基于導頻復用的大規(guī)模mimo無線通信方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種基于導頻復用的大規(guī)模MIMO無線通信方法?；緜扰鋫浯笠?guī)模天線陣列，在同一時頻資源上與多個用戶進行無線通信。在同一時頻資源上進行通信的不同用戶所使用的導頻信號不要求完全正交，不同用戶之間可以復用相同的導頻，導頻信號的長度和導頻個數(shù)可以小于在同一時頻資源上進行通信的用戶數(shù)目。各用戶發(fā)送相互正交的探測信號，基站根據(jù)接收到的探測信號獲取每個用戶的統(tǒng)計信道信息，由此為各調度用戶分配導頻信號。各調度用戶發(fā)送各自分配到的導頻信號，基站側依據(jù)信道估計值以及信道估計誤差的統(tǒng)計特性作上行的魯棒接收以及下行的魯棒預編碼傳輸。本發(fā)明能夠降低系統(tǒng)的導頻開銷，提高無線通信系統(tǒng)的頻譜效率及功率效率。
【專利說明】基于導頻復用的大規(guī)模MIMO無線通信方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種使用多天線的多入多出(MIMO)無線通信領域，尤其涉及一種基于導頻復用的大規(guī)模MMO無線通信方法。
【背景技術】
[0002]隨著智能移動終端的普及應用和移動新業(yè)務需求的不斷發(fā)展，移動通信傳輸速率需求繼續(xù)呈指數(shù)增長。為滿足未來移動通信應用需求，需要深度挖掘利用空間無線資源，大幅提升無線通信的頻譜利用率和功率利用率。采用多天線發(fā)送和多天線接收的MIMO無線傳輸技術，是提高無線通信頻譜和功率效率的基本技術，在過去十余年內一直是無線通信研究領域的主流技術之一。受天線數(shù)量的限制(例如在3GPP的LTE-A標準中，基站側最多可配置8根天線)，傳統(tǒng)MIMO技術的頻譜和功率效率仍然較低。在基站側配置大規(guī)模天線陣列(數(shù)十根以上)，以深度挖掘利用空間維度資源，成為未來無線通信的發(fā)展趨勢之一。
[0003]在實際無線通信系統(tǒng)中，為了準確及時地獲取信道信息，常采用基于導頻輔助的信道估計方法。在時分雙工(TDD)大規(guī)模MMO無線通信系統(tǒng)中，已有的導頻輔助信道估計方案是:小區(qū)內用戶使用全正交導頻，同一組正交導頻序列在所有小區(qū)間重復使用。隨著小區(qū)內用戶天線數(shù)目的增多，導頻開銷會隨之線性增長，進而導致無線通信系統(tǒng)頻譜效率及功率效率的大幅降低，成為系統(tǒng)構建的瓶頸問題。如何減小系統(tǒng)的導頻開銷，進而實現(xiàn)頻譜效率及功率效率的提升，是大規(guī)模MMO系統(tǒng)亟需解決的核心問題之一。利用大規(guī)模MMO信道通常呈現(xiàn)出較強空間局部性的特點，本發(fā)明給出了一種基于小區(qū)內用戶間導頻復用的大規(guī)模MIMO無線通信方法。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種基于導頻復用的大規(guī)模MMO無線通信方法，節(jié)省系統(tǒng)的導頻開銷。該方法基本特點是，小區(qū)內在同一資源上通信的不同用戶所使用的導頻信號不要求完全正交，不同用戶之間可以復用導頻，導頻信號的長度和正交導頻個數(shù)可以小于小區(qū)內在同一時頻資源上進行通信的用戶數(shù)目。
[0005]本發(fā)明提出了一種基于導頻復用的大規(guī)模MMO無線通信方法，包括以下步驟:
[0006]a.基站側配備大規(guī)模陣列天線，基站在同一時頻資源上與多個用戶進行無線通信，通信的上下行采用時分雙工TDD方式，通信過程包括上行信道探測和導頻調度、上行信道訓練、上行魯棒接收數(shù)據(jù)傳輸、下行魯棒預編碼數(shù)據(jù)傳輸四個階段；
[0007]b.在上行信道探測和導頻調度階段，各用戶在不同的時頻資源上發(fā)送上行探測信號，基站依據(jù)接收到的探測信號獲取各用戶的統(tǒng)計信道信息；基站側利用統(tǒng)計信道信息，進行導頻資源調度，確定各用戶所使用的導頻信號；
[0008]c.在上行信道訓練階段，各用戶在同一時頻資源上周期性地發(fā)送各自所分配到的上行導頻信號，基站依據(jù)收到的導頻信號進行各用戶的信道估計；
