CN105827291A - 用户辅助的时分双工多输入多输出七基站信道校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用户辅助的时分双工多输入多输出七基站信道校准方法，属于无线通信多输入多输出系统信道校准技术领域，该方法包括在每个基站的多根天线中任意选择一个天线作为参考天线，获得该参考天线与该基站的其他天线的上下行信道状态信息，根据获得的上下行信道状态信息得到该参考天线与该基站其他天线的信道校准系数；在已知用户大尺度衰落的前提下，选择辅助校准用户得到七个基站的七个参考天线之间的信道校准系数；根据得到的参考天线与该基站的其他天线的信道校准系数和七个参考天线之间的信道校准系数估算出七基站系统所有天线间的信道校准系数。该方法引入辅助校准用户，可提升CSI准确度进而提高信道校准精度，且降低信道校准的复杂度。

Description

用户辅助的时分双工多输入多输出七基站信道校准方法

技术领域

本发明属于无线通信多输入多输出系统信道校准技术领域，特别涉及一种无线通信领域用户辅助的时分双工多输入多输出七基站信道校准方法。

背景技术

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界的广泛关注。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频段。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巨大；而若采用时分双工(TDD)模式，因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，因此可根据上行信道状态信息(CSI)估计下行信道状态信息。然而实际系统中，由于上下行发射和接收器件不完美，破坏了信道互易性，所以利用上行信道状态信息不能准确地估算出下行信道状态信息。故需要对上下行信道的差异进行校准，使其满足互易性。

目前对TDD上下行信道校准的方式主要有两种，绝对信道校准和相对信道校准。其中绝对信道校准需要额外硬件对信道校准进行测量和补偿，增加了整个系统的复杂度和成本；相对信道校准不需额外硬件，只需交换基站与用户间的CSI即可对信道进行校准。

发明内容

本发明的目的是为推进无线通信领域的时分双工多输入多输出技术的应用，提出用户辅助的时分双工多输入多输出七基站信道校准方法,该方法可以较为准确地校准时分双工多输入多输出系统上下行信道的差异，通过互易性原理可以比较简洁地得到下行信道准确的信道状态信息。

本发明提出的用户辅助的时分双工多输入多输出七基站信道校准方法，其特征在于：在七基站系统中的每个基站的多根天线中任意选择一个天线作为参考天线，获得该参考天线与该基站的其他天线的上下行信道状态信息，根据获得的上下行信道状态信息得到该参考天线与该基站其他天线的信道校准系数；将中心基站的参考天线作为整个系统的参考天线，记为七基站系统参考天线。在已知用户大尺度衰落的前提下，选择辅助校准用户得到七个基站的七个参考天线之间的信道校准系数；根据得到的参考天线与该基站的其他天线的信道校准系数和七个参考天线之间的信道校准系数估算出七基站系统所有天线间的信道校准系数。

本方法具体包括以下步骤：

1)设七基站系统中位于中心的基站记为中心基站1，位于边缘的基站分别为基站2，基站3，……，基站7，每个基站有N根天线，七个基站共服务K个用户，N、K为任意正整数，每个用户只有一根天线；在每个基站的N根天线中分别任选一根天线作为参考天线；

2)建立基站参考天线与该基站的其他天线的信道校准系数：根据最小均方误差(MMSE)方法估计基站参考天线与该基站的其他天线的上下行信道状态信息；设第m个基站的参考天线与该基站的其他第n根天线的上行信道状态信息g_m,n,N和下行信道状态信息h_m,n,N分别为：

$g_{m,n,N}=r_{m,N}\·\sqrt{{\mathrm{\β}}_{m,n,N}}{c}_{m,n,N}\·t_{m,n}---\left(1\right),$

$h_{m,n,N}=r_{m,n}\·\sqrt{{\mathrm{\β}}_{m,n,N}}{c}_{m,n,N}\·t_{m,N}---\left(2\right);$

m＝1,2,...,m,...,7，n＝1,2,...,n,...,N-1，t_m,n为第m个基站第n根天线的发送链路等效参数，t_m,N为第m个基站参考天线的发送链路等效参数，r_m,n为第m个基站第n根天线的接收链路等效参数，r_m,N为第m个基站参考天线的接收链路等效参数；β_m,n,N为用户到第m个基站第n根天线的大尺度衰落，c_m,n,N为用户到第m个基站第n根天线的小尺度衰落；

