一種大規(guī)模mimo系統(tǒng)的大尺度衰落估計方法與裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種面向大規(guī)模陣列天線MIMO通信系統(tǒng)的大尺度衰落估計方法。該方法基于匹配濾波器原理先對目標(biāo)小區(qū)用戶到目標(biāo)小區(qū)基站的信道進(jìn)行初步估計，在此基礎(chǔ)上利用大規(guī)模陣列天線MIMO系統(tǒng)所特有的信道統(tǒng)計特性通過處理得到目標(biāo)小區(qū)用戶到基站信道的大尺度衰落估計。在此基礎(chǔ)上，基于導(dǎo)頻信號重構(gòu)和串行干擾消除方法按照各鄰區(qū)對目標(biāo)小區(qū)的導(dǎo)頻信號干擾強(qiáng)度排序依次對各鄰區(qū)進(jìn)行處理，得到各鄰區(qū)用戶到目標(biāo)小區(qū)基站的信道的大尺度衰落估計。最后，根據(jù)估計結(jié)果計算各鄰區(qū)對目標(biāo)小區(qū)的導(dǎo)頻干擾強(qiáng)度對鄰區(qū)排序進(jìn)行更新用于下一個周期的大尺度衰落估計。本發(fā)明可以有效解決大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的大尺度衰落信道估計的問題。
【專利說明】一種大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的大尺度衰落估計方法與裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于通信系統(tǒng)領(lǐng)域，特別涉及面向大規(guī)模陣列天線通信系統(tǒng)的大尺度衰落估計方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前已經(jīng)得到實(shí)際應(yīng)用的多輸入多輸出(MMO)技術(shù)一般是基于較少數(shù)目的天線陣列(通常少于10個陣元)。近年來，一種新的技術(shù)即大規(guī)模陣列MM0(Massive ΜΙΜΟ)技術(shù)得到了廣泛關(guān)注。其最主要特征在于天線陣列的陣元數(shù)量得到顯著增加，一般達(dá)到幾十甚至上百個陣元?；谶@種天線的通信系統(tǒng)通過簡單的信號處理即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)傳輸可靠性和信息傳輸速率的顯著提高。即假設(shè)基站具有理想信道狀態(tài)信息的條件下(此時各用戶到基站的信道是兩兩正交的)，通過簡單的線性處理(例如，最大比合并或者迫零處理)，在無需較多的頻譜資源下就可消除其他用戶的干擾。這樣的處理極大地提高了頻譜效率。此夕卜，在基站通過使用一個非常大的天線陣，可以大大降低單個天線單元的發(fā)射功率，從而顯著減少系統(tǒng)傳輸所消耗的總能量。
[0003]然而，實(shí)際應(yīng)用中，基站往往并不具備理想信道狀態(tài)信息條件，因此，一般仍會采用傳統(tǒng)的基于導(dǎo)頻訓(xùn)練序列的方法來進(jìn)行信道估計以獲得上行信道的真實(shí)狀態(tài)。在蜂窩系統(tǒng)常見的多小區(qū)場景中，由于導(dǎo)頻傳輸?shù)念l譜資源分配和信道相干時間都是有限的，正交的導(dǎo)頻序列的數(shù)量也是有限的。因此，導(dǎo)頻序列必須在其他小區(qū)的用戶中重復(fù)利用。所以，給定小區(qū)內(nèi)的信道估計將被其他小區(qū)內(nèi)的導(dǎo)頻傳輸所污染，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的導(dǎo)頻污染，影響了系統(tǒng)的實(shí)際性能。因此，很多研究人員提出了各種信道估計方法以降低導(dǎo)頻污染的影響，提高信道估計的準(zhǔn)確性。
[0004]考慮到緩解導(dǎo)頻污染在保證大規(guī)模MMO系統(tǒng)性能上的重要性，相關(guān)研究人員提出了一些解決方法，包括最優(yōu)化的導(dǎo)頻設(shè)計和分配，先進(jìn)的上行信道估計方法以及下行鏈路預(yù)編碼等。
