CN103532882B

CN103532882B - 基于空间相关性的联合信道大尺度衰落估计方法及基站

Info

Publication number: CN103532882B
Application number: CN201310456428.2A
Authority: CN
Inventors: 张鑫; 张秀军; 肖立民; 赵熠飞; 许希斌; 王京
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2013-09-29
Filing date: 2013-09-29
Publication date: 2017-04-05
Anticipated expiration: 2033-09-29
Also published as: CN103532882A

Abstract

本发明提出一种基于空间相关性的联合信道大尺度衰落估计方法，包括以下步骤：获取预设区域内已知的用户的位置信息、移动速度和信道大尺度衰落估计值；根据预设区域内已知的用户的位置信息、移动速度和信道大尺度衰落估计值确定各个用户之间的信道大尺度衰落的空间相关矩阵；根据空间相关矩阵的空间相关性，获得预设区域内未知的用户信道大尺度衰落估计值。本发明的实施例能够根据预设区域内已知的用户信道大尺度衰落估计值，利用空间相关性得到未知的用户信道大尺度衰落估计值，并且提高已知的用户信道大尺度衰落估计精度。本发明还提供了一种基站。

Description

基于空间相关性的联合信道大尺度衰落估计方法及基站

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种基于空间相关性的联合信道大尺度衰落估计方法及基站。

背景技术

在多用户MIMO（Multiple-Input Multiple-Out-put，多入多出）系统中，基站端进行用户调度需要已知各个用户的信道大尺度衰落信息。在当前无线通信系统的信道大尺度衰落估计技术中，不同用户与基站之间的信道大尺度衰落是独立估计的。但是实际上，这些信道大尺度衰落之间具有空间相关性。利用信道大尺度衰落之间的空间相关性，不仅可以在缺少某个用户信道大尺度衰落估计值的情况下，由已知的用户信道大尺度衰落估计值获得未知的用户信道大尺度衰落估计值，而且可以用于提高已知的用户信道大尺度衰落估计精度。但是目前没有具体的方法可以实现上述目的。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种基于空间相关性的联合信道大尺度衰落估计方法，该方法能够根据预设区域内已知的用户信道大尺度衰落估计值，利用空间相关性得到未知的用户信道大尺度衰落估计值，并且提高已知的用户信道大尺度衰落估计精度。

本发明的另一个目的在于提供一种基站。

为了实现上述目的，本发明的实施例提出了一种基于空间相关性的联合信道大尺度衰落估计方法，包括以下步骤：获取预设区域内已知的用户的位置信息、移动速度和信道大尺度衰落估计值；根据所述预设区域内已知的用户的位置信息、移动速度和信道大尺度衰落估计值确定各个用户之间的信道大尺度衰落的空间相关矩阵；根据所述空间相关矩阵的空间相关性，获得所述预设区域内未知的用户信道大尺度衰落估计值。

根据本发明实施例的基于空间相关性的联合信道大尺度衰落估计方法，能够根据预设区域内已知的用户的位置信息、移动速度和信道大尺度衰落估计值，确定各个用户之间的信道大尺度衰落的空间相关矩阵，并根据相关矩阵的空间相关性，估算获得该区域内未知的用户信道大尺度衰落估计值，该方法易实现，且可靠性高。

另外，根据本发明上述实施例的基于空间相关性的联合信道大尺度衰落估计方法还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的实施例中，根据所述预设区域内已知的用户的位置信息、移动速度和信道大尺度衰落估计值确定各个用户之间的信道大尺度衰落的空间相关矩阵，进一步包括：判断所述各个用户之间的信道大尺度衰落空间相关矩阵是否已知；如果是，则直接通过最小均方误差法估算未知的信道大尺度衰落估计值；否则，判定所述各个用户之间的信道大尺度衰落的空间相关矩阵的相关性随着距离指数衰减，以得到用户的信道大尺度衰落的空间相关矩阵，并进一步估算所述未知的信道大尺度衰落估计值。

