CN102664713B - 高速铁路环境下预编码信道状态信息反馈方法 - Google Patents

Abstract

一种高速铁路环境下预编码信道状态信息反馈方法，包括两种情况：当高速铁路通信系统处于下行通信时，高铁列车行驶在第k个基站BS_k的覆盖范围内，获取当前列车的位置信息；基站查询下行查找表；基站对高铁列车发送信号；更新下行下行查找表；当高速铁路通信系统处于上行通信时，高铁列车行驶在第k个基站BS_k的覆盖范围内，获取当前列车的位置信息；高铁列车查询上行查找表；高铁列车对基站发送信号；更新下行下行查找表。本发明能够挖掘出高速铁路环境下独特的信道特点，即解决预编码信道状态信息反馈的速度与反馈的信息量有限的问题，使预编码的效果提升。

Description

高速铁路环境下预编码信道状态信息反馈方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是一种高速铁路环境下预编码信道状态信息反馈方法。

背景技术

多输入多输出技术(MIMO，Multiple Input Multiple Output)，通过在通信系统引入多根接收与发送天线，在收发两端建立了多条并行传输信道，利用这些信道并行的传输数据，有效的提升了系统的容量和频谱利用率，是新一代无线通信系统中具有突破性的技术。

MIMO预编码技术作为多输入多输出技术的一个研究方向，其主要技术特点为：发端通过已知的MIMO信道状态信息(CSI，Channel State Information)，对发送前的信号矩阵预先进行处理，然后再发送出去，能够在发送端提前消除MIMO信道的邻道干扰，提升系统性能，同时还能够完全避免接收端检测带来的误码传播，降低差错概率。

MIMO预编码技术的一个关键环节在于发端如何获得MIMO信道状态信息。传统的方法主要有：在频分复用(FDD)系统中，发送端通过接收端反馈获得CSI；在时分复用(TDD)系统中，发送端能够利用上行与下行信道的互易性，不需要接收端反馈就能够获得CSI。

然而在高速铁路环境下，由于列车高速移动，高速铁路基站与列车间信道快速变化。传统的CSI获取方案都需要收端或者发端实时进行信道估计，然后再进行预编码，此时信道状态已经发生了变化，预编码的性能受到了很大的影响。专利201110087301.9提出了“一种用于高速铁路环境下MIMO系统中的自适应预编码方法”，该方法通过GPS所获得的列车与基站的位置信息来取代CSI计算预编码矩阵，并且采用双交叉极性天线和波束赋形来解除MIMO信道间的相关性，获得性能上的提升。该方案绕过CSI进行预编码，实际的预编码效果并不理想。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种高速铁路环境下预编码信道状态信息反馈方法，使通信发端能够在信道快速变化的情况下快速得到当前信道状态信息，通过MIMO预编码提升系统系能。

本发明的主要想法是：高铁沿线的各个基站间通过设备和规定协议进行指令交互和数据通信。由于高铁列车的控制高度自动化，只要不发生意外情况，列车经过沿线同一地点的车速基本保持不变。因此在不同时刻经过同一地点的列车其信道变化基本上不受车速的影响，而只会受到天气等变化缓慢的因素影响。因此收端在估计出CSI后可以先在基站将该信息缓存下来，并且将该CSI信息由当前基站发送给沿线上一个基站，这样列车或者基站就能在列车进入某一个基站的通信范围内之前就已经掌握了该基站范围沿线的CSI值。

本发明采用下述技术解决方案：

在高速铁路通信系统当中相邻基站间通过设备和规定协议进行指令交互和数据通信，高铁列车在行驶时经过沿线同一地点的行驶速度在严格控制下通常保持不变，高铁列车通过GPS定位或轮轨定位技术获取当前的位置信息，基站获取高铁列车当前的位置信息。

一种高速铁路环境下预编码信道状态信息反馈方法，其特点在于，该方法包括如下两种情况：

当高速铁路通信系统处于下行通信时，该方法的具体步骤如下：

(1)当高铁列车行驶在第k个基站BS_k的覆盖范围内，通过高铁的定位技术，高铁列车和基站BS_k分别获取当前列车的位置信息d(i，k)后，基站BS_k向高铁列车发送第i帧数据；