[0009]d.在上行魯棒接收數(shù)據(jù)傳輸階段，各用戶在同一時頻資源上發(fā)送數(shù)據(jù)信號，基站利用信道估計以及估計誤差的統(tǒng)計特性對上行鏈路數(shù)據(jù)信號進行魯棒接收處理；
[0010]e.在下行魯棒預編碼數(shù)據(jù)傳輸階段，基站利用信道估計以及估計誤差的統(tǒng)計特性實施魯棒預編碼，在同一時頻資源上向各用戶同時發(fā)送數(shù)據(jù)信號，各用戶用戶分別進行接收處理；
[0011]f.在各用戶移動過程中，隨著基站與各用戶間信道統(tǒng)計特性的變化，動態(tài)地實施前述基于導頻復用的通信過程。
[0012]所述大規(guī)模MMO無線通信系統(tǒng)中基站側天線陣列包含數(shù)十個以上的天線單元，各天線單元之間的間距小于載波的波長，當各天線采用全向天線或120度扇區(qū)天線或60度扇區(qū)天線時，各天線之間的間距分別為1/2波長或I/W波長或I個波長；每個天線單元采用單極化或多極化天線；通信的上下行采用時分雙工TDD方式，上行鏈路傳輸信號包括上行探測信號、上行導頻信號及上行數(shù)據(jù)信號，下行鏈路傳輸信號涉及下行數(shù)據(jù)信號。
[0013]所述的統(tǒng)計信道信息獲取由上行鏈路的信道探測過程完成；各用戶間歇地發(fā)送上行探測信號，每個用戶發(fā)送的探測信號相互正交；基站依據(jù)接收到的上行探測信號，利用樣本加強平均方法，估計出各用戶的統(tǒng)計信道信息，即各用戶信道的特征模式域能量耦合矢量及空間相關矩陣。
[0014]所述的導頻調度在基站側依據(jù)各用戶的統(tǒng)計信道信息完成，基站依據(jù)信道估計均方誤差之和最小準則，或者數(shù)據(jù)檢測平均均方誤差之和最小準則，或者復用導頻的用戶信道空間重合度之和最小準則，對小區(qū)中的用戶及可用導頻資源進行調度，確定導頻復用模式，即各用戶使用的導頻信號，導頻調度可以通過窮舉或者貪婪算法完成。
[0015]在上行信道訓練階段，各調度用戶在給定的時頻資源上發(fā)送各自所分配到的導頻信號，不同用戶所使用的導頻不要求完全正交，不同用戶之間可以復用相同的導頻，導頻信號的長度和正交導頻的個數(shù)可以·小于在同一時頻資源上進行通信的用戶數(shù)目?；纠媒邮盏降纳闲袑ьl信號和各用戶信道的統(tǒng)計信息，實現(xiàn)各調度用戶的最小均方誤差信道估計，獲得信道矢量的估計值及其均方誤差矩陣。
[0016]在上行數(shù)據(jù)傳輸階段，各調度用戶在給定的時頻資源上同時發(fā)送數(shù)據(jù)信號，基站利用接收到的上行數(shù)據(jù)信號、各調度用戶的信道估計以及信道估計誤差的統(tǒng)計信息，實施魯棒接收處理，獲得發(fā)送數(shù)據(jù)信號；上行魯棒接收處理可以采用平均最小均方誤差準則，使得在信道估計誤差范圍內最小均方誤差檢測的均方誤差平均值最小。
[0017]在下行數(shù)據(jù)傳輸階段，基站利用各調度用戶的信道估計以及信道估計誤差的統(tǒng)計信息實施魯棒預編碼傳輸，在給定的時頻資源上向各調度用戶同時發(fā)送數(shù)據(jù)信號；下行魯棒預編碼傳輸可以采用平均最小均方誤差準則，使得在信道估計誤差范圍內最小均方誤差預編碼傳輸?shù)木秸`差平均值最小。
[0018]有益效果:本發(fā)明提供的基于導頻復用的大規(guī)模MMO無線通信方法具有如下優(yōu)
占-
^ \\\.[0019]1、導頻復用可以大幅降低系統(tǒng)的導頻開銷，導頻開銷降低達3-5倍以上，進而提升系統(tǒng)的頻譜效率及功率效率。
[0020]2、依據(jù)各用戶的統(tǒng)計信道信息，對導頻資源進行自適應的調度，在降低導頻開銷的同時，保障信道估計性能，并提升系統(tǒng)的靈活性。
[0021]3、利用信道的統(tǒng)計特性實現(xiàn)導頻復用下的信道估計，提升了信道估計的準確性。[0022]4、上下行數(shù)據(jù)傳輸時考慮導頻復用導致的信道估計誤差，提升了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)聂敯粜院托省?br> 【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅表明本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他實施例的附圖。