定义为第m个基站的第n根天线发送链路等效参数和接收链路等效参数的比值；

根据上下行信道状态信息及公式(3)得到参考天线与该基站的其他天线的信道校准系数与发送链路和接收链路的比值的关系：

γ_m,1λ_m,1,N＝γ_m,2λ_m,2,N...＝γ_m,N(3)

其中γ_m,N为第m个基站参考天线发送链路等效参数和接收链路等效参数的比值，为所求的第m个基站参考天线到该基站其他第n根天线的信道校准系数；

3)，选出辅助校准用户：

3‐1)，设第k个用户到第m个基站的大尺度衰落为β_m,k，k＝1,2,...,k,...,K；设每个基站天线和用户天线的发送接收链路的等效参数服从相同的分布；

3‐2)，在中心基站1(即第1个基站)和边缘基站i(即第m个基站)之间选择某个用户，记为U_1i，i＝2,3,...,7，使其到中心基站1和边缘基站i的大尺度衰落之和最小；共选出六个这样的用户作为辅助校准用户；

4)确定七基站系统的参考天线：将中心基站1的参考天线确定为七基站系统的参考天线；

5)确定七基站系统参考天线到其他各基站参考天线之间的信道校准系数：

若辅助校准用户U_1i到中心基站1和边缘基站i的大尺度衰落之和，大于中心基站1和边缘基站i之间的大尺度衰落，表明基于用户U_1i辅助的信道估计性能比直接基站间进行信道估计性能差，则用MMSE直接进行基站间的信道估计；若辅助校准用户U_1i到中心基站1和边缘基站i的大尺度衰落之和，小于中心基站1和边缘基站i之间的大尺度衰落，表明基于用户U_1i辅助的信道估计性能比直接基站间进行信道估计性能好，则用MMSE估计方法分别估计辅助校准用户U_1i到中心基站1的参考天线上下行信道状态信息辅助校准用户U_1i到边缘基站i的参考天线上下行信道状态信息具体包括：

5‐1)基于辅助校准用户U_1i辅助校准的中心基站1和边缘基站i的上下行信道状态信息为

其中：和分别为用户U_1i的发送和接收链路等效参数；为用户U_1i到第m个基站参考天线的小尺度衰落，为用户U_1i到第m个基站参考天线的大尺度衰落；

5‐2)，中心基站1的参考天线与其他各基站参考天线之间的信道校准系数与接收链路和发送链路的比值的关系如公式(4)所示：

γ_2,Nλ_2,1＝γ_3,Nλ_3,1＝...＝γ_7,Nλ_7,1＝γ_1,N(4)

其中λ_i,1为边缘基站i的参考天线到中心基站1的参考天线的信道校准系数；

6)，则边缘基站i的第n根天线到中心基站1的参考天线的信道校准系数为：

λ_i,n,1,N＝λ_m,n,Nλ_i，,1(5)；

根据公式(5)可得到以中心基站1的参考天线为七基站系统参考天线的七基站系统的信道校准系数，至此就得到了七基站系统中任意天线到以中心基站1的参考天线为七基站系统参考天线的信道校准系数。

本发明的特点及有益效果：

本发明所提的信道校准方法基于相对信道校准的方式，在七基站系统中，先得到每个基站的参考天线与该基站的其他天线的信道校准系数和七个基站的七个参考天线之间的信道校准系数，再估算七基站系统所有天线间的信道校准系数，如此分步进行信道校准，可进一步降低信道校准的复杂度；此外，本发明方法中引入辅助校准用户，可提升CSI准确度进而提高信道校准精度。

