CN104539401B - 一种自适应预编码方法、基站及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自适应预编码方法、基站及系统，该方法包括：根据终端发送的上行导频，获取与所述终端之间的3D MIMO上行信道状态信息和2D MIMO上行信道状态信息；根据所述3DMIMO上行信道状态信息和2D MIMO上行信道状态信息计算3DMIMO上行接收信干噪比和2D MIMO上行接收信干噪比；根据所述3D MIMO上行接收信干噪比和2D MIMO上行接收信干噪比的大小关系，选择上行接收方式和下行预编码方式。本发明将3D MIMO和2D MIMO有效结合，通过上行导频的3D MIMO上行接收信干噪比和2D MIMO上行接收信干噪比的大小关系，选择合适的预编码方式对下行数据进行预编码，既充分利用3D MIMO技术优势又有效的解决3D MIMO对邻小区边缘终端的干扰，提高了系统性能。

Description

一种自适应预编码方法、基站及系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于3D MIMO与2D MIMO的自适应预编码方法、基站及系统。

背景技术

多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Out，MIMO)技术在无线通信中已经被广泛研究，并纳入3GPP LTE/LTE-A标准。当前，LTE/LTE-A标准中支持天线数目最大数为8，随着无线通信的发展，现有MIMO技术中所支持天线数不能满足未来无线通信业务要求，并且传统MIMO只考虑水平维度对系统性能的影响，没有考虑基站天线数增多时垂直维度对系统性能的影响。

3D MIMO技术同时考虑水平维度和垂直维度对系统性能影响，有效地提高系统吞吐量。

在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

3D MIMO技术在提高边缘小区吞吐量的同时对相邻小区边缘终端造成严重干扰，甚至有些情况性能要次于传统的2D MIMO技术，严重影响系统性能。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对3D MIMO对相邻小区边缘终端造成严重干扰的问题，本发明提出一种自适应预编码方法、基站及系统，避免3D MIMO对邻小区边缘终端的干扰，从而提高了系统性能。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种自适应预编码方法，所述方法包括：

根据终端发送的上行导频，获取与所述终端之间的3D MIMO上行信道状态信息和2D MIMO上行信道状态信息；

根据所述3D MIMO上行信道状态信息和2D MIMO上行信道状态信息计算3D MIMO上行接收信干噪比和2D MIMO上行接收信干噪比；

根据所述3D MIMO上行接收信干噪比和2D MIMO上行接收信干噪比的大小关系，选择上行接收方式和下行预编码方式。

优选地，所述方法还包括：

根据选择的上行接收方式和下行预编码方式对上行数据进行接收以及对下行数据进行预编码。

优选地，所述获取与所述终端之间的3D MIMO上行信道状态信息和2D MIMO上行信道状态信息，具体包括：

利用信道估计算法计算3D MIMO上行信道状态信息和2DMIMO上行信道状态信息，所述3D MIMO上行信道矩阵为：

所述2D MIMO上行信道矩阵为：

其中，i＝1,…,L，L为小区数，假设l小区为目标小区，l小区内的终端为目标终端，上标^和上角标^3D/2D分别表示估计信息和MIMO模式，p_p为终端发送导频发射功率，W_l＝N_l*Φ，N_l为加性高斯白噪声Φ发送导频信号，且满足Φ^HΦ＝τI，则 与分别为l小区基站与i小区内的所有终端之间的3D/2D组合衰落信道矩阵。

优选地，所述根据所述3D MIMO上行信道状态信息和2DMIMO上行信道状态信息计算3D MIMO上行接收信干噪比和2DMIMO上行接收信干噪比，具体计算公式如下：

其中，||·||表述欧式范数，与表示信道矩阵和检测矩阵的第k列，表示上行接收检测器，包括最大比合并、迫零、最小均方误差检测器，上标^(·)表述检测方式，为3D MIMO估计模型，为2D MIMO估计模型，和为估计误差，p_u为上行终端发射功率。

优选地，所述根据所述3D MIMO上行接收信干噪比和2D MIMO上行接收信干噪比的大小关系，选择上行接收方式和下行预编码方式，具体包括：

当所述3D MIMO上行接收信干噪比大于等于所述2D MIMO上行接收信干噪比时，选择3D MIMO上行接收方式和下行预编码方式；

当所述3D MIMO上行接收信干噪比小于所述2D MIMO上行接收信干噪比时，选择2DMIMO上行接收方式和下行预编码方式。

相应的，本发明提供了一种自适应预编码基站，所述基站包括：

上行信道状态信息获取模块，用于根据终端发送的上行导频，获取与所述终端之间的3D MIMO上行信道状态信息和2D MIMO上行信道状态信息；

上行接收信干噪比计算模块，用于根据所述3D MIMO上行信道状态信息和2D MIMO上行信道状态信息计算3D MIMO上行接收信干噪比和2D MIMO上行接收信干噪比；