[0005]最優(yōu)化的導(dǎo)頻設(shè)計方面，一種方法是通過利用大規(guī)模MMO系統(tǒng)中信道向量的正交性，提出了一種導(dǎo)頻設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和基于導(dǎo)頻的Chu序列?；谒岢龅膶?dǎo)頻設(shè)計方法，一個小區(qū)內(nèi)大多數(shù)終端的信道估計僅僅被部分鄰小區(qū)干擾而不是所有鄰小區(qū)。因此，導(dǎo)頻污染得到了緩解。此外，在整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中還可以協(xié)調(diào)使用導(dǎo)頻或者自適應(yīng)根據(jù)不同終端來分配導(dǎo)頻，從而進(jìn)一步降低導(dǎo)頻污染水平。
[0006]在下行預(yù)編碼技術(shù)方面，目前在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中考慮的如導(dǎo)頻污染預(yù)編碼等新的預(yù)編碼技術(shù)，能夠利用多小區(qū)間的協(xié)作傳輸(波束形成之外的操作)來緩解導(dǎo)頻污染的至少部分直接干擾。不同于多小區(qū)協(xié)作波束賦形方法(該方法需要知道各干擾小區(qū)基站天線到被干擾小區(qū)用戶終端天線之間的實(shí)際衰落信道信息)，導(dǎo)頻污染預(yù)編碼僅僅需要相應(yīng)的信道慢衰落系數(shù)。
[0007]從信道估計方法上來看，目前主要采用的仍然是采用傳統(tǒng)的最小二乘(LS)和最小均方誤差(MMSE)準(zhǔn)則的信道估計算法。[0008]目前的上行信道估計算法的目標(biāo)是精確地估計出目標(biāo)終端到目標(biāo)小區(qū)的信道特征(具體指信道的多徑衰落特征)，從而為上行的數(shù)據(jù)解調(diào)和下行數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。
[0009]目前所見的各類針對massiveMMO系統(tǒng)的上行信道估計算法，都會用到信道的大尺度衰落(即用戶終端到基站的路徑損耗和陰影衰落)。而為了簡化其研究，一般都假設(shè)各用戶(包括本小區(qū)和鄰區(qū)用戶)到本小區(qū)基站的信道的大尺度衰落都是完全已知的，僅僅各用戶到基站傳播路徑上的快衰落是未知的，并基于接收信號、導(dǎo)頻信號和大尺度衰落進(jìn)行快衰落的估計。而這在實(shí)際系統(tǒng)中是無法實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)殡S著各用戶位置的不斷移動，路徑損耗和陰影衰落都是在不斷變化而且對基站來說是未知的。因?yàn)?，為了保證現(xiàn)有的上行信道估計方法可以應(yīng)用于實(shí)際的大規(guī)模陣列MIMO系統(tǒng)中，需要設(shè)計出可行的方法對本小區(qū)和鄰小區(qū)各用戶終端到本小區(qū)基站的信道的大尺度衰落進(jìn)行精確的估計和跟蹤。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0010]有鑒于此，本發(fā)明提出的一種面向大規(guī)模陣列天線通信系統(tǒng)的大尺度衰落估計方法，的目的是可有效解決大規(guī)模陣列MIMO系統(tǒng)中的各用戶到基站天線的大尺度衰落的估算問題，為進(jìn)一步進(jìn)行信道的小尺度衰落的精確估計提供了基礎(chǔ)。且本方法實(shí)現(xiàn)簡單，具有較好的可實(shí)現(xiàn)性。
[0011]本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0012]一種大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的大尺度衰落估計方法與裝置，包括:
[0013]步驟A:各小區(qū)的初始信道估計的預(yù)處理
[0014]在對各小區(qū)進(jìn)行初始信道估計之前，先利用各小區(qū)的系統(tǒng)矩陣計算得到初始信道估計所需要用到的估計矩陣并存儲下來備用。
