CN106982088B - 3d mimo系统中一种基于csi-rs端口的多流传输方法 - Google Patents

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W_3D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H_3D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W_V，最后，对水平方向元素进行预编码W_H。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W_V，对于水平方向进行选取最优预编码矩阵W_h,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

3D MIMO系统中一种基于CSI-RS端口的多流传输方法

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w_h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w_v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＝H_3Dw_3Dx+n，式中，H_3D是基站到用户之间的3D信道矩阵，w_3D是维数为MN×N_s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H_3D；

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W_H,根据3D信道垂直方向信息设计垂直动态DFT码本W_v,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W_3D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H_3D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W_V，最后，对水平方向元素进行预编码W_H；

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W_V，对于水平方向进行选取最优预编码矩阵W_h,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d_h；N根垂直方向天线，其垂直天线之间距离为d_v；发送天线数目为M×N,在接收端，采用N_r根接收天线，信道矩阵H的维度为N_r×(MN)，等效成水平方向可以写为:H＝[H₁,H₂,...,H_M]，其中H_i的维数为N_r×N。

上述步骤3中，利用克罗内克积3D预编码码本W_3D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：

N_H表示水平码本中的码字个数和

表示第n_H个水平码字；

3.2，垂直方向码本为：

其中，垂直方向DFT码字为：

N_V表示垂直码本中的码字个数和

表示第n_V个垂直码字；

3.3，3D码本可以表示为:

其中，

表示克罗内克积。W_H为水平方向码本，W_V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，R_h为水平方向的信道相关矩阵，R_v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，R_h的第l个特征向量是一个M×1的向量

R_v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H_3D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w_v1，

同样，第P组垂直方向加权向量为w_vp，

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，W_v＝[w_v1,w_v2,...,w_vp]，W_v为垂直方向预编码矩阵，维数为：M×P，

最后，对H_eqh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:

W_h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，C^h，C^v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N_r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＝H_3Dw_3Dx+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H_3D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W_H,根据3D信道垂直方向信息设计垂直动态DFT码本W_v,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：

N_H表示水平码本中的码字个数和

表示第n_H个水平码字。

b)垂直方向码本为：

其中，垂直方向DFT码字为：

N_V表示垂直码本中的码字个数和

表示第n_V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，R_h的第l个特征向量是一个M×1的向量

R_v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W_3D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H_3D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W_V；最后，对水平方向元素进行预编码W_H。

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w_v1，

同样，第P组垂直方向加权向量为w_vp，

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，W_v＝[w_v1,w_v2,...,w_vp]，W_v为垂直方向预编码矩阵，维数为：M×P。

最后，对H_eqh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:

W_h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，C^h，C^v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 (5)

1.一种3D MIMO系统的基于CSI-RS的多路数据流传输方案，其特征在于该方案包括如下步骤：

步骤1：构建3D MIMO系统模型

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d_h；N根垂直方向天线，其垂直天线之间距离为d_v；则发送天线数目为M×N,在接收端，采用N_r根接收天线，信道矩阵H的维度为N_r×(MN)，等效成水平方向可以写为:H＝[H₁,H₂,...,H_M]，其中H_i的维数为N_r×N，设用户发送的数据流为x，接收到的信号为：y＝H_3DW_3Dx+n，式中，H_3D是基站到用户之间的3D信道矩阵，W_3D是维数为MN×N_s的3D MIMO预编码矩阵，其中N_s是数据流的路数，n是遵循高斯随机分布的噪声向量，均值为0，方差为

步骤2：基于WINNER II信道模型设计

从发送天线元素s到接收天线元素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H_3D；

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W_h,根据3D信道垂直方向信息设计垂直动态DFT码本W_v,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W_3D设计方案：

步骤5：基于CSI-RS设计垂直维多路数据流传输方案

首先，对信道矩阵H_3D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W_V，最后，对水平方向元素进行预编码W_H；

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W_V，对于水平方向进行选取最优预编码矩阵W_H,每一路数据反馈所对应的PMI。

2.根据权利要求1一种3D MIMO系统的基于CSI-RS的多路数据流传输方案，其特征在于，所述步骤3中利用克罗内克积3D预编码码本W_3D的构造，包括如下步骤：

2.1.水平方向码本为：

其中，水平方向DFT码字为：

N_H表示水平码本中的码字个数和

表示第n_H个水平码字；

2.2.垂直方向码本为：

其中，垂直方向DFT码字为：

N_V表示垂直码本中的码字个数和

表示第n_V个垂直码字,垂直天线之间距离为d_v；

2.3.3D码本可以表示为:

其中，

表示克罗内克积，W_h为水平方向码本，W_v为垂直方向码本。

3.根据权利要求1一种3D MIMO系统的基于CSI-RS的多路数据流传输方案，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，R_h为水平方向的信道相关矩阵，R_v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，R_h的第l个特征向量是一个M×1的向量

l＝1,2,…L，L是矩阵R_h的秩；R_v的第k个特征向量是一个N×1的向量

k＝1,2,…K，K是矩阵R_v的秩；则

是R的特征向量，即：

4.根据权利要求1一种3D MIMO系统的基于CSI-RS的多路数据流传输方案，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H_3D可以表示为：H_3D＝[h_1,1,1,…,h_1,M,1,…h_1,1,N,…h_1,M,N]，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m是码字编号，d_v是垂直天线之间距离；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w_v1，

同样，第P组垂直方向加权向量为w_vp，

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，W_V＝[w_v1,w_v2,…,w_vp]，W_V为垂直方向预编码矩阵，维数为：M×P，I为单位阵；

最后，对H_eqh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:

W_H为水平方向预编码矩阵，维数为：N/P×PM。

5.根据权利要求1一种3D MIMO系统的基于CSI-RS的多路数据流传输方案，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，C^v,C^h是水平码本和垂直码本的集合，

为噪声方差，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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