(2)基站BS_k首先查询本地是否已经收到来自基站BS_k+1的下行查找表LUT_down(k，j)：

当没有收到该下行查找表时，则基站BS_k初始化下行预编码矩阵F_ik(0)＝I_m×m，其中I_m×m为单位矩阵，

当收到该下行查找表时，则基站BS_k通过所述的位置信息d(i，k)在该下行查找表LUT_down(k j)中进行检索，得到当前基站信道状态信息I(k，i，j)，其中j表示当前下行预编码矩阵的更新次数，通过当前基站信道状态信息I(k，i，j)，利用预编码算法得到下行预编码矩阵F_ik(j)；

(3)基站BS_k对需发送的符号进行数字调制后的信号经预编码处理后发送给高铁列车，发送信号表示为：

X_ik＝F_ik(j)S_ik，i∈[1，n_k]    (1)

其中X_ik为基站BS_k第i帧数据预编码后的多天线发送信号，S_ik为基站BS_k第i帧数据的多路数据流，n_k为列车在基站BS_k范围内接收的最大帧数，F_ik(j)为步骤(2)得到的下行预编码矩阵；

(4)基站BS_k在步骤(3)的发送信号内插入导频封装成帧发送给高铁列车，高铁列车接收到信号后进行信道估计，根据该信道估计的结果与相应的预编码算法得出基站信道状态信息I(k，i，j+1)；

(5)当高铁列车将经过基站BS_k时，高铁列车通过I(k，i，j+1)与d(i，k)一一对应制成下行查找表LUT_down(k，j+1)，并在高铁列车检测到进入下一基站BS_k+1的范围后，高铁列车将该下行查找表发送给基站BS_k+1，基站BS_k+1将该下行查找表存储在本地；

(6)当高铁列车离开基站BS_k+1覆盖范围或者在下一趟高铁列车进入基站BS_k覆盖范围前，基站BS_k+1会将下行查找表LUT_down(k，j+1)发送给基站BS_k，基站BS_k则将原来的下行查找表LUT_down(k，j)更新为新的下行查找表LUT_down(k，j+1)，令j＝j+1，回到步骤(1)；

当高速铁路通信系统处于上行通信时，该方法具体步骤如下：

(11)当高铁列车行驶在第k个基站BS_k的覆盖范围，通过高铁的定位技术高铁列车和基站BS_k分别获取当前列车的位置信息d(i，k)后，高铁列车向发送第i帧数据；

(21)高铁列车首先查询本地是否已经收到来自基站BS_k-1的上行查找表LUT_up(k，j)：

当没有收到该下行查找表时，则高铁列车初始化上行预编码矩阵F_ik′(0)＝I_m×m，其中I_m×m为单位矩阵，

当收到该上行查找表时，则高铁列车通过该上行查找表LUT_up(k j)和位置信息d(i，k)得到当前列车信道状态信息I′(k，i，j)其中j表示当前预编码矩阵的更新次数，通过当前列车信道状态信息I′(k，i，j)，利用预编码算法得到上行预编码矩阵F_ik′(j)；

(31)高铁列车对需发送的符号进行数字调制后的信号经预编码处理后发送

给基站BS_k，发送信号表示为：

X′_ik＝F_ik′(j)S_ik，i∈[1，n_k] (2)

其中X′_ik为高铁列车第i帧数据预编码后的多天线发送信号，S_ik为高铁列车第i帧数据的多路数据流，n_k为列车在基站BS_k范围内发送的最大帧数，F_ik′(j)为步骤(21)得到的上行预编码矩阵；

(41)高铁列车在步骤(31)的发送信号内插入导频封装成帧发送给基站BS_k，基站BS_k接收到信号后进行信道估计，根据该信道估计结果与步骤(21)选用相同的预编码算法得出列车信道状态信息I′(k，i，j+1)；

