CN105933047A - 用户辅助的时分双工多输入多输出三基站信道校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用户辅助的时分双工多输入多输出三基站信道校准方法，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三个基站的三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三个参考天线之间的信道校准系数估算出三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三基站信道校准方法

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三基站信道校准方法。

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三基站信道校准方法,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三基站信道校准方法，其特征在于：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三个基站的三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三个参考天线之间的信道校准系数估算出三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)设三基站系统中的三个基站记为基站1、基站2和基站3，每个基站有N根天线，三个基站共服务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＝1,2,3，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)，选出两个用户作为辅助校准用户：

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)，在任意两个基站之间选择一个用户，使其到两个基站的大尺度衰落之和最小；三个基站选出的三个用户分别记为用户a，用户b和用户c，这三个用户到相应的两个基站的大尺度衰落之和分别记为β_a,β_b,β_c；在β_a,β_b,β_c中选出较小的两个所对应的用户作为辅助校准用户，设用户a和用户b为已选出的辅助校准用户；

4)确定三基站系统的参考天线：所述两个辅助校准用户a和b的大尺度衰落之和均与同一个基站相关，设该基站恰为基站2，则将该基站的参考天线确定为三基站系统参考天线；

5)确定三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：

用MMSE估计方法分别估计辅助校准用户a到基站1的参考天线上下行信道状态信息g_1,N,a,h_1,N,a，辅助校准用户a到基站2的参考天线上下行信道状态信息g_2,N,a,h_2,N,a，辅助校准用户b到基站2的参考天线的上下行信道状态信息g_2,N,b,h_2,N,b，辅助校准用户b到基站3的参考天线的上下行信道状态信息g_3,N,b,h_3,N,b；

5‐1)则基于辅助校准用户a辅助校准的基站1和基站2的上下行信道状态信息为g_1,N,ah_2,N,a,g_2,N,ah_1,N,a，基于辅助校准用户b辅助校准的基站2和基站3的上下行信道状态信息为g_2,N,bh_3,N,b,g_3,N,bh_2,N,b；

其中：t_j和r_j分别为用户j的发送和接收链路等效参数；c_m,N,j为用户j到第m个基站参考天线的小尺度衰落；β_m,N,j为用户j到第m个基站参考天线的大尺度衰落；

5‐2)，则以基站2的参考天线为三基站系统参考天线的三基站系统中，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_1,Nλ_1,2＝γ_3,Nλ_3,2＝γ_2,N (4)

其中λ_1,2为基站1的参考天线到基站2的参考天线的信道校准系数；

6)，则第m个基站的第n根天线到基站2的参考天线的信道校准系数为：

λ_m,n,2,N＝λ_m,n,Nλ_m,2 (5)；

根据公式(5)可得到以基站2的参考天线为三基站系统参考天线的三基站系统的信道校准系数，至此就得到了三基站系统中任意天线到三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，在三基站系统中，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三个基站的三个参考天线之间的信道校准系数，再估算三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为多输入多输出三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三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三基站信道校准方法，其特征在于：在每个基站(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；在已知用户大尺度衰落的前提下，选择辅助校准用户得到三个基站的三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三个参考天线之间的信道校准系数估算出三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)设三基站系统，如图1所示，图中标号1、2、3为基站，a、b、c为用户，双向箭头表示基站与用户间相互通信，每个基站有N根天线，三个基站共服务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、13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＝1,2,3，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)，选出两个用户作为辅助校准用户：

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)，在任意两个基站之间选择一个用户，使其到两个基站的大尺度衰落之和最小；三个基站选出三个用户分别记为a,b,c，这三个用户到相应的两个基站(即用户介于该相应两个基站之间)的大尺度衰落之和分别记为β_a,β_b,β_c。在β_a,β_b,β_c中选出较小的两个，它们所对应的用户作为辅助校准用户，设用户a和用户b为已选出的辅助校准用户；

4)确定三基站系统的参考天线：若所述两个辅助校准用户a和b的大尺度衰落之和均与同一个基站相关，则将该基站的参考天线确定为三基站系统参考天线，该基站记为基站2；(即用户a介于基站1和基站2之间，用户b介于基站2和基站3之间，它们的大尺度衰落β_a和β_b均与基站2相关，则称基站2的参考天线为三基站系统参考天线)；

5)确定三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：

用MMSE估计方法分别估计辅助校准用户a到基站1的参考天线上下行信道状态信息g_1,N,a,h_1,N,a，辅助校准用户a到基站2的参考天线上下行信道状态信息g_2,N,a,h_2,N,a，辅助校准用户b到基站2的参考天线的上下行信道状态信息g_2,N,b,h_2,N,b，辅助校准用户b到基站3的参考天线的上下行信道状态信息g_3,N,b,h_3,N,b；

5‐1)则基于辅助校准用户a辅助校准的基站1和基站2的上下行信道状态信息为g_1,N,ah_2,N,a,g_2,N,ah_1,N,a，基于辅助校准用户b辅助校准的基站2和基站3的上下行信道状态信息为g_2,N,bh_3,N,b,g_3,N,bh_2,N,b；

其中：t_j和r_j分别为用户j的发送和接收链路等效参数；c_m,N,j为用户j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)；β_m,N,j为用户j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)，则以基站2的参考天线为三基站系统参考天线的三基站系统中，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_1,Nλ_1,2＝γ_3,Nλ_3,2＝γ_2,N (4)

