CN101807978A - 基于收发机天线校准误差的多点协作鲁棒预编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于收发机天线校准误差的多点协作鲁棒预编码方法，属于无线通信技术领域。协作基站根据自身和被服务用户上下行信道之间的关系以及上行信道，得到协作基站到被服务用户的下行信道的统计特征，并根据下行信道的统计特征计算所有被服务用户的预编码向量，并构造初始预编码矩阵，进而得到最终的预编码矩阵，根据最终的预编码矩阵将发送给所有被服务用户的原始信号映射为发射信号。本发明方法能够恢复由非理想天线校准所带来的系统性能损失；也能通过降低对校准精度的要求有效地减少系统的成本，使得基于相对精确的参考天线的天线自校准方法能够获得很好的系统性能。

Description

基于收发机天线校准误差的多点协作鲁棒预编码方法

技术领域

本发明涉及一种基于收发机天线校准误差的多点协作鲁棒预编码方法，特别是涉及面向时分双工(TDD)多点协作传输(CoMP)系统中用于下行链路空分复用传输的多用户鲁棒发射预编码方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

随着社会的不断进步和人们需求的增加，未来移动通信系统将追求更大的系统容量、更好的通信质量、更远的作距离、更快的数据速率和更低的成本。多天线技术因其能在不增加系统带宽的情况下提高传输效率和频谱利用率而被现有无线通信系统(例如，长期演进系统(LTE))所广泛采用。在移动通信系统中，小区间采用全频率复用能够提高频谱效率，然而由此带来的小区间干扰则成为进一步提高系统性能的主要瓶颈。多点协作传输(以下简称CoMP)系统通过基站间的协作能够将小区间的干扰信号变为被服务用户的期望信号，从而有效地解决小区间干扰的问题，显著地提高系统的频谱效率。

时分双工(以下简称TDD)和频分双工(FDD)是移动通信系统中两种常用的双工方式。在TDD系统中，上行链路和下行链路工作在相同的频段，因此人们通常认为TDD系统的上下行信道之间具有互易性，也即基站可以通过估计用户上行信道而获得下行信道。然而，TDD系统的上下行信道之间的互易性只存在于基站天线和用户天线之间的空间信道中。当考虑了同时包含空间信道以及基站端和用户端射频链路的等效信道时，这种互易性将不再成立。

如图1信道非互易性原理说明所示，基站端和用户端每个天线的射频链路都包含用于发射的高功率放大器(以下简称HPA)和用于接收的低噪声放大器(以下简称LNA)。以用户端第i根天线与基站端第j根天线之间的信道为例，令S_i ^UE和Y_i ^UE分别表示用户端第i根天线的HPA和LNA的放大增益，S_j ^BS和Y_j ^BS分别表示基站端第j根天线的HPA和LNA的放大增益，则等效的上行信道h_U ^ij与等效的下行信道h_D ^ij的关系可以表述为：

$\frac{h_U^{\mathrm{ij}}}{h_D^{\mathrm{ij}}}=\frac{S_i^{\mathrm{UE}}\·h_{\mathrm{ij}}\·Y_j^{\mathrm{BS}}}{S_j^{\mathrm{BS}}\·h_{\mathrm{ij}}\·Y_i^{\mathrm{UE}}}=\frac{{\mathrm{\γ}}_i^{\mathrm{UE}}}{{\mathrm{\γ}}_j^{\mathrm{BS}}}$

其中用户端的收发链路增益比γ_i ^UE为

基站端的收发链路增益比γ_j ^BS为

h_ij是用户端第i根天线与基站端第j根天线间的空间信道。上式可以进一步表示为：

$h_D^{\mathrm{ij}}=g_{\mathrm{ij}}\·h_U^{\mathrm{ij}}$

其中

在实际系统中，基站和用户的每一个天线通常都具有不同的收发链路增益比，因此基站和用户的不同天线对之间的信道具有不同的g_ij，这破坏了TDD系统中上下行等效信道之间的互易性。

