CN106982088A - 3d mimo系统中一种基于csi‑rs端口的多流传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了3D MIMO系统中一种基于CSI‑RS端口的多流传输方法,首先构建3D MIMO系统模型,然后基于WINNER II信道模型设计,利用克罗内克积构造3D预编码码本;接着基于CSI‑RS的3D MIMO预编码的理论进行推导,并根据信道相关矩阵推导出3D预编码W3D设计方案:基于CSI‑RS设计垂直维多流传输方案,首先对信道矩阵H3D进行水平方向分组,水平方向虚拟等效为其次对不同水平分组进行垂直预编码WV,最后,对水平方向元素进行预编码WH。最后反馈最优预编码矩阵,在接收端,对于垂直方向进行选取最优预编码矩阵WV,对于水平方向进行选取最优预编码矩阵Wh,每一路数据反馈所对应的PMI。本发明可以实现多路数据流的复用,充分利用垂直信道信息,可以更好地提高信道容量。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域,涉及一种将CSI-RS端口和预编码结合的多流传输方法。
背景技术
MIMO作为LTE-A系统中下行物理层的核心技术,在发射端和接收端同时配置多根天线,可以有效地提高系统吞吐量和频谱效率。然而,MIMO受到基站天线配置的限制,只能实现空间分布水平平面上的信号控制。现如今,通过使用有源天线系统(Active AntennaSystem,AAS),均匀矩形阵列(Uniform Rectangular Array,URA)天线结构能够自适应地控制天线的水平维和垂直维。2012年,第三代合作伙伴计划(3-rd Generation PartnershipProject,3GPP)正式提出研究3D MIMO技术。简单来说,基于二维结构的3D MIMO天线阵列技术可以充分利用垂直维的空间自由度,这将有助于减少用户之间的干扰和提高系统性能。
在频分双工(Frequency Division Dual,FDD)系统中,用户使用不同的频带向基站反馈下行链路信道信息。LTE-A系统在Rel-10版本中引入了CSI-RS(Channel StateInformation-Reference Signals)的概念,CSI-RS是一种下行公共导频信号,用户可以利用CSI-RS来估计信道状态信息。基站端为CSI-RS的使用提供了最多8个端口,用户需要根据CSI-RS的测量值,计算并反馈最优的预编码矩阵索引(Precoding Matrix Indicator,PMI),信道质量索引(Channel Quality Indicator,CQI)和秩索引(Rank Indicator,RI)。如果直接将这种反馈机制进行扩展以支持3D天线阵列,天线数量增加的同时还要利用信道空间的垂直维,如果再为每根发送天线分配独立的CSI-RS端口,这样不仅会受到有效CSI-RS端口个数的限制还会增加系统的反馈开销。因此,如何更高效地利用CSI-RS直接决定了系统的容量和反馈开销。
为了提升3DMIMO系统的性能,现有预编码技术通常采用下述方法
(1)基于CSI-RS设计的预编码方法,垂直方向上,发送端使用了多个CSI-RS资源,每个CSI-RS资源由一个垂直波束向量进行赋形,这些垂直波束向量分别对应不同的垂直区域。也就是说,为不同的垂直区域分别配置不同的CSI-RS垂直波束向量。接收端可以充分的利用垂直信道信息并且将准确的3D CQI反馈给发送端。
(2)独立的CSI-RS设计预编码方法,即用两个一维阵列结构分别测量水平CSI和垂直CSI。基站端使用两类CSI-RS端口,第一步,将天线阵列虚拟等效成一列天线端口,对其中每一行的天线元素用wh进行加权。第二步,将天线阵列虚拟等效成一行天线端口,对其中每一列的天线元素用wv进行加权。反馈时分别反馈两组独立的CSI,基站端根据反馈的CSI,利用克罗克内积得出联合预编码矩阵。
