CN106549883A - 适于大规模多天线系统的下行训练方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适于大规模多天线系统的下行训练方法及系统，以解决如何降低下行训练开销所带来的频谱效率损失的问题。该方法包括：S1、采用所述多天线系统中所有天线的一个非空真子集发送下行参考信号序列；其中，所述非空真子集所发送的下行参考信号序列用于估计所述多天线系统中所有天线与用户之间的每一传输信道的信道系数。由于本发明中仅采用了部分天线进行下行参考信号序列的传输，部分天线传输的下行参考信号序列预估整个多天线系统中每一天线与用户之间传输信道的信道系数，降低了训练所需开销，进而降低了下行训练开销带来的频谱效率损失。

Description

适于大规模多天线系统的下行训练方法及系统

技术领域

本发明涉及下行训练技术领域，尤其是涉及一种适于大规模多天线系统的下行训练方法及系统。

背景技术

大规模多输入多输出(Multi-input Multi-output，简称MIMO)系统近年来受到了学术界与工业界的广泛关注。理论研究表明，采用简单的线性检测与预编码算法，如迫零算法、最小均方误差算法等，大规模MIMO系统就能够同时显著提高系统的频谱效率与能量效率。

为了降低下行物理信道估计以及信道反馈所带来的巨大频谱效率损失，大规模MIMO系统通常采用时分双工(Time-Division Duplex,简称TDD)方式传输上下行数据。由于采用TDD方式传输时可以利用信道的对偶性，即同一链路的上行信道与下行信道是相同的。大部分理论研究认为，采用TDD方式的大规模MIMO系统仅仅需要用于对上行信道进行估计的上行参考信号，而不需要下行参考信号。这些研究假设，用户已知下行有效信道系数的统计信息，即有效信道系数的期望值。用户将该期望值作为信道系数，对接收信号进行解调操作。这一假设会引起以下两个问题：

(1)信道系数期望值与实际值的偏差会引入附加的干扰，从而引起信干比的下降，造成性能的衰减。虽然在理想的传输环境中，当天线数趋于无穷时，由于小尺度衰落所引起的信道系数的波动将会趋于消失，从而使实际值与期望值间的偏差趋向于零，但是在实际中，有限的天线数量和不够理想的传输环境可能使得信道波动造成的干扰对性能产生较大的影响；

(2)由于实际传输环境比较复杂，信道系数会随着时间、频率而发生改变，导致有效信道系数也会发生改变。对于移动用户来说，有效信道系数的期望值可能不稳定，甚至不存在，导致上述假设无法应用到实际当中。

上述分析表明，对于采用TDD方式的大规模MIMO系统来说，下行信道训练也是必要的。在现有技术中一般采用MIMO系统中所有天线传输参考信号序列，占用了较多的下行训练开销，因而带来较高的频谱效率损失。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何降低下行训练开销所带来的频谱效率损失。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种适于大规模多天线系统的下行训练方法及系统。

