CN104467933A - 时分双工多天线系统中基于叠加转发的中继信道校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种时分双工多天线系统中基于叠加转发的中继信道校准方法，属于无线通信中继信道校准领域，该方法为中继发射上行导频序列，基站接收中继发送的导频并估计信道状态信息，基站发射下行导频，中继接收基站发送的下行导频信号并估计下行信道状态信息并对接收到的信号进行叠加并放大转发，基站接收中继放大转发后的信号，估计整个上行下行过程的信道状态信息，再根据之前估计的上行信道状态信息，估算下行信道状态信息，根据上下行信道状态信息关系对信道进行校准。该方法可以较为准确度校准TDD-MIMO系统上下行信道，通过互易性原理可以比较简洁的得到下行信道信息。

Description

时分双工多天线系统中基于叠加转发的中继信道校准方法

技术领域

本发明属于无线通信中继信道校准领域，特别涉及一种时分双工多天线系统中基于叠加转发的中继信道校准方法。

技术背景

随着移动终端的不断增加，下行数据的业务量也越来越大，多输入多输出(MIMO)系统可以增大信道容量，从而引起产业界和学术届的广泛关注。MIMO有两种双工模式，一种是频分双工(FDD)，另一种是时分双工(TDD)。频分双工(FDD)是现在广泛应用的一种双工模式，主要特征为上下行信道工作在不同的的频段，然而在MIMO系统中，频分双工(FDD)在对下行信道状态进行估计时导频开销过于巨大。而采用时分双工(TDD)模式，因为其上下行信道都工作在同一频段，故上下行信道存在互易性，可根据上行信道状态信息估计下行信道状态信息。然而由于上下行发射，接收器件的不完美性，导致信道互易性遭到破坏，利用上行信道状态信息，不能准确的估算出下行信道的状态信息。故需要对上下行信道进行校准，使其满足互易性。

如图1所示，T_A为基站(BS)端发射天线对系统的影响，R_A为基站(BS)端接收天线对系统的影响，T_B为中继(RS)端发射天线对系统的影响，R_B为中继(RS)端接收天线对系统的影响，对TDD系统进行校准的原因如下：

由于T_A≠R_Α，R_B≠T_B，故H_up≠H_down，H_up为上行状态信息，H_down下行状态信息。即由于上述原因，在时分双工系统中，信道互易性遭到破坏，便不能用上行信道估计下行信道的状态信息。一般校准原理：需要求出T_A·R_B与R_A·T_B关系即可，不必求出每一个的具体值。

发明内容

本发明的目的是为推进时分双工多输入多输出(TDD-MIMO)技术，提出的一种时分双工多天线系统中基于叠加转发的中继信道校准方法，该方法可以较为准确度校准TDD-MIMO系统上下行信道，通过互易性原理可以比较简洁的得到下行信道信息。

本发明提出的一种时分双工多天线系统中基于叠加转发的中继信道校准方法，其特征在于，中继发射上行导频序列，基站接收中继发送的导频并估计信道状态信息，基站发射下行导频，中继接收基站发送的下行导频信号并估计下行信道状态信息并对接收到的信号进行叠加并放大转发，基站接收中继放大转发后的信号，估计整个上行下行过程的信道状态信息，再根据之前估计的上行信道状态信息，估算下行信道状态信息，根据上下行信道状态信息关系对信道进行校准。

所述方法具体包括以下步骤：设H_up为上行状态信息，H_down下行状态信息，各式中下标up表示上行，dowm表示下行；

1)RS端m根天线同时发送不同的上行正交导频x_j，x_j为第j根天线发送的导频，x_j＝[x_j[0],x_j[1],...x_j[T_up-1]]^T，每个导频的长度为T_up，T_up≥m，m、j均为正整数；正交导频按Hadamard矩阵构造，Hadamard矩阵的每一行组成一个导频x_j；

2)BS端的n根天线同时对RS端发送的信号进行检测，第i根BS天线得到检测信号y_i，y_i＝[y_i[0],y_i[1],...y_i[T_up-1]]^T，检测信号长度为T_upT_up≥m,m,n为正整数；

