用于具有空中传输连接的大型MIMO信道仿真器的空中传输信道状态信息获取的制作方法

本发明涉及为信道仿真器获取空中传输(ota)信道状态信息(csi)以测试大规模多用户多输入多输出(mu-mimo)无线通信系统。

背景技术

移动数据的需求持续快速增长。为了满足这一需求，无线工业需要能够获得一种方案，能够获得有限的频谱资源的高阶空间复用。mimo，尤其是经常被称作大型mimo的大规模mu-mimo，是增加无线频路的空间复用的一种有效的方法。在无线通信系统中，具有多个天线的无线节点，例如，基站(bs)或者用户设备(ue)可以在下行链路(dl)或上行链路(ul)中采用波束成形以增加信号噪声比(snr)或信号与干扰及噪声比(sinr)，因此提高与其他无线节点的链路的数据速率。应用mu-mimo，bs能够采用波束成形来在时间频率快中同时服务于多个ue，例如，第三代合作伙伴计划(3gpp)长期演进(lte)标准中的资源块(rb)，即，应用空间复用以提供容量增长而无需增加带宽。在大规模mimo或大型mimo系统中，bs可以具有成百上千个发送(tx)链以及接收(rx)链，并且使用波束成形同时在相同rb中支持几十个ue。设bstx和rx链的数量为m，并且rb上的同时服务的ue的数量为k。需要能够实时仿真mxk信道的硬件rf信道仿真器。在时分双工(tdd)系统中，要求这样的仿真器保持ota信道的互易性，从而bs能够使用ul导频来估计dlota信道。这种方式，大型mimo系统中的信道估计以k来缩放而非m，从而大型mimo系统中的信道估计开销被实质上降低。然而，实践中，大型mimo系统中的天线可能整合有rf电路，即，没有天线端口被保留来通过电缆将bsrf路径与信道仿真器连接。即使bs具有天线端口，使用电缆连接数十个甚至更多rf端口也是一件困难的事。在我们的专利申请pct/us17/18518中，提出了用于通过与bs的ota连接来构筑mimorf信道仿真器的电路和方法。为了得到信道仿真器的要求性能，bs和信道仿真器之间的ota信道需要被估计以及均衡。本发明提出了一种需要otacsi、且均衡bs和mimorf信道仿真器之间的ota信道的mimorf信道仿真器，以使用rf信道模型来进行信道仿真。其也包括校准mimorf信道仿真器以维持bs和多个ue之间的ota信道的互易性的发明。

附图说明

图1表示使用ota信道来连接bs和rf信道仿真器的系统结构。

错误！参照资源未发现。图2表示均衡dl中的bs和rf信道仿真器之间的ota信道的过程。

图3表示均衡ul中的bs和rf信道仿真器之间的ota信道的过程。

图4估计bs和rf信道仿真器之间的信道的过程。

图5表示用于具有定制的导频的相干单元的导频格式的一个例子。

图6表示bs和rf信道仿真器之间的ota信道被离线估计的系统性能测试的过程。

图7表示bs和rf信道仿真器之间的ota信道被在线估计的系统性能测试的过程。

图8表示由将两者连接的计算机同步的bs和rf信道仿真器。

具体实施方式

现在可以参考附图，其中相同的标号始终表示相同的部件。现在描述本发明的示例性实施例。提供示例性实施例是为了说明本发明的各方面，而不应被解释为限制本发明的范围。当参考框图或流程图描述示例性实施例时，每个框可以表示用于执行方法步骤的方法步骤或装置元件。根据实现方式，相应的装置元件可以配置为硬件、软件、固件或其组合。此后，导频信号可以表示由一个天线发送的信号，用于估计发送天线与一个或多个接收天线之间的信道。它也可以称为参考信号、信道估计信号或测试信号。

在以下描述中，除非上下文另有说明，天线用于指示包括rf电路和天线的rf电路路径，例如，在混合波束形成系统中，一个rf路径可以通过波束形成电路(大多是模拟的)连接到多个天线元件。在这样的系统中，连接到相同rf路径的所有天线元件可以在基带处理中被视为单个等效天线。

连接测试中的bs和rf信道仿真器的ota信道

克服缺乏用于连接电缆的天线端口或连接大量电缆的困难的一种方式是对大型mimobs和rf信道仿真器之间的连接使用ota信道，如我们的专利申请pct/us17/18518中所发明的。请注意ota信道一定不要降低连接bs和ue的信道的信道矩阵的秩。