选择模块，用于根据所述3D MIMO上行接收信干噪比和2DMIMO上行接收信干噪比的大小关系，选择上行接收方式和下行预编码方式。

优选地，所述基站还包括：

上行数据接收模块，用于根据选择的上行接收方式对上行数据进行接收；

下行数据预编码模块，用于根据选择的下行预编码方式对下行数据进行预编码。

优选地，所述上行信道状态信息获取模块具体包括：

信道估计单元，用于利用信道估计算法计算3D MIMO上行信道状态信息和2D MIMO上行信道状态信息，所述3D MIMO上行信道矩阵为：

所述2D MIMO上行信道矩阵为：

其中，i＝1,…,L，L为小区数，假设l小区为目标小区，l小区内的终端为目标终端，上标^和上角标^3D/2D分别表示估计信息和MIMO模式，p_p为终端发送导频发射功率，W_l＝N_l*Φ，N_l为加性高斯白噪声Φ发送导频信号，且满足Φ^HΦ＝τI，则 与分别为l小区基站与i小区内的所有终端之间的3D/2D组合衰落信道矩阵。

相应的，本发明还提供了一种自适应预编码系统，该系统包括如上述任一项所述的自适应预编码基站。

(三)有益效果

本发明提供了一种自适应预编码方法、基站及系统，将3DMIMO和2D MIMO有效结合，根据终端发送的上行导频，获得信道状态信息，根据信道状态信息分别获取3D MIMO和2D MIMO接收信干噪比，比较3D MIMO和2D MIMO接收信干噪比，选择合适的预编码方式对下行数据进行预编码，既充分利用3D MIMO技术优势又有效的解决3D MIMO对邻小区边缘终端的干扰，提高了系统性能。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明提出的一种自适应预编码方法的流程图；

图2为本发明实施例提出的多小区多终端的场景应用示意图；

图3(a)为2D MIMO的场景示意图；

图3(b)为3D MIMO的场景示意图；

图4(a)为本发明实施例中3D MIMO与2D MIMO对于小区中心终端与小区边缘终端的信干噪比关系示意图；

图4(b)为本发明实施例中3D MIMO与2D MIMO对于小区中心终端与小区边缘终端的和速率关系图；

图5为本发明提出的一种自适应预编码基站的模块图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了解决现有3D MIMO技术对小区边缘终端强干扰问题，本发明提供了一种自适应预编码方法及系统，该方法及系统将3DMIMO和2D MIMO有效结合，既充分利用3D MIMO技术优势又减少3D MIMO对邻小区边缘终端的干扰，提升3D MIMO预编码对小区中心终端性能，从而提高系统吞吐量。

图1为本发明提出的一种自适应预编码方法的流程图，如图1所示，该方法包括：

S101，根据终端发送的上行导频，获取与所述终端之间的3DMIMO上行信道状态信息和2D MIMO上行信道状态信息；

本发明实施例中，上行终端发射上行导频，基站端计算获取基站与终端之间的上行3D/2D信道状态信息(3D MIMO上行信道状态信息和2D MIMO上行信道状态信息)。

S102，根据所述3D MIMO上行信道状态信息和2D MIMO上行信道状态信息计算3DMIMO上行接收信干噪比和2D MIMO上行接收信干噪比；

S103，根据所述3D MIMO上行接收信干噪比和2D MIMO上行接收信干噪比的大小关系，选择上行接收方式和下行预编码方式。

本发明实施例提出的自适应预编码方法还包括：根据选择的上行接收方式和下行预编码方式对上行数据进行接收以及对下行数据进行预编码。

本发明通过上行导频分别获得上行3D/2D信道状态信息，根据上行3D/2D信道状态信息计算3D/2D MIMO上行接收信干噪比，并根据信干噪比自适应选择上行接收方式与下行预编码方式进行上行接收与下行数据预编码，有效地减小3D MIMO预编码对小区边缘终端造成的严重干扰，提升3D MIMO预编码对小区中心终端性能，从而提高系统吞吐量。

