本发明涉及一种面向频分双工FDD系统的基于上行信道状态信息CSI的下行信道重建方法，特别涉及一种面向FDD大规模多输入多输出MIMO系统的基于上行CSI的下行信道重建方法。
背景技术：
大规模MIMO是第五代移动通信的重要技术之一，通过在基站配置大规模天线阵列，可以大幅提升空间自由度，提高空分多址维度，平滑热噪声以及快衰落。为获取高维CSI，同时控制导频及控制信道的开销，大规模MIMO系统往往采用导频复用的方式，相邻小区间采用非正交导频，致使导频污染严重。又由于信道的相干时间有限，如何在有限的训练资源下完成信道估计，需要进行研究和探索。因此，CSI的获取成为大规模MIMO系统的难题之一。
目前商用的双工模式包括时分双工(TDD)和FDD。部分大规模MIMO系统采用TDD传输模式，在借助上行探测信号完成上行信道估计后，利用上下行信道之间的互易性，直接将上行信道估计结果应用于下行链路中。然而，大部分无线通信系统采用FDD传输模式，此时信道互易性不复存在，上行探测过程所估计的上行信道不能应用于下行链路。由于下行信道估计所需要的导频开销以及反馈开销均与天线数成正比，为保证数据业务所需的时频资源量，实际系统将严格控制导频和反馈的开销，导致工作于FDD模式的大规模MIMO基站仅能获取少量的下行CSI。另外，下行信道估计由用户设备完成，用户设备的计算及处理能力有限，高维信道的估计精确度有限。因此，FDD大规模MIMO系统的CSI获取成为瓶颈。
针对FDD大规模MIMO系统的CSI获取已展开初步研究，目前广泛采用的策略是获取信道相关矩阵用于下行传输，然而这种方法需要较大的开销，信息获取难度较大且下行传输性能不佳。另有研究结果提出上下行传播路径的增益、方向角和时延完全相等，只利用上行估计结果即可直接重建下行信道，从而无需下行训练过程，然而实际信道测量结果显示不经下行训练的下行信道重建结果误差较大，并不能满足实际系统的需求。
综上所述，如何以较小的系统开销获取具有较高可用性的FDD大规模MIMO下行CSI成为第五代移动通信亟待突破的难题。
技术实现要素：
为了克服现有技术存在的不足，本发明提供一种面向FDD系统的基于上行CSI的下行信道重建方法，突破了FDD大规模MIMO系统下行CSI获取的瓶颈，利用上下行角度信息的互易性，以较小的下行导频开销和反馈开销，实现FDD大规模MIMO系统下行信道的重建，同时保证了重建信道的可用性。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本发明提供一种面向FDD系统的基于上行CSI的下行信道重建方法，频分双工FDD无线传输系统中，基站在估计出上行信道状态信息CSI后，利用上下行角度互易性，通过发送下行导频，使用户设备重新估计并反馈部分CSI，利用估计出的上行CSI和下行重估并反馈的CSI，重建下行信道；具体包括如下步骤：
步骤1，用户设备发送上行探测信号，基站利用接收到的上行探测信号，估计出上行CSI；
步骤2，基站发送下行导频，用户设备利用接收到的下行导频，重新估计下行CSI，并通过上行链路将重新估计的下行CSI反馈给基站；
步骤3，基站利用步骤1中估计的上行CSI以及步骤2中用户设备重估并反馈的下行CSI，重建下行信道。
作为本发明的进一步优化方案，步骤1中基站估计的上行CSI为一条或多条传播路径的信息，估计出的传播路径数目为L，满足L大于等于1。
作为本发明的进一步优化方案，传播路径的信息包括该条传播路径的增益、方向角和时延。
作为本发明的进一步优化方案，步骤2中基站发送下行导频，包括稀疏导频或者在步骤1所估计的方向角上发送的导频。
作为本发明的进一步优化方案，稀疏导频包括频域稀疏内插导频、时域稀疏内插导频。
作为本发明的进一步优化方案，在步骤1所估计的方向角上发送的导频包括经过波束赋形或预编码的导频。
作为本发明的进一步优化方案，步骤2中用户设备重新估计并反馈的下行CSI包括步骤1中基站所估计的传播路径的增益。
作为本发明的进一步优化方案，步骤3中基站在接收到用户设备重新估计并反馈的CSI后，在重建下行信道时，用用户设备重新估计的下行CSI替换掉步骤1中基站估计的相应上行CSI。
作为本发明的进一步优化方案，步骤3中基站重建下行信道所使用的CSI包括：步骤1中基站估计传播路径的方向角、时延，以及步骤2中用户设备重新估计并反馈的传播路径的增益。
作为本发明的进一步优化方案，基站能够为多个用户设备重建下行信道，发送下行导频的形式包括：a)稀疏导频；b)在步骤1所估计的方向角上发送的导频，发给不同用户设备的导频以频分的方式进行区分；c)在步骤1所估计的方向角上发送的导频，发给不同用户设备的导频以时分的方式进行区分。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1)本方法利用上下行角度互易性，在上行估计角域信息后，仅需发送少量下行导频，重新估计传播路径的增益并反馈，即可进行下行信道重建，有效降低了导频和反馈开销，解决了FDD大规模MIMO系统下行CSI获取的难题；
