如，本发明实施例提供的无线信号传输装置可以设置于基站中。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。