第一方面，该方法包括：

S1、采用所述多天线系统中所有天线的一个非空真子集发送下行参考信号序列；

其中，所述非空真子集所发送的下行参考信号序列用于估计所述多天线系统中所有天线与用户之间的每一传输信道的信道系数。

进一步地，在步骤S1之前该方法还包括：

S01、根据小区的标识号码，生成相互正交的下行参考信号序列；

S02、在所述多天线系统的所有天线中选取一个非空真子集，该非空真子集中天线的个数与下行参考信号序列的个数相同；

S03、将生成的每一下行参考信号序列发送至所述非空真子集中对应天线的端口。

进一步地，该方法还包括：

S2、获取所述多天线系统中所有天线与用户之间的每一传输信道的信道系数；

其中，所述多天线系统中所有天线与用户之间的每一传输信道的信道系数为用户根据所述非空真子集所传输的下行参考信号序列采用插值法估计得到。

进一步地，所述用户估计所述信道系数的过程包括：

S21、对所述非空真子集所传输的每一下行参考信号序列进行快速傅氏变换，得到对应的角度域信号；

S22、对每一所述角度域信号进行滤波处理，得到滤波信号；

S23、根据所述滤波信号，采用插值的方法获得所述多天线系统中每一天线与用户之间的滤波信号；

S24、对所述多天线系统中每一天线与用户之间的滤波信号进行快速傅氏反变换，得到所述多天线系统中每一天线与用户之间传输信道的信道系数。

进一步地，该方法还包括：

S2、获取所述非空真子集中每一根天线与用户之间传输信道的信道系数，

其中，所述非空真子集中每一根天线与用户之间传输信道的信道系数为用户根据所述非空真子集所传输的下行参考信号序列所确定；

S3、根据所述非空真子集中每一根天线与用户之间传输信道的信道系数，采用插值法估计所述多天线系统中每一根天线与用户之间传输信道的信道系数。

进一步地，所述非空真子集中任一天线的相邻天线为所述多天线系统中所述非空真子集之外的天线。

第二方面，该系统包括：

第一发送单元，用于采用所述多天线系统中所有天线的一个非空真子集发送下行参考信号序列；

其中，所述非空真子集所发送的下行参考信号序列用于估计所述多天线系统中所有天线与用户之间的每一传输信道的信道系数。

进一步地，该系统还包括：

生成单元，用于根据小区的标识号码，生成相互正交的下行参考信号序列；

选取单元，用于在所述多天线系统的所有天线中选取一个非空真子集，该非空真子集中天线的个数与下行参考信号序列的个数相同；

第二发送单元，用于将生成的每一下行参考信号序列发送至所述非空真子集中对应天线的端口。

进一步地，该系统还包括：

第一获取单元，用于获取所述多天线系统中所有天线与用户之间的每一传输信道的信道系数；

其中，所述多天线系统中所有天线与用户之间的每一传输信道的信道系数为用户根据所述非空真子集所传输的下行参考信号序列采用插值法估计得到。

进一步地，该系统还包括：

第二获取单元，用于获取所述非空真子集中每一根天线与用户之间传输信道的信道系数，

其中，所述非空真子集中每一根天线与用户之间传输信道的信道系数为用户根据所述非空真子集所传输的下行参考信号序列所确定；

估计单元，用于根据所述非空真子集中每一根天线与用户之间传输信道的信道系数，采用插值法估计所述多天线系统中每一根天线与用户之间传输信道的信道系数。

由于本发明中仅采用了部分天线进行下行参考信号序列的传输，并非全部的天线传输下行参考信号序列，因此降低了训练所需开销，进而降低了下行训练开销带来的频谱效率损失。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征信息和优点，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示出了根据本发明适于大规模多天线系统的下行训练方法一实施例的流程示意图；

图2示出了一种非空真子集中天线的分布图；

图3示出了根据本发明适于大规模多天线系统的下行训练系统一实施例的结构框图；

图4示出了本发明与传统下行训练方法采用不同大小方形天线阵列的下行频谱效率对比仿真图；

图5示出了本发明与传统下行训练方法采用固定水平方向天线个数的下行频谱效率对比仿真图；

图6示出了本发明与传统下行训练方法采用固定垂直方向天线个数的下行频谱效率对比仿真图；

图7示出了本发明与基于克罗内克积结构的预编码方法的下行频率效率对比仿真图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明提供一种适于大规模多天线系统的下行训练方法，如图1所示，该方法包括：

S1、基站采用所述多天线系统中所有天线的一个非空真子集传输下行参考信号序列；

其中，所述非空真子集所传输的下行参考信号序列用于估计所述多天线系统中所有天线与用户之间的每一传输信道的信道系数。

其中，大规模多天线系统即大规模MIMO系统。

所谓的非空真子集，表示子集并非空集，也不为全集，即该子集中天线的个数大于0但小于所有天线的个数。

所谓的训练方法，是指通过下行参考信号序列获知传输信道的信道系数的过程，以便根据传输信道的具体情况进行传输资源的分配、数据流的传输等。

在现有技术中，一般采用多天线系统中的所有天线传输下行参考信号序列，在传输完下行参考信号序列再传输下行数据流。而本专利申请中仅采用部分天线即非空真子集传输下行参考信号序列，因此可以利用多天线系统中中非空真子集之外的天线传输下行数据流，即下行数据流和下行参考信号序列同时传输，训练和传输数据流同时进行。该时刻数据流的传输是根据上一时刻训练过程所获知的传输信道系数进行的。在某一时刻，本发明通过训练过程获知传输信道系数，根据该时刻的传输信道系数，进行下一时刻的数据传输。