图2为本发明实施例提出的多小区多终端的场景应用示意图，如图2所示，本实施例提出的一种自适应预编码方法在多小区多终端的场景应用中，考虑一个L小区的多小区蜂窝系统，每个小区有一个N天线基站，同时服务K个单天线终端，假设所有L小区复用相同K导频序列，表示为τ×K正交矩阵Φ，且满足Φ^HΦ＝τI。则l小区基站接收信号为：

其中，为第l小区基站接收信号，为l小区的基站到i小区内所有终端之间的信道矩阵，为导频发送阶段的噪声矩阵，其矩阵元素为零均值单位方差的循环对称的复高斯变量，p_p为导频发射功率。

本发明实施例中，获取与所述终端之间的3D MIMO上行信道状态信息和2D MIMO上行信道状态信息，具体包括：

利用信道估计算法计算3D MIMO上行信道状态信息和2DMIMO上行信道状态信息，所述3D MIMO上行信道矩阵为：

所述2D MIMO上行信道矩阵为：

其中，i＝1,…,L，L为小区数，假设l小区为目标小区，l小区内的终端为目标终端，上标^和上角标^3D/2D分别表示估计信息和MIMO模式，p_p为终端发送导频发射功率，W_l＝N_l*Φ，N_l为加性高斯白噪声Φ发送导频信号，且满足Φ^HΦ＝τI，则 与分别为l小区基站与i小区内的所有终端之间的3D/2D组合衰落信道矩阵。本发明中提出的信道估计算包括但不限于最大比合并(maximum ratiocombining，MRC)、迫零(zero-forcing，ZF)、最小均方误差(minimum mean square error，MMSE)等，本实施例中优选为最小均方误差信道估计算法。

根据上行终端发送导频序列，导频信号通过3D/2D MIMO信道发送到基站，图3为3D/2D MIMO的应用示意图，如图3(a)、(b)所示，l小区基站与i小区内的所有终端之间的3D/2D组合衰落信道矩阵与具体为：

其中，H_li为l小区内基站与i小区终端之间的小尺度衰落信道矩阵，其元素为零均值单位方差随机变量，对于3D MIMO与2D MIMO小尺度衰落是一致的；对角阵与分别l小区内基站与i小区内终端之间的3D/2D MIMO大尺度衰落矩阵；大尺度衰落包括三部分：路径损耗、阴影衰落以及3D/2D天线辐射损耗，大尺度衰落矩阵对角线元素为：

其中，为路径损耗模型，l＝1,…,L，i＝1,…,L，k＝1,…,K，d_lki为第l小区基站与第i小区中第k终端之间的距离，υ为路径损耗指数，ξ_lki为阴影衰落系数，A_m与为固定常量，A_v(θ_lki)和分别为基站天线垂直和水平发射功率损耗(dB)，由下式确定

其中，θ_3dB与分别为垂直和水平3dB波瓣宽度，SLA_v与A_m分别表示垂直旁瓣电平与水平前后功率比，θ_lki与分别为基站天线下倾角和方位角。本方法中的3D MIMO参数如表1所示：

表13DMIMO参数

对角阵与分别为3D/2D大尺度估计矩阵，其第k个对角线元素分别为和为上述3D/2D MIMO大尺度衰落因子。

本发明实施例中，根据获得的终端与基站间的上行信道信息，基站端进行3D/2DMIMO接收检测，假设检测器为和其中可以表示MRC检测器，ZF检测器以及MMSE检测器，则接收信号可表示为：

本发明实施例中，根据所述3D MIMO上行信道状态信息和2D MIMO上行信道状态信息计算3D MIMO上行接收信干噪比和2D MIMO上行接收信干噪比，具体计算公式如下：

其中，||·||表述欧式范数，与表示信道矩阵和检测矩阵的第k列，表示上行接收检测器，包括最大比合并、迫零、最小均方误差检测器，上标^(·)表述检测方式，为3DMIMO估计模型，为2D MIMO估计模型，和为估计误差，p_u表示上行终端发射功率。

其中，与分别为检测器与的第k列，T_l为l小区基站接收检测器，可以表示MRC、ZF、MMSE，具体表示如下：

本发明实施例中，根据所述3D MIMO上行接收信干噪比和2DMIMO上行接收信干噪比的大小关系，选择上行接收方式和下行预编码方式，具体包括：

当所述3D MIMO上行接收信干噪比大于等于所述2D MIMO上行接收信干噪比时，选择3D MIMO上行接收方式和下行预编码方式；

当所述3D MIMO上行接收信干噪比小于所述2D MIMO上行接收信干噪比时，选择2DMIMO上行接收方式和下行预编码方式。

本发明实施例中，利用所述获取的上行3D/2D MIMO信干噪比进行判决选择上行接收方式和下行编码方式，判决关系为

其中，p为预编码方式指示符，当p＝1时，3D MIMO接收信干噪比大于2D MIMO，即终端位于小区中心，此时上行接收选择3D MIMO接收以及下行预编码选择3D MIMO预编码，当p＝0时，3D MIMO接收信噪比小于2D MIMO，即终端位于小区边缘，3D MIMO预编码对相邻小区产生严重干扰，此时，上行接收选择2D MIMO接收以及下行预编码选择2D MIMO预编码。