在大型mimo正交频分复用(ofdm)系统中，设子载波的数量为l，并且bs上的m个tx/rx路径/天线和ue的k个tx/rx路径/天线之间的第l个子载波的频域信道(其中l＝1，2，...l)为hl，其中，hl为kxm矩阵，并且其由rf信道仿真器仿真。在dl中，yl^d＝hlxl^d，其中yl^d是由ue接收的信号的kxl矢量，xl^d是从bs的m个tx路径的天线元件发射的mxl个信号。在ul中，由于ota信道的互易性，因此yl^u＝hl^txl^u，其中yl^u是由bs的m个rx路径接收到的信号的mxl矢量，并且是ue的k个天线元件发射的kxl个信号。

进而，设dl信道矩阵bs上的m个tx/rx路径/天线和信道仿真器的n个tx/rx路径/天线为g，其中n≥m和g为nxm矩阵。请注意信道g被假设为在被测试的系统带宽中频率平坦，并且在相当长时间内时间恒定，例如，几秒或几十秒。因此，在第l个子载波的bs和ue之间(之间具有信道仿真器)的总dl信道成为hlf^dg，其中f^d是mxn矩阵，其可以被构成为滤波器以连接hl和g。

由于互易性，bs上的m个tx/rx路径/天线和信道仿真器的n个tx/rx路径/天线之间的ul信道矩阵为g^t。与dl相似，在第l个子载波之间的具有rf信道仿真器的bs和ue之间的总ul信道成为g^tf^uhl^t，其中f^u是nxm矩阵。

为了对通过信道hl对信道仿真器获得期望的性能，g矩阵的效果需要被补偿，例如，通过估计信道仿真器的g并信道仿真器应用g的伪逆(其为由表示的mxn矩阵)，即，并且请注意如果g矩阵为时间恒定和频率平坦，那么在系统带宽中仅仅需要计算一次。否则，如果g矩阵在一段时间内时间恒定，则其需要在时间恒定到期之前被估计。此外，如果g矩阵并非频率平坦，需要对每个相干带宽被估计以及均衡。

为了g矩阵成为可逆的，其需要具有满秩，即，m的秩。为完成这个，可以在bs的天线阵列和rf信道仿真器的天线阵列之间设置反射器和/或漫射器，以构筑具有所需秩的g矩阵，如我们的专利申请pct/us17/18518中所述。在图1中，bs2的天线阵列、rf信道仿真器3的天线阵列1以及设置在它们之间用于创建多路径分量的反射器4和/或漫射器5被设置在rf室6内，rf室6将设备和信道与外界环境隔离，从而信道g为时间恒定和频率平坦或者具有足够长的相干时间和足够大的相干带宽。此外，优选g矩阵具有相对小的条件数以避免中的非常巨大的元素范围，其导致硬件中的定点数的分辨率损失。

实践中，由于硬件功率限制，难以应用确切的在一个实施例中，应用满足硬件功率限制的修改后版本的尤其是，用于dl的和用于ul的其中p^d和p^u分别是满足dl和ul的硬件功率限制的两个mxm对角矩阵。由于f^d和f^u基于信道仿真器的g的估计而被计算，p^d和p^u对信道仿真器已知。因此，为了通过信道hl获得信道仿真器的所需性能，在一个实施例中，信道仿真器在仿真hl时还补偿p^d和p^u。图2总结了将dl中bs和rf信道仿真器之间的ota信道进行均衡的处理。尤其是，在处理开始后7，bs通过ota信道g发送dl信号到信道仿真器8。然后，信道仿真器对接收到的信号应用f^d，例如，然后，信道仿真器对滤波后的接收信号应用仿真的otamimo信道10。之后，信道仿真器通过对要被传送到ue11的结果信号应用(p^d)^-1来补偿p^d。结果，在处理结束13之前，信道仿真器将结果信号传递给ue12。图3总结了将ul中bs和rf信道仿真器之间的ota信道进行均衡的处理。尤其是，在处理开始后14，ue将ul信号传递给信道仿真器15。然后，信道仿真器将仿真的otamimo信道应用于ul信号16。然后，信道仿真器通过对将要发送给bs的结果信号应用(p^u)^-1来补偿p^u17。然后，信道仿真器将f^u应用于结果信号，例如，结果，在处理结束20之前，信道仿真器通过ota信道g^t将滤波后的信号发送给bs19。

