FDD大规模MIMO下行信道重建与多用户传输方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种面向fdd大规模mimo系统的下行信道重建与多用户传输方法。

背景技术：

多输入多输出(mimo)技术自第四代(4g)移动通信系统以来，一直被视为提升频谱效率的关键手段。通过在基站端架设多个天线，使得空间维度得以开发，支持以空分复用等方式增强空间利用率，达到频谱效率提升。随着用户对移动通信业务需求的爆炸式增长，为满足用户需求，在第五代(5g)移动通信研究初期，业界提出了大规模mimo的概念。基站端配置大规模天线阵列，最大限度上挖掘空间自由度，支持同时同频服务数十位用户。大规模mimo技术已被广泛认为是5g及未来移动通信领域中的关键技术，具有极强的商用价值。

然而，大规模mimo的引入对工作于频分双工(fdd)方式下的系统带来新的难题。下行链路的发送端信道状态信息(csi-t)的获取是保证空分性能的重要前提。为获取高维csi-t，若在不同天线端口采用时频域完全正交的导频，受时频资源网络以及相干时间、相关带宽的限制，成百个完全正交的导频图案根本无法设计。因此对于fdd大规模mimo系统，业界通常沿用4g中基于码本的csi-t获取方法，预设一组空间方向码本供每位用户选择。然而这种方法适用于空间具有极强稀疏性的信道环境，并不适用于5g协议规定的fdd低频富散射场景。另外，业界还对基于压缩感知的csi-t方法进行了大量探索，而压缩感知的前提同样是信道稀疏性，并且对手机端的计算处理能力要求过高，在现实中无法实现。因此，fdd大规模mimo系统中csi-t的获取成为困扰业界已久的难题之一。

在fdd大规模mimo系统中，当采用基于码本或者基于压缩感知的csi-t获取方法时，用户端在计算出码本编号或者信道传播路径的空间采样方向后，将上述信息反馈至基站，基站能获取的仅是这类粗略的空间csi-t，而非精细的空间csi-t。而对于下行链路多用户传输而言，粗略的空间csi-t并不能很好地实现空间多用户干扰消除，从而带来干扰泄露，导致传输效率迅速下降。基站必须选择空间上完全避开的一组的用户，才能尽可能避免干扰的产生，这也对用户调度策略带来更高的要求。因此，在csi-t获取不精细的前提下，fdd大规模mimo系统中的用户干扰消除的效果也受损失。

综上所述，如何以较小的导频及反馈开销获取具有较高准确度的下行多用户csi-t，以及如何保证多用户传输性能不因干扰的存在而受损失，成为fdd大规模mimo系统亟待突破的难题。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种面向fdd大规模mimo系统的下行信道重建与多用户传输方法，突破了fdd大规模mimo系统下行csi-t获取的瓶颈，以较小的导频和反馈开销，重建了具有较高准确度的下行多用户信道，并结合系统特点，提供了一种无干扰的下行多用户传输方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种面向fdd大规模mimo系统的下行信道重建与多用户传输方法，包括以下步骤：

1)用户发送上行导频至基站，用户间导频正交，基站抽取每个用户信道中所有传播路径的方向角和时延；

2)基站利用所估计方向角信息进行用户选择与调度；

3)基站发送下行稀疏导频，被选用户根据接收到的导频估计出每条传播路径的下行增益并反馈至基站，基站为每个被选用户重建下行信道；

4)基站利用重建的下行信道设计预编码矩阵，用于下行多用户数据传输。

进一步地，所述步骤2中包括如下步骤：

2.1)基站预设一组样本方向角，这些样本方向角是对空间方向的一组采样，均匀地覆盖了整个空间范围；

2.2)对于步骤1中抽取出的每个方向角，基站将其归一化至离它最近的样本方向角上，并标记该样本方向角；对同一个用户信道，如果抽取出的两个不同的方向角归一化到了相同的样本方向角上，则将后一个抽取出的方向角归一化至与之最近的第一个暂未被该用户选中的样本方向角上，并标记该样本方向角；

2.3)统计所有被标记的样本方向角的权重，每个样本方向角的权重等于覆盖了该样本方向角的用户数；

2.4)将这些方向角放入所选样本方向角集合，并将所有用户放入所选用户集合

进一步地，所述步骤2中基站判断所选样本方向角集合中样本方向角的数目是否超过门限，如超过门限则从所选样本方向角集合删除第一个权重最小的样本方向角，并从所选用户集合中删除覆盖了该样本方向角的用户，更新所选样本方向角集合和所选用户集合；重复上述过程，直至所选样本方向角集合中样本方向角的数目不超过门限。

进一步地，所述步骤3具体包括如下步骤：

3.1)基站发送下行稀疏导频，采用波束赋形技术将下行导频依次调制到所选样本方向角集合中样本方向角，对应不同样本方向角的导频之间正交；

3.2)对所选用户集合中的每个用户，仅接收其覆盖的样本方向角所对应的下行导频，并利用下行导频估计信道中每条传播路径的下行增益，将下行增益反馈至基站；

3.3)对所选用户集合中的每个用户，基站根据上行估计的方向角、时延和反馈得到的下行增益，为该用户重建下行信道。

进一步地，所述步骤4中基站利用重建的下行信道，设计具有多用户干扰抑制能力的预编码矩阵，该预编码矩阵被应用到下行数据传输过程中，基站对所选用户集合中的用户以空分多址的方式进行服务。