[0024]圖1為基站側大規(guī)模天線陣列配置示意圖。
[0025]圖2為基于導頻復用的大規(guī)模MIMO傳輸信號巾貞結構不意圖。
【具體實施方式】
[0026]為了使本【技術領域】的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0027]1、系統(tǒng)配置、傳輸信號幀結構及通信過程
[0028]圖1為基站側大規(guī)模天線陣列配置示意圖，圖中考慮單小區(qū)基站的情況，基站側配置包含數(shù)十個以上天線單元的天線陣列，大規(guī)模天線陣列可以采用線陣列、圓陣列、板陣列或其它陣列結構。各天線單元可采用全向天線或者扇區(qū)天線，當各天線單元采用全向天線、120度扇區(qū)天線和60度扇區(qū)天線時，各天線之間的間距可配置為1/2波長、1/W波長和I個波長。各天線單元可采用單極化或多極化天線。
[0029]在此實施例中，僅考慮窄帶信道，在所考慮的窄帶信道中只有單個復合徑，所考慮的窄帶信道可以看做是常規(guī)寬帶OFDM系統(tǒng)中的單個子載波信道。考慮時分雙工(TDD)傳輸方式，并設基站側配備的天線個數(shù)為M，用戶個數(shù)為K，每個用戶配備單根天線。
[0030]圖2為基于導頻復用的大規(guī)模MIMO傳輸信號幀結構示意圖，其中由用戶發(fā)送給基站的上行鏈路傳輸信號包括上行探測信號、上行導頻信號及上行數(shù)據(jù)信號，由基站發(fā)送給用戶的下行鏈路傳輸信號僅涉及下行數(shù)據(jù)信號。上行探測信號的發(fā)送周期遠大于上行導頻信號、上行數(shù)據(jù)信號及下行數(shù)據(jù)信號，即在相鄰兩次發(fā)送上行探測信號之間，上行鏈路多次發(fā)送上行導頻信號和上行數(shù)據(jù)信號，下行鏈路多次發(fā)送下行數(shù)據(jù)信號。
[0031]基于上述幀結構的大規(guī)模MMO通信過程包括以下四個階段:
[0032]1.上行信道探測和導頻調度:各用戶間歇地發(fā)送上行探測信號，基站依據(jù)接收到的探測信號估計各用戶的統(tǒng)計信道信息，并利用各用戶的統(tǒng)計信道信息實施導頻調度，為每個用戶分配所使用的上行導頻信號。
[0033]i1.上行信道訓練:各調度用戶發(fā)送所分配的上行導頻信號，基站側利用接收到的導頻信號，獲取各調度用戶的信道參數(shù)估計，并計算出信道估計誤差的統(tǒng)計信息。
[0034]ii1.上行魯棒接收數(shù)據(jù)傳輸:各調度用戶發(fā)送上行數(shù)據(jù)信號，基站利用信道參數(shù)估計以及估計誤差的統(tǒng)計信息，對接收到的上行數(shù)據(jù)信號進行魯棒的接收處理，獲得發(fā)送信號的估計值，并進而獲得發(fā)送比特數(shù)據(jù)流。[0035]iv.下行魯棒預編碼數(shù)據(jù)傳輸:基站利用信道參數(shù)估計以及估計誤差的統(tǒng)計信息，計算出向各用戶信號發(fā)送數(shù)據(jù)所需的魯棒預編碼矩陣，由此生成下行發(fā)送信號，由基站向各用戶同時發(fā)送，各用戶依據(jù)接收到的信號進行接收處理，獲得下行發(fā)送比特數(shù)據(jù)流。
[0036]2、統(tǒng)計信道信息獲取
[0037]各用戶統(tǒng)計信道信息的獲取由上行信道探測過程完成。在上行鏈路，各用戶間歇地發(fā)送探測信號，各用戶的探測信號之間相互正交。
[0038]以X=表示小區(qū)中第k個用戶在第t個探測周期發(fā)送的探測信號，y丨表示基站側
第m根天線在第t個探測周期接收到的探測信號，gt，m，k表示第k個用戶與基站側第m根天線之間在第t個探測周期的信道參數(shù)，g“表示第k個用戶與基站側M個天線之間的信道矢
量，g“的第 m 個元素為 gt,m,k。設
【權利要求】