附图说明

图1为多输入多输出七基站信道校准示意图。

图2为本发明的用户辅助的时分双工多输入多输出七基站信道校准方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明提出的用户辅助的时分双工多输入多输出七基站信道校准方法，其特征在于：在七基站系统中的每个基站(基站具有多根天线)的多根天线中任意选择一个天线作为参考天线，获得该参考天线与该基站的其他天线的上下行信道状态信息，根据获得的上下行信道状态信息得到该参考天线与该基站其他天线的信道校准系数；其中心基站的参考天线作为整个系统的参考天线，记为七基站参考天线；在已知用户大尺度衰落的前提下，选择辅助校准用户得到七个基站的七个参考天线之间的信道校准系数；根据得到的参考天线与该基站的其他天线的信道校准系数和七个参考天线之间的信道校准系数估算出七基站系统所有天线间的信道校准系数。

本方法具体包括以下步骤：

1)设七基站系统中位于中心的基站记为中心基站1，位于边缘的基站分别为基站2，基站3，……，基站7，如图1所示，U₁₁,U₁₂,...,U₁₇为辅助校准用户，虚线表示边缘基站与中心基站之间可能的直接基站间信道估计，每个基站有N根天线，七个基站共服务K个用户(N、K为任意正整数，N可取典型值为几百，K可取典型值为几或几十)，每个用户只有一根天线；在每个基站的N根天线中分别任选一根天线11，12，…，17作为参考天线；

2)建立基站参考天线与该基站的其他天线的信道校准系数：根据最小均方误差(MMSE)方法估计基站参考天线与该基站的其他天线的上下行信道状态信息；设第m个基站的参考天线与该基站的其他第n根天线的上行信道状态信息g_m,n,N和下行信道状态信息h_m,n,N分别为：

$g_{m,n,N}=r_{m,N}\·\sqrt{{\mathrm{\β}}_{m,n,N}}{c}_{m,n,N}\·t_{m,n}---\left(1\right),$

$h_{m,n,N}=r_{m,n}\·\sqrt{{\mathrm{\β}}_{m,n,N}}{c}_{m,n,N}\·t_{m,N}---\left(2\right);$

m＝1,2,...,m,...,7，n＝1,2,...,n,...,N-1，t_m,n为第m个基站第n根天线的发送链路等效参数，t_m,N为第m个基站参考天线的发送链路等效参数，r_m,n为第m个基站第n根天线的接收链路等效参数，r_m,N为第m个基站参考天线的接收链路等效参数，(t_m,n、t_m,N、r_m,n、r_m,N参数为信道固有属性，是一种增益，上下行信道不对称时，t_m,n≠r_m,n,t_m,N≠r_m,N，因此需要进行信道校准)；β_m,n,N为用户到第m个基站第n根天线的大尺度衰落(通过长期测量已知，在本方法中为确定已知)，c_m,n,N为用户到第m个基站第n根天线的小尺度衰落(未知中间量，在计算比值过程中可约分，不需获得具体值)；

定义为第m个基站的第n根天线发送链路等效参数和接收链路等效参数的比值；

根据上下行信道状态信息及公式(3)得到参考天线与该基站的其他天线的信道校准系数与发送链路和接收链路的比值的关系：

γ_m,1λ_m,1,N＝γ_m,2λ_m,2,N...＝γ_m,N(3)

其中γ_m,N为第m个基站参考天线发送链路等效参数和接收链路等效参数的比值，为所求的第m个基站参考天线到该基站其他第n根天线的信道校准系数；

3)，选出辅助校准用户：

3‐1)，设第k个用户到第m个基站的大尺度衰落为β_m,k(第k个用户到第m个基站参考天线的大尺度衰落等于第k个用户到第m个基站的大尺度衰落)，k＝1,2,...,k,...,K；设每个基站天线和用户天线的发送接收链路的等效参数服从相同的分布，则根据MMSE方法估计的信道状态信息准确度只与信道的大尺度衰落有关(大尺度衰落越大则信道估计越不准确)；

3‐2)，如图1所示，在中心基站1(即第1个基站)和边缘基站i(即第m个基站)之间选择某个用户，记为U_1i，i＝2,...,7，使其到中心基站1和边缘基站i的大尺度衰落之和最小；共选出六个这样的用户作为辅助校准用户；

