FDD系统下行信道估计方法及基站、可读存储介质及设备与流程

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种fdd系统下行信道估计方法及基站、可读存储介质及设备。

背景技术：

在频分双工(frequencydivisiondual，fdd)多输入多输出(multiple-inputmultiple-output，mimo)系统中，上下行信道不具备时分双工(timedivisiondual，tdd)系统的信道互易性。基站在获取用户终端(userequipment，ue)信道状态信息时，需要对用户终端(ue)进行单独的下行信道估计。

现有技术中，基站在进行下行信道估计时，先向ue发送下行导频信号。每个ue根据接收到的导频信号来进行信道估计，并将将估计得到的信道状态信息反馈给基站。传统的fdd系统下行导频设计中，通常只针对一个特定的ue，这样的导频设计方法可以使得一个特定的ue的下行信道估计较为准确。但是由于所有用户共享同一个下行导频，且不同的ue的最优下行导频不同，因此其他的ue的下行信道估计的精确度可能较差。

技术实现要素：

本发明实施例解决的是如何提高不同的ue的下行信道估计的精确度。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种fdd系统下行信道估计方法，包括：当存在下行信道估计需求时，生成下行导频信号；所述下行导频信号对应的每一根发射天线的导频参数的取值为0～n-1之内的随机整数，且每一根天线对应的导频参数的取值各不相同，n为所述下行导频信号对应的子载波的总数，且n＞1；向用户终端发送下行导频信号；接收所述用户终端上传的反馈信息；根据所述反馈信息，对所述用户终端对应的下行信道进行估计。

可选的，所述fdd系统下行信道估计方法还包括：向所述用户终端发送下行信道的信道支撑集以及下行的离去角。

可选的，所述接收用户终端上传的反馈信息，包括：接收所述用户终端上传的经过压缩之后的反馈信息；所述经过压缩之后的反馈信息为：所述用户终端根据所述信道支撑集的互易性以及下行的离去角，对估计得到的反馈信息进行压缩得到的。

可选的，所述接收所述用户终端上传的反馈信息，包括：采用卡尔曼滤波器接收所述用户终端上传的经过压缩之后的反馈信息。

可选的，所述用户终端上传的经过压缩之后的反馈信息为：其中，q[n]^h为q[n]的共轭转置，为时域重叠信道；q[n]为第n个时刻设计的用于压缩观测值的矩阵：q[n]＝bu(:,0:l-1)；其中，u(:,0:l-1)为矩阵c的前l个最大特征值对应的特征向量，c＝bθ[n]m[n|n-1]²θ[n]^hb，l为预先设定的反馈量，m[n|n-1]是卡尔曼滤波器第n-1时刻的预测mse矩阵；

为所述用户终端与发射天线之间的信道冲激响应对应的信道支撑集；π为转置矩阵，适于将一个mp×mp的单位矩阵的顺序重排得到，为克罗内克积，1p表示一个长度为p的全1列向量，1m表示一个长度为m的全1列向量。

本发明实施例还提供了一种基站，包括：生成单元，用于当存在下行信道估计需求时，生成下行导频信号；所述下行导频信号对应的每一根发射天线的导频参数的取值为0～n-1之内的随机整数，且每一根天线对应的导频参数的取值各不相同，n为所述下行导频信号对应的子载波的总数，且n＞1；第一发送单元，用于向用户终端发送下行导频信号；接收单元，用于接收所述用户终端上传的反馈信息；估计单元，用于根据所述反馈信息，对所述用户终端对应的下行信道进行估计。

可选的，所述基站还包括：第二发送单元，用于向所述用户终端发送下行信道的信道支撑集以及下行的离去角。

可选的，所述接收单元，用于接收所述用户终端上传的经过压缩之后的反馈信息，所述经过压缩之后的反馈信息为：所述用户终端根据所述信道支撑集的互易性以及下行的离去角，对估计得到的反馈信息进行压缩得到的。

可选的，所述接收单元，用于采用卡尔曼滤波器接收所述用户终端上传的经过压缩之后的反馈信息。

可选的，所述用户终端上传的经过压缩之后的反馈信息为：其中，为时域重叠信道，q[n]^h为q[n]的共轭转置，q[n]为第n个时刻设计的用于压缩观测值的矩阵：q[n]＝bu(:,0:l-1)；其中，u(:,0:l-1)为矩阵c的前l个最大特征值对应的特征向量，c＝bθ[n]m[n|n-1]²θ[n]^hb，l为预先设定的反馈量，m[n|n-1]是卡尔曼滤波器第n-1时刻的预测mse矩阵；

