CN104601257B - 一种时分双工通信模式下多天线系统的互易性校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种时分双工通信模式下多天线系统的互易性校准方法。本方法适用于集中式装备多个天线的基站（Base Station，BS），以及分布式的多个无线接入单元（Radio Access Unit，RAU）。BS侧或者RAU侧的天线之间互相收发校准信号，采用一种迭代的方法计算出各个天线的校准系数。本发明具有系统复杂度低，无需用户参与和无需无线反馈的优点。

Description

一种时分双工通信模式下多天线系统的互易性校准方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种时分双工通信模式下多天线多用户空分多址无线通信系统。

背景技术

为了能够是实现更高频谱效率，人们提出了多天线通信技术。移动通信网络MIMO系统包括以下两种场景：(1)集中式系统，小区中心有一个装备多个天线的BS。(2)分布式系统，小区中布设多个RAU，所有RAU之间存在信息交互的链路。

在MIMO系统中，下行发送侧需要知道准确下行信道信息，进行下行预编码，服务多个用户，提高系统性能。采用时分双工(Time Division Duplexing，TDD)通信模式，BS或者RAU可以利用信道互易性，通过估计的上行信道信息来得到下行信道信息。

然而，信道互易性理论只是适用于空中的无线传输信道。而一个完整的通信信道不仅包括空中的无线信道，还包括发送机和接收机的射频(Radio Frequency，RF)电路。RF电路包括天线，RF混频器，数模转换器，功率放大器等等，还受到周围环境的影响(比如温度，湿度等)。而RF增益的不匹配将会破坏通信信道的互易性。所以，在TDD系统中，采用下行预编码技术时，必须要进行发送侧的天线校准。

为了实现MIMO系统下行发送侧的天线校准，一种时分双工通信模式下多天线系统的互易性校准方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种复杂度较低，可行性较强的时分双工通信模式下多天线系统的互易性校准方法。

本发明提供一种时分双工通信模式下多天线系统的互易性校准方法，该方法具体表现为：

互易性校准方案适用的移动通信网络MIMO系统包括以下两种场景：(1)集中式系统，小区中心有一个装备多个天线的BS。(2)分布式系统，小区中布设多个无线RAU，RAU之间存在信息交互的链路。在TDD通信模式下，BS或者RAU利用估计的上行信道状态信息进行下行预编码，同时服务多个用户。

校准过程如下，

步骤A，每根天线依次无线广播校准信号，其它天线接收校准信号，设y_ij为第i根天线发送第j根天线接收的校准信号。

步骤B，设系统中下行时发送侧共有M根天线，c＝(c₁,...c_m,...c_M)为每个天线的校准系数，并通过如下迭代过程得到：

步骤B-1，初始化校准系数，c_m＝1(m＝1,...,M)；

为了加快收敛速度，减少迭代次数，也可利用接收到的部分校准信号，将校准系数初始值设为

其中，n为发送侧任意一根天线的序号；

步骤B-2，进行迭代，

每个天线的校准系数一次进行如下更新，

设c'＝(c'₁,...c'_m,...c'_M)为记录当前迭代过程的校准系数。当M根天线的校准系数一次完成一轮更新之后，令c'＝c。

步骤B-3，计算校准系数的误差

设定误差阈值为ε(根据校准精度要求设定的一个较小的实数)，当e≤ε时结束校准过程，获得校准系数；否则继续步骤B-2。

本发明的方案可实现如下有益效果：本发明实施例提供了利用一种时分双工通信模式下多天线系统的互易性校准方法，具有如下优点：

(1)校准时，下行预编码发送侧的天线互相进行校准信号的发送与接收，并根据接收信号计算出校准系数，无需额外的校准硬件电路。

(2)校准过程采用迭代算法，复杂度低，易于实现。

(3)校准过程无需用户的参与，也无需用户进行信道状态信息的反馈，即下行预编码发送侧的校准对用户是透明的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅表明本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。

图1为本发明实施例提供的一种时分双工通信模式下多天线系统的互易性校准方法的集中式网络系统架构的示意图。

图2为本发明实施例提供的一种时分双工通信模式下多天线系统的互易性校准方法的分布式网络系统架构的示意图。

图3为本发明实施例提供的一种时分双工通信模式下多天线系统的互易性校准方法的校准流程图。

图4为本发明实施例提供的一种时分双工通信模式下多天线系统的互易性校准方法，4×4MIMO系统中，遍历系统和速率与校准信号SNR关系的仿真实验图。

图5为本发明实施例提供的一种时分双工通信模式下多天线系统的互易性校准方法，4×4MIMO系统中，遍历系统和速率与迭代次数关系的仿真实验图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅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，都应当属于本发明保护的范围。

(1)多用户MIMO系统下行预编码信号模型

本实施例的移动通信网络MIMO系统架构如图1和图2所示，包括以下两种场景：(1)集中式系统，小区中心有一个装备多个天线的BS。(2)分布式系统，小区中布设多个无线RAU，所有RAU之间存在信息交互的链路。在时分双工通信模式下，BS或者RAU利用估计的上行信道状态信息进行下行预编码，同时服务多个用户。

设系统中下行时发送侧共有M根天线，服务K个单天线用户，下行预编码采用迫零波束赋形(Zero Forcing Beamforming,ZFBF)预编码的方式。则上行和下行的信道传输矩阵分别为

G_UL＝C_An,rH^TC_UE,t

G_DL＝C_UE,rHC_An,t

其中，为空中信道传输矩阵，其中每一个元素h_km(k＝1,..K,K；m＝1,...,M)为第k个用户到第m根发送天线的空中信道系数，符合信道互易性理论，即上下行信道系数相等。C_An,t，C_An,r分别表示发送侧天线的发送和接收RF增益矩阵，C_UE,t，C_UE,r分别表示用户的发送和接收RF增益矩阵，均为对角矩阵。