4)确定七基站系统的参考天线：将中心基站1的参考天线确定为七基站系统的参考天线；

5)确定七基站系统参考天线到其他基站参考天线之间的信道校准系数：

若辅助校准用户U_1i到中心基站1和边缘基站i的大尺度衰落之和，大于中心基站1和边缘基站i之间的大尺度衰落，表明基于用户U_1i辅助的信道估计性能比直接基站间进行信道估计性能差，则用MMSE直接进行基站间的信道估计(如图1中，辅助校准用户U₁₃到中心基站1和边缘基站3的大尺度衰落之和，极有可能大于中心基站1和边缘基站3之间的大尺度衰落之和，则中心基站1和边缘基站3直接进行基站间信道估计)；若辅助校准用户U_1i到中心基站1和边缘基站i的大尺度衰落之和，小于等于中心基站1和边缘基站i之间的大尺度衰落，表明基于用户U_1i辅助的信道估计性能比直接基站间进行信道估计性能好，则用MMSE估计方法分别估计辅助校准用户U_1i到中心基站1的参考天线上下行信道状态信息辅助校准用户U_1i到边缘基站i的参考天线上下行信道状态信息

5‐1)则基于辅助校准用户U_1i辅助校准的中心基站1和边缘基站i的上下行信道状态信息为

其中：m＝1,..,7.i＝2,...,7；和分别为用户U_1i的发送和接收链路等效参数；为用户U_1i到第m个基站参考天线的小尺度衰落(未知中间量，在计算比值过程中可约分，不需获得具体值)；为用户U_1i到第m个基站参考天线的大尺度衰落(通过长期测量已知，在本方法中为确定已知)；

5‐2)，中心基站1的参考天线与其他各基站参考天线之间的信道校准系数与接收链路和发送链路的比值的关系如公式(4)所示：

γ_2,Nλ_2,1＝γ_3,Nλ_3,1＝...＝γ_7,Nλ_7,1＝γ_1,N(4)

其中λ_i,1为边缘基站i的参考天线到中心基站1的参考天线的信道校准系数；

6)，则边缘基站i的第n根天线到中心基站1的参考天线的信道校准系数为：

λ_i,n,1,N＝λ_m,n,Nλ_i,1(5)；

根据公式(5)可得到以中心基站1的参考天线为七基站系统参考天线的七基站系统的信道校准系数，至此就得到了七基站系统中任意天线到七基站系统参考天线的信道校准系数。

实施例

本发明方法实施例用于如图1所示在七基站系统中，每个基站有100根天线，每个基站服务10个用户，每个用户只有一根天线。

本实施例具体包括以下步骤：

1)在每个基站的100根天线中分别任选一根天线作为参考天线。

2)根据最小均方误差(MMSE)方法估计基站参考天线与该基站其他天线的上下行信道状态信息；本实施例的系统中，每个基站有100根天线，第m(m＝1,2,…,m,…,7)个基站的参考天线与该基站其他第n根天线的上下行信道状态信息为：

$g_{m,n,100}=r_{m,100}\·\sqrt{{\mathrm{\β}}_{m,n,100}}{c}_{m,n,100}\·t_{m,n}---\left(1\right),$

$h_{m,n,100}=r_{m,n}\·\sqrt{{\mathrm{\β}}_{m,n,100}}{c}_{m,n,100}\·t_{m,100}---\left(2\right);$

n＝1,2,...,n,...,99，t_m,n为第m个基站第n根天线的发送链路等效参数，t_m,100为第m个基站参考天线的发送链路等效参数；r_m,n为第m个基站第n根天线的接收链路等效参数，r_m,100为第m个基站参考天线的接收链路等效参数。c_m,n,100为用户到第m个基站第n根天线的小尺度衰落，β_m,n,100为用户到第m个基站第n根天线的大尺度衰落；

定义为第m个基站第n根天线发送链路等效参数和接收链路等效参数的比值；

根据上下行信道状态信息及公式(3)得到参考天线与该基站其他天线的信道校准参数与发送链路和接收链路的比值的关系：

γ_m,1λ_m,1,100＝γ_m,2λ_m,2,100,..,＝γ_m,100(3)