通常，人们采用天线校准方法来保证TDD系统上下行等效信道之间的互易性，例如天线自校准方法和空口校准方法。天线自校准方法是单小区系统中一种常用的校准方法。通过校准，同一基站或用户中的所有天线的收发链路增益比都将等于校准所采用的参考天线的收发链路增益比，因此基站和用户的不同天线对之间具有相同的g_ij，从而恢复了上下行信道之间的互易性。由于天线自校准方法只能在每个基站中独立地执行，因此在包含多个协作基站的CoMP系统中，不同基站的天线的收发链路增益比将被不同的参考天线所校准，这使得每个基站的所有天线具有相同的收发链路增益比，但是不同基站的天线的收发链路增益比却不同，因此将导致不同的g_ij，我们称之为基站间的增益模糊。增益模糊的程度由系统所采用的参考天线的收发链路增益比精度决定。如果每个基站所采用的参考天线具有极高的精度，即所有的校准天线具有相同的收发链路增益比，则通过天线自校准方法不同基站的收发链路增益比将相同，从而消除基站间的增益模糊。然而，在实际系统中不同的参考天线不可能保证具有相同的收发链路增益比，它将随着不同基站的温度、湿度等因素而变化，而且制造高精度的校准天线具有极高的难度和成本。

与天线自校准方法不同，空口校准方法无法在基站或用户单独进行，而要求基站和用户之间的信息交换。在执行空口校准方式时，用户需要将估计到的下行信道反馈回基站，然后基站通过用户反馈回的下行信道和它估计出的上行信道校准所有天线的收发链路增益比。在理想情况下，如果忽略用户端和基站端的信道估计误差以及用户的反馈误差，空口校准方法可以完全恢复上下行信道的互易性，从而完全提高系统的性能。但在实际系统中，当存在信道估计误差和反馈误差时，空口校准方法仍然难以恢复TDD系统上下行信道之间的互易性，对系统的性能也会极大的影响。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于收发机天线校准误差的多点协作鲁棒预编码方法，在TDD CoMP系统中，通过鲁棒预编码来对抗信道非互易性带来的系统性能损失，从而恢复系统性能。

本发明提出的多点协作无线通信中对抗信道非互易鲁棒预编码方法，包括以下步骤：

(1)设一个包含N_c个协作基站和N_U个被服务用户的协作多点传输系统，协作基站共有N_t根天线，每个被服务用户有一根天线，设协作基站的第i根天线到第j个被服务用户天线间的下行信道h_D ^ij与第j个被服务用户天线到协作基站的第i根天线间的上行信道h_U ^ij之间的关系为其中g_ij是是由协作基站的第i根天线和第j个被服务用户天线的射频链路决定的一个随机变量；

(2)根据N_U个被服务用户通过上行链路发送的训练序列，协作基站可以估计出N_U个被服务用户的上行信道，记为

其中h_U ^j是第j个被服务用户到协作基站的所有天线的上行信道，

(3)根据上述上下行信道之间的关系，得到协作基站到第j个被服务用户的下行信道h_D ^j为：

其中随机变量组成的行向量

上行信道构成的对角矩阵

(4)根据随机变量

的联合概率密度

协作基站计算出矩阵G_j ^HG_j的数学期望E_j，E_j是一个N_t×N_t矩阵，E_j的第m行、第n列元素 $e_{\mathrm{mn}}^j=\underset{R^{N_t}}{\∫}{x}_m{x}_n{f}_j(x_1,...,x_{N_t}){\mathrm{dx}}_1...{\mathrm{dx}}_{N_t};$

(5)协作基站计算第i个被服务用户的预编码向量p_i，p_i为与

的最大特征值相对应的特征向量，其中p₀为每个协作基站的平均发射功率，N_c是进行协作多点传输的协作基站个数，σ²为被服务用户的接收机噪声方差；

(6)重复步骤(5)得到所有被服务用户的预编码向量并构造初始预编码矩阵P，

(7)设第i个协作基站的预编码矩阵为Pⁱ，所有N_c个协作基站的预编码矩阵构成初始预编码矩阵P，即

则满足单基站功率约束的预编码矩阵P_opt为

根据预编码矩阵将发送给所有被服务用户的原始信号映射为发射信号。

本发明提出的基于收发机天线校准误差的多点协作鲁棒预编码方法，其优点是：

1.在TDD多点协作传输系统中，传统的应用于单小区系统的天线校准方法不能够保证TDD系统上下行信道之间的互易性。本发明不再采用天线校准的方法，而是通过采用鲁棒预编码的方式来对抗实际系统中非理想校准天线对系统性能的影响。研究发现，本发明所提的鲁棒预编码能够很大程度上恢复由非理想校准天线所带来的系统性能损失。