3)RS端与BS端之间多个天线对多个天线的信号输入输出关系，即基站每根天线接收中继站的每根天线发出的信号，表示为n_up为高斯白噪声矩阵，x＝[x₁,x₂,...x_m],y＝[y₁,y₂,...y_n]已知，则根据最小均方误差准则MMSE可得H_up的估计值

为了充分利用发射分集，使各个发射天线之间的信道相关性尽量弱，根据得到的以等间隔选择K个发射天线K<＝m，发送K个下行导频 下行导频的构造方法按Hadamard矩阵构造，Hadamard矩阵的每一行为一个导频；

K根天线发送天线从小到大依次编号，发送导频方式为，编号与Hadamard行号是一一对应的；

4)RS端的各天线得到检测信号j＝1,2..m，y_j ^d＝[y_j[0],y_j[1],...y_j[T-1]]^T，T＝K，

根据输入输出关系可表示为：n_down为高斯白噪声矩阵，x^d＝[x₁ ^d,x₂ ^d,...x_k ^d],y^d＝[y₁ ^d,y₂ ^d,...y_m ^d]，则根据最小均方误差准则MMSE可得H_down的一个估计值5)RS端每根天线接收BS端的每根天线发出的信号,根据则可得第j根RS天线对应的BS的每一根发射天线的信道状态信息6)在RS端第j根天线对下行导频进行放大加权并叠加，上行导频放大加权形式为p_x为发射功率，p_y为接收功率；则第j根天线叠加后的信号为 $x_j^{\mathrm{all}}=\frac{1}{k}\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_i^d{\hat{h}}_{\mathrm{ij}}^{d}A,j=\mathrm{1,2}....m;$

7)RS端m根天线同时发送叠加后的信号；

8)BS端k根天线检测来自RS端发来的信号为y^all，RS端每根天线接收BS端的每根天线发出的下行信号，同时BS端每根天线接收RS端的每根天线发出的上行信号，y^all可表示为n_down为高斯白噪声矩阵，根据最小均方误差准则MMSE可得H_all的估计值

根据步骤3)得到的和选择的发送天线重构

1≤a≤m,1≤b≤k为选定的BS端天线对应的上行信道状态信息，则H^all的估计值近似表示为如下关系：

则根据上式可得k个方程组如下：

$\left\{\begin{array}{c}{{\hat{h}}_{11}}^d{h}_{11}^{u*}+...+{{\hat{h}}_{1m}}^d{h}_{m1}^{u*}={\hat{h}}_{11}^{\mathrm{all}}\\ .\\ .\\ .\\ {{\hat{h}}_{11}}^d{h}_{1k}^{u*}+...+{{\hat{h}}_{1m}}^d{h}_{\mathrm{mk}}^{u*}={\hat{h}}_{1k}^{\mathrm{all}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

......

$\left\{\begin{array}{c}{{\hat{h}}_{k1}}^d{h}_{11}^{u*}+...+{{\hat{h}}_{\mathrm{km}}}^d{h}_{m1}^{u*}={\hat{h}}_{m1}^{\mathrm{all}}\\ .\\ .\\ .\\ {{\hat{h}}_{k1}}^d{h}_{1k}^{u*}+...+{{\hat{h}}_{\mathrm{km}}}^d{h}_{\mathrm{mk}}^{u*}={\hat{h}}_{\mathrm{mk}}^{\mathrm{all}}\end{array}\right.---\left(k\right);$

基站端已知，求解k个方程组，求出

9)根据便可得出上下行信道状态信息校准因子β，为中对应元素a≤m,b≤k；为中对应元素a≤m,b≤k

10)根据得出的校准因子β再根据上行信道状态信息估计出下行信道状态信息。

本发明的特点及有益效果：

该方法通过基站端根据中继端发送的导频挑选天线，可以减少系统复杂度；通过中继端在对信号进行放大加权转发信号，可以减少中继端对基站端的反馈。可以较为准确度校准TDD-MIMO系统上下行信道，通过互易性原理可以比较简洁的得到下行信道信息。