由于本发明中仅采用了部分天线进行下行参考信号序列的传输，部分天线传输的下行参考信号序列预估整个多天线系统中每一天线与用户之间传输信道的信道系数，降低了训练所需开销，进而降低了下行训练开销带来的频谱效率损失。

在利用非空真子集传输下行参考信号序列之前，还可采用以下方式得到待传输的下行参考信号序列：

S01、根据小区的标识号码，生成相互正交的下行参考信号序列；

S02、在所述多天线系统的所有天线中选取一个非空真子集，该非空真子集中天线的个数与下行参考信号序列的个数相同；

S03、将生成的每一下行参考信号序列发送至所述非空真子集中对应天线的端口。

所谓的小区的标识号码即小区ID。

其中，对下行参考信号序列的预编码过程可与非空真子集外的天线上承载的下行数据流的预编码过程相同，为匹配滤波预编码或迫零预编码算法。

其中，相同小区的全部用户采用相同的下行参考信号序列组，下行参考信号序列组中的下行参考信号序列相互正交，用于不同的用户。但当需要同时接收多个数据流的用户，不同数据流之间采用相互正交的下行参考信号序列。

由于相互正交的下行参考信号序列的数量毕竟是有限的，一般情况下，临近小区之间应当采用不同的下行参考信号序列组，但是小区内用户的不断增加，而现有技术中每一用户需要至少一个下行参考信号序列，使得每一小区所需的下行参考信号序列较多。这样的话，有可能临近小区只能采用相同的下行参考信号序列组，可能造成信号的干扰。而本发明中仅采用部分天线传输下行参考信号序列，而每一根天线在某一时刻只能传输一个下行参考信号序列，因此采用本发明的训练方法后，每一个小区所需的下行参考信号序列会比较少，可以将数量有限的下行参考信号序列分为更多的组，这样，临近小区就可以采用不同的下行参考信号序列组了，进而减少临近小区之间的干扰。由于仅利用部分天线传输下行参考信号序列，因此可以在一个小区内支持更多的用户，因此更适合大规模的MIMO系统。

本发明中对整个天线系统进行信道估计可采用以下两种方法执行：

(1)训练方法还可包括：

S2、获取所述多天线系统中所有天线与用户之间的每一传输信道的信道系数；

其中，所述多天线系统中所有天线与用户之间的每一传输信道的信道系数为用户根据所述非空真子集所传输的下行参考信号序列采用插值法估计得到。

这里，用户根据接收到下行参考信号序列估计整个天线系统中每一天线与用户之间传输信道系数，即为利用部分数据得到整体数据的过程。估计过程采用插值的方法由部分数据扩充到整体数据，进而基站根据用户反馈的信道系数，进行下行数据的传输。

具体的，用户估计所述信道系数的过程可包括：

S21、对所述非空真子集所传输的每一下行参考信号序列进行快速傅氏变换，得到对应的角度域信号；

S22、对每一所述角度域信号进行滤波处理，得到滤波信号；

S23、根据所述滤波信号，采用插值的方法获得所述多天线系统中每一天线与用户之间的滤波信号；

S24、对所述多天线系统中每一天线与用户之间的滤波信号进行快速傅氏反变换，得到所述多天线系统中每一天线与用户之间传输信道的信道系数。

以上过程为在计算信道系数过程中进行扩充，也可以根据非空真子集中每一天线与用户之间传输信道的信道系数后，再利用插值法扩充至整个多天线系统中每一天线与用户之间传输信道的信道系数。

