CN104967471A - 一种全维度mimo系统中的信道反馈方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全维度MIMO系统中的信道反馈方法，包括以下步骤：1)基站端在发送S子帧时，先在S子帧第一个时隙的每个RB中插入DL-CSI-RS；再将所述S子帧经快速傅里叶逆变换及加循环前缀处理后通过天线发送给UE端；2)UE端接收到基站发来的S子帧，然后对所述S子帧进行快速傅里叶变换及去循环前缀处理；然后在S子帧的每个RB中插入UL-CSI-RS；3)UE端将S子帧进行IFFT变换及加循环前缀处理，并在上行子帧时，将经IFFT变换及加循环前缀处理的包含DL-CSI-RS及UL-CSI-RS的S子帧通过天线发送给基站端；4)基站端接收S子帧，然后从S子帧中提取DL-CSI-RS及UL-CSI-RS，并对提取出的DL-CSI-RS及UL-CSI-RS通过最小二乘法进行信道估计，得CSI信息。本发明可以快速、准确实现全维度MIMO系统中信道状态信息的反馈。

Description

一种全维度MIMO系统中的信道反馈方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种信道反馈方法，具体涉及一种全维度MIMO系统中的信道反馈方法。

背景技术

蜂窝网络下的全维度MIMO(Full Dimension MIMO)通信技术，近年来得到了工业界、学术界的广泛关注，在IMT-Advanced以及后续演进中扮演重要角色。随着MIMO中天线个数的增加，信道状态信息(ChannelState Information，CSI)的计算复杂度以及反馈量也随之增加。所以，在信道反馈方案中，如何快速、准确的得到CSI，成为了目前全维度MIMO技术研究的热点方向。

信道反馈方案主要分为两种，一种是数字反馈，一种是模拟反馈。数字反馈，是在UE端估算出下行信道矩阵(即CSI)，并将量化后的CSI通过上行信道的处理发送给基站端。模拟反馈，是UE直接将接收到的基站端发送来的用于估算CSI的参考信号直接反馈给基站端，在基站端估算CSI。由于随这基站端发送天线的增加，数字反馈方案UE端反馈的CSI数据量随之急剧增大，只能通过牺牲反馈的CSI的精度来降低反馈量；所以，数字反馈方案的研究主要集中在，如何在系统可以承受的反馈量的前提下尽可能的提高反馈的CSI的精度。模拟反馈方案则不需要考虑反馈量的问题，就可以得到较高精度的CSI。但是现有的模拟反馈方案并不支持全维度MIMO系统中大量的天线个数以及其垂直方向的分辨率。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种全维度MIMO系统中的信道反馈方法，该方法可以快速、准确、完整的实现全维度MIMO系统中信道状态信息的反馈。

为达到上述目的，本发明所述的全维度MIMO系统中的信道反馈方法包括以下步骤：

1)基站端在发送S子帧时，先在S子帧第一个时隙的每个RB(资源块)中插入DL-CSI-RS(下行信道状态信息参考信号)；再将所述S子帧经快速傅里叶逆变换及加循环前缀处理后通过天线发送给UE端；

2)UE端接收到基站发来的S子帧，然后对所述S子帧进行快速傅里叶变换及去循环前缀处理；然后在S子帧的每个RB中插入UL-CSI-RS(上行信道状态信息参考信号)；

3)UE端将包含DL-CSI-RS及UL-CSI-RS的S子帧进行IFFT变换及加循环前缀处理，并在上行子帧时，将经IFFT变换及加循环前缀处理的包含DL-CSI-RS及UL-CSI-RS的S子帧通过天线发送给基站端；

4)基站端接收所述包含DL-CSI-RS及UL-CSI-RS的S子帧，然后从包含DL-CSI-RS及UL-CSI-RS的S子帧中提取DL-CSI-RS及UL-CSI-RS，并对提取出的DL-CSI-RS及UL-CSI-RS通过最小二乘法进行信道估计，得CSI信息。

步骤2)UE端接收到基站发来的S子帧y_UE为：

y_UE＝Hs^D-CRS+n_a           (1)

其中，n_a为经过下行信道H时加入的高斯白噪声，s^D-CRS为插入的DL-CSI-RS。

步骤4)基站端接收的S子帧中经过信道的DL-CSI-RS和UL-CSI-RS分别表示为及

$y_{\mathrm{eNB}}^{D-\mathrm{CRS}}=G({\mathrm{Hs}}^{D-\mathrm{CRS}}+n_a)+n_b---\left(2\right)$