附图说明

图1为由于上下信道存在不对称，互易性遭到破坏，需要进行校准的原因示意图。

图2为基站每根天线接收中继站的每根天线发出的信号，获得上行信道状态信息示意图。

图3为中继站每根天线接收基站的每根天线发出的信号获得下行信道状态信息示意图。

图4为中继站每根天线接收基站的每根天线发出的下行信号，同时基站每根天线接收中继站的每根天线发出的上行信号,求得基站到中继，中继到基站整个过程的信道状态信息示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下举实例对本申请作进一步详细说明。

本发明提出的一种时分双工多天线系统中基于叠加转发的中继信道校准方法，包括以下步骤：

1)RS端4根天线同时发送不同的上行正交导频x_j，x_j为第j根天线发送的导频，x_j＝[x_j[0],x_j[1],...x_j[T_up-1]]^T，每个导频的长度为T_up，，m、j均为正整数；正交导频按Hadamard矩阵构造，Hadamard构造方法如下：

$H_2=\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right],H_4=\left[\begin{array}{cc}{H}_2& H_2\\ H_2& -H_2\end{array}\right],...,H_{2^n}=\left[\begin{array}{cc}{H}_{2^{n-1}}& H_{2^{n-1}}\\ H_{2^{n-1}}& H_{2^{n-1}}\end{array}\right]$

Hadamard矩阵的每一行组成一个导频x_j；

2)BS端的2根天线同时对RS端发送的信号进行检测，第i根BS天线得到检测信号y_i，y_i＝[y_i[0],y_i[1],...y_i[T_up-1]]^T，检测信号长度为T_up，T_up≥2；

3)RS端与BS端之间多个天线对多个天线的信号输入输出关系，如图2所示，即基站每根天线接收中继站的每根天线发出的信号，表示为y＝xH_up+n_up，n_up为高斯白噪声矩阵，x＝[x₁,x₂],y＝[y₁,y₂,y₃,y₄]已知，则根据最小均方误差准则MMSE可得H_up的估计值

${\hat{H}}_{\mathrm{up}}=\left(\begin{array}{cccc}{\hat{h}}_{11}^u& {\hat{h}}_{12}^u& {\hat{h}}_{13}^u& {\hat{h}}_{14}^u\\ {\hat{h}}_{21}^u& {\hat{h}}_{22}^u& {\hat{h}}_{23}^u& {\hat{h}}_{24}^u\end{array}\right);$

根据得到的为了充分利用发射分集，使各个发射天线之间的信道相关性尽量弱，以等间隔选择k个发射天线(K＝2)，发送2个下行导频 下行导频的构造方法按Hadamard矩阵构造，Hadamard构造方法如下：

$H_2=\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right],H_4=\left[\begin{array}{cc}{H}_2& H_2\\ H_2& -H_2\end{array}\right],...,H_{2^n}=\left[\begin{array}{cc}{H}_{2^{n-1}}& H_{2^{n-1}}\\ H_{2^{n-1}}& H_{2^{n-1}}\end{array}\right],$ Hadamard矩阵的每一行为一个导频；

K根天线发送天线从小到大依次编号，发送导频方式为，编号与Hadamard行号是一一对应的；

4)RS端的各天线得到检测信号j＝1,2..m，y_j ^d＝[y_j[0],y_j[1],...y_j[T-1]]^T，T＝2，根据输入输出关系可表示为：n_down为高斯白噪声矩阵，x^d＝[x₁ ^d,x₂ ^d],y^d＝[y₁ ^d,y₂ ^d]，则根据最小均方误差准则MMSE可得H_down的一个估计值

${\hat{H}}_{\mathrm{down}}=\left(\begin{array}{cc}{{\hat{h}}_{11}}^d& {{\hat{h}}_{12}}^d\\ {{\hat{h}}_{21}}^d& {{\hat{h}}_{22}}^d\end{array}\right)$

5)基站与RS端之间多个天线对多个天线的信号输入输出关系如图3所示，即RS端每根天线接收BS端的每根天线发出的信号,根据则可得第j根RS天线对应的BS的每一根发射天线的信道状态信息

6)在RS端第j根天线对下行导频进行放大加权并叠加，上行导频放大加权形式为p_x为发射功率，p_y为接收功率；则第j根天线叠加后的信号为 $x_j^{\mathrm{all}}=\frac{1}{2}\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_i^d{\hat{h}}_{\mathrm{ij}}^{d}A.j=\mathrm{1,2};$