2)本方法在上行估计CSI后，利用少量的下行训练和反馈资源，修正了下行链路的增益，保证FDD大规模MIMO系统下行信道重建的正确性，大幅提升了重建信道的可用性。
附图说明
图1为本发明实施例的流程图。
图2为LTE上行探测信号图案。
图3为下行发送的频域稀疏导频图案。
图4为以波束赋性或预编码的方式发送具有方向性的导频。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明一种面向频分双工(FDD)系统的基于上行信道状态信息(CSI)的下行信道重建方法，是FDD无线传输系统中，基站在估计出上行CSI后，利用上下行角度互易性，通过发送少量下行导频，使用户设备重新估计并反馈部分CSI，利用估计出的上行CSI和下行重估并反馈的CSI，重建下行信道。具体包括如下步骤：
(1)用户设备发送上行探测信号，基站利用接收到的上行探测信号，估计出上行CSI。其中，基站估计的上行CSI为一条或多条传播路径的信息，估计出的传播路径数目为L，满足L大于等于1。对于基站估计的L条传播路径，每条传播路径需要估计的信息包括但不仅限于：该条传播路径的增益、方向角和时延。
(2)基站发送少量下行导频，用户设备利用接收到的下行导频，重新估计部分下行CSI，并通过上行链路将重新估计的下行CSI反馈给基站。基站发送的少量下行导频包括但不仅限于以下形式：稀疏导频，或者在步骤(1)所估计的方向角上发送的导频。其中，稀疏导频包括但不仅限于以下实现形式：频域稀疏内插导频、时域稀疏内插导频；在步骤(1)所估计的L个方向角上发送的导频包括但不仅限于以下实现形式：经过波束赋形或预编码的导频。用户设备重新估计并反馈的部分CSI包括但不仅限于：步骤(1)所估计的L条传播路径的增益。
(3)基站利用估计的上行CSI以及用户设备重估并反馈的下行CSI，重建下行信道。基站在接收到用户设备重新估计并反馈的部分CSI后，在重建下行信道时，用重估的下行CSI替换掉步骤(1)中估计的相应上行CSI。基站重建下行信道所使用的CSI包括但不仅限于：上行估计的L条传播路径的方向角、时延，以及下行重估并反馈的L条传播路径的增益。
本发明的方法中，基站可以为多个用户设备重建下行信道：每个用户设备所对应的传播路径数L可以不相等；发送下行导频的形式包括但不限于：a)稀疏导频，b)在步骤(1)所估计的方向角上发送的导频，发给不同用户设备的导频以频分的方式进行区分，c)在步骤(1)所估计的方向角上发送的导频，发给不同用户设备的导频以时分的方式进行区分。
下面通过具体实施例对本发明的技术方案做进一步阐述：
在FDD大规模MIMO系统中，基站天线数为M，量级通常为102、103，用户设备采用单天线配置。为进行下行链路数据传输，基站需获取下行CSI，重建下行信道hDL。本实施例将对hDL进行重建，如图1所示，包括如下步骤：
步骤一：用户设备发送上行探测信号，采用LTE上行探测信号图案，如图2中的阴影部分所示，在系统指定时隙的最后一个OFDM符号上梳状发送，此时基站接收到的信号模型为
y＝hULs+n,
其中，y∈CM×1为基站接收到的上行探测信号，hUL∈CM×1为基站和用户设备之间的上行信道，s为用户设备发送的上行探测信号，n∈CM×1为噪声，上行信道具有如下表达式：
其中，L为传播路径数，gUL,l为第l条路径的上行增益，fUL为上行载频，τl为第l条路径的时延，a(·)为基站天线阵列响应，θl为第l条路径的方向角，其中τl和θl与载频无关，具有上下行互易性；
步骤二：基站利用接收到的上行探测信号，采用压缩感知算法等，对接收信号y进行处理和计算，得到条传播路径的组参数估计，每组参数估计包括根据互易性，上行所估计的在下行同样有效，而增益不具备上下行互易性，因此还需要对下行链路的增益进行估计；
步骤三：基站发送下行频域稀疏导频，如图3中的阴影部分所示稀疏内插的梳状导频，或者以预编码的方式在步骤二所估计的传播路径的方向上，即在角度上发送导频，如图4所示，导频经过预编码获得方向性后由基站发送出去；
步骤四：用户设备利用下行导频，重新计算下行频段条传播路径的个增益值，得到
步骤五：用户设备将重新估计的下行频段条传播路径的个增益值，即反馈给基站；
步骤六：基站利用上行估计的条传播路径的方向角、时延以及下行重估并反馈的条传播路径的增益值，即重建下行信道：
其中，fDL为下行载频。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。