CN106549886B - 一种信道估计方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种信道估计方法和系统。所述方法包括：目标基站根据缓存的目标小区的用户发送的第1至第i个数据块，更新对目标小区与目标基站之间信道的估计，其中，更新后的信道为目标基站根据和接收的数据块消除接收的数据块中的目标小区的用户发送的有效数据块，以获得干扰数据块；目标基站根据干扰数据块估计周围小区与目标基站之间的信道并根据和恢复出目标小区的用户发送的第i+1个数据块；目标基站根据恢复出的第i+1个数据块估计目标基站与目标小区之间的信道。本发明的信道估计方法通过基站缓存数据块来解决导频污染，使得信道容量的大部分资源用来传输有用数据块。

Description

一种信道估计方法和系统
技术领域
本发明涉及大规模MIMO通信领域，特别是涉及一种信道估计方法和系统。
背景技术
所谓大规模MIMO，称之为Massive MIMO或者叫Large-Scale MIMO。顾名思义，就是在基站端安装几百根天线(128根，256根或者更多)。与传统的 MIMO相比，Massive MIMO不同之处主要在于，在基站的天线数逐渐增加，直到无穷大时，通常严重影响通信系统性能的热噪声和小区间的干扰将可以被忽略不计，而且最简单的波束成型，比如最大比合并接收机(MRC receiver)将会变成最优。和LTE相比，同样占用20MHz带宽，Massive MIMO的小区吞吐率可以达到1200兆比特/秒，频谱利用率达到了史无前例的60比特/秒/赫兹/小区。
Massive MIMO时分双工(Time Division Duplex，TDD)系统作为一种新颖的蜂窝网络结构，由于其可以利用信道的互易性，使得信道训练的开销仅与每个小区的用户数相关，而与基站的天线数无关。因此，当基站天线数趋向无穷时，并不会增加系统的反馈开销，额外增加的天线会提高蜂窝网络的性能。且蜂窝网络中的基站之间都是通过光纤或网线相互通讯连接，基站之间可以很方便的进行互传用户之间的信息，有效地消除周围小区的干扰，提升本小区所有用户的信道估计情况。
从信息论的角度看，在Massive MIMO时分双工(Time Division Duplex，TDD) 系统中当基站的天线数趋近于无穷时，信道容量应该是无限大。但是在实际应用的场景中，这并不成立。唯一的限制因素就是导频污染(Pilot Contamination)。
这是由于通常同一小区内各用户的导频信号是正交的，而相邻小区间的导频信号则是复用的。导频污染主要是由各小区用户向各自的基站发送上行不正交导频训练序列所致。而多小区系统中对特定的基站而言，其对各个信道的估计都是该基站接收信号与导频信号乘积的一个缩放，而基站在接收信号中无法区分本小区用户和其他小区用户，从而使基站对本小区的信道估计存在误差。
目前，消除导频污染有效的方法是使导频信号的长度与用户总的数目成正比，从而使各小区的导频信号完全正交，当各小区的导频信号完全正交时,可以利用信道的互易性消除小区之间的干扰。但是这种消除导频污染的方法虽然使得基站对各小区的信道估计更准确，但是由于导频信号长度的增加使得信道容量的大部分资源用来传输导频信号，而实际用于传输有用数据块的信道容量变得有限。
发明内容
基于此，有必要针对目前大规模MIMO系统中的导频污染问题，提供一种信道估计方法。
一种信道估计方法，应用于包括基站和多小区的大规模MIMO系统，以获得目标基站与目标小区之间的信道，其特征在于，所述方法包括：
所述目标基站根据缓存的所述目标小区的用户发送的第1至第i个数据块块，更新对所述目标小区与所述目标基站之间信道的估计，其中，更新后的信道为
所述目标基站根据和接收到的数据块消除所述接收到的数据块中的所述目标小区的用户发送的有效数据块，以获得干扰数据块；
所述目标基站根据所述干扰数据块估计所述周围小区与所述目标基站之间的信道并根据和恢复出所述目标小区的用户发送的第i+1个数据块块。
在其中一个实施例中，还包括所述目标基站假定所述多小区的各个小区内的所有用户的导频信号正交。
在其中一个实施例中，所述目标基站缓存所述目标小区的用户发送的第1 至i-1个数据块块具体包括：