在本发明的实施例中，还包括：根据所述空间相关矩阵的空间相关性，提高所述预设区域内已知的用户的信道大尺度衰落估计精度。

在本发明的实施例中，通过基站或所述用户发送信令至基站的方式获取所述预设区域内已知的用户的位置信息、移动速度和信道大尺度衰落估计值。

在本发明的实施例中，还包括：根据用户当前时刻的位置、移动速度和信道大尺度衰落估计值，估算所述用户在下一时刻的位置和信道大尺度衰落估计值。

本发明第二方面的实施例提供了一种基站，包括：信息收集模块，所述信息收集模块用于收集预设区域已知的用户的信道大尺度衰落估计值、位置信息和移动速度；信道大尺度衰落估算模块，所述信道大尺度衰落估算模块用于根据所述预设区域内已知的用户的位置信息、移动速度和信道大尺度衰落估计值确定各个用户之间的信道大尺度衰落的空间相关矩阵，并根据所述空间相关矩阵的空间相关性，获得所述预设区域内未知的用户信道大尺度衰落估计值。

根据本发明实施例的基站，能够根据预设区域内已知的用户的位置信息、移动速度和信道大尺度衰落估计值，确定各个用户之间的信道大尺度衰落的空间相关矩阵，并根据相关矩阵的空间相关性，估算获得该区域内未知的用户信道大尺度衰落估计值，该基站结构简单，操作方便，且可靠性高。

在本发明的实施例中，所述信息大尺度衰落估算模块用于判断所述各个用户之间的信道大尺度衰落空间相关矩阵是否已知，并在判定已知时，直接通过最小均方误差法估算未知的信道大尺度衰落估计值，以及在判定所述各个用户之间的信道大尺度衰落空间相关矩阵未知时，判定所述空间相关矩阵的相关性随着距离指数衰减，以得到用户的信道大尺度衰落的空间相关矩阵，并进一步估算所述未知的信道大尺度衰落估计值。

在本发明的实施例中，所述信息收集模块可通过接收所述用户发送的信令获得所述用户的信道大尺度衰落估计值、位置信息和移动速度。

在本发明的实施例中，所述信道大尺度衰落估算模块还用于根据所述预设区域内已知的用户的位置信息、移动速度和信道大尺度衰落估计值确定各个用户之间的信道大尺度衰落的空间相关矩阵，并根据所述空间相关矩阵的空间相关性，提高已知用户信道大尺度衰落估计精度。

在本发明的实施例中，还包括：信息修正模块，所述信息单元用于根据用户当前时刻的位置、移动速度和信道大尺度衰落估计值，估算所述用户在下一时刻的位置和信道大尺度衰落估计值。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的基于空间相关性的联合信道大尺度衰落估计方法的流程图；

图2为根据本发明一个实施例的基站的结构框图；和

图3为根据本发明另一个实施例的基站的结构框图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图详细描述根据本发明实施例的基于空间相关性的联合信道大尺度衰落估计方法及基站。

图1为根据本发明一个实施例的基于空间相关性的联合信道大尺度衰落估计方法的流程图。如图1所示，根据本发明一个实施例的基于空间相关性的联合信道大尺度衰落估计方法，包括以下步骤：

步骤S101，获取预设区域内已知的用户的位置信息、移动速度和信道大尺度衰落估计值。换言之，即根据预设区域内的用户的空间分布，选取用于联合估计信道大尺度衰落的用户集合（即已知信道大尺度衰落估计值的用户集合）。其中，预设区域为预先设定的，例如为但不限于某个小区。在本发明的一个实施例中，可通过基站或用户发送信令至基站的方式获取预设区域内已知的用户的位置信息、移动速度和信道大尺度衰落估计值。具体而言，即基站可通过一定的方法估计得到已知的用户的位置信息、移动速度和信道大尺度衰落估计值，用户也可通过发送其位置信息、移动速度等相关信令至基站。

步骤S102，根据预设区域内已知的用户的位置信息、移动速度和信道大尺度衰落估计值确定各个用户之间的信道大尺度衰落的空间相关矩阵。具体而言，在本发明的一个实施例中，首先判断各个用户之间的信道大尺度衰落的空间相关矩阵是否已知，如果是，则直接通过最小均方误差法估算未知的信道大尺度衰落估计值，如果各个用户之间的信道大尺度衰落的空间相关矩阵是未知的，则判定各个用户之间的信道大尺度衰落的空间相关矩阵的相关性随着距离指数衰减，以得到用户的信道大尺度衰落的空间相关矩阵，并进一步估算未知的信道大尺度衰落估计值。