1.一種基于導頻復用的大規(guī)模MIMO無線通信方法，其特征在于: a.基站側配備大規(guī)模陣列天線，基站在同一時頻資源上與多個用戶進行無線通信，通信的上下行采用時分雙工TDD方式，通信過程包括上行信道探測和導頻調度、上行信道訓練、上行魯棒接收數(shù)據(jù)傳輸、下行魯棒預編碼數(shù)據(jù)傳輸四個階段: b.在上行信道探測和導頻調度階段，各用戶在不同的時頻資源上發(fā)送上行探測信號，基站依據(jù)接收到的探測信號獲取各用戶的統(tǒng)計信道信息；基站側利用統(tǒng)計信道信息，進行導頻資源調度，確定各用戶所使用的導頻信號； c.在上行信道訓練階段，各用戶在同一時頻資源上周期性地發(fā)送各自所分配到的上行導頻信號，基站依據(jù)收到的導頻信號進行各用戶的信道估計； e.在上行魯棒接收數(shù)據(jù)傳輸階段，各用戶在同一時頻資源上發(fā)送數(shù)據(jù)信號，基站利用信道估計以及估計誤差的統(tǒng)計特性對上行鏈路數(shù)據(jù)信號進行魯棒接收處理； f.在下行魯棒預編碼數(shù)據(jù)傳輸階段，基站利用信道估計以及估計誤差的統(tǒng)計特性實施魯棒預編碼，在同一時頻資源上向各用戶同時發(fā)送數(shù)據(jù)信號，各用戶分別進行接收處理； g.在各用戶移動過程中，隨著基站與各用戶間信道統(tǒng)計特性的變化，動態(tài)地實施前述基于導頻復用的通信過程。
2.根據(jù)權利要求1所述的導頻復用大規(guī)模MIMO無線通信方法，其特征在于:所述大規(guī)模MMO無線通信系統(tǒng)中基站側大規(guī)模陣列天線包含數(shù)十個以上的天線單元，各天線單元之間的間距小于載波的波長，當各天線采用全向天線或120度扇區(qū)天線或60度扇區(qū)天線時，各天線之間的間距分別為1/2波長或?/#波長或I個波長；每個天線單元采用單極化或多極化天線；通信的上下行采用時分雙工TDD方式，上行鏈路傳輸信號包括上行探測信號、上行導頻信號及上行數(shù)據(jù)信號，下行鏈路傳輸信號為下行數(shù)據(jù)信號。
3.根據(jù)權利要求1所述的導頻復用大規(guī)模MIMO無線通信方法，其特征在于:所述的各用戶發(fā)送的上行探測信號相互正交，基站依據(jù)接收到的上行探測信號，利用樣本加強平均方法，估計出各用戶的統(tǒng)計信道信息，即各用戶信道的特征模式域能量耦合矢量及空間相關矩陣。
4.根據(jù)權利要求1所述的導頻復用大規(guī)模MIMO無線通信方法，其特征在于:所述的導頻資源調度在基站側依據(jù)各用戶的統(tǒng)計信道信息完成，基站依據(jù)信道估計均方誤差之和最小準則，或者數(shù)據(jù)檢測平均均方誤差之和最小準則，或者復用導頻的用戶信道空間重合度之和最小準則，對小區(qū)中的用戶及可用導頻資源進行調度，確定導頻復用模式，即各用戶使用的導頻信號，導頻調度通過窮舉或者貪婪算法完成。
5.根據(jù)權利要求1所述的導頻復用大規(guī)模MIMO無線通信方法，其特征在于:在所述的上行信道訓練階段，各用戶在給定的時頻資源上發(fā)送各自所分配到的導頻信號，不同用戶所使用的導頻不要求完全正交，多個不同用戶之間復用相同的導頻，導頻信號的長度和正交導頻的個數(shù)小于在同一時頻資源上進行通信的用戶數(shù)目；基站利用接收到的上行導頻信號和各用戶信道的統(tǒng)計信息，實現(xiàn)各用戶的最小均方誤差信道估計，獲得信道矢量的估計值及其均方誤差矩陣。
6.根據(jù)權利要求1所述的導頻復用大規(guī)模MMO無線通信方法，其特征在于:在所述的上行魯棒接收數(shù)據(jù)傳輸階段，各用戶在給定的時頻資源上同時發(fā)送數(shù)據(jù)信號，基站利用接收到的上行數(shù)據(jù)信號、各用戶的信道估計以及信道估計誤差的統(tǒng)計信息，實施魯棒接收處理，獲得發(fā)送數(shù)據(jù)信號；上行魯棒接收處理可以采用平均最小均方誤差準則，使得在信道估計誤差范圍內最小均方誤差檢測的均方誤差平均值最小。
7.根據(jù)權利要求1所述的導頻復用大規(guī)模MIMO無線通信方法，其特征在于:在所述的下行魯棒預編碼數(shù)據(jù)傳輸階段，基站利用各用戶的信道估計以及信道估計誤差的統(tǒng)計信息實施魯棒預編碼傳輸，在給定的時頻資源上向各用戶同時發(fā)送數(shù)據(jù)信號；下行魯棒預編碼傳輸采用平均最小均方誤差準則，使得在信道估計誤差范圍內最小均方誤差預編碼傳輸?shù)木秸`差平均值 最小。
【文檔編號】H04W72/12GK103546264SQ201310563145
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年11月13日 優(yōu)先權日:2013年11月13日
【發(fā)明者】高西奇, 尤力, 仲文, 巴特爾, 夏香根, 馬霓, 彭炎 申請人:東南大學