所述目标基站根据接收到的所述目标小区的用户发送的第一个数据块Y0和已知的导频信号估计出目标小区与目标基站之间的信道H1；
在信道H1保持近似不变的时间段内，在数据块传输中均以所述数据块为导频信号，所述目标基站接收到所述目标小区的用户发送的第i+1个数据块后，根据其缓存的第1至第i个数据块更新所述目标小区与所述目标基站之间的信道。
在其中一个实施例中，还包括：
所述目标基站判断是否有数据块需要继续接受，若是，则重复执行权利要求1所述的所有步骤，若否，则结束当前流程。
一种信道估计系统，包括基站和多小区的大规模MIMO系统，用来获得目标基站与目标小区之间的信道，其特征在于，
所述基站包括数据块缓存模块、信道更新模块、干扰数据块获取模块、目标数据块获取模块及信道估计模块；其中，
所述数据块缓存模块用于缓存所述目标小区的用户发送的第1至i个数据块块；
所述信道更新模块与所述数据块缓存模块连接，用于根据缓存的第1至第 i-1个数据块及所述目标小区的用户发送的第i个数据块，更新对所述目标基站和所述目标小区之间信道的估计，其中，更新后的信道为
所述干扰数据块获取模块与所述信道更新模块连接，用于根据和接收到的数据块消除所述接收到的数据块中的所述目标小区的用户发送的有效数据块块，以获得干扰数据块；
所述目标数据块获取模块与所述干扰数据块获取模块连接，用于根据所述干扰数据块估计所述周围小区与所述目标基站之间的信道并根据和恢复出所述目标小区的用户发送的第i+1个数据块；
所述信道估计模块与所述目标数据块获取模块连接，用于根据恢复出的所述第i+1个数据块估计所述目标基站与所述目标小区之间的信道。
在其中一个实施例中，所述基站还包括预设模块，所述预设模块用于预设所述多小区的各个小区之间的所有用户的导频信号正交。
在其中一个实施例中，所述数据块缓存模块包括导频信号获取单元、数据块估计单元及数据块缓存单元；
所述信道估计单元用于根据接收到的所述目标小区的用户发送的第1个数据块Y0和已知的导频信号估计出目标小区与目标基站之间的信道H1；
所述数据块估计单元与所述导频信号获取单元连接，用于在信道H1保持近似不变的时间段内，在数据块传输中均以所述数据块为导频信号，所述目标基站接收到所述目标小区的用户发送的第i+1个数据块后，根据其缓存的第1 至第i个数据块估计出所述目标小区的用户发送的第i+1个数据块；
所述数据块缓存单元与所述数据块估计单元连接，用于缓存所述数据块估计单元估计的数据块。
在其中一个实施例中，所述基站还包括判断模块；所述判断模块与所述数据块缓存模块连接，用于判断是否有数据块需要继续接收。
上述一种信道估计方法，通过目标基站缓存目标小区的用户发送的第1至第i-1个数据块，并根据缓存的数据块块及接收的目标小区发送的第i个数据块，更新对目标基站和目标小区之间信道的估计，并根据更新后的信道和接收的数据块消除接收的数据块中目标小区的有效数据块，获得干扰数据块，进一步地根据干扰数据块估计出周围小区与目标基站之间的信道，在知道周围小区与目标基站之间信道的基础上，根据更新后的信道更准确的得到目标小区发送的数据块和目标基站与目标小区之间的信道。该方法没有增加导频信号长度，而是通过基站缓存数据块来解决导频污染，使得信道容量的大部分资源用来传输有用数据块，而实际用于传输导频信号的信道容量很小。
附图说明
图1为大规模MIMO系统中一蜂窝网络的局部示意图；
图2为一实施例信道估计方法流程图；
图3为一实施例的蜂窝网络中某基站的模块图。
具体实施方式
本发明的目的在于提供一种信道估计方法，该信道估计方法适用于大规模MIMO系统中，通过实施本发明提供的信道估计方法能有效地降低大规模MIMO系统中的导频污染，从而使基站对信道的估计更准确，进一步地使基站更准确地恢复出用户发送的数据块。
如图1所示，为大规模MIMO系统中一蜂窝网络的局部示意图。由图1可知，本实施例的蜂窝网络局部示意图中示出三个小区，其中一个小区为小区11，对应的基站为110。而在实际中一个蜂窝网络里有多个小区，每个小区都设置有一个基站。
为了方便描述，现假定图1中的蜂窝网络有K个小区，每个小区的覆盖半径均为R米，每个小区设置有一个基站且每个小区基站均带有N根天线。且每个小区有L个用户，每个用户携带的设备只有1根天线。