根据选择的预编码方式，对下行数据进行3D/2D MIMO预编码，预编码矩阵为

当p＝1时

当p＝0时

其中，δ>0为正则化因子。

以归一化MRC为例，根据选择的预编码方式，对下行数据进行3D/2D MIMO预编码，所述预编码矩阵/向量为：

本发明实施例仅以归一化MRC为例进行说明，并非对本发明技术方案的具体限制，ZF、MMSE均可以得到类似结果，

图4(a)、(b)出示了3D MIMO与2D MIMO终端在中心与小区边缘的信干噪比与和速率关系图。如图4(a)所示关于3D MIMO与2D MIMO信干噪比关系图，当终端分布在小区中心时，3D MIMO的信干噪比要好于2D MIMO；当终端分布在小区边缘时，3D MIMO的信干噪比要次于2D MIMO。图4(b)示出3D MIMO与2D MIMO对于小区中心终端与小区边缘终端和速率关系图，同理，可以得出在小区中心3D MIMO性能优于2D MIMO，在小区边缘则相反。相比较而言，本方法给出3D/2D MIMO自适应预编码方法不仅可以灵活选择预编码方式，充分利用3D/2D MIMO技术特点，具有提高系统性能的优势。

图5为本发明提出的一种自适应预编码基站的模块图。

如图5所示，所述自适应预编码基站包括：

上行信道状态信息获取模块201，用于根据终端发送的上行导频，获取与所述终端之间的3D MIMO上行信道状态信息和2D MIMO上行信道状态信息；

上行接收信干噪比计算模块202，用于根据所述3D MIMO上行信道状态信息和2DMIMO上行信道状态信息计算3D MIMO上行接收信干噪比和2D MIMO上行接收信干噪比；

选择模块203，用于根据所述3D MIMO上行接收信干噪比和2DMIMO上行接收信干噪比的大小关系，选择上行接收方式和下行预编码方式。

本发明实施例提出的基站还包括上行数据接收模块和下行数据预编码模块：其中，上行数据接收模块，用于根据选择的上行接收方式对上行数据进行接收；下行数据预编码模块，用于根据选择的下行预编码方式对下行数据进行预编码。

本发明实施例中的上行信道状态信息获取模块具体包括：

信道估计单元，用于利用信道估计算法计算3D MIMO上行信道状态信息和2D MIMO上行信道状态信息，所述3D MIMO上行信道矩阵为：

所述2D MIMO上行信道矩阵为：

其中，i＝1,…,L，L为小区数，假设l小区为目标小区，l小区内的终端为目标终端，上标^和上角标^3D/2D分别表示估计信息和MIMO模式，p_p为终端发送导频发射功率，W_l＝N_l*Φ，N_l为加性高斯白噪声Φ发送导频信号，且满足Φ^HΦ＝τI，则 与分别为l小区基站与i小区内的所有终端之间的3D/2D组合衰落信道矩阵。本发明中提出的信道估计算包括但不限于最大比合并MRC、迫零ZF、最小均方误差MMSE等，本实施例中优选为最小均方误差信道估计算法。

本发明实施例还提供了一种自适应预编码系统，该系统包括上述任一自适应预编码基站，下面以图5所示的自适应预编码基站为例对本实施例进行详细介绍。本发明实施例还提供了一种自适应预编码系统，包括图5所示的自适应预编码基站，所述基站包括：上行信道状态信息获取模块201，用于根据终端发送的上行导频，获取与所述终端之间的3DMIMO上行信道状态信息和2D MIMO上行信道状态信息；上行接收信干噪比计算模块202，用于根据所述3D MIMO上行信道状态信息和2D MIMO上行信道状态信息计算3D MIMO上行接收信干噪比和2D MIMO上行接收信干噪比；选择模块203，用于根据所述3D MIMO上行接收信干噪比和2D MIMO上行接收信干噪比的大小关系，选择上行接收方式和下行预编码方式。