其中为所求的第m个基站参考天线到该基站其他第n根天线的信道校准系数。

3)，选出辅助校准用户：

3‐1)，设第k个用户到第m个基站的大尺度衰落为β_m,k(第k个用户到第m个基站参考天线的大尺度衰落等于第k个用户到第m个基站的大尺度衰落)，k＝1,2,...,k,...,K；设每个基站天线和用户天线的发送接收链路的等效参数服从相同的分布，则根据MMSE方法估计的信道状态信息准确度只与信道的大尺度衰落有关(大尺度衰落越大则信道估计越不准确)；

3‐2)，如图1所示，在中心基站1(即第1个基站)和边缘基站i(即第m个基站)之间选择某个用户，记为U_1i，i＝2,...,7，使其到中心基站1和边缘基站i的大尺度衰落之和最小；共选出六个这样的用户作为辅助校准用户；

4)，确定七基站系统的参考天线：将中心基站1的参考天线确定为七基站系统参考天线；

5)，确定七基站系统参考天线到其他基站参考天线之间的信道校准系数：

若辅助校准用户U_1i到中心基站1和边缘基站i的大尺度衰落之和，大于中心基站1和边缘基站i之间的大尺度衰落，表明基于用户U_1i辅助的信道估计性能比直接基站间进行信道估计性能差，则用MMSE直接进行基站间的信道估计；若辅助校准用户U_1i到中心基站1和边缘基站i的大尺度衰落之和，小于中心基站1和边缘基站i之间的大尺度衰落，表明基于用户U_1i辅助的信道估计性能比直接基站间进行信道估计性能好，则用MMSE估计方法分别估计辅助校准用户U_1i到中心基站1的参考天线上下行信道状态信息辅助校准用户U_1i到边缘基站i的参考天线上下行信道状态信息

5‐1)，则基于辅助校准用户U_1i辅助校准的中心基站1和边缘基站i的上下行信道状态信息为

其中：m＝1,..,7.i＝2,...,7；和分别为用户U_1i的发送和接收链路等效参数，t_m,100和r_m,100分别为第m个基站参考天线发送和接收链路的等效参数；为用户U_1i到第m个基站参考天线的小尺度衰落(未知中间量，在计算比值过程中可约分，不需获得具体值)；为用户U_1i到第m个基站参考天线的大尺度衰落(通过长期测量已知，在本方法中为确定已知)；

5‐2)，则以中心基站1的参考天线为七基站系统参考天线的七基站系统中，参考天线之间的信道校准系数与接收链路和发送链路的比值的关系如公式(4)所示：

γ_2,100λ_2,1＝γ_3,100λ_3,1＝...＝γ_7,100λ_7,1＝γ_1,100(4)

其中λ_i,1为边缘基站i的参考天线到中心基站1的参考天线的信道校准系数；

6)，则边缘基站i的第n根天线到中心基站1的参考天线的信道校准系数为：

λ_i,n,1,100＝λ_m,n,100λ_i,1(5)

根据公式(5)可得到以中心基站1的参考天线为七基站系统参考天线的七基站系统的信道校准系数，至此就得到了七基站系统中任意天线到七基站系统参考天线的信道校准系数。

Claims (2)

1.一种用户辅助的时分双工多输入多输出七基站信道校准方法，其特征在于：在七基站系统中的每个基站的多根天线中任意选择一个天线作为参考天线，获得该参考天线与该基站的其他天线的上下行信道状态信息，根据获得的上下行信道状态信息得到该参考天线与该基站其他天线的信道校准系数；将中心基站的参考天线作为七基站系统的参考天线，在已知用户大尺度衰落的前提下，选择辅助校准用户得到七个基站的七个参考天线之间的信道校准系数；根据得到的参考天线与该基站的其他天线的信道校准系数和七个参考天线之间的信道校准系数估算出七基站系统所有天线间的信道校准系数。

2.如权利要求1所述用户辅助的时分双工多输入多输出七基站信道校准方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

1)设七基站系统中位于中心的基站记为中心基站1，位于边缘的基站分别为基站2，基站3，……，基站7，每个基站有N根天线，七个基站共服务K个用户，N、K为任意正整数，每个用户只有一根天线；在每个基站的N根天线中分别任选一根天线作为参考天线；