有益效果：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、本方法预设了一组样本方向角，将抽取出的方向角归一化到样本方向角上，等同于将不同用户的空间方向统一到同一组空间基中，下行导频从针对某一用户而设计的专用导频变成所有用户共用的公共导频，节约了下行导频开销。

2、本方法在重建出下行多用户csi-t后，可直接利用高准确性的csi-t，进行下行链路预编码方法的设计，对重建过信道的所有用户进行空分多址传输，消除了用户间干扰，实现了大规模mimo空间自由度的最大程度挖掘。

附图说明

图1为本发明实施例中样本方向角权重的计算方法和删除用户准则示意图。

具体实施方式

本发明提供一种面向fdd大规模mimo系统的下行信道重建与多用户传输方法，具体包括如下步骤：

1)用户发送上行导频至基站，用户间导频正交，基站抽取每个用户信道中所有传播路径的方向角和时延；

2)基站利用所估计方向角信息进行用户选择与调度，其具体的包括如下步骤：

2.1)基站预设一组样本方向角，这些样本方向角是对空间方向的一组采样，均匀地覆盖了整个空间范围；

2.2)对于步骤1中抽取出的每个方向角，基站将其归一化至离它最近的样本方向角上，并标记该样本方向角；对同一个用户信道，如果抽取出的两个不同的方向角归一化到了相同的样本方向角上，则将后一个抽取出的方向角归一化至与之最近的第一个暂未被该用户选中的样本方向角上，并标记该样本方向角；

2.3)统计所有被标记的样本方向角的权重，每个样本方向角的权重等于覆盖了该样本方向角的用户数；

2.4)将这些方向角放入所选样本方向角集合，并将所有用户放入所选用户集合；

2.5)基站判断所选样本方向角集合中样本方向角的数目是否超过门限，如超过门限则从所选样本方向角集合删除第一个权重最小的样本方向角，并从所选用户集合中删除覆盖了该样本方向角的用户，更新所选样本方向角集合和所选用户集合；重复上述过程，直至所选样本方向角集合中样本方向角的数目不超过门限。

3)基站发送下行稀疏导频，被选用户根据接收到的导频估计出每条传播路径的下行增益并反馈至基站，基站为每个被选用户重建下行信道，其具体包括如下步骤：

3.1)基站发送下行稀疏导频，采用波束赋形技术将下行导频依次调制到所选样本方向角集合中样本方向角，对应不同样本方向角的导频之间正交；

3.2)对所选用户集合中的每个用户，仅接收其覆盖的样本方向角所对应的下行导频，并利用下行导频估计信道中每条传播路径的下行增益，将下行增益反馈至基站；

3.3)对所选用户集合中的每个用户，基站根据上行估计的方向角、时延和反馈得到的下行增益，为该用户重建下行信道。

4)基站利用重建的下行信道设计预编码矩阵，用于下行多用户数据传输。其中，基站利用重建的下行信道，设计具有多用户干扰抑制能力的预编码矩阵，该预编码矩阵被应用到下行数据传输过程中，基站对所选用户集合中的用户以空分多址的方式进行服务。

为了验证本发明的方法可以为fdd大规模mimo系统提供下行信道重建与多用户传输方法，下面通过具体实施例，结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述：

在fdd大规模mimo系统中，基站位于小区中心，架设大规模天线阵列，天线单元数为m，量级通常为10²、10³。k个用户均匀随机分布在小区内部，每个用户均采用单天线配置。本实施例将在k个用户中进行选择，对所选用户的下行信道进行重建，并对所选用户进行下行链路无干扰传输设计，包括如下步骤：

步骤一：每个用户发送上行导频，不同用户的上行导频之间相互正交，对于用户k，k＝1,...,k，基站根据接收到的上行导频，估计出该用户信道中每条传播路径的时延τk,l和方向角θk,l，其中l＝1,...,lk，lk为用户k信道中的传播路径数。

步骤二：基站定义一组样本方向角对于用户k，基站将θk,l,l＝1,...,lk分别归一化至与之最近的样本方向角上，并标记该样本方向角，如θk,l+1最近的样本方向角与θk,l归一化至的样本方向角相同，则将θk,l+1归一化至另一个与之最近的样本方向角，并标记该样本方向角。将所有用户的方向角都归一化完成后，基站将所有被标记的样本方向角放入所选样本方向角集合φ中，统计φ中每个样本方向角的权重，每个样本方向角的权重等与标记该样本方向角的用户数，如附图1所示，的权重为1，的权重为2，再将所有用户放入所选用户集合ψ中。基站统计φ中的样本方向角个数，判断是否超过门限。若超过门限，则删除φ中权重最小的第一个样本方向角，如图1中的同时从ψ中删除标记过该样本方向角的用户，如图1中的用户4，然后更新φ和ψ。再判断φ中的样本方向角个数是否超过门限，若超过则重复上述过程，直至φ中的样本方向角个数t不超过门限，此时ψ中的用户为k1,...,。

步骤三：基站发送t个下行稀疏导频，每个导频之间相互正交，导频1至导频t分别指向φ中的样本方向角1至样本方向角t。对于ψ中的用户仅接收其标记过的样本方向角所对应的导频，并根据这些导频估计出信道中每条传播路径的下行增益l＝1,...,，并将增益值反馈至基站。对于用户基站利用重建其下行信道

步骤四：基站利用重建得到的下行多用户信道计算具有多用户干扰抑制能力的迫零预编码矩阵w＝h^h(hh^h)^-1，用于下行多用户空分多址数据传输过程中。