(51)基站BS_k通过I′(k，i，j+1)与d(i，k)一一对应制成上行查找表LUT_up(k，j+1)，并将该上行查找表存储在本地；

(61)当高铁列车离开基站BS_k覆盖范围或者在下一趟列车进入基站BS_k覆盖范围前，基站BS_k会将上行查找表LUT_up(k，j+1)发送给基站BS_k-1，基站BS_k-1会在高铁列车进入其范围时将该上行查找表LUT_up(k，j+1)发送给高铁列车，更新原来的上行查找表LUT_up(k，j)，令j＝j+1，回到步骤(11)。

所述的基站信道状态信息I(k，i，j+1)和列车信道状态信息I′(k，i，j+1)分别是MIMO信道幅度与相位的信息，或是有限反馈CSI，仅包含预编码码本索引信息。

与传统的信道状态信息获取方法相比，本发明能够挖掘出高速铁路环境下独特的信道特点，即不同高铁列车在经过同一地点时信道状态变化缓慢这一优势，采用将信道信息缓存后给下一趟列车用的方式，能够有效的解决预编码信道状态信息反馈的速度与反馈的信息量有限的问题；采用本发明的方法能够在预编码的发端获得收端完全的信道状态信息，使得预编码的效果能够得到一定的提升。

附图说明：

图1本发明高速铁路通信系统的原理图。

图2本发明高速铁路环境下预编码信道状态信息反馈方法下行通信的流程图。

图3本发明高速铁路环境下预编码信道状态信息反馈方法上行通信的流程图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

在高速铁路通信系统当中，相邻基站间能够通过设备和规定协议进行指令交互和数据通信。高铁列车在行驶时经过沿线同一地点的行驶速度在严格控制下通常保持不变。高铁列车能够通过GPS定位、轮轨定位等技术获取当前的位置信息，同时基站也能够准确掌握列车当前的位置信息。本实施例高铁列车与基站均有两根天线，形成2X2的MIMO通信，采用的预编码算法为有限反馈预编码，使用的预编码码本为householder码本，码本索引与预编码矩阵的对应关系为：

码本索引为0时，预编码矩阵 $F=\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right],$

码本索引为1时，预编码矩阵 $F=\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right],$

码本索引为2时，预编码矩阵 $F=\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ j& -j\end{array}\right].$

如图1中的虚线标记所示，当高速铁路通信系统处于下行通信时，即基站发起通信，结合图2中的流程图所示，高速铁路环境下预编码信道状态信息反馈方法的具体步骤如下：

(1)当高铁列车行驶在第k个基站BS_k的覆盖范围内，通过高铁的定位技术，高铁列车和基站BS_k分别获取当前列车的位置信息d(i，k)后，基站BS_k向高铁列车发送第i帧数据；

(2)基站BS_k首先查询本地是否已经收到来自基站BS_k+1的下行查找表LUT_down(k，j)：

当没有收到该下行查找表时，则基站BS_k初始化下行预编码矩阵F_ik(0)＝I_m×m，其中I_m×m为单位矩阵，

当收到该下行查找表时，则基站BS_k通过所述的位置信息d(i，k)在该下行查找表LUT_down(k，j)中进行检索，得到当前基站信道状态信息I(k，i，j)，其中j表示当前下行预编码矩阵的更新次数，通过当前基站信道状态信息I(k，i，j)，利用预编码算法得到下行预编码矩阵F_ik(j)；

(3)基站BS_k对需发送的符号进行数字调制后的信号经预编码处理后发送给高铁列车，发送信号表示为：

X_ik＝F_ik(j)S_ik，i∈[1，n_k]       (1)

其中X_ik为基站BS_k第i帧数据预编码后的多天线发送信号，S_ik为基站BS_k第i帧数据的多路数据流，n_k为列车在基站BS_k范围内接收的最大帧数，F_ik(j)为步骤(2)得到的下行预编码矩阵；

(4)基站BS_k在步骤(3)的发送信号内插入导频封装成帧发送给高铁列车，高铁列车接收到信号后进行信道估计，根据该信道估计的结果与步骤(2)选用相同的预编码算法得出基站信道状态信息I(k，i，j+1)；

(5)当高铁列车将经过基站BS_k时，高铁列车通过I(k，i，j+1)与d(i，k)一一对应制成下行查找表LUT_down(k，j+1)，并在高铁列车检测到进入下一基站BS_k+1的范围后，高铁列车将该下行查找表发送给基站BS_k+1，基站BS_k+1将该下行查找表存储在本地；