在实际的传输过程中，由于受无线环境与实际传输带宽的约束，小区与小区之间没办法在指定时间内互传所有用户的数据块。而根据无线传输理论可知干扰与距离成反比，因此各个小区之间传输的数据块干扰主要来源于各个基站对应的边缘用户，也即各个基站对应的只需要互传小区部分边缘用户的数据块，也即各个基站相互了解各个小区边缘用户的数据块情况，就可以很大程度的降低各个小区之间的相互干扰。
在本实施例中，选取小区11为目标小区进行分析，则其余L-1个小区均为干扰小区，基站110对应为目标基站，且基站110的接收模型为：其中，表示基站110缓存的小区11 的用户发送的第1个数据块至第n+1个数据块 为导频信号，为其余L-1个小区中的第l个小区的用户发送的第1个数据块至第n+1个数据块H1为小区11与基站110之间的信道，为其余L-1个小区对基站110 的干扰数据块。且在本实施例中，各个小区复用相同的导频信号又由于在 Massive MIMO系统中，相比小区间干扰，噪声的影响太小，所以本实施例便不予考虑。且由于各个小区离基站110较远的用户传输延迟较大，所以只考虑干扰小区离基站110较近的边缘用户的干扰。本实施例以基站110接收到第i+1个数据块开始分析，其具体的信道估计方法流程如图2所示。
由图2可知，在本实施例中，本发明的信道估计方法包括步骤S110至步骤 S140。
步骤S110：基站110根据缓存的小区11的用户发送的第1至第i个数据块块，更新对小区11和基站110之间信道的估计。
理想情况下，在开始时刻0，假设基站之间各用户的导频信号均相互正交，也即小区11的用户发送第1个数据块时，基站110的接收模型为由于为已知的导频信号，则基站110可估计出小区11的用户与基站110之间的信道H1。
此时，基站110与小区11之间的信道为预期的已知信道，假设为H1。则基站110接收到的数据块为其中，为小区11的用户发送的第1个数据块，为小区11的用户发送的第i个数据块。
而在实际中，由于各小区间导频信号复用和环境及硬件的影响，基站110 接收到的数据块为：其中，为基站110 接收到的其余L-1个小区中的用户发送的干扰数据块，其值不为0。从而导致估计的小区11与基站110之间的信道存在一定的误差。
由信号的传输理论可知，在较短的时刻段内，信道是近似保持不变的。那么在信道近似保持不变的连续时间段内，小区11的用户发送第2个数据块块至基站110时，基站110的接收模型为此时基站110可解出数据块块并存储数据块块
同理，在实际中，由于各个小区之间导频信号的复用，基站110解出的小区11的用户发送的第2个数据块也存在一定的误差。但是，数据块在传输之前会进行信道编码保护，信道编码能够消除恢复数据块中存在的误差。
小区11的用户发送第3个数据块块至基站110时，基站110以存储的数据块块和为已知的导频数据块更新小区11和基站110之间的信道，更新后的信道相对于之前估计的信道更精确，此时基站110根据更新后的信道及接收到的数据块解出小区11的用户发送的第3个数据块则基站110解出的第3 个数据块的误差相对于第2个数据块有所降低。
依此类推，在信道近似保持不变的时间段内，在数据块传输过程中均以数据块作为导频信号，基站110接收到小区11的用户发送的第i个数据块之后，根据其缓存的第1至第i个数据块更新小区11与基站110之间的信道。
在本实施例中，假设更新后的信道为其中， 表示小区11的用户l与基站110之间的信道。
可以理解地，更新后的信道估计较之前的信道估计误差较小，且基站110 缓存的数据块越多，基站110估计的小区11与基站110之间的信道越准确。
相比于现有的为了消除导频污染直接在传输数据块时加长导频的方法，本方法直接通过基站缓存前面所有时刻用户发送的近似数据块，并根据缓存的所有数据块和当前估计的数据块来提高信道估计的方法，在没有增加导频信号占用信道容量的基础上，基站准确地估计出了用户发送的数据块。使得信道的大部分资源用来传输用户的数据块。
步骤S120：基站110根据和接收到的数据块消除接收到的数据块中的小区11的用户发送的有效数据块，以获得干扰数据块。
在本实施例中，假设基站之间的传输延迟是d，即基站110在时刻i≥d时接收到的小区11的用户发送的第1至第i-d+1个数据块为Y0,i-d。