$y_{\mathrm{eNB}}^{U-\mathrm{CRS}}={\mathrm{Gs}}^{U-\mathrm{CRS}}+n_b---\left(3\right)$

其中，n_b为经过上行信道G时加入的高斯白噪声，G为上行信道，H为下行信道，n_a为下行信道的高斯白噪声，s^D-CRS为插入的DL-CSI-RS，s^U-CRS为插入的UL-CSI-RS。

对提取出的DL-CSI-RS及UL-CSI-RS通过最小二乘法进行信道估计的具体步骤包括：

通过最小二乘法估计上行信道其中，

其中，k为接收到的个数，为中的第j个数据，s^U-CRS(j)为s^U-CRS中第j个数据，0≤j≤k-1。

设复合矩阵Q＝GH，则有估计出的下行信道为：

其中，由式(2)得n_c＝Gn_a+n_b为复合噪声，s^D-CRS(j)为s^D-CRS中第j个数据，为中的第j个数据，为估计得到的复合矩阵中的第j个数，为估计得到的上行信道中的第j个数，为估计得到的下行信道中的第j个数。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的全维度MIMO系统中的信道反馈方法在进行信道反馈时，基站端在发送S子帧时，在S子帧中插入DL-CSI-RS，然后再将S子帧发送至UE端，UE端在S子帧中插入UL-CSI-RS，从而使S子帧中含有DL-CSI-RS及UL-CSI-RS，UE端再将S子帧转发至基站端，从而实现信道的反馈，同时基站端从S子帧中提取DL-CSI-RS及UL-CSI-RS，再根据DL-CSI-RS及UL-CSI-RS得到反馈的CSI信息，从而实现全维度MIMO系统中的信道反馈，本发明与现有的技术相比，本发明的信道反馈方案性能较好，精准度和反馈速度得到答复的提高，并且可以获取完整的CSI信息。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明中CSI参考信号的分布图；

图3为基于信道估计的信道反馈流程图；

图4为本发明及基于信道估计的信道反馈方案得到的CSI信息与理想CSI信息之间的幅度平方差的比较图；

图5为本发明及基于信道估计的信道反馈方案得到的CSI信息与理想CSI信息之间的相位平方差的比较图；

图6为本发明与基于信道估计的信道反馈方案的BLER比较图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1及图2，本发明所述的全维度MIMO系统中的信道反馈方法包括以下步骤：

1)基站端在发送S子帧时，先在S子帧第一个时隙的每个RB中插入DL-CSI-RS；再将所述S子帧经快速傅里叶逆变换及加循环前缀处理后通过天线发送给UE端；

2)UE端接收到基站发来的S子帧，然后对所述S子帧进行快速傅里叶变换及去循环前缀处理；然后在S子帧的每个RB中插入UL-CSI-RS；

3)UE端将包含DL-CSI-RS及UL-CSI-RS的S子帧进行IFFT变换及加循环前缀处理，并在上行子帧时，将经IFFT变换及加循环前缀处理的包含DL-CSI-RS及UL-CSI-RS的S子帧通过天线发送给基站端；

4)基站端接收所述包含DL-CSI-RS及UL-CSI-RS的S子帧，然后从包含DL-CSI-RS及UL-CSI-RS的S子帧中提取DL-CSI-RS及UL-CSI-RS，并对提取出的DL-CSI-RS及UL-CSI-RS通过最小二乘法进行信道估计，得CSI信息。

步骤2)UE端接收到基站发来的S子帧y_UE为：

y_UE＝Hs^D-CRS+n_a           (1)

其中，n_a为经过下行信道H时加入的高斯白噪声，s^D-CRS为插入的DL-CSI-RS。

步骤4)基站端接收的S子帧中经过信道的DL-CSI-RS和UL-CSI-RS分别表示为及

$y_{\mathrm{eNB}}^{D-\mathrm{CRS}}=G({\mathrm{Hs}}^{D-\mathrm{CRS}}+n_a)+n_b---\left(2\right)$

$y_{\mathrm{eNB}}^{U-\mathrm{CRS}}={\mathrm{Gs}}^{U-\mathrm{CRS}}+n_b---\left(3\right)$