为所述用户终端与发射天线之间的信道冲激响应对应的信道支撑集；π为转置矩阵，适于将一个mp×mp的单位矩阵的顺序重排得到，为克罗内克积，1p表示一个长度为p的全1列向量，1m表示一个长度为m的全1列向量。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令运行时执行上述任一种所述的fdd系统下行信道估计方法的步骤。

本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的计算机指令，所述处理器运行所述计算机指令时执行上述任一种所述的fdd系统下行信道估计方法的步骤。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

在每一次生成下行导频信号时，下行导频信号对应的每一根天线的导频参数的取值均是随机的，且每一根天线对应的导频参数各不相同，从而可以避免不同的天线的信道冲激响应的抽头长时间处于重叠的情况发生，故可以提高用户终端的下行信道估计的精确度。

进一步，用户终端在估计得到下行信道的反馈信息后，对反馈信息进行压缩，使得基站接收到经过压缩之后的反馈信息，从而可以降低上行开销。

附图说明

图1是一种时域重叠信道的示意图；

图2是本发明实施例中的一种fdd系统下行信道估计方法的流程图；

图3是本发明实施例中的一种基站的结构示意图。

具体实施方式

针对一个fdd系统，设定基站的天线数为m，用户终端的天线数为1。基站使用正交频分复用(orthogonalfrequencydivisionmultiplexing，ofdm)调制方式，子载波个数为n。基站在第m根天线上发送的频域导频信号为：

其中，sm为基站在第m根天线上发送的频域导频信号；s0为基序列，是一个对角阵，对角元素是零均值且幅值为1的随机数，s0由基站随机产生，作用是将其他小区的干扰随机化；τm为第m根天线上发送的频域导频信号对应的导频参数。导频参数τm的直观效果是将第m根发射天线的信道冲激响应循环移位τm后再与基站的其他发射天线移位后的信道冲激响应叠加。

第k个用户终端，也即用户终端k接收到的频域信号为：

其中，yk为第k个用户终端接收到的频域信号，f为fft矩阵，hm,k为基站的第m根天线到用户终端k的时域信道冲激响应，ωk～cn(0,i)为用户终端k对应的频域噪声。

将hmk转换到时域，得到时域重叠信道：

其中，为hm,k对应的时域重叠信道，f^h为f的共轭转置矩阵，为s0的共轭转置矩阵；θm为循环移位矩阵，第一列为θm(:,0)＝[0,…0,1,0,…,0]^t，第一列的第1个1之前存在τm个0。

在上式(1)中，导频参数τm的直观效果是将第m根发射天线的信道冲激响应循环移位τm后再与基站的其他发射天线移位后的信道冲激响应叠加。在做下行信道估计时，可能会存在不同的发射天线对应的信道冲激响应的抽头重叠的情况。

参照图1，给出了时域重叠信道的示意图。

图1中，基站的发射天线tx1的信道冲激响应的抽头为11、12、13，基站的发射天线tx2的信道冲激响应的抽头为14、15、16，基站的发射天线tx3的信道冲激响应的抽头为17、18、19。从图1中可以得知，发射天线tx2对应的信道冲激响应的抽头16与发射天线tx3对应的信道冲激响应的抽头18存在重叠。在做下行信道估计时，重叠在一起的抽头会相互干扰，导致下行信道估计精确度较低。

在本发明实施例中，在每一次生成下行导频信号时，下行导频信号对应的每一根天线的导频参数的取值均是随机的，且每一根天线对应的导频参数各不相同，从而可以避免不同的天线的信道冲激响应的抽头长时间处于重叠的情况发生，故可以提高用户终端的下行信道估计的精确度。

为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

本发明实施例提供了一种fdd系统下行信道估计方法，参照图2，以下通过具体步骤进行详细说明。

步骤s201，当存在下行信道估计需求时，生成下行导频信号。

在具体实施中，针对fdd系统，当基站存在下行信道估计需求时，可以生成下行导频信号。在生成下行导频信号时，针对基站的每一根发射天线，均选择与发射天线一一对应的导频参数。针对不同的发射天线，其对应的导频参数各不相同，且所有的发射天线的导频参数的取值范围为[0,n-1]之间的整数。

从图1中可知，为实现最优的下行信道估计的精确度，可以选择一组导频参数使得所有发射天线对应的信道冲激响应的抽头均不存在重叠。但是，当服务小区内用户终端的数量较多时，很难找到一组导频参数使得所有的用户终端的性能同时达到最优。