步骤S103，根据空间相关矩阵的空间相关性，获得预设区域内未知的用户信道大尺度衰落估计值。进一步地，根据空间相关矩阵的相关性，提高预设区域内已知的用户的信道大尺度衰落估计精度。

另外，在本发明的一个实施例中，上述基于空间相关性的联合信道大尺度衰落估计方法，还包括：根据用户当前时刻的位置、移动速度和信道大尺度衰落估计值，估算用户在下一时刻的位置和信道大尺度衰落估计值。具体而言，在估计周期中，用户的位置变化可以忽略不计，则不需要进行上述的用户位置、移动速度等信息的修正，而在非估计周期中，则需要进行信息修正，即根据用户当前时刻的位置、移动速度和信道大尺度衰落估计值，估算用户在下一时刻的位置和信道大尺度衰落估计值，以实时修正用户的当前信息。

以下以一个具体的示例对上述的基于空间相关性的联合信道大尺度衰落估计方法作更为具体的描述。

具体而言，信道的大尺度衰落由两部分组成：平均路径损耗和阴影衰落。即，

L_p(d)(dB)=L_s(d₀)(dB)+10nlog₁₀(d/d₀)+X_σ(dB) （1）

其中，前两项的和L_s(d₀)(dB)+10nlog₁₀(d/d₀)为平均路径损耗，是基站与用户之间距离d的函数；d₀为参考距离，L_s(d₀)可以通过测量得到；路径损耗指数n取决于频率、天线高度和传输环境；X_σ表示阴影衰落，是一个零均值，标准偏差为σ的高斯随机变量。从（1）式可以得到大尺度衰落的均值为：

作为一个具体的示例，该基于空间相关性的联合信道大尺度衰落估计方法的实现过程如下：

首先，在预设区域（如某个小区）内选取一组已知信道大尺度衰落估计值的用户用集合，用集合J表示，其中，集合J中有N个用户。同时，在该区域内选取一组需要进行信道大尺度衰落估计或者需要提高信道大尺度衰落估计精度的用户集合，用集合I表示，其中，集合I中有M个用户。值得注意的是，集合I与集合J可以是完全相同的两个集合，也可以是不同的两个集合（即I与J有交集或者无交集）。

进一步地，用表示已知的用户u的信道大尺度衰落估计值，表示用联合信道大尺度衰落估计方法得到的用户u的信道大尺度衰落估计值。

由于各个用户之间的信道大尺度衰落具有空间相关性，该空间相关性由用户的空间分布决定。假设用户信道大尺度衰落之间的相关矩阵为R，其中第i行j列的元素表示用户u_i与用户u_j之间大尺度衰落的相关性，且

其中，表示用户u的信道大尺度衰落的平均值。

最后，根据最小均方误差法（MMSE）的原理，可以得到集合I中各个用户的信道大尺度衰落估计值为：

其中，R_I,J为用户集合I与用户集合J之间的相关矩阵，是由矩阵R的I行与J列所组成的子矩阵；R_J,J为用户集合J之间的相关矩阵，是由矩阵R的J行与J列所组成的子矩阵；为各个用户单独进行信道大尺度衰落估计时的误差相关矩阵，由于在各个用户单独进行信道大尺度衰落估计时，可以求得估计误差，所以此处假设这个误差相关矩阵是已知的。

另外，需要说明的是，在上述过程中，当已知用户信道大尺度衰落之间的相关矩阵时，可以直接通过MMSE方法得到用户集合I的信道大尺度衰落估计值。当用户信道大尺度衰落之间的相关矩阵未知时，可以近似认为两个用户之间的信道大尺度衰落相关性随着距离指数下降，即

其中，是矩阵R中第i行j列的元素，也就是用户u_i与用户u_j之间的相关性；表示用户u_i与用户u_j之间的距离；d_r是相关距离，其为常数。

综上所述，该基于空间相关性的联合信道大尺度衰落估计方法的基本原理是：根据用户信道大尺度衰落之间的空间相关性，利用一组已知的用户信道大尺度衰落估计值，估计出未知的用户信道大尺度衰落，或者提高已知的信道大尺度衰落估计精度。