(6)当高铁列车离开基站BS_k+1覆盖范围或者在下一趟高铁列车进入基站BS_k覆盖范围前，基站BS_k+1会将下行查找表LUT_down(k，j+1)发送给基站BS_k，基站BS_k则将原来的下行查找表LUT_down(k，j)更新为新的下行查找表LUT_down(k，j+1)，令j＝j+1，回到步骤(1)。

如图1中的实线标记所示，当高速铁路通信系统处于上行通信时，即高铁列车发起通信，结合图3中的流程图所示，该方法具体步骤如下：

(11)当高铁列车行驶在第k个基站BS_k的覆盖范围，通过高铁的定位技术高铁列车和基站BS_k分别获取当前列车的位置信息d(i，k)后，高铁列车向基站BS_k发送第i帧数据；

(21)高铁列车首先查询本地是否已经收到来自基站BS_k-1的上行查找表LUT_up(k，j)：

当没有收到该上行查找表时，则高铁列车初始化上行预编码矩阵F_ik′(o)＝I_m×m，其中I_m×m为单位矩阵，

当收到该上行查找表时，则高铁列车通过该上行查找表LUT_up(k，j)和位置信息d(i，k)得到当前列车信道状态信息I′(k，i，j)，其中j表示当前预编码矩阵的更新次数，通过当前列车信道状态信息I′(k，i，j)，利用预编码算法得到上行预编码矩阵F_ik′(j)：

(31)高铁列车对需发送的符号进行数字调制后的信号经预编码处理后发送给基站BS_k，发送信号表示为：

${X^{\′}}_{\mathrm{ik}}=F_{\mathrm{ik}}^{\′\left(j\right)s_{\mathrm{ik}}},i\∈[1,n_k]---\left(2\right)$

其中X′_ik为高铁列车第i帧数据预编码后的多天线发送信号，S_ik为高铁列车第i帧数据的多路数据流，n_k为列车在基站BS_k范围内发送的最大帧数，F_ik′(j)为步骤(21)得到的上行预编码矩阵；

(41)高铁列车在步骤(31)的发送信号内插入导频封装成帧发送给基站BS_k，基站BS_k接收到信号后进行信道估计，根据该信道估计结果与步骤(21)选用相同的预编码算法得出列车信道状态信息I′(k，i，j+1)；

(51)基站BS_k通过I′(k，i，j+1)与d(i，k)一一对应制成上行查找表LUT_up(k，j+1)，并将该上行查找表存储在本地；

(61)当高铁列车离开基站BS_k覆盖范围或者在下一趟列车进入基站BS_k覆盖范围前，基站BS_k会将上行查找表LUT_up(k，j+1)发送给基站BS_k-1，基站BS_k-1会在高铁列车进入其范围时将该上行查找表LUT_up(k，j+1)发送给高铁列车，更新原来的上行查找表LUT_up(k，j)，令j＝j+1，回到步骤(11)。

Claims (2)

1.一种高速铁路环境下预编码信道状态信息反馈方法，其特征在于，该方法包括如下两种情况： 

当高速铁路通信系统处于下行通信时，该方法的具体步骤如下： 

(1)当高铁列车行驶在第k个基站BS_k的覆盖范围内，通过高铁的定位技术，高铁列车和基站BS_k分别获取当前列车的位置信息d(i,k)后，基站BS_k向高铁列车发送第i帧数据； 

(2)基站BS_k首先查询本地是否已经收到来自基站BS_k+1的下行查找表LUT_down(k,j)： 

当没有收到该下行查找表时，则基站BS_k初始化下行预编码矩阵F_ik0=I_m×m，其中I_m×m为单位矩阵， 

当收到该下行查找表时，则基站BS_k通过所述的位置信息d(i,k)在该下行查找表LUT_down(k,j)中进行检索，得到当前基站信道状态信息I(k,i,j)，其中j表示当前下行预编码矩阵的更新次数，通过当前基站信道状态信息I(k,i,j)，根据所选用预编码算法得到下行预编码矩阵F_ik(j)； 