其中λ_1,2为基站1的参考天线到基站2的参考天线的信道校准系数；

6)，则第m个基站的第n根天线到基站2的参考天线的信道校准系数为：

λ_m,n,2,N＝λ_m,n,Nλ_m,2 (5)；

根据公式(5)可得到以基站2的参考天线为三基站系统参考天线的三基站系统的信道校准系数，至此就得到了三基站系统中任意天线到三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所示在三基站系统中，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＝1,2,3)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：

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

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

t_m,n(n＝1,2,...,99)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(n＝1,2,..,99)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(未知)，β_m,n,100为用户到第m个基站第n根天线的大尺度衰落(已知)。

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,N (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)，选出两个用户作为辅助校准用户：

3‐1)，设第j个用户到第m个基站的大尺度衰落为β_m,j(第j个用户到第m个基站参考天线的大尺度衰落可认为等于第j个用户到第m个基站的大尺度衰落)。假设每个基站天线和用户天线的收发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在任意两个基站之间选择一个用户，使其到两个基站的大尺度衰落之和最小；设a,b,c为已选择的三个用户，记这三个用户到相应的两个基站的大尺度衰落之和为β_a,β_b,β_c。在β_a,β_b,β_c中选出较小的两个，它们所对应的用户作为辅助校准用户；

4)，确定三基站系统参考天线：假设用户a和用户b为已选择的辅助校准用户，用户a介于基站1和基站2之间，用户b介于基站2和基站3之间，则称基站2的参考天线为三基站系统参考天线

5)，确定三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：

用MMSE估计方法分别估计用户a到基站1的参考天线上下行信道状态信息g_1,100,a,h_1,100,a，用户a到基站2的参考天线上下行信道状态信息g_2,100,a,h_2,100,a，用户b到基站2的参考天线的上下行信道状态信息g_2,100,b,h_2,100,b，用户b到基站3参考天线的上下行信道状态信息g_3,100,b,h_3,100,b；

5‐1)，则基于用户a辅助的基站1和基站2的上下行信道状态信息为g_1,100,ah_2,100,a,g_2,100,ah_1,100,a，基于用户b辅助的基站2和基站3的上下行信道状态信息为g_2,100,bh_3,100,b,g_3,100,bh_2,100,b；

其中

t_j和r_j分别为第j个用户的发送和接收链路等效参数。c_m,100,j为第j个用户到第m个基站参考天线的小尺度衰落(未知)。β_m,100,j为第j个用户到第m个基站参考天线的大尺度衰落(已知)。

5‐2)，则以第2个基站参考天线为三基站系统参考天线的系统中，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_1,100λ_1,2＝γ_3,100λ_3,2＝γ_2,100 (4)

其中λ_1,2为基站1的参考天线到基站2的参考天线的信道校准系数。

6)，则第m个基站的第n根天线到第2个基站参考天线的信道校准系数为

λ_m,n,2,100＝λ_m,n,100λ_m,2 (5)

根据公式(5)可得到以第2个基站的参考天线为三基站系统参考天线的三基站系统的信道校准系数。

Claims (2)

1.一种用户辅助的时分双工多输入多输出三基站信道校准方法，其特征在于：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三个基站的三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三个参考天线之间的信道校准系数估算出三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三基站信道校准方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

1)设三基站系统中的三个基站记为基站1、基站2和基站3，每个基站有N根天线，三个基站共服务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＝1,2,3，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)，选出两个用户作为辅助校准用户：

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)，在任意两个基站之间选择一个用户，使其到两个基站的大尺度衰落之和最小；三个基站选出的三个用户分别记为用户a，用户b和用户c，这三个用户到相应的两个基站的大尺度衰落之和分别记为β_a,β_b,β_c；在β_a,β_b,β_c中选出较小的两个所对应的用户作为辅助校准用户，设用户a和用户b为已选出的辅助校准用户；

4)确定三基站系统的参考天线：所述两个辅助校准用户a和b的大尺度衰落之和均与同一个基站相关，设该基站恰为基站2，则将该基站的参考天线确定为三基站系统参考天线；

5)确定三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：

用MMSE估计方法分别估计辅助校准用户a到基站1的参考天线上下行信道状态信息g_1,N,a,h_1,N,a，辅助校准用户a到基站2的参考天线上下行信道状态信息g_2,N,a,h_2,N,a，辅助校准用户b到基站2的参考天线的上下行信道状态信息g_2,N,b,h_2,N,b，辅助校准用户b到基站3的参考天线的上下行信道状态信息g_3,N,b,h_3,N,b；

5‐1)则基于辅助校准用户a辅助校准的基站1和基站2的上下行信道状态信息为(g_{1,N, a}h_2,N,a,g_2,N,ah_1,N,a)，基于辅助校准用户b辅助校准的基站2和基站3的上下行信道状态信息为(g_2,N,bh_3,N,b,g_3,N,bh_2,N,b)；

其中：t_j和r_j分别为用户j的发送和接收链路等效参数；c_m,N,j为用户j到第m个基站参考天线的小尺度衰落；β_m,N,j为用户j到第m个基站参考天线的大尺度衰落；

5‐2)，则以基站2的参考天线为三基站系统参考天线的三基站系统中，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_1,Nλ_1,2＝γ_3,Nλ_3,2＝γ_2,N (4)

其中λ_1,2为基站1的参考天线到基站2的参考天线的信道校准系数；

6)，则第m个基站的第n根天线到基站2的参考天线的信道校准系数为：

λ_m,n,2,N＝λ_m,n,Nλ_m,2 (5)；

根据公式(5)可得到以基站2的参考天线为三基站系统参考天线的三基站系统的信道校准系数，至此就得到了三基站系统中任意天线到三基站系统参考天线的信道校准系数。