(3)将CSI-RS端口的设计和基于克罗内克积的预编码相结合的方法,在水平方向上虚拟等效为多个CSI-RS逻辑端口,垂直方向上虚拟等效成一个CSI-RS逻辑端口,但是提供多个垂直波束来选择。
上述方法利用垂直信道信息可以区分相同水平方向不同高度的用户,而垂直方向上的数据流等效成一路,但这样并不能充分利用垂直信道信息。同时,也不能使信道容量达到最优。
发明内容
本发明针对3D MIMO系统如何在水平维和垂直维同时实现多流传输的问题,提出了一种将CSI-RS端口的设计和基于克罗内克积的预编码相结合的多流传输方案。
为此目的,本发明采用的技术方案为3D MIMO系统中一种基于CSI-RS端口的多流传输方法,具体包括如下步骤:
步骤1:构建3D MIMO系统模型
在3D MIMO下行链路系统中,用户接收到的信号为:y=H3Dw3Dx+n,式中,H3D是基站到用户之间的3D信道矩阵,w3D是维数为MN×Ns的3D MIMO预编码矩阵;
步骤2:基于WINNER II信道模型设计
从发送天线元素s到簇n的接收天线元素u的3D信道矩阵元素为h,发送端到接收端3D信道矩阵示为H3D;
步骤3:利用克罗内克积设计3D码本
根据3D信道水平方向信息设计水平DFT码本WH,根据3D信道垂直方向信息设计垂直动态DFT码本Wv,利用克罗内克积构造3D预编码码本;
步骤4:基于CSI-RS的3D MIMO预编码的理论进行推导
根据信道相关矩阵推导出3D预编码W3D设计方案:
步骤5:基于CSI-RS设计垂直维多流传输方案
首先,对信道矩阵H3D进行水平方向分组,水平方向虚拟等效为其次,对不同水平分组进行垂直预编码WV,最后,对水平方向元素进行预编码WH;
步骤6:反馈最优预编码矩阵
在接收端,对于垂直方向进行选取最优预编码矩阵WV,对于水平方向进行选取最优预编码矩阵Wh,每一路数据反馈所对应的PMI。
进一步,上述步骤1中,考虑单用户下行场景,基站配置均匀平面矩阵阵列,M根水平方向天线,其水平天线之间距离为dh;N根垂直方向天线,其垂直天线之间距离为dv;发送天线数目为M×N,在接收端,采用Nr根接收天线,信道矩阵H的维度为Nr×(MN),等效成水平方向可以写为:H=[H1,H2,...,HM],其中Hi的维数为Nr×N。
上述步骤3中,利用克罗内克积3D预编码码本W3D的构造,包括如下步骤:
3.1,水平方向码本为:
其中,水平方向DFT码字为:
NH表示水平码本中的码字个数和表示第nH个水平码字;
3.2,垂直方向码本为:
其中,垂直方向DFT码字为:
NV表示垂直码本中的码字个数和表示第nV个垂直码字;
3.3,3D码本可以表示为:
其中,表示克罗内克积。WH为水平方向码本,WV为垂直方向码本。
上述步骤4中,所述信道相关矩阵可以表示为:假设天线的水平域和垂直域是相互独立的,其中,Rh为水平方向的信道相关矩阵,Rv为垂直方向的信道相关矩阵,根据克罗内克积的特征向量的定理,Rh的第l个特征向量是一个M×1的向量Rv的第k个特征向量是一个N×1的向量则是R的特征向量,即:
上述步骤5中,假设只有一根接收天线的情况下,信道矩阵H3D可以表示为:将信道矩阵在垂直方向上均匀等效成P组,首先考虑信道矩阵的水平维,3D信道矩阵水平方向虚拟等效为:其次考虑信道矩阵的垂直维,垂直方向上矩阵元素采用动态DFT预编码加权因子进行加权,其中0为波长,0为垂直方向俯仰角,第一组垂直方向加权向量为wv1,同样,第P组垂直方向加权向量为wvp,因此,经过垂直预编码后的水平方向等效信道矩阵可写成:
式中,Wv=[wv1,wv2,...,wvp],Wv为垂直方向预编码矩阵,维数为:M×P,
最后,对Heqh进行水平方向预编码,经过水平方向预编码后的3D等效信道矩阵为:
Wh为水平方向预编码矩阵,维数为:N/P×PM。
上述步骤6中,接收端对于每一路垂直数据流,用户可以根据最大信道容量准则选取出垂直预编码矩阵:同样,根据最大信道容量准则选取出水平预编码矩阵:其中“Cap(·)”表示信道容量函数,Ch,Cv是水平码本和垂直码本,反馈时,每一路垂直数据流分别反馈所对应的PMI,水平方向选取信道容量最大的PMI反馈给发送端。
与现有技术相比,本发明的有益效果主要体现在以下几个方面:
(1)可以实现多路数据流的复用,充分利用垂直信道信息,可以更好地提高信道容量。
(2)可以根据垂直方向不同的需要调整垂直方向上的多路复用数,这样可以更好的区分相同水平方向不同垂直方向上的用户。
(3)相比较现有技术,本发明的端口使用数N/P+P-1,相比较正交设计方案M×N,以及垂直方向单流设计端口使用数Q×N,端口使用个数得到了节省,并且实现方式简单,信道容量得到了更好的提高。
附图说明
图1 3D MIMO系统预编码实现流程示意图。
图2本发明多流传输方案3D信道矩阵等效示意图。
图3本发明CSI-RS端口使用分配设计示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明的目的、技术方案及其效果,现将结合实时例对本发明做进一步详细阐述。
本实施例给出了3D MIMO系统中一种基于CSI-RS端口的多流传输方法。
如图1所示,步骤1首先分析发送端,考虑单用户下行场景,基站配置均匀平面矩阵阵列,M根水平方向天线,N根垂直方向天线,发送天线数目为M×N。在接收端,采用Nr根接收天线。为了不失一般性,假设接收端的天线数目为1根。因此,3D MIMO系统模型中用户接收到的信号为:y=H3Dw3Dx+n。
步骤2,采用WINNER II信道模型构建3D信道模型,从发送天线元素s到簇n的接收天线元素u的3D信道矩阵元素为h,h可由下式生成:
因此,在一根接收天线的情况下,信道矩阵H3D可以表示为:
步骤3:利用克罗内克积设计3D码本
根据3D信道水平方向信息设计水平DFT码本WH,根据3D信道垂直方向信息设计垂直动态DFT码本Wv,利用克罗内克积构造3D预编码码本。
具体流程如下:
a)水平方向码本为:
其中,水平方向DFT码字为:
NH表示水平码本中的码字个数和表示第nH个水平码字。
b)垂直方向码本为:
其中,垂直方向DFT码字为:
NV表示垂直码本中的码字个数和表示第nV个垂直码字。
c)3D码本可以表示为:
步骤4:基于CSI-RS的3D MIMO预编码的理论推导
根据信道相关矩阵根据克罗内克积的特征向量的定理,Rh的第l个特征向量是一个M×1的向量Rv的第k个特征向量是一个N×1的向量则是R的特征向量。即:
推导出3D预编码W3D设计方案:
步骤5:基于CSI-RS设计垂直维多流传输方案
首先,对信道矩阵H3D进行水平方向分组,水平方向虚拟等效为其次,对不同水平分组进行垂直预编码WV;最后,对水平方向元素进行预编码WH。
具体流程如下:
如图2所示,将信道矩阵在垂直方向上均匀等效成P组。首先考虑信道矩阵的水平维,3D信道矩阵水平方向虚拟等效为:
其次考虑信道矩阵的垂直维,垂直方向上矩阵元素采用动态DFT预编码加权因子进行加权,其中0为波长,0为垂直方向俯仰角。第一组垂直方向加权向量为wv1,同样,第P组垂直方向加权向量为wvp,因此,经过垂直预编码后的水平方向等效信道矩阵可写成:
式中,Wv=[wv1,wv2,...,wvp],Wv为垂直方向预编码矩阵,维数为:M×P。
最后,对Heqh进行水平方向预编码,经过水平方向预编码后的3D等效信道矩阵为:
Wh为水平方向预编码矩阵,维数为:N/P×PM。
CSI-RS端口的设计方式如图3所示,对于每一组垂直方向上所采用的CSI-RS端口均与其他垂直方向上CSI-RS端口不同,对于不同组水平方向上可采用相同的CSI-RS端口,且与垂直方向上CSI-RS端口不同。
步骤6:接收端,对于每一路垂直数据流,用户可以根据最大信道容量准则选取出垂直预编码矩阵:同样,根据最大信道容量准则选取出水平预编码矩阵:其中“Cap(·)”表示信道容量函数,Ch,Cv是水平码本和垂直码本。反馈时,每一路垂直数据流分别反馈所对应的PMI,水平方向选取信道容量最大的PMI反馈给发送端。
Claims (6)
1.3D MIMO系统中一种基于CSI-RS端口的多流传输方法,其特征在于所述方法包括如下步骤:
步骤1:构建3D MIMO系统模型