C_An,t＝diag(t_An,1,...,t_An,m,...,t_An,M)

C_An,r＝diag(r_An,1,...,r_An,m,...,r_An,M)

C_UE,t＝diag(t_UE,1,...,t_UE,k,...,t_UE,K)

C_UE,r＝diag(r_UE,1,...,r_UE,k,...,r_UE,K)

其中t_An,m，r_An,m，t_UE,k，r_UE,k分别为发送侧天线和用户的发送和接收RF增益。

当采用ZFBF下行预编码时，设x＝[x₁,...,x_K]^T为发送给K个用户的信息符号，且忽略上行信道估计误差，则用户接收到的信号为

上式中，为加性高斯白噪声向量，β为功率归一化因子。根据上式可知，由于矩阵的对角线各元素不相等，从而会造成下行用户间的干扰。如果在下行预编码的同时，再乘以一个校准矩阵C_cal，使得C_An,tC_cal＝α_calC_An,r，即为一个复数标量与单位阵的乘积。当完美校准后，用户接收到的信号为

其中，β_cal为校准后的功率归一化因子。这样，就可以消除由于RF增益不匹配所造成的用户间干扰。

(2)RAU天线校准

本实施例的一种时分双工通信模式下多天线系统的互易性校准方法的校准流程如图3所示。校准过程如下，

步骤A，每根天线依次无线广播校准信号，并接收其他天线发送的校准信号，设y_ij为第i根天线发送第j根天线接收的校准信号。

步骤B，设系统中下行时发送侧共有M根天线，c＝(c₁,...c_m,...c_M)为每个天线的校准系数，并通过如下迭代过程得到：

步骤B-1，初始化校准系数，c_m＝1(m＝1,...,M)；

为了加快收敛速度，减少迭代次数，也可利用接收到的部分校准信号，将校准系数初始值设为

其中，n为发送侧任意一根天线的序号；

步骤B-2，进行迭代，

每个天线的校准系数一次进行如下更新，

设c'＝(c'₁,...c'_m,...c'_M)为记录当前迭代过程的校准系数。当M根天线的校准系数一次完成一轮更新之后，令c'＝c。

步骤B-3，计算校准系数的误差

设定误差阈值为ε(根据校准精度要求设定的一个较小的实数)，当e≤ε时结束校准过程，获得校准系数；否则继续步骤B-2。

(3)仿真实验图

本实施例的一种时分双工通信模式下多天线系统的互易性校准方法，4×4MIMO系统中，遍历系统和速率与校准信号SNR关系的仿真实验图，如图4所示。由图4可知，本发明所提校准算法相比传统无迭代的算法，性能大大增强，校准信号SNR的性能提高10dB以上。迭代4次即已接近完美校准的性能。

本实施例的一种时分双工通信模式下多天线系统的互易性校准方法，4×4MIMO系统中，遍历系统和速率与迭代次数关系的仿真实验图，如图5所示。由图5可知，本发明所提校准算法收敛速度很快，大约迭代4次就已经收敛。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的方法，在没有超过本申请的精神和范围内，可以通过其他的方式实现。当前的实施例只是一种示范性的例子，不应该作为限制，所给出的具体内容不应该限制本申请的目的。例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种时分双工通信模式下多天线系统的互易性校准方法，所述互易性校准方法适用的移动通信网络MIMO系统包括以下两种场景：(1)集中式系统，小区中心有一个装备多个天线的基站BS，(2)分布式系统，小区中布设多个无线接入单元RAU，需要校准的RAU之间存在信息交互的链路；在TDD通信模式下，BS或者RAU利用估计的上行信道状态信息进行下行预编码，同时服务多个用户；其特征在于：校准过程如下：

步骤A，每根天线依次无线广播校准信号，其它天线接收校准信号，设y_ij为第i根天线发送第j根天线接收的校准信号；

步骤B，设系统中下行时发送侧共有M根天线，c＝(c₁,...c_m,...c_M)为每个天线的校准系数，它通过如下迭代过程得到：

步骤B-1，初始化校准系数，c_m＝1(m＝1,...,M)；

步骤B-2，进行迭代，

每个天线的校准系数一次进行如下更新，

$c_i=\frac{\underset{j=1,j\≠i}{\overset{M}{\Σ}}{c}_j{y}_{ji}{y}_{ij}^{*}}{\underset{j=1,j\≠i}{\overset{M}{\Σ}}|y_{ij}{|}^2},(i,j=1,\mathrm{...},M)$

设c'＝(c′₁,...c'_m,…c'_M)为记录当前迭代过程的校准系数，当M根天线的校准系数一次完成一轮更新之后，令c'＝c；

步骤B-3，计算校准系数的误差

$e=\frac{\left|\right|c^{\′}-c|{|}^2}{\left|\right|c|{|}^2}$

设定误差阈值为ε，当e≤ε时结束校准过程，获得校准系数；否则继续步骤B-2。

2.根据权利要求1所述的一种时分双工通信模式下多天线系统的互易性校准方法，其特征在于：

所述校准过程中，校准系数初始值均设为1；在迭代过程中，为了加快收敛速度，减少迭代次数，利用接收到的部分校准信号，将校准系数初始值设为

$c_m=\left\{\begin{array}{cc}1& m=n\\ \frac{y_{nm}}{y_{mn}}& m\≠n\end{array}\right.,(m=1,\mathrm{...},M)$

其中，n为发送侧任意一根天线的序号。