(2)训练方法还可包括：

S2、获取所述非空真子集中每一根天线与用户之间传输信道的信道系数，

其中，所述非空真子集中每一根天线与用户之间传输信道的信道系数为用户根据所述非空真子集所传输的下行参考信号序列所确定；

S3、根据所述非空真子集中每一根天线与用户之间传输信道的信道系数，采用插值法估计所述多天线系统中每一根天线与用户之间传输信道的信道系数。

这一过程，用户仅根据发送参考序列信号的天线和用户之间传输信道的信道系数，然后基站根据该信道系数扩充至整个天线系统中所有天线与用户之间的传输信道的信道系数。

图2提供了选取非空真子集的一种方式。该图中，浅色的圆圈为传输下行数据流的天线，深色的圆圈代表传输下行参考信号序列的天线，可以看出传输下行参考信号序列的天线的相邻天线为传输下行数据流的天线，即所述非空真子集中任一天线的相邻天线为所述多天线系统中所述非空真子集之外的天线。这种分布方式的非空真子集的好处是利用插值法估计到整个多先天系统中所有天线的信道系数时，估计的准确率较高。

本发明还提供一种适于大规模多天线系统的下行训练系统，如图3所示，该系统100包括：

第一发送单元101，用于采用所述多天线系统中所有天线的一个非空真子集发送下行参考信号序列；

其中，所述非空真子集所发送的下行参考信号序列用于估计所述多天线系统中所有天线与用户之间的每一传输信道的信道系数。

进一步地，该系统还包括：

生成单元，用于根据小区的标识号码，生成相互正交的下行参考信号序列；

选取单元，用于在所述多天线系统的所有天线中选取一个非空真子集，该非空真子集中天线的个数与下行参考信号序列的个数相同；

第二发送单元，用于将生成的每一下行参考信号序列发送至所述非空真子集中对应天线的端口。

进一步地，该系统还包括：

第一获取单元，用于获取所述多天线系统中所有天线与用户之间的每一传输信道的信道系数；

其中，所述多天线系统中所有天线与用户之间的每一传输信道的信道系数为用户根据所述非空真子集所传输的下行参考信号序列采用插值法估计得到。

进一步地，该系统还包括：

第二获取单元102，用于获取所述非空真子集中每一根天线与用户之间传输信道的信道系数，

其中，所述非空真子集中每一根天线与用户之间传输信道的信道系数为用户根据所述非空真子集所传输的下行参考信号序列所确定；

估计单元103，用于根据所述非空真子集中每一根天线与用户之间传输信道的信道系数，采用插值法估计所述多天线系统中每一根天线与用户之间传输信道的信道系数。

本发明提供一种适于大规模多天线系统的下行训练系统，该系统为本发明适于大规模多天线系统的下行训练方法的虚拟功能模块，其有关部分的解释、说明或有益效果请参考本发明适于大规模多天线系统的下行训练方法中的相应部分，在此不再赘述。

以下采用仿真对传统的下行训练方法和本发明的下行训练方法进行对比：

仿真中考虑一个由7个小区组成的多小区多用户同构网情景，假设一个目标小区被六个干扰小区围绕。小区半径为500米，每个小区中心有一个基站，基站高度35m。小区中K＝8个用户的位置随机生成，均位于地面高度1.5m。

仿真中，考虑四种不同的情况，得到传统下行训练方法与本发明下行训练方法的可达频谱效率的对比图4、5、6和7。这些图中的横坐标为可达频谱效率，纵坐标为累积分布函数CDF。图中的传统指的是传统的下行训练方法，低开销指的是本发明的下行训练方法。

其中，图4中基站处配备方形天线阵列，天线数M从16×16变化到128×128；图5中，固定水平天线个数为32，垂直天线个数从16变化到128；图6中，固定垂直天线个数，水平天线个数从16变化到128；图7为基于克罗内克积Kronecker的方法与本发明下行训练方法的频谱效率对比图，该图中的天线配置与图4中的相同。

仿真中，通过天线个数的变化以保证下行训练开销相同，基站端使用匹配滤波(Matched-filter,简称MF)预编码算法。信道模型采用TR25.996中定义的空间信道模型(Spatial Channel Model,简称SCM)。