在3D MIMO下行链路系统中,用户接收到的信号为:y=H3Dw3Dx+n,式中,H3D是基站到用户之间的3D信道矩阵,w3D是维数为MN×Ns的3D MIMO预编码矩阵;
步骤2:基于WINNER II信道模型设计
从发送天线元素s到簇n的接收天线元素u的3D信道矩阵元素为h,发送端到接收端3D信道矩阵示为H3D;
步骤3:利用克罗内克积设计3D码本
根据3D信道水平方向信息设计水平DFT码本WH,根据3D信道垂直方向信息设计垂直动态DFT码本Wv,利用克罗内克积构造3D预编码码本;
步骤4:基于CSI-RS的3D MIMO预编码的理论进行推导
根据信道相关矩阵推导出3D预编码W3D设计方案:
步骤5:基于CSI-RS设计垂直维多流传输方案
首先,对信道矩阵H3D进行水平方向分组,水平方向虚拟等效为其次,对不同水平分组进行垂直预编码WV,最后,对水平方向元素进行预编码WH;
步骤6:反馈最优预编码矩阵
在接收端,对于垂直方向进行选取最优预编码矩阵WV,对于水平方向进行选取最优预编码矩阵Wh,每一路数据反馈所对应的PMI。
2.根据权利要求1所述的3D MIMO系统中一种基于CSI-RS端口的多流传输方法,其特征在于,所述步骤1中,考虑单用户下行场景,基站配置均匀平面矩阵阵列,M根水平方向天线,其水平天线之间距离为dh;N根垂直方向天线,其垂直天线之间距离为dv;发送天线数目为M×N,在接收端,采用Nr根接收天线,信道矩阵H的维度为Nr×(MN),等效成水平方向可以写为:H=[H1,H2,...,HM],其中Hi的维数为Nr×N。
3.根据权利要求1所述的3D MIMO系统中一种基于CSI-RS端口的多流传输方法,其特征在于,所述步骤3中利用克罗内克积3D预编码码本W3D的构造,包括如下步骤:
3.1,水平方向码本为:
其中,水平方向DFT码字为:
NH表示水平码本中的码字个数和表示第nH个水平码字;
3.2,垂直方向码本为:
其中,垂直方向DFT码字为:
NV表示垂直码本中的码字个数和表示第nV个垂直码字;
3.3,3D码本可以表示为:
其中,表示克罗内克积。WH为水平方向码本,WV为垂直方向码本。
4.根据权利要求1所述的3D MIMO系统中一种基于CSI-RS端口的多流传输方法,其特征在于,所述步骤4中所述信道相关矩阵可以表示为:假设天线的水平域和垂直域是相互独立的,其中,Rh为水平方向的信道相关矩阵,Rv为垂直方向的信道相关矩阵,根据克罗内克积的特征向量的定理,Rh的第l个特征向量是一个M×1的向量Rv的第k个特征向量是一个N×1的向量则是R的特征向量,即:
5.根据权利要求1所述的3D MIMO系统中一种基于CSI-RS端口的多流传输方法,其特征在于,所述步骤5中,假设只有一根接收天线的情况下,信道矩阵H3D可以表示为:将信道矩阵在垂直方向上均匀等效成P组,首先考虑信道矩阵的水平维,3D信道矩阵水平方向虚拟等效为:其次考虑信道矩阵的垂直维,垂直方向上矩阵元素采用动态DFT预编码加权因子进行加权,其中λ为波长,θ为垂直方向俯仰角,第一组垂直方向加权向量为wv1,同样,第P组垂直方向加权向量为wvp,因此,经过垂直预编码后的水平方向等效信道矩阵可写成:
式中,Wv=[wv1,wv2,...,wvp],Wv为垂直方向预编码矩阵,维数为:M×P,
最后,对Heqh进行水平方向预编码,经过水平方向预编码后的3D等效信道矩阵为:
Wh为水平方向预编码矩阵,维数为:N/P×PM。
6.根据权利要求1所述的3D MIMO系统中一种基于CSI-RS端口的多流传输方法,其特征在于,所述步骤6中,接收端对于每一路垂直数据流,用户可以根据最大信道容量准则选取出垂直预编码矩阵:同样,根据最大信道容量准则选取出水平预编码矩阵:其中“Cap(·)”表示信道容量函数,Ch,Cv是水平码本和垂直码本,反馈时,每一路垂直数据流分别反馈所对应的PMI,水平方向选取信道容量最大的PMI反馈给发送端。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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