例如，服务小区内用户终端的数量与信道冲激响应长度的乘积大于子载波数量n，且不同的用户终端的信道冲激响应的支撑集不一样时，不同的用户终端对的要求不同。

因此，在本发明实施例中，为使得服务小区内的用户终端都能拥有较好的下行信道估计性能，提高服务小区内的用户终端的下行信道估计的精确度，当基站存在下行信道估计需求时，基站每一次所生成的下行导频信号中，不同的发射天线对应的导频参数的取值各不相同，且每一根发射天线对应的导频参数的取值为中的任一个。

也就是说，当基站每一次生成下行导频信号时，每一根发射天线对应的导频参数的取值都在中任选一个。也就是说，基站在不同时刻所生成的下行导频信号中，同一根发射天线对应的导频参数很可能不同。

例如，基站在t1时刻生成下行导频信号，第m根发射天线对应的导频参数为τm＝1；基站在t2时刻生成下行导频信号，第m根发射天线对应的导频参数为τm＝3。

因此，在基站在不同时刻所生成的下行导频信号中，同一根发射天线的信道冲激响应的抽头的重叠情况可能不同。在当前时刻所生成的导频信号中，第m根发射天线的信道冲激响应的抽头可能与其他发射天线的信道冲激响应的抽头重叠，而在下一时刻所生成的导频信号中，第m根发射天线的信道冲激响应的抽头可能与其他发射天线的信道冲激响应的抽头并不存在重叠。

例如，基站在t1时刻生成下行导频信号，第m根发射天线对应的导频参数为τm＝1，第m根发射天线的信道冲激响应的一个抽头与第n根发射天线的信道冲激响应的一个抽头重叠。基站在t2时刻生成下行导频信号，此时，第m根发射天线对应的导频参数为τm＝3，第m根发射天线的信道冲激响应的抽头与第n根发射天线的信道冲激响应的抽头均不重叠。

步骤s202，向用户终端发送下行导频信号。

在具体实施中，基站在生成下行导频信号之后，可以将生成的下行导频信号发送至服务小区内的用户终端。服务小区内的用户终端在接收到下行导频信号之后，可以根据接收到的下行导频信号，估计得到对应的信道状态信息。

步骤s203，接收用户终端上传的反馈信息。

在具体实施中，用户终端在根据接收到的下行导频信号估计得到对应的信道状态信息之后，可以将估计得到的信道状态信息反馈给基站。也就是说，用户终端上传反馈信息至基站，基站接收用户上传的反馈信息。

在具体实施中，用户终端上传的反馈信息可以为估计得到的信道状态信息，也可以为对估计得到的信道状态信息进行压缩之后的信息。

在现有技术中可知，用户终端在接收到基站下发的下行导频信号后，可以根据接收到的下行导频信号来估计下行信道的信道状态信息，并将估计得到的下行信道的信道状态信息上行反馈到基站，用户终端的反馈开销与基站的天线数目呈正比。然而，随着大规模mimo(massivemimo)的应用，基站的天线数目越来越多，用户终端的反馈开销较大。

在本发明实施例中，为降低用户终端的反馈开销，在用户终端根据接收到的下行导频信号估计出下行信道的信道状态信息后，并不是直接将估计出的下行信道的信道状态信息反馈至基站，而是对下行信道的信道状态信息进行压缩，并将压缩后的信道状态信息反馈至基站，从而可以降低反馈开销。也就是说，在本发明实施例中，用户终端上传的反馈信息为压缩之后的信道状态信息。

在具体实施中，用户终端可以根据信道支撑集的互易性以及下行的离去角，对估计得到的信道状态信息进行压缩。

在实际应用中可知，当空间分辨率较低时，基站的不同天线到同一个用户终端的信道冲激响应具备相同的信道支撑集，如下式(4)所示：

其中，support(hm,k)为第k个用户终端与基站的第m根天线的时域信道冲激响应。

将不同发射天线的时延相同的信道抽头提取出来，记为gs,k，则：

gs,k＝[h1,k(s),h2,k(s),…,hm,k(s)]^t；(5)

时延相同的信道抽头是电磁波经过相同的传播路径得到的，存在相关性，记为：相关性可以通过传播路径与天线阵列的夹角信息计算得到。时延不同的信道抽头不具有相关性，即：

在fdd系统中，信道不具备tdd系统的互易性，但是，针对一些信道参数，例如时延信息、角度信息等，仍然具有互易性。

由于上行信道的信道冲激响应的信道支撑集，与下行信道的信道冲激响应的信道支撑集相同，因此，基站可以根据上行信号估计出上行信道的信道支撑集，得到下行信道的信道支撑集。

相应地，上行的到达角与下行的离去角相同。基站可以通过估计得到的上行的到达角来获取下行的离去角。在均匀线性天线阵列，在获取离去角θ以及角度扩展θas之后，可以采用下式(6)计算rs,k的每一个元素：