其中，n_b为经过上行信道G时加入的高斯白噪声，G为上行信道，H为下行信道，n_a为下行信道的高斯白噪声，s^D-CRS为插入的DL-CSI-RS，s^U-CRS为插入的UL-CSI-RS。

根据式(3)得

$G=\arg \left\{\min {(y_{\mathrm{eNB}}^{U-\mathrm{CRS}}-{\mathrm{Gs}}^{U-\mathrm{CRS}})}^H(y_{\mathrm{eNB}}^{U-\mathrm{CRS}}-{\mathrm{Gs}}^{U-\mathrm{CRS}})\right\}---\left(4\right)$

对公式(4)的G求偏导，得

$\frac{\∂{(y_{\mathrm{eNB}}^{U-\mathrm{CRS}}-{\mathrm{Gs}}^{U-\mathrm{CRS}})}^H(y_{\mathrm{eNB}}^{U-\mathrm{CRS}}-{\mathrm{Gs}}^{U-\mathrm{CRS}})}{\∂G}=0---\left(5\right)$

对提取出的DL-CSI-RS及UL-CSI-RS通过最小二乘法进行信道估计的具体步骤包括：

通过最小二乘法估计上行信道其中，

其中，k为接收到的个数，为中的第j个数据，s^U-CRS(j)为s^U-CRS中第j个数据，0≤j≤k-1，(·)^H表示公式(·)的共轭转置；

设复合矩阵Q＝GH，则有估计出的下行信道为：

其中，

$y_{\mathrm{eNB}}^{D-\mathrm{CRS}}=G({\mathrm{Hs}}^{D-\mathrm{CRS}}+n_a)+n_b$

$\begin{array}{c}={\mathrm{GHs}}^{D-\mathrm{CRS}}+{\mathrm{Gn}}_a+n_b\\ ={\mathrm{Qs}}^{D-\mathrm{CRS}}+n_c\end{array}---\left(7\right)$

n_c＝Gn_a+n_b为复合噪声，s^D-CRS(j)为s^D-CRS中第j个数据，为中的第j个数据，为估计得到的复合矩阵中的第j个数，为估计得到的上行信道中的第j个数，为估计得到的下行信道中的第j个数。

图4、图5和图6给出了本发明和基于信道估计的信道反馈方案的性能比较。图4和图5分别给出了不同SNR的情况下，上述两种信道反馈方案与理想的信道反馈方案之间CSI的幅度与相位平方差的比较；图6给出了上述两种信道反馈方案在不同SNR的情况下误块率的比较。

所述的理想的信道反馈方案为按照基于信道估计的信道反馈方案前两个步骤估计出信道即CSI信息；然后经过将估算出的完整CSI信息通过网线直接传送给基站端。可以认为通过网线传送的CSI为零错误率的完整CSI信息。理想的信道反馈方案作为上述两种信道反馈方案的基准，便于比较上述两种信道反馈方案的性能。图4和图5中所述的理想CSI信息即理想的信道反馈方案得到的CSI信息。

如图4所示，SNR小于11时，基于信道估计的反馈方案得到的CSI与理想的反馈方案得到的CSI的幅度平方差小于本发明得到的CSI与理想的反馈方案得到的CSI的幅度平方差；SNR大于11时，正好相反，而且随着SNR的增大，本发明得到的CSI与理想的反馈方案得到的CSI的幅度平方差得到的曲线下降的速度比另一条曲线下降速度快。当SNR较小时，基于信道估计的反馈方案优于本发明，是由于本发明受噪声影响较大，低信噪比时表现的尤为明显；当高SNR时，本发明优于基于信道估计的反馈方案，是由于本发明中UE端传送的是不完整的CSI，而本发明在基站端可以得到相对完整的CSI；随之SNR的继续增大，本发明的性能优势越明显。

如图5所示，SNR小于11时，基于信道估计的反馈方案得到的CSI与理想的反馈方案得到的CSI的相位平方差小于本发明得到的CSI与理想的反馈方案得到的CSI的相位平方差；SNR大于11时，正好相反，而且随着SNR的增大，本发明得到的CSI与理想的反馈方案得到的CSI的相位平方差得到的曲线下降的速度比另一条曲线下降速度快。因为计算得到的CSI用于MIMO系统的预编码矩阵的计算，所以CSI的相位对系统性能的影响要大于CSI幅度对系统性能的影响。与图4相比，SNR较大时，相对于CSI幅度方面的优势，本发明在CSI相位方面的优势更为明显。所以，SNR较大时，本发明优势较为明显。