对比不同仿真条件下，在图4、图5与图7情况下，随着天线规模的增大，本发明的下行训练方法性能优越性更显著。在图6情况下，固定垂直天线个数，则预编码的精度确定，水平天线数较少时，下行训练方法开销的降低可以弥补频谱效率的损失。水平天线数较多时，频谱效率增加，降低开销的影响不再显著，产生性能差距。

综上所述，本发明所提供的训练方法更加适合于采用TDD方式的大规模MIMO系统，能够在为更多用户提供服务的情况下，降低下行训练带来的频谱效率损失。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种适于大规模多天线系统的下行训练方法，其特征在于，包括：

S1、采用所述多天线系统中所有天线的一个非空真子集发送下行参考信号序列；

其中，所述非空真子集所发送的下行参考信号序列用于估计所述多天线系统中所有天线与用户之间的每一传输信道的信道系数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S1之前还包括：

S01、根据小区的标识号码，生成相互正交的下行参考信号序列；

S02、在所述多天线系统的所有天线中选取一个非空真子集，该非空真子集中天线的个数与下行参考信号序列的个数相同；

S03、将生成的每一下行参考信号序列发送至所述非空真子集中对应天线的端口。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

S2、获取所述多天线系统中所有天线与用户之间的每一传输信道的信道系数；

其中，所述多天线系统中所有天线与用户之间的每一传输信道的信道系数为用户根据所述非空真子集所传输的下行参考信号序列采用插值法估计得到。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述用户估计所述信道系数的过程包括：

S21、对所述非空真子集所传输的每一下行参考信号序列进行快速傅氏变换，得到对应的角度域信号；

S22、对每一所述角度域信号进行滤波处理，得到滤波信号；

S23、根据所述滤波信号，采用插值的方法获得所述多天线系统中每一天线与用户之间的滤波信号；

S24、对所述多天线系统中每一天线与用户之间的滤波信号进行快速傅氏反变换，得到所述多天线系统中每一天线与用户之间传输信道的信道系数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

S2、获取所述非空真子集中每一根天线与用户之间传输信道的信道系数，

其中，所述非空真子集中每一根天线与用户之间传输信道的信道系数为用户根据所述非空真子集所传输的下行参考信号序列所确定；

S3、根据所述非空真子集中每一根天线与用户之间传输信道的信道系数，采用插值法估计所述多天线系统中每一根天线与用户之间传输信道的信道系数。

6.根据权利要求1-5任一所述的方法，其特征在于，所述非空真子集中任一天线的相邻天线为所述多天线系统中所述非空真子集之外的天线。

7.一种适于大规模多天线系统的下行训练系统，其特征在于，包括：

第一发送单元，用于采用所述多天线系统中所有天线的一个非空真子集发送下行参考信号序列；

其中，所述非空真子集所发送的下行参考信号序列用于估计所述多天线系统中所有天线与用户之间的每一传输信道的信道系数。

8.根据权利要求7所述的下行训练系统，其特征在于，还包括：

生成单元，用于根据小区的标识号码，生成相互正交的下行参考信号序列；

选取单元，用于在所述多天线系统的所有天线中选取一个非空真子集，该非空真子集中天线的个数与下行参考信号序列的个数相同；

第二发送单元，用于将生成的每一下行参考信号序列发送至所述非空真子集中对应天线的端口。

9.根据权利要求7所述的下行训练系统，其特征在于，还包括：

第一获取单元，用于获取所述多天线系统中所有天线与用户之间的每一传输信道的信道系数；

其中，所述多天线系统中所有天线与用户之间的每一传输信道的信道系数为用户根据所述非空真子集所传输的下行参考信号序列采用插值法估计得到。

10.根据权利要求7所述的下行训练系统，其特征在于，还包括：

第二获取单元，用于获取所述非空真子集中每一根天线与用户之间传输信道的信道系数，

其中，所述非空真子集中每一根天线与用户之间传输信道的信道系数为用户根据所述非空真子集所传输的下行参考信号序列所确定；

估计单元，用于根据所述非空真子集中每一根天线与用户之间传输信道的信道系数，采用插值法估计所述多天线系统中每一根天线与用户之间传输信道的信道系数。