其中，d是基站的发射天线的间距，λ为载波波长。

基站在获取到下行信道的支撑集以及下行的离去角之后，可以将下行信道的支撑集以及下行的离去角发送给用户终端。通常情况下而言，下行信道的支撑集以及下行的离去角所占的信息量较少，且在较长时间内保持不变，不会带来较大的下行开销。

对于下行而言，可以将每一个用户终端均视为独立，可以单独处理。为符号简洁便于说明，针对用户终端k，省略其下标k。在多个时隙，采用[n]表示时隙索引。假设下行信道是高斯-马尔科夫模型，其状态方程为：

基站侧的观察方程为：

基站侧的观察方程即为用户终端上传的经过压缩后的反馈信息。在上式(7)中，η为时间相关系数，为空间相关性矩阵，u[n]～cn(0,i)是更新过程矩阵。式(8)中，q[n]^h为q[n]的共轭转置，q[n]为用户终端k在第n时刻设计的压缩矩阵，为时域重叠信道，可由式(3)计算得到，为式(3)中第k个用户终端在n个时刻的时域重叠信道；是压缩后的噪声，a[n]＝q[n]^hθ[n]π，

为取的第列，以此类推，为取的第列；π为转置矩阵，可以将一个mp×mp的单位矩阵的行按顺序重排得到，为克罗内克积，1p表示一个长度为p的全1列向量，1m表示一个长度为m的全1列向量。

当基站采用卡尔曼滤波器来接收用户终端上传的压缩之后的信道状态信息，估计用户终端对应的下行信道时，最优化的q[n]为：

q[n]＝bu(:,0:l-1)；(9)

其中，u(:,0:l-1)为矩阵c的前l个最大特征值对应的特征向量，c＝bθ[n]m[n|n-1]²θ[n]^hb，l为预先设定的反馈量，m[n|n-1]是卡尔曼滤波器第n-1时刻的预测mse矩阵。

步骤s204，根据所述反馈信息，对所述用户终端对应的下行信道进行估计。

在具体实施中，基站接收用户终端反馈的信息，即可进行下行信道估计。

参照图3，本发明实施例提供了一种基站30，包括：生成单元301、第一发送单元302、接收单元303以及估计单元304，其中：

生成单元301，用于当存在下行信道估计需求时，生成下行导频信号；所述下行导频信号对应的每一根发射天线的导频参数的取值为0～n-1之内的随机整数，且每一根天线对应的导频参数的取值各不相同，n为所述下行导频信号对应的子载波的总数，且n＞1；

第一发送单元302，用于向用户终端发送下行导频信号；

接收单元303，用于接收所述用户终端上传的反馈信息；

估计单元304，用于根据所述反馈信息，对所述用户终端对应的下行信道进行估计。

在具体实施中，所述基站还可以包括：第二发送单元(图3中未示出)，用于向所述用户终端发送下行信道的信道支撑集以及下行的离去角。

在具体实施中，所述接收单元303，可以用于接收所述用户终端上传的经过压缩之后的反馈信息，所述经过压缩之后的反馈信息为：所述用户终端根据所述信道支撑集的互易性以及下行的离去角，对估计得到的反馈信息进行压缩得到的。

在具体实施中，所述接收单元303，用于采用卡尔曼滤波器接收所述用户终端上传的经过压缩之后的反馈信息。

在具体实施中，所述用户终端上传的经过压缩之后的反馈信息为：其中，为时域重叠信道，q[n]^h为q[n]的共轭转置，q[n]为第n个时刻设计的用于压缩观测值的矩阵：q[n]＝bu(:,0:l-1)；其中，u(:,0:l-1)为矩阵c的前l个最大特征值对应的特征向量，c＝bθ[n]m[n|n-1]²θ[n]^hb，l为预先设定的反馈量，m[n|n-1]是卡尔曼滤波器第n-1时刻的预测mse矩阵；

为所述用户终端与发射天线之间的信道冲激响应对应的信道支撑集；π为转置矩阵，适于将一个mp×mp的单位矩阵的顺序重排得到，为克罗内克积，1p表示一个长度为p的全1列向量，1m表示一个长度为m的全1列向量。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令运行时执行本发明上述实施例中提供的fdd系统下行信道估计方法的步骤。

本发明实施例提供了一种电子设备，包括存储器以及处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的计算机指令，所述处理器运行所述计算机指令时执行本发明上述实施例中提供的fdd系统下行信道估计方法的步骤。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：rom、ram、磁盘或光盘等。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。