[0015]進(jìn)一步,所述步驟A具體包括:
[0016]步驟al:構(gòu)造系統(tǒng)矩陣
[0017]基于各小區(qū)分配的可用導(dǎo)頻序列，分別構(gòu)造出各小區(qū)的系統(tǒng)矩陣Ψρ (j為小區(qū)編號，j=l，2，…，L，L為一個本地網(wǎng)所包含的小區(qū)總數(shù))
[0018]
【權(quán)利要求】
1. 一種大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的大尺度衰落估計方法與裝置，其特征在于，包括: 步驟A:在對各小區(qū)進(jìn)行初始信道估計之前，先基于各小區(qū)內(nèi)各用戶所分配的導(dǎo)頻序列構(gòu)造系統(tǒng)矩陣，并利用系統(tǒng)矩陣計算得到初始信道估計所需要用到的靜態(tài)估計矩陣并存儲下來備用； 步驟B:目標(biāo)小區(qū)基站利用從接收信號中分離出的導(dǎo)頻接收信號，結(jié)合在靜態(tài)估計矩陣基礎(chǔ)上根據(jù)小區(qū)內(nèi)實(shí)際連接用戶數(shù)構(gòu)造的動態(tài)估計矩陣，計算得到目標(biāo)小區(qū)的初始信道估計結(jié)果； 步驟C:估計目標(biāo)小區(qū)的上行信道大尺度衰落:基于大規(guī)模MMO系統(tǒng)各天線單元上快衰落的統(tǒng)計特性，對所述步驟B所得到的目標(biāo)小區(qū)初始信道估計結(jié)果進(jìn)行處理，即可得到目標(biāo)小區(qū)內(nèi)各用戶到目標(biāo)小區(qū)基站的上行信道的大尺度衰落的估計值； 步驟D:導(dǎo)頻信號重構(gòu)與干擾消除:利用估計出來的小區(qū)的初始信道估計結(jié)果矩陣、該小區(qū)的系統(tǒng)矩陣，重構(gòu)出來自該小區(qū)用戶的接收導(dǎo)頻信號。并從總的導(dǎo)頻接收信號中減去當(dāng)前重構(gòu)出的小區(qū)用戶的接收導(dǎo)頻信號。 步驟E:對目標(biāo)小區(qū)的鄰區(qū)進(jìn)行初始信道估計:按照預(yù)先定義的順序首先對第一個鄰區(qū)按照所述步驟B的方法進(jìn)行初始信道估計； 步驟F:對目標(biāo)小區(qū)的鄰區(qū)進(jìn)行大尺度衰落估計:按照所述步驟C的方法計算第一個鄰區(qū)內(nèi)用戶到目標(biāo)小區(qū)基站的大尺度衰落的估計； 步驟G:對目標(biāo)小區(qū)的剩余其他鄰區(qū)，按照所述步驟D、E、F分別進(jìn)行導(dǎo)頻信號重構(gòu)和干擾消除、初始信道估計、大尺度衰落估計，直到該目標(biāo)小區(qū)的所有鄰區(qū)全部處理完畢； 步驟H:鄰區(qū)的干擾強(qiáng)度計算和排序:在全部鄰區(qū)的大尺度衰落估計完成后，計算各鄰區(qū)對目標(biāo)小區(qū)的總干擾強(qiáng)度，并根據(jù)計算結(jié)果從大到小進(jìn)行排序。將排序結(jié)果作為下一個處理周期中對鄰區(qū)進(jìn)行大尺度衰落估計的鄰區(qū)處理順序。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的大尺度衰落估計方法與裝置，其特征在于，所述步驟A具體包括: 步驟al:構(gòu)造系統(tǒng)矩陣 基于各小區(qū)分配的可用導(dǎo)頻序列，分別構(gòu)造出各小區(qū)的系統(tǒng)矩陣Ψρ (j為小區(qū)編號，j=l，2，...，L，L為一個本地網(wǎng)所包含的小區(qū)總數(shù))