当信道bs和信道仿真器之间的信道在带宽比相干带宽窄的频率资源中为频率可选时，频域信道矩阵为g，并且f^d和f^u被计算并应用到频域。

相似地，在连接到bs的rf信道仿真器一侧，ota信道可用于连接rf信道仿真器和ue。如我们的专利申请pct/us17/18518中所描述的，ue也可以被设置在rf室中，rf室将设备和信道与外界环境隔离。相似地，反射器和/或漫射器被设置在rf信道仿真器和ue之间以使信道矩阵满秩并且具有相对小的条件数，并且该信道矩阵的影响可以通过估计信道并且让rf信道应用逆矩阵而排除。实践中，用于连接到ue的rf电路路径的数量远小于大型mimobs侧的rf电路路径的数量，电缆连接可被用于将rf信道仿真器连接到ue。

代替对dl应用迫零(zf)法以及对ul应用以均衡g的影响，也可以应用其他方法，例如对dl应用最小平均方差(mmse)法，其中f^d＝p^d(g^hg+α^dim)^-1g^h，对ue应用f^u＝[(g^hg+α^uim)^-1g^h]^tp^u，其中im是m维度的单位矩阵，以及α^d>0和α^u>0分别是用于dl和ul的两个设计参数，例如，α^d＝l/γ^d并且α^u＝l/γ^u，其中，γ^d和γ^u分别表示dl和ul的snr。

在图1中，bs和rf信道仿真器被放置在rf室外，但是如果电源可用则它们也可以被放置在rf室内。进而，ue也可以被放置在rf室外。

bs和rf信道仿真器之间的信道的otacsi估计

为了测量mxn矩阵g，bs中的m个天线的每个需要发送导频。由于m的数量很大，因此导频的数量也很大。一个实施例产生rf室和配置，通过控制尤其是设计的rf室中的延迟扩展从而产生bs和信道仿真器之间的信道的大的相干带宽，并通过将设置与外部环境隔离并且固定bs的天线阵列以及信道仿真器，从而产生长的相干时间。结果，在一个实施例中，所有bs天线的导频在相干单元中以相干时间tc和相干带宽bc通过时分复用(tdm)、频分复用(fdm)、码分复用(cdm)或这三种方法的组合被复用。然后，信道仿真器的n个天线的每个可以根据预定义的导频格式来估计g矩阵。图4总结了估计bs和rf信道仿真器之间的ota信道的处理。在处理开始21之后，bs通过对每个相干单元预定义的导频格式、通过tdm、fdm、cdm或它们的组合将导频发送给信道仿真器22。然后，在处理结束24之前，信道仿真器接收导频并基于对每个相干单元预定义的导频格式来估计其与bs之间的ota信道23。

一个实施例为在对相干单元预定义的导频格式中，每个bs天线至少发送具有相同的时间索引但具有两个不同的频率索引的两个导频，例如，在lte中在相同的ofdm码元中但在两个不同的子载波中，从而使用在我们的专利申请中pct/us15/56500描述的方法来补偿时间偏移。

一个实施例是在对相干单元预定义的导频格式中，每个bs天线至少发送具有相同的频率索引但具有两个不同的时间索引的两个导频，例如，在lte中在相同的子载波中但在两个不同的ofdm码元中，从而使用在我们的专利申请中pct/us15/56500描述的方法来补偿时间偏移。

在一个实施例中，bs通过在其支持标准中定义的信号来发送下行链路导频，例如，在lte/lte-advanced(lte-a)中的小区特定参考信号(crs)、ue特定参考信号(dm-rs)、定位参考信号(prs)、csi参考信号(csi-rs)、组播-广播单频率网络(mbsfn)参考信号、或同步信号。

在另一个实施例中，bs发送定制的导频。图5表示用于具有定制的导频的相干单元导频格式的例子。在本例中，lte中的具有14个时域ofdm码元25以及12个频域子载波26的两个rb构成导频格式来估计用于大的相干单元的bs和信道仿真器之间的ota信道，例如，具有140个ofdm码元和600个子载波，并且具有42个天线的bs被进行测试，其中每个时间-频率方块中的数字表示天线的索引号。请注意，图5仅仅表示了用于解释概念的简单例子。由于bs和信道仿真器之间的ota信道被期待具有非常大的相干单元，因此支持更多bs天线例如256的导频格式能够相应地被是当地设计。