2)建立基站参考天线与该基站的其他天线的信道校准系数：根据最小均方误差(MMSE)方法估计基站参考天线与该基站的其他天线的上下行信道状态信息；设第m个基站的参考天线与该基站的其他第n根天线的上行信道状态信息g_m,n,N和下行信道状态信息h_m,n,N分别为：

$g_{m,n,N}=r_{m,N}\·\sqrt{{\mathrm{\β}}_{m,n,N}}{c}_{m,n,N}\·t_{m,n}---\left(1\right),$

$h_{m,n,N}=r_{m,n}\·\sqrt{{\mathrm{\β}}_{m,n,N}}{c}_{m,n,N}\·t_{m,N}---\left(2\right);$

m＝1,2,...,m,...,7，n＝1,2,...,n,...,N-1，t_m,n为第m个基站第n根天线的发送链路等效参数，t_m,N为第m个基站参考天线的发送链路等效参数，r_m,n为第m个基站第n根天线的接收链路等效参数，r_m,N为第m个基站参考天线的接收链路等效参数；β_m,n,N为用户到第m个基站第n根天线的大尺度衰落，c_m,n,N为用户到第m个基站第n根天线的小尺度衰落；

定义为第m个基站的第n根天线发送链路等效参数和接收链路等效参数的比值；

根据上下行信道状态信息及公式(3)得到参考天线与该基站的其他天线的信道校准系数与发送链路和接收链路的比值的关系：

γ_m,1λ_m,1,N＝γ_m,2λ_m,2,N...＝γ_m,N(3)

其中γ_m,N为第m个基站参考天线发送链路等效参数和接收链路等效参数的比值，为所求的第m个基站参考天线到该基站其他第n根天线的信道校准系数；

3)，选出辅助校准用户：

3‐1)，设第k个用户到第m个基站的大尺度衰落为β_m,k，k＝1,2,...,k,...,K；设每个基站天线和用户天线的发送接收链路的等效参数服从相同的分布；

3‐2)，在中心基站1(即第1个基站)和边缘基站i(即第m个基站)之间选择某个用户，记为U_1i，i＝2,3,...,7，使其到中心基站1和边缘基站i的大尺度衰落之和最小；共选出六个这样的用户作为辅助校准用户；

4)确定七基站系统的参考天线：将中心基站1的参考天线确定为七基站系统的参考天线；

5)确定七基站系统参考天线到其他各基站参考天线之间的信道校准系数：

若辅助校准用户U_1i到中心基站1和边缘基站i的大尺度衰落之和，大于中心基站1和边缘基站i之间的大尺度衰落，表明基于用户U_1i辅助的信道估计性能比直接基站间进行信道估计性能差，则用MMSE直接进行基站间的信道估计；若辅助校准用户U_1i到中心基站1和边缘基站i的大尺度衰落之和，小于中心基站1和边缘基站i之间的大尺度衰落，表明基于用户U_1i辅助的信道估计性能比直接基站间进行信道估计性能好，则用MMSE估计方法分别估计辅助校准用户U_1i到中心基站1的参考天线上下行信道状态信息辅助校准用户U_1i到边缘基站i的参考天线上下行信道状态信息具体包括：

5‐1)基于辅助校准用户U_1i辅助校准的中心基站1和边缘基站i的上下行信道状态信息为

其中： 和分别为用户U_1i的发送和接收链路等效参数；为用户U_1i到第m个基站参考天线的小尺度衰落，为用户U_1i到第m个基站参考天线的大尺度衰落；

5‐2)，中心基站1的参考天线与其他各基站参考天线之间的信道校准系数与接收链路和发送链路的比值的关系如公式(4)所示：

γ_2,Nλ_2,1＝γ_3,Nλ_3,1＝...＝γ_7,Nλ_7,1＝γ_1,N(4)

其中λ_i,1为边缘基站i的参考天线到中心基站1的参考天线的信道校准系数；

6)，则边缘基站i的第n根天线到中心基站1的参考天线的信道校准系数为：

λ_i,n,1,N＝λ_m,n,Nλ_i,1(5)；

根据公式(5)可得到以中心基站1的参考天线为七基站系统参考天线的七基站系统的信道校准系数，至此就得到了七基站系统中任意天线到以中心基站1的参考天线为七基站系统参考天线的信道校准系数。