具体地，基站110利用从接收的数据块Y0,i-d中消除小区11的用户发送的有效数据块则剩余的数据块为其余L-1个小区的边缘用户发送的干扰数据块及信道估计存在误差而导致的干扰数据块。在本实施中，定义剩余的数据块为则且，其中表示更新后的小区11与基站110之间的信道与假设的小区11与基站110之间的信道的差值，为小区11的用户发送的第1至第i-d个数据块，为其余L-1个小区的用户发送的干扰数据块。
步骤S130：基站110根据干扰数据块估计周围小区与基站110之间的信道并根据和恢复出小区11的用户发送的第i+1个数据块；
具体地，基站110通过及估计其余K-1个小区的强干扰用户与基站110之间的信道在本实施例中其中，j 表示其余L-1个小区中小区j，m表示小区j中的用户m，估计的矩阵系数。
小区11的用户发送第i+1个数据块至基站110时，基站110的接收模型为基站110根据步骤S120和步骤S140估计的信道和可准确地恢复出小区11的用户发送的第i+1个数据块
此时，恢复的数据块也可能存在误差，但是该误差值在用户发送数据块时对数据块进行编码保护的范围内，基站110根据编码可以准确解码数据块从而获得小区11的用户发送的实际数据块
通过上述实施例可知，本发明的信道估计方法，通过基站累积缓存所有时刻的用户发送的数据块，并在数据块传输过程中，仅以开始时刻估计的数据块为导频信号，根据其缓存的所有时刻的数据块来增加对当前时刻信道估计的准确性，从而增加了对下一时刻用户发送的数据块估计的准确性，也即增加了对当前信道估计的准确性，并根据估计的当前信道和接收到的目标小区的用户数据块估计出周围干扰小区与目标基站之间的信道，从而使得估计目标小区的用户发送的数据块更准确，也即可以更准确地估计目标基站与目标小区之间的信道。
可以理解地，在实际应用中，当基站110获得小区11的用户发送的实际数据块后，由于小区11的用户可能连续的发送数据块，基站110需要判断是否有数据块需要继续接收，如果需要接收数据块，则重复执行前述步骤S110至 S140；否则，结束当前流程。
如图3所示，为本发明一实施例的蜂窝网络中某基站的模块框图。具体地，在本实施例中，选取目标基站进行分析，则由图3可知，本发明的蜂窝网络中的目标基站包括：数据块缓存模块31、信道更新模块32、干扰数据块获取模块 33、目标数据块获取模块34及信道估计模块35。
其中，数据块缓存模块31用于缓存目标小区的用户发送的第1至第i-1个数据块，其中i≥1。
信道更新模块32与数据块缓存模块31连接，用于根据缓存的第1至第i-1 个数据块及目标小区的用户发送的第i个数据块，更新对目标基站和目标小区之间信道的估计，其中，i≥1，更新后的信道为
干扰数据块获取模块33与信道更新模块32连接，用于根据和接收到的数据块消除接收到的数据块中的目标小区的用户发送的有效数据块，以获得干扰数据块。
目标数据块获取模块34与干扰数据块获取模块33连接，用于根据干扰数据块估计周围小区与目标基站之间的信道并根据和恢复出目标小区的用户发送的第i+1个数据块。
信道估计模块35与目标数据块获取模块34连接，用于根据恢复出的第i+1 个数据块估计目标基站与目标小区之间的信道。
由图3还可知，目标基站还包括预设模块36，预设模块36与数据块缓存模块31连接，用于预设多小区的各个小区内的所有用户的导频信号正交。
数据块缓存模块31包括导频信号获取单元310、数据块估计单元311及数据块缓存单元312。
其中，导频信号获取单元310，用于根据接收到的目标小区的用户发送的第 1个数据块Y0和已知的导频信号估计出目标小区与目标基站之间的信道H1。
数据块估计单元311与导频信号获取单元310连接，用于在信道H1保持近似不变的时间段内，在数据块传输中均以数据块为导频信号，目标基站接收到目标小区的用户发送的第i+1个数据块后，根据其缓存的第1至第i个数据块估计出目标小区的用户发送的第i+1个数据块。
数据块缓存单元312与数据块估计单元311连接，用于缓存数据块估计单元311估计的数据块。