在一个实施例中，bs和信道仿真器之间的ota信道被离线地估计，即，其在bs和ue之间设计的系统性能测试之前被估计一次并且在整个测试中使用。图6表示bs和信道仿真器之间的ota信道被离线估计时的系统性能测试的处理。在处理开始之后27，bs和信道仿真器之间的ota信道被估计28。然后，在测试处理结束30之前，系统性能测试运行，同时信道仿真器基于所估计的信道而不断地均衡其和bs之间的ota信道。

在另一个实施例中，bs和信道仿真器之间的ota信道被在线估计，即，其在bs和ue之间设计的系统性能测试之前被估计一次，并在整个测试中被周期性地更新，这适于相对长时间的测试，例如，几小时或者几天。图7表示bs和信道仿真器之间的ota信道被在线估计时的系统性能测试的处理。在处理开始31之后，bs和信道仿真器之间的ota信道被估计32。然后，系统性能测试运行，同时信道仿真器基于所估计的信道而在预定义时间内不断地均衡其和bs之间的ota信道33。在该预定义时间之后，检查是否继续测试34。如果测试继续，那么处理跳回到32，并继续。如果测试不继续，则处理结束35。

一个实施例是bs和信道仿真器通过具有连接两者的接口的测试计算机被同步。图8表示bs2和rf信道仿真器3通过推荐的rf室6连接，并通过将两者连接的计算机36同步，其中计算机将同步信号发送给bs和rf信道仿真器两者。或者，bs(或仿真器)的计算机发送同步信号，并且计算机将该信号传递给仿真器(或bs)。另一个实施例是bs和信道仿真器使用ota信令被优选与bs对信道仿真器发送同步信号同步。

请注意，当ota信道被用于连接rf信道仿真器和ue时，将bs用ue代替则上述实施例也可以应用。

对于tdd系统，bs和信道仿真器之间的dlota信道g通过上述方法被估计。在一个实施例中，ulbs和信道仿真器之间的ota信道g^t由于tdd系统中的ota信道的互易性，而基于所估计的dl信道被自动获取。在另一个实施例中，其通过信道仿真器对bs发送预定义的或定制的导频，bs估计信道，然后对信道仿真器反馈估计的csi，从而被估计。

对于频分双工(fdd)系统，bs和信道仿真器之间的dlota信道g通过上述方法被估计。在一个实施例中，ulbs和信道仿真器之间的ota信道通过信道仿真器对bs发送预定义的或定制的导频，bs估计信道，然后对信道仿真器反馈估计的csi，从而被估计。在另一个实施例中，其通过应用ota互易性、使用在我们的专利申请pct/us14/71752中描述的发明来被估计。

rf信道仿真器互易性校准

在用于tdd系统的一个实施例中，为了维持bs和rf信道仿真器之间的dl和ul信道的互易性，rf信道仿真器上的每个天线的tx电路路径和rx电路路径被校准以解释非互易tx和rx电路路径。

尤其，考虑到bs、信道仿真器和ue上的天线的tx和rx的传递函数，在第l个子载波的用于dl的输入-输出关系为yl^d＝r^uehlf^dr^cegt^bsb^bsxl^d，其中t^bs是mxm的对角矩阵，包括bs上的tx路径的传递函数，r^ce是nxn的对角矩阵，包括信道仿真器上的rx路径的传递函数，r^ue是kxk的对角矩阵，包括ue上的rx路径的传递函数，b^bs是mxm的对角矩阵，包括bs用于维持ota信道的互易性的校准系数，即，t^bsb^bs＝β^bsr^bs，其中r^bs是mxm的对角矩阵，包括bs上的rx路径的传递函数，并且β^bs是具有单位范数的复杂值标量。请注意，矩阵t^bs、r^bs、r^ce、r^ue以及b^bs被假设为平坦且时间恒定。此外，β^bs被假设具有单位范数，是因为振幅可以包括在dlmu-mimo波束成形的功率控制矩阵中。在该情况下，代替g，估计的ota信道为r^cegt^bs。然后，并且yl^d＝β^bsr^uehlp^d(t^bs)^-1r^bsxl^d。在信道仿真器补偿p^d之后，dl输入-输出关系变为yl^d＝β^bsr^uehl(t^bs)^-1r^bsxl^d。