2.在天线精度相同的情况下，本发明所提的鲁棒预编码的性能优于基于上行信道的非鲁棒预编码。反之，在保证相同性能的前提下，与基于上行信道的非鲁棒预编码相比，本发明所提的鲁棒预编码能够容忍更差精度的天线校准。因此，系统将现有的天线校准方法与本发明所提的鲁棒预编码同时应用，能够降低对天线校准精度的要求。例如，常用的天线自校准方法的校准精度决定于所采用的参考天线的精度。然而由于高精度的参考天线通常具有很大的制作难度和极高的费用，因此本发明所提的鲁棒预编码通过降低对校准精度的要求能够有效地减少系统的成本，同时也使得基于相对精确的参考天线的天线自校准方法能够获得很好的系统性能。

3.现有文献在设计发射预编码时通常考虑所有发射天线总功率受限的和功率约束，从而降低了发射预编码设计和理论研究的难度。然而，在多点协作无线通信系统中，不同基站之间不能共享发射功率，这使得每个基站的发射功率都独立地受限于基站可达到的最大发射功率。当每个基站只有一个天线时，多点协作传输系统转变为分布式天线系统，它是未来无线通信系统保证蜂窝小区均匀覆盖的一项重要候选技术。因此，本发明所考虑的单基站功率约束更具有重要的实际意义。

附图说明

图1是信道非互易性原理说明。

图2是本发明方法的流程框图。

具体实施方式

本发明提出的基于收发机天线校准误差的多点协作鲁棒预编码方法，其流程框图如图2所示，包括以下步骤：

(1)设一个协作多点传输系统中，包含N_c个协作基站和N_U个被服务用户，所有协作基站共有N_t根天线，每个被服务用户有一根天线，设协作基站的第i根天线到第j个被服务用户天线间的下行信道h_D ^ij与第j个被服务用户天线到协作基站的第i根天线间的上行信道h_U ^ij之间的关系为其中g_ij是由协作基站的第i根天线和第j个被服务用户天线的射频链路决定的一个随机变量；

(2)根据由N_U个被服务用户通过上行链路发送的训练序列，协作基站估计出N_U个被服务用户的上行信道，记为

其中h_U ^j是第j个被服务用户到协作基站的所有天线的上行信道，

(3)根据上述上下行信道之间的关系，得到协作基站到第j个被服务用户的下行信道h_D ^j为：

其中随机变量组成的行向量

上行信道构成的对角矩阵

(4)根据上述随机向量

的联合概率密度

协作基站计算出矩阵G_j ^HG_j的数学期望E_j，E_j是一个N_t×N_t矩阵，E_j的第m行、第n列元素 $e_{\mathrm{mn}}^j=\underset{R^{N_t}}{\∫}{x}_m{x}_n{f}_j(x_1,...,x_{N_t}){\mathrm{dx}}_1...{\mathrm{dx}}_{N_t};$

(5)协作基站计算第i个被服务用户的预编码向量p_i，p_i为与

的最大特征值相对应的特征向量，其中p₀为每个协作基站的平均发射功率，N_c是进行协作多点传输的协作基站个数，σ²为被服务用户的接收机噪声方差；

(6)重复步骤(5)得到所有被服务用户的预编码向量

并构造初始预编码矩阵P，

(7)设第i个协作基站的预编码矩阵为Pⁱ，所有N_c个协作基站的预编码矩阵构成初始预编码矩阵P，即

则满足单基站功率约束的预编码矩阵P_opt为根据预编码矩阵将发送给所有被服务用户的原始信号映射为发射信号。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。