7)RS端m根天线同时发送叠加后的信号；

8)BS端k根天线检测来自RS端发来的信号为y^all，总的输入输出关系如图4所示，即RS端每根天线接收BS端的每根天线发出的下行信号，同时BS端每根天线接收RS端的每根天线发出的上行信号，y^all可表示为y^all＝Ax^dH_all+n_up，n_down为高斯白噪声矩阵，根据最小均方误差准则MMSE可得H_all的估计值

${\hat{H}}_{\mathrm{all}}=\left(\begin{array}{cc}{\hat{h}}_{11}^{\mathrm{all}}& {\hat{h}}_{12}^{\mathrm{all}}\\ {\hat{h}}_{21}^{\mathrm{all}}& {\hat{h}}_{22}^{\mathrm{all}}\end{array}\right)$

根据步骤3)得到的和选择的发送天线重构

1≤a≤2,1≤b≤2为选定的BS端天线对应的上行信道状态信息，则H^all的估计值近似表示为如下关系：

$\begin{array}{c}{\hat{H}}_{\mathrm{all}}=\frac{A}{2}\left(\begin{array}{cc}{{\hat{h}}_{11}}^d& {{\hat{h}}_{12}}^d\\ {{\hat{h}}_{21}}^d& {{\hat{h}}_{22}}^d\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}{h}_{11}^{u*}& h_{12}^{u*}\\ h_{21}^{u*}& h_{22}^{u*}\end{array}\right)\\ =\frac{A}{2}\left(\begin{array}{cc}{{\hat{h}}_{11}}^d{h}_{11}^{u*}+{{\hat{h}}_{12}}^d{h}_{21}^{u*}& {{\hat{h}}_{11}}^d{h}_{12}^{u*}+{{\hat{h}}_{12}}^d{h}_{22}^{u*}\\ {{\hat{h}}_{21}}^d{h}_{11}^{u*}+{{\hat{h}}_{22}}^d{h}_{21}^{u*}& {{\hat{h}}_{21}}^d{h}_{12}^{u*}+{{\hat{h}}_{22}}^d{h}_{22}^{u*}\end{array}\right)\end{array}$

则根据上式可得2个方程组如下：

$\left\{\begin{array}{c}{{\hat{h}}_{11}}^d{h}_{11}^{u*}+{{\hat{h}}_{12}}^d{h}_{21}^{u*}={\hat{h}}_{11}^{\mathrm{all}}\\ {{\hat{h}}_{11}}^d{h}_{12}^{u*}+{{\hat{h}}_{12}}^d{h}_{22}^{u*}={\hat{h}}_{12}^{\mathrm{all}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{{\hat{h}}_{21}}^d{h}_{11}^{u*}+{{\hat{h}}_{22}}^d{h}_{21}^{u*}={\hat{h}}_{21}^{\mathrm{all}}\\ {{\hat{h}}_{21}}^d{h}_{12}^{u*}+{{\hat{h}}_{22}}^d{h}_{22}^{u*}={\hat{h}}_{22}^{\mathrm{all}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

基站端已知，求解k个方程组，求出

${\hat{H}}_{\mathrm{down}}=\left(\begin{array}{cc}{{\hat{h}}_{11}}^d& {{\hat{h}}_{12}}^d\\ {{\hat{h}}_{21}}^d& {{\hat{h}}_{22}}^d\end{array}\right);$

9)根据便可得出上下行信道状态信息校准因子β，为中对应元素，a≤2,b≤2；为中对应元素

10)根据得出的校准因子β再根据上行信道状态信息估计出下行信道状态信息。

Claims (2)

1.一种时分双工多天线系统中基于叠加转发的中继信道校准方法，其特征在于，该方法为中继发射上行导频序列，基站接收中继发送的导频并估计信道状态信息，基站发射下行导频，中继接收基站发送的下行导频信号并估计下行信道状态信息并对接收到的信号进行叠加并放大转发，基站接收中继放大转发后的信号，估计整个上行下行过程的信道状态信息，再根据之前估计的上行信道状态信息，估算下行信道状态信息，根据上下行信道状态信息关系对信道进行校准。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，具体包括以下步骤：设H_up为上行状态信息，H_down下行状态信息，各式中下标up表示上行，dowm表示下行；