由图3还可知，目标基站还包括判断模块37，且判断模块37与数据块缓存模块31连接，用于判断是否有数据块需要继续接收。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种信道估计方法，应用于包括基站和多小区的大规模MIMO系统，以获得目标基站与目标小区之间的信道，其特征在于，所述方法包括：
所述目标基站根据缓存的所述目标小区的用户发送的第1至第i个数据块，更新对所述目标小区与所述目标基站之间信道的估计，其中，更新后的信道为
所述目标基站根据和接收的数据块消除所述接收的数据块中的所述目标小区的用户发送的有效数据块，以获得干扰数据块；
所述目标基站根据所述干扰数据块估计周围小区与所述目标基站之间的信道并根据和恢复出所述目标小区的用户发送的第i+1个数据块，其中，所述周围小区为与所述目标小区共用一个蜂窝网络的小区。
2.根据权利要求1所述的信道估计方法，其特征在于，还包括所述目标基站假定所述多小区的各个小区内的所有用户的导频信号正交。
3.根据权利要求2所述的信道估计方法，其特征在于，所述目标基站缓存所述目标小区的用户发送的第1至i-1个数据块具体包括：
所述目标基站根据接收到的所述目标小区的用户发送的第一个数据块Y0和已知的导频信号估计出所述目标小区与所述目标基站之间的信道H1；
在信道H1保持近似不变的时间段内，在数据块传输中均以为导频信号，所述目标基站接收到所述目标小区的用户发送的第i个数据块后，根据其缓存的第1个至第i个数据块更新所述目标小区与所述目标基站之间的信道。
4.根据权利要求1所述的信道估计方法，其特征在于，所述所述目标基站根据所述干扰数据块估计周围小区与所述目标基站之间的信道并根据和恢复出所述目标小区的用户发送的第i+1个数据块，其中，所述周围小区为与所述目标小区共用一个蜂窝网络的小区的步骤之后，还包括：
所述目标基站判断是否有数据块需要继续接受，若是，则重复执行权利要求1所述的所有步骤，若否，则结束当前流程。
5.一种信道估计系统，包括基站和多小区的大规模MIMO系统，用来获得目标基站与目标小区之间的信道，其特征在于，
所述基站包括数据块缓存模块、信道更新模块、干扰数据块获取模块、目标数据块获取模块及信道估计模块；其中，
所述数据块缓存模块用于缓存所述目标小区的用户发送的第1至第i个数据块；
所述信道更新模块与所述数据块缓存模块连接，用于根据缓存的第1至第i个数据块及所述目标小区的用户发送的第i个数据块，更新对所述目标基站和所述目标小区之间信道的估计，其中，更新后的信道为
所述干扰数据块获取模块与所述信道更新模块连接，用于根据和接收到的数据块消除所述接收到的数据块中的所述目标小区的用户发送的有效数据块，以获得干扰数据块；
所述目标数据块获取模块与所述干扰数据块获取模块连接，用于根据所述干扰数据块估计周围小区与所述目标基站之间的信道并根据和恢复出所述目标小区的用户发送的第i+1个数据块，其中，所述周围小区为与所述目标小区共用一个蜂窝网络的小区；
所述信道估计模块与所述目标数据块获取模块连接，用于根据恢复出的所述第i+1个数据块估计所述目标基站与所述目标小区之间的信道。
6.根据权利要求5所述的信道估计系统，其特征在于，所述基站还包括预设模块，所述预设模块用于预设所述多小区的各个小区内的所有用户的导频信号正交。
7.根据权利要求5所述的信道估计系统，其特征在于，所述数据块缓存模块包括导频信号获取单元、数据块估计单元及数据块缓存单元；
所述导频信号获取单元用于根据接收到的所述目标小区的用户发送的第1个数据块Y0和的导频信号估计出目标小区与目标基站之间的信道H1；
所述数据块估计单元与所述导频信号获取单元连接，用于在信道H1保持近似不变的时间段内，在数据块传输中均以所述数据块为导频信号，所述目标基站接收到所述目标小区的用户发送的第i+1个数据块后，根据其缓存的第1至第i个数据块更新所述目标小区与所述目标基站之间的信道；
所述数据块缓存单元与所述数据块估计单元连接，用于缓存所述数据块估计单元估计的数据块。
8.根据权利要求6所述的信道估计系统，其特征在于，所述基站还包括判断模块；所述判断模块与所述数据块缓存模块连接，用于判断是否有数据块需要继续接收。
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