根据本发明实施例的基于空间相关性的联合信道大尺度衰落估计方法，能够根据预设区域内已知的用户的位置信息、移动速度和信道大尺度衰落估计值，确定各个用户之间的信道大尺度衰落的空间相关矩阵，并根据相关矩阵的空间相关性，估算获得该区域内未知的用户信道大尺度衰落估计值，并且提高已知的用户信道大尺度衰落估计精度，该方法易实现，且可靠性高。

本发明还提供了一种基站。图2为根据本发明一个实施例的基站的结构框图。

如图2所示，根据本发明一个实施例的基站200，包括：信息收集模块210和信道大尺度衰落估算模块220。

具体而言，信息收集模块210用于收集预设区域内已知的用户的信道大尺度衰落估计值、位置信息和移动速度。其中，预设区域为预先设定的，例如为但不限于某个小区。在本发明的一个实施例中，信息收集模块210可通过接收用户发送的信令获取预设区域内已知的用户的位置信息、移动速度和信道大尺度衰落估计值。

信道大尺度衰落估算模块220用于根据预设区域内已知的用户的位置信息、移动速度和信道大尺度衰落估计值确定各个用户之间的信道大尺度衰落的空间相关矩阵，并根据空间相关矩阵的空间相关性，获得预设区域内未知的用户信道大尺度衰落估计值。具体而言，在本发明的一个实施例中，信道大尺度衰落估算模块220首先判断各个用户之间的信道大尺度衰落的空间相关矩阵是否已知，如果是，则直接通过最小均方误差法估算未知的信道大尺度衰落估计值，如果各个用户之间的信道大尺度衰落的空间相关矩阵是未知的，则判定各个用户之间的信道大尺度衰落的空间相关矩阵的相关性随着距离指数衰减，以得到用户的信道大尺度衰落的空间相关矩阵，并进一步估算未知的信道大尺度衰落估计值。

进一步地，信道大尺度衰落估算模块220还用于根据预设区域内已知的用户的位置信息、移动速度和信道大尺度衰落估计值确定各个用户之间的信道大尺度衰落的空间相关矩阵，并根据空间相关矩阵的空间相关性，提高已知的用户信道大尺度衰落估计精度。

另外，如图3所示，上述的基站200还包括：信息修正模块230。具体而言，信息修正模块230用于根据用户当前时刻的位置、移动速度和信道大尺度衰落估计值，估算用户在下一时刻的位置和信道大尺度衰落估计值。换言之，即在估计周期中，用户的位置变化可以忽略不计，则不需要进行上述的用户位置、移动速度等信息的修正，而在非估计周期中，则需要进行信息修正，即根据用户当前时刻的位置、移动速度和信道大尺度衰落估计值，估算用户在下一时刻的位置和信道大尺度衰落估计值，以实时修正用户的当前信息。

以下作为一个具体的示例对上述的基站200的工作原理进行描述。

具体而言，基站200工作时，其信息收集模块210收集预设区域内已知的用户t时刻的信道大尺度衰落估计值位置信息P_t,u和移动速度值得注意的是，关于用户信道大尺度衰落估计值、位置信息和移动速度这几个数据的来源，可以是基站200根据一定的方法估计得到，也可以是用户通过信令发送至信息收集模块210。信道大尺度衰落估计模块220根据用户的位置以及信道大尺度衰落估计值，确定各个用户之间信道大尺度衰落的空间相关矩阵，并根据该空间相关矩阵的空间相关性，估算出该区域内未知用户的信道大尺度衰落值或者提高该区域内已知用户的信道大尺度衰落估计精度，以用于用户调度。而在该过程中，用户位置可能会随着时间而变化，因而需要对用户的位置和信道大尺度衰落估计值进行实时的修正。换言之，即信息修正模块230根据用户当前时刻的位置、移动速度和信道大尺度衰落估计值，估算出用户在下一时刻的位置和信道大尺度衰落值。具体而言，在估计周期中，用户的位置变化可以忽略不计，则不需要进行用户位置、移动速度等信息的修正，而在非估计周期中，用户的位置变化不能忽略不计，则需要进行信息的实时修正。