本发明提供了一种自适应预编码方法、基站及系统，将3D MIMO和2D MIMO有效结合，根据终端发送的上行导频，获得信道状态信息，根据信道状态信息分别获取3D MIMO和2D MIMO接收信干噪比，比较3D MIMO和2D MIMO接收信干噪比，选择合适的预编码方式对下行数据进行预编码，既充分利用3D MIMO技术优势又有效的解决3D MIMO对邻小区边缘终端的干扰，提高了系统性能。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可以通过硬件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域技术人员可以理解实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述进行分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种自适应预编码方法，其特征在于，所述方法包括：

根据终端发送的上行导频，获取与所述终端之间的3D MIMO上行信道状态信息和2DMIMO上行信道状态信息；

根据所述3D MIMO上行信道状态信息和2D MIMO上行信道状态信息计算3D MIMO上行接收信干噪比和2D MIMO上行接收信干噪比；

根据所述3D MIMO上行接收信干噪比和2D MIMO上行接收信干噪比的大小关系，选择上行接收方式和下行预编码方式；

所述获取与所述终端之间的3D MIMO上行信道状态信息和2D MIMO上行信道状态信息，具体包括：

利用信道估计算法计算3D MIMO上行信道状态信息和2D MIMO上行信道状态信息，l小区基站与l小区内的所有终端之间的3D MIMO上行信道矩阵为：

l小区基站与l小区内的所有终端之间的2D MIMO上行信道矩阵为：

其中，i＝1,…,L，L为小区数，假设l小区为目标小区，l小区内的终端为目标终端，上标^和上角标^3D/2D分别表示估计信息和MIMO模式，p_p为终端发送导频发射功率，W_l＝N_l*Φ，N_l为加性高斯白噪声Φ发送导频信号，且满足Φ^HΦ＝τI，则 与分别为l小区基站与i小区内的所有终端之间的3D/2D组合衰落信道矩阵，为l小区基站与l小区内的所有终端之间的3D MIMO大尺度估计矩阵，为l小区基站与l小区内的所有终端之间的2D MIMO大尺度估计矩阵。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据选择的上行接收方式和下行预编码方式对上行数据进行接收以及对下行数据进行预编码。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述根据所述3D MIMO上行接收信干噪比和2D MIMO上行接收信干噪比的大小关系，选择上行接收方式和下行预编码方式，具体包括：

当所述3D MIMO上行接收信干噪比大于等于所述2D MIMO上行接收信干噪比时，选择3DMIMO上行接收方式和下行预编码方式；

当所述3D MIMO上行接收信干噪比小于所述2D MIMO上行接收信干噪比时，选择2DMIMO上行接收方式和下行预编码方式。

4.一种自适应预编码基站，其特征在于，所述基站包括：

上行信道状态信息获取模块，用于根据终端发送的上行导频，获取与所述终端之间的3D MIMO上行信道状态信息和2D MIMO上行信道状态信息；

上行接收信干噪比计算模块，用于根据所述3D MIMO上行信道状态信息和2D MIMO上行信道状态信息计算3D MIMO上行接收信干噪比和2D MIMO上行接收信干噪比；

选择模块，用于根据所述3D MIMO上行接收信干噪比和2D MIMO上行接收信干噪比的大小关系，选择上行接收方式和下行预编码方式；

所述上行信道状态信息获取模块具体包括：

信道估计单元，用于利用信道估计算法计算3D MIMO上行信道状态信息和2D MIMO上行信道状态信息，l小区基站与l小区内的所有终端之间的3D MIMO上行信道矩阵为：

l小区基站与l小区内的所有终端之间的2D MIMO上行信道矩阵为：

其中，i＝1,…,L，L为小区数，假设l小区为目标小区，l小区内的终端为目标终端，上标^和上角标^3D/2D分别表示估计信息和MIMO模式，p_p为终端发送导频发射功率，W_l＝N_l*Φ，N_l为加性高斯白噪声Φ发送导频信号，且满足Φ^HΦ＝τI，则 与分别为l小区基站与i小区内的所有终端之间的3D/2D组合衰落信道矩阵，为l小区基站与l小区内的所有终端之间的3D MIMO大尺度估计矩阵，为l小区基站与l小区内的所有终端之间的2D MIMO大尺度估计矩阵。

5.根据权利要求4所述的基站，其特征在于，所述基站还包括：

上行数据接收模块，用于根据选择的上行接收方式对上行数据进行接收；

下行数据预编码模块，用于根据选择的下行预编码方式对下行数据进行预编码。

6.一种自适应预编码系统，其特征在于，包括如权利要求4-5任一项所述的自适应预编码基站。