如图6所示，SNR较小时，基于信道估计的反馈方案的BLER小于基于本发明；随着SNR的增大，本发明的BLER下降速度明显增快；当SNR约为11时，两条BLER曲线相交；SNR继续增大，两条曲线的下降速度都有所放缓；当SNR约为15时，本发明的BLER下降为0；当SNR约为17时，本发明的BLER下降为0。和前两幅图一样，图6也可以得到SNR较小时基于信道估计的信道反馈方案性能较好，SNR较大时本发明较好。

综上所述，本发明从实际问题考虑，提出了一种适用于全维度MIMO系统的模拟信道反馈方法，避免了数字反馈中随着基站端天线个数的增加而反馈量急剧增加的问题，并且可以快速有效的得到用于预编码的完整CSI，进一步的，相对于基于信道估计的信道反馈方案，本发明的优点是可以得到完整的CSI信息，在较高SNR的情况下系统性能较好。

Claims (5)

1.一种全维度MIMO系统中的信道反馈方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)基站端在发送S子帧时，先在S子帧第一个时隙的每个RB中插入DL-CSI-RS；再将所述S子帧经快速傅里叶逆变换及加循环前缀处理后通过天线发送给UE端；

2)UE端接收到基站发来的S子帧，然后对所述S子帧进行快速傅里叶变换及去循环前缀处理；然后在S子帧的每个RB中插入UL-CSI-RS；

3)UE端将包含DL-CSI-RS及UL-CSI-RS的S子帧进行IFFT变换及加循环前缀处理，并在上行子帧时，将经IFFT变换及加循环前缀处理的包含DL-CSI-RS及UL-CSI-RS的S子帧通过天线发送给基站端；

4)基站端接收所述包含DL-CSI-RS及UL-CSI-RS的S子帧，然后从包含DL-CSI-RS及UL-CSI-RS的S子帧中提取DL-CSI-RS及UL-CSI-RS，并对提取出的DL-CSI-RS及UL-CSI-RS通过最小二乘法进行信道估计，得CSI信息。

2.根据权利要求1所述的全维度MIMO系统中的信道反馈方法，其特征在于，步骤2)UE端接收到基站发来的S子帧y_UE为：

y_UE＝Hs^D-CRS+n_a        (1)

其中，n_a为经过下行信道H时加入的高斯白噪声，s^D-CRS为插入的DL-CSI-RS。

3.根据权利要求1所述的全维度MIMO系统中的信道反馈方法，其特征在于，步骤4)基站端接收的S子帧中经过信道的DL-CSI-RS和UL-CSI-RS分别表示为及

$y_{\mathrm{eNB}}^{D-\mathrm{CRS}}=G({\mathrm{Hs}}^{D-\mathrm{CRS}}+n_a)+n_b---\left(2\right)$

$y_{\mathrm{eNB}}^{U-\mathrm{CRS}}={\mathrm{Gs}}^{U-\mathrm{CRS}}+n_b---\left(3\right)$

其中，n_b为经过上行信道G时加入的高斯白噪声，G为上行信道，H为下行信道，n_a为下行信道的高斯白噪声，s^D-CRS为插入的DL-CSI-RS，s^U-CRS为插入的UL-CSI-RS。

4.根据权利要求3所述的全维度MIMO系统中的信道反馈方法，其特征在于，对提取出的DL-CSI-RS及UL-CSI-RS通过最小二乘法进行信道估计的具体步骤包括：

通过最小二乘法估计上行信道其中，

其中，k为接收到的个数，为中的第j个数据，s^U-CRS(j)为s^U-CRS中第j个数据，0≤j≤k-1。

5.根据权利要求4所述的全维度MIMO系统中的信道反馈方法，其特征在于，设复合矩阵Q＝GH，则有估计出的下行信道为：

其中，由式(2)得n_c＝Gn_a+n_b为复合噪声，s^D-CRS(j)为s^D-CRS中第j个数据，为中的第j个数据，为估计得到的复合矩阵中的第j个数，为估计得到的上行信道中的第j个数，为估计得到的下行信道中的第j个数。