根据本发明实施例的基站，能够根据预设区域内已知的用户的位置信息、移动速度和信道大尺度衰落估计值，确定各个用户之间的信道大尺度衰落的空间相关矩阵，并根据相关矩阵的空间相关性，估算获得该区域内未知的用户信道大尺度衰落估计值，并且提高已知的用户信道大尺度衰落估计精度，该基站结构简单，操作方便，且可靠性高。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims

1.一种基于空间相关性的联合信道大尺度衰落估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过基站或用户发送信令至基站的方式获取预设区域内已知的用户的位置信息、移动速度和信道大尺度衰落估计值；

根据所述预设区域内已知的用户的位置信息、移动速度和信道大尺度衰落估计值确定各个用户之间的信道大尺度衰落的空间相关矩阵，具体包括：判断所述各个用户之间的信道大尺度衰落空间相关矩阵是否已知，如果是，则直接通过最小均方误差法估算未知的信道大尺度衰落估计值，否则，判定所述各个用户之间的信道大尺度衰落的空间相关矩阵的相关性随着距离指数衰减，以得到用户的信道大尺度衰落的空间相关矩阵，并进一步估算所述未知的信道大尺度衰落估计值，其中，各个用户之间的信道大尺度衰落的空间相关矩阵的相关性随着距离指数衰减，具体为：

r_{u_{i}, u_{j}} = e^{- \frac{d_{u_{i}, u_{j}}}{d_{r}}}

其中，是用户的信道大尺度衰落的空间相关矩阵R中第i行j列的元素，表示用户u_i与用户u_j之间的相关性；表示用户u_i与用户u_j之间的距离，d_r是相关距离，其为常数；

根据所述空间相关矩阵的空间相关性，获得所述预设区域内未知的用户信道大尺度衰落估计值；

根据用户当前时刻的位置、移动速度和信道大尺度衰落估计值，估算所述用户在下一时刻的位置和信道大尺度衰落估计值。

2.如权利要求1所述的基于空间相关性的联合信道大尺度衰落估计方法，其特征在于，还包括：

根据所述空间相关矩阵的空间相关性，提高所述预设区域内已知的用户的信道大尺度衰落估计精度。

3.一种基站，其特征在于，包括：

信息收集模块，所述信息收集模块用于通过接收用户发送的信令获得预设区域已知的用户的信道大尺度衰落估计值、位置信息和移动速度；

信道大尺度衰落估算模块，所述信道大尺度衰落估算模块用于根据所述预设区域内已知的用户的位置信息、移动速度和信道大尺度衰落估计值确定各个用户之间的信道大尺度衰落的空间相关矩阵，并根据所述空间相关矩阵的空间相关性，获得所述预设区域内未知的用户信道大尺度衰落估计值，具体包括：判断所述各个用户之间的信道大尺度衰落空间相关矩阵是否已知，并在判定已知时，直接通过最小均方误差法估算未知的信道大尺度衰落估计值，以及在判定所述各个用户之间的信道大尺度衰落空间相关矩阵未知时，判定所述空间相关矩阵的相关性随着距离指数衰减，以得到用户的信道大尺度衰落的空间相关矩阵，并进一步估算所述未知的信道大尺度衰落估计值，其中，各个用户之间的信道大尺度衰落的空间相关矩阵的相关性随着距离指数衰减，具体为：

r_{u_{i}, u_{j}} = e^{- \frac{d_{u_{i}, u_{j}}}{d_{r}}}

信息修正模块，所述信息修正模块用于根据用户当前时刻的位置、移动速度和信道大尺度衰落估计值，估算所述用户在下一时刻的位置和信道大尺度衰落估计值。

4.如权利要求3所述的基站，其特征在于，所述信道大尺度衰落估算模块还用于根据所述预设区域内已知的用户的位置信息、移动速度和信道大尺度衰落估计值确定各个用户之间的信道大尺度衰落的空间相关矩阵，并根据所述空间相关矩阵的空间相关性，提高已知的用户信道大尺度衰落估计精度。