(3)基站BS_k对需发送的符号进行数字调制后的信号经预编码处理后发送给高铁列车，发送信号表示为： 

X_ik=F_ik(j)S_ik,i∈[1,n_k]    (1) 

其中X_ik为基站BS_k第i帧数据预编码后的多天线发送信号，S_ik为基站BS_k第i帧数据的多路数据流，n_k为列车在基站BS_k范围内接收的最大帧数，F_ik(j)为步骤(2)得到的下行预编码矩阵； 

(4)基站BS_k在步骤(3)的发送信号内插入导频封装成帧发送给高铁列车，高铁列车接收到信号后进行信道估计，根据该信道估计的结果与步骤（2）所选用的预编码算法得出基站信道状态信息I(k,i,j+1)； 

(5)当高铁列车将经过基站BS_k时，高铁列车通过I(k,i,j+1)与d(i,k)一一对应制成下行查找表LUT_down(k,j+1)，并在高铁列车检测到进入下一基站BS_k+1的范围后，高铁列车将该下行查找表发送给基站BS_k+1，基站BS_k+1将该下行查找 表存储在本地； 

(6)当高铁列车离开基站BS_k+1覆盖范围或者在下一趟高铁列车进入基站BS_k覆盖范围前，基站BS_k+1会将下行查找表LUT_down(k,j+1)发送给基站BS_k，基站BS_k则将原来的下行查找表LUT_down(k,j)更新为新的下行查找表LUT_down(k,j+1)，令j=j+1，回到步骤(1)； 

当高速铁路通信系统处于上行通信时，该方法具体步骤如下： 

(11)当高铁列车行驶在第k个基站BS_k的覆盖范围，通过高铁的定位技术高铁列车和基站BS_k分别获取当前列车的位置信息d(i,k)后，高铁列车向基站BS_k发送第i帧数据； 

(21)高铁列车首先查询本地是否已经收到来自基站BS_k-1的上行查找表LUT_up(k,j)： 

当没有收到该上行查找表时，则高铁列车初始化上行预编码矩阵F_ik′0=I_m×m，其中I_m×m为单位矩阵， 

当收到该上行查找表时，则高铁列车通过该上行查找表LUT_up(k,j)和位置信息d(i,k)得到当前列车信道状态信息I′(k,i,j)，其中j表示当前预编码矩阵的更新次数，通过当前列车信道状态信息I′(k,i,j)，根据所选用的预编码算法得到上行预编码矩阵F_ik′(j)； 

(31)高铁列车对需发送的符号进行数字调制后的信号经预编码处理后发送 

给基站BS_k，发送信号表示为： 

X′_ik=F_ik′(j)S_ik,i∈[1,n_k](2) 

其中X′_ik为高铁列车第i帧数据预编码后的多天线发送信号，S_ik为高铁列车第i帧数据的多路数据流，n_k为列车在基站BS_k范围内发送的最大帧数，F_ik′(j)为步骤(21)得到的上行预编码矩阵； 

(41)高铁列车在步骤(31)的发送信号内插入导频封装成帧发送给基站BS_k，基站BS_k接收到信号后进行信道估计，根据该信道估计结果与步骤（21）所选用的预编码算法得出列车信道状态信息I′(k,i,j+1)； 

(51)基站BS_k通过I′(k,i,j+1)与d(i,k)一一对应制成上行查找表LUT_up(k,j+1)，并将该上行查找表存储在本地； 

(61)当高铁列车离开基站BS_k覆盖范围或者在下一趟列车进入基站BS_k覆盖范围前，基站BS_k会将上行查找表LUT_up(k,j+1)发送给基站BS_k-1，基站BS_k-1会在高铁列车进入其范围时将该上行查找表LUT_up(k,j+1)发送给高铁列车，更新原来的上行查找表LUT_up(k,j)，令j=j+1，回到步骤(11)。 

2.根据权利要求1所述的高速铁路环境下预编码信道状态信息反馈方法，其特征在于，所述的基站信道状态信息I(k,i,j+1)包含MIMO信道幅度与相位的信息以及预编码码本索引的信息，所述的列车信道状态信息I′(k,i,j+1)包含MIMO信道幅度与相位的信息以及预编码码本索引的信息。 

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