本发明的主要思想是：利用校准误差分布的信息，设计出一种平均信漏比最大鲁棒预编码。从而恢复系统损失的性能。

(1)设一个包含3个协作基站和6个被服务用户的协作多点传输系统，协作基站共有12根天线，每个被服务用户有一根天线，设协作基站的第i根天线到第j个被服务用户天线间的下行信道h_D ^ij与第j个被服务用户天线到协作基站的第i根天线间的上行信道h_U ^ij之间的关系为

其中g_ij是是由协作基站的第i根天线和第j个被服务用户天线的射频链路决定的一个随机变量，设上述随机变量统计独立同分布，幅度服从[-3，3]分贝的对数均匀分布、相位服从[-180，180]度的均匀分布；

(2)根据6个被服务用户通过上行链路发送的训练序列，协作基站可以估计出6个被服务用户的上行信道，记为h_U ¹、…、h_U ⁶，其中h_U ^j是第j个被服务用户到协作基站的所有天线的上行信道，

(3)根据上述上下行信道之间的关系，得到协作基站到第j个被服务用户的下行信道h_D ^j为：

其中随机变量组成的行向量G_j＝[g_1j…g_12j]；上行信道构成的对角矩阵

(4)根据随机变量G_j＝[g_1j…g_12j]

的联合概率密度，协作基站计算出矩阵G_j ^HG_j的数学期望E_j，

是一个12×12的对角矩阵；

(5)设每个协作基站的平均发射功率为40W，被服务用户的接收机噪声方差为0.32pW，协作基站计算第i个被服务用户的预编码矩阵p_i，p_i为

的最大特征值对应的特征向量；

(6)重复步骤(5)将所有被服务用户的预编码矩阵合并为初始预编码矩阵P，P＝[p₁…p₆]；

(6)重复步骤(5)得到所有被服务用户的预编码向量p₁、…、p₆，并构造初始预编码矩阵P，P＝[p₁…p₆]；

(7)设第i个协作基站的预编码矩阵为Pⁱ，3个协作基站的预编码矩阵构成初始预编码矩阵P，即P＝[P¹P²P³]^T，则满足单基站功率约束的预编码矩阵P_opt为

根据预编码矩阵将发送给所有被服务用户的原始信号映射为发射信号。

Claims (1)

1.基于收发机天线校准误差的多点协作鲁棒预编码方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)设一个协作多点传输系统中，包含N_c个协作基站和N_U个被服务用户，所有协作基站共有N_t根天线，每个被服务用户有一根天线，设协作基站的第i根天线到第j个被服务用户天线间的下行信道h_D ^ij与第j个被服务用户天线到协作基站的第i根天线间的上行信道h_U ^ij之间的关系为

其中g_ij是由协作基站的第i根天线和第j个被服务用户天线的射频链路决定的一个随机变量；

(2)根据由N_U个被服务用户通过上行链路发送的训练序列，协作基站估计出N_U个被服务用户的上行信道，记为h_U ^l、…、

其中h_U ^j是第j个被服务用户到协作基站的所有天线的上行信道，

(3)根据上述上下行信道之间的关系，得到协作基站到第j个被服务用户的下行信道h_D ^j为：

其中随机变量组成的行向量

上行信道构成的对角矩阵

(4)根据上述随机向量

的联合概率密度

协作基站计算出矩阵G_j ^HG_j的数学期望E_j，E_j是一个N_t×N_t矩阵，E_j的第m行、第n列元素 $e_{\mathrm{mn}}^j=\underset{R^{N_t}}{\∫}{X}_m{X}_n{f}_j(x_1,...,x_{N_t}){\mathrm{dx}}_1...{\mathrm{dx}}_{N_t};$

(5)协作基站计算第i个被服务用户的预编码向量p_i，p_i为与

的最大特征值相对应的特征向量，其中p₀为每个协作基站的平均发射功率，N_c是进行协作多点传输的协作基站个数，σ²为被服务用户的接收机噪声方差；

(6)重复步骤(5)得到所有被服务用户的预编码向量p₁、…、

并构造初始预编码矩阵P，

(7)设第i个协作基站的预编码矩阵为Pⁱ，所有N_c个协作基站的预编码矩阵构成初始预编码矩阵P，即

则满足单基站功率约束的预编码矩阵P_opt为

根据预编码矩阵将发送给所有被服务用户的原始信号映射为发射信号。

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