基于上述分析，在第l个子载波的频域dl信道为注意到如果bs和信道仿真器之间的ota连接由理想电缆连接代替，从而g＝i，假设信道仿真器被校准为理想从而r^ce＝i，那么在第l个子载波的频域dl信道为对比这两个矩阵与唯一区别是(t^bs)^-1，这可能造成轻微性能差异。然而，与理论dl信道hl的性能相比，理想电缆连接和ota信道两者都造成相似程度的轻微性能差异。换言之，我们实施例中的ota信道可以等效于bs和信道仿真器之间的理想电缆连接。

相似地，ul的第l个子载波的输入输出关系被写作yl^u＝r^bsg^tt^ceb^cef^uhl^tt^uexl^u，其中t^ue是包括ue的tx路径的传递函数的kxk对角矩阵，t^ce是包括信道仿真器的tx路径的传递函数的nxn对角矩阵，并且b^ce是包括信道仿真器的天线的校准系数的nxn对角矩阵，以维持ota信道的互易性，例如，我们的专利申请pct/us16/41668和pct/us17/18518，即，t^ceb^ce＝β^cer^ce，其中β^ce是具有单位范数的复杂值标量。请注意，矩阵t^ue、t^ce以及b^ce被假设为平坦且时间恒定。此外，β^ce被假设具有单位范数，是因为振幅可以包括在p^u中。在该情况下，代替g^t，估计的ota信道为(r^cegt^bs)^t。因此，并且yl^u＝β^cer^bs(t^bs)^-1p^uhl^tt^uexl^u。在rf信道仿真器补偿p^u之后，dl输入-输出关系变为yl^u＝β^cdr^bs(t^bs)^-1hl^tt^uexl^u。

基于上述分析，第l个子载波的频域ul信道为注意到如果bs和信道仿真器之间的ota连接由理想电缆连接取代，从而g＝i，假设信道仿真器被校准为理想从而t^ce＝i，那么在第l个子载波的频域ul信道为对比与唯一区别是β^ce和(t^bs)^-1。由β^ce造成的相位旋转不会影响性能，因为其包含在估计的ul信道中。对于区别(t^bs)^-1，这可能造成轻微性能差异。然而，与理论ul信道hl^t的性能相比，理想电缆连接和ota信道两者都造成相似程度的轻微性能差异。换言之，我们实施例中的ota信道可以等效于bs和信道仿真器之间的理想电缆连接。

请注意β^bs/β^cer^ue(t^ue)^-1引起的非互易性可以使用dl数据导频在ue被修改，从而其不会影响在bs进行的dlmu-mimo波束成形的性能。其结果，在信道仿真器处的互易性校准之后，dl和ul信道可被认为是互易的。

在一实施例中，参考天线的tx和rx路径的参考对被用于校准，例如，我们的专利申请pct/us16/41668和pct/us17/18518中，其中，参考天线可以是rf信道仿真器的天线阵列中的天线之一，或者专门用于校准目的的专用天线。在该情况下，其中tr和rr分别表示一个参考天线的tx和rx路径的传递函数。如上所述，由于振幅|tr/rr|可以被包含在p^u中，并且进一步被信道仿真器补偿，其无需被补偿到1。换言之，tr和rr的振幅不必补偿为相同。此外，如上所述，由于ul中的β^ce所引起的相位旋转不影响ul性能，因此其不必补偿到1。换言之，tr和rr的相位不必被补偿为相同。这表示，在我们的实施例中，tx和rx路径的参考对不必被校准。

在另一实施例中，参考天线的tx和rx路径的多个参考对被用于校准，其中考天线可以是rf信道仿真器的天线阵列中的多个天线，或者专门用于校准目的的专用天线。与单参考天线的情况相同，每个参考天线的每队tx和rx路径的振幅和相位不必被补偿为相同。

当bs和信道仿真器之间的ulota信道通过信道仿真器发送预定义的或定制的导频到bs，并且bs估计信道，然后反馈估计的csi时，可以跳过在信道仿真器的上述互易性校准。

尽管上述描述展示讨论了本发明的优选实施方式，或图解了本发明的新颖特征和原理，但应当理解的是对于本发明所示的方法、元件或装置的细节，以及其使用形式的各种省略、替换和改变均是本领域的技术人员在不脱离本发明的范围和精神的情况下能够做出的。因此，本发明的保护范围不应当被上述描述所限制。相反，本发明的原理可以被更广地运用在一系列方法、系统和装置中，以获取所述性能优势或满足其他目的、获取其他优势。