1)RS端m根天线同时发送不同的上行正交导频x_j，x_j为第j根天线发送的导频，x_j＝[x_j[0],x_j[1],...x_j[T_up-1]]^T，每个导频的长度为T_up，T_up≥m，m、j均为正整数；正交导频按Hadamard矩阵构造，Hadamard矩阵的每一行组成一个导频xj；

2)BS端的n根天线同时对RS端发送的信号进行检测，第i根BS天线得到检测信号yi，y_i＝[y_i[0],y_i[1],...y_i[T_up-1]]^T，检测信号长度为T_up，T_up≥m,m,n为正整数；

3)根据RS端与BS端之间多个天线对多个天线的信号输入输出关系得到：n_up为高斯白噪声矩阵，x＝[x₁,x₂,...xm],y＝[y₁,y₂,...y_n]已知，则根据最小均方误差准则MMSE得到H_up的估计值

根据得到的以等间隔选择K个发射天线K<＝m，发送K个下行导频

下行导频的构造方法按Hadamard矩阵构造，

Hadamard矩阵的每一行为一个导频；

K根天线发送天线从小到大依次编号，发送导频方式为，编号与Hadamard行号一一对应；

4)RS端的各天线得到检测信号y_j ^d＝[y_j[0],y_j[1],...y_j[T-1]]^T，T＝K，

(T为导频发送的时间)根据输入输出关系表示为：n_down为高斯白噪声矩阵，则根据最小均方误差准则MMSE得到H_down的一个估计值

5)RS端每根天线接收BS端的每根天线发出的信号,根据则得到第j根RS天线对应的BS的每一根发射天线的信道状态信息为

6)在RS端第j根天线对下行导频进行放大加权并叠加，上行导频放大加权形式为p_x为发射功率，p_y为接收功率；则第j根天线叠加后的信号为 $x_j^{\mathrm{all}}=\frac{1}{k}\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_i^d{\hat{h}}_{\mathrm{ij}}^{d}A,j=\mathrm{1,2}....m;$

7)RS端m根天线同时发送叠加后的信号；

8)BS端k根天线检测来自RS端发来的信号为y^all，RS端每根天线接收BS端的每根天线发出的下行信号，同时BS端每根天线接收RS端的每根天线发出的上行信号，y^all可表示为n_down为高斯白噪声矩阵，根据最小均方误差准则MMSE可得H_all的估计值

根据步骤3)得到的和选择的发送天线重构

1≤a≤m,1≤b≤k为选定的BS端天线对应的上行信道

状态信息，则H^all的估计值近似表示为如下关系：

则根据上式可得k个方程组如下：

$\left\{\begin{array}{c}{{\hat{h}}_{11}}^d{h_{11}^u}^{*}+...+{{\hat{h}}_{1m}}^d{h_{m1}^u}^{*}={\hat{h}}_{11}^{\mathrm{all}}\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ {{\hat{h}}_{11}}^d{h_{1k}^u}^{*}+...+{{\hat{h}}_{1m}}^d{h_{\mathrm{mk}}^u}^{*}{\hat{h}}_{1k}^{\mathrm{all}}\end{array}\right.---\left(l\right)$

......

$\left\{\begin{array}{c}{{\hat{h}}_{k1}}^d{h_{11}^u}^{*}+..+{{\hat{h}}_{\mathrm{km}}}^d{h_{m1}^u}^{*}={\hat{h}}_{m1}^{\mathrm{all}}\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ {{\hat{h}}_{k1}}^d{h_{1k}^u}^{*}+...+{{\hat{h}}_{\mathrm{km}}}^d{h_{\mathrm{mk}}^u}^{*}{\hat{h}}_{\mathrm{mk}}^{\mathrm{all}}\end{array}\right.---\left(k\right);$

根据BS端已知求解k个方程组，求出

9)根据得出上下行信道状态信息校准因子β，为中对应元素,a≤m,b≤k；为中对应元素,a≤m,b≤k；

10)根据得出的校准因子β再根据上行信道状态信息估计出下行信道状态信息。