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的大尺度衰落估計方法與裝置，其特征在于，所述步驟B具體包括: 步驟bl:導(dǎo)頻接收信號的分離 目標(biāo)小區(qū)(設(shè)為第I個小區(qū))的基站端從天線陣列各陣元上接收到的信號中，根據(jù)導(dǎo)頻序列的定時關(guān)系(即導(dǎo)頻在接收信號序列中的位置)和導(dǎo)頻長度將接收的導(dǎo)頻信號與上行數(shù)據(jù)信號分離，提取出各天線單元的導(dǎo)頻接收信號序列。 步驟b2:導(dǎo)頻接收矩陣的構(gòu)造 將目標(biāo)小區(qū)各天線單元上分離出的導(dǎo)頻接收信號構(gòu)造成為該小區(qū)的導(dǎo)頻接收矩陣Yi (Y/G CTXM，M為該小區(qū)基站天線陣列的天線陣元數(shù))。 步驟b3:根據(jù)目標(biāo)小區(qū)當(dāng)前實(shí)際用戶數(shù)構(gòu)造動態(tài)估計矩陣 設(shè)小區(qū)I當(dāng)前時刻的實(shí)際連接用戶數(shù)為K1，從滿用戶時的靜態(tài)估計矩陣中根據(jù)當(dāng)前實(shí)際連接用戶數(shù)以及每個連接用戶所分配的導(dǎo)頻序列將對應(yīng)的行向量提取出來重新構(gòu)造成為新的估計矩陣，即動態(tài)估計矩陣
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的大尺度衰落估計方法與裝置，其特征在于，所述步驟C具體包括: 步驟Cl:計算各用戶的上行信道大尺度衰落估計 利用目標(biāo)小區(qū)的初始信道估計結(jié)果，按下式分別計算該小區(qū)內(nèi)各用戶到目標(biāo)基站的大尺度衰落的估計值:
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的大尺度衰落估計方法與裝置，其特征在于，所述步驟D具體包括: 步驟dl:系統(tǒng)矩陣重構(gòu) 根據(jù)所述目標(biāo)小區(qū)內(nèi)當(dāng)前實(shí)際連接用戶數(shù)K1重新構(gòu)造系統(tǒng)矩陣為:= [tn ±12…史恥]e C瑪步驟d2:導(dǎo)頻信號重構(gòu) 根據(jù)前述步驟估計出來的大尺度衰落的估計結(jié)果矩陣和重構(gòu)的系統(tǒng)矩陣，按下式進(jìn)行導(dǎo)頻信號的重構(gòu):
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大規(guī)模MMO系統(tǒng)的大尺度衰落估計方法與裝置，其特征在于，所述步驟E具體包括: 設(shè)目標(biāo)小區(qū)I有Ne個鄰區(qū)，首先對第I個鄰區(qū)(設(shè)小區(qū)編號為i)按照步驟B所述方法，并將動態(tài)估計矩陣替換為所述鄰區(qū)的動態(tài)估計矩陣，將導(dǎo)頻接收信號矩陣替換為干擾消除后的新的導(dǎo)頻接收信號矩陣，按照下式進(jìn)行所述鄰區(qū)的初始信道估計:
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的大尺度衰落估計方法與裝置，其特征在于，所述步驟F具體包括: 將所述步驟Cl中的初始估計信道矩陣替換為所述鄰區(qū)的初始信道估計矩陣，并按照所述步驟Cl的方法計算所述鄰區(qū)的大尺度衰落的估計:
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的大尺度衰落估計方法與裝置，其特征在于，所述步驟H中鄰區(qū)對目標(biāo)小區(qū)的總干擾強(qiáng)度可以采用下式進(jìn)行計算:
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的導(dǎo)頻信號重構(gòu)與干擾消除方法，其特征在于，在對所述目標(biāo)小區(qū)的第一個鄰區(qū)進(jìn)行大尺度衰落估計之前，需要先將來自所述目標(biāo)小區(qū)內(nèi)用戶的導(dǎo)頻接收信號利用所述步驟D進(jìn)行導(dǎo)頻信號重構(gòu)和干擾消除。然后再依次對來自已完成初始信道估計的鄰區(qū)用戶的導(dǎo)頻接收信號進(jìn)行導(dǎo)頻信號重構(gòu)和干擾消除。
【文檔編號】H04L25/02GK103929382SQ201410140820
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月10日
【發(fā)明者】李克, 宋曉勤, 錢麗, 汪淼 申請人:北京聯(lián)合大學(xué)