CN108173581A - 多天线无线通信系统中信道非互易条件下的误差校正方法 - Google Patents

多天线无线通信系统中信道非互易条件下的误差校正方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了多天线无线通信系统中信道非互易条件下的误差校正方法，该方法按以下步骤进行：1)基站从所服务的用户终端获取上行信道矩阵,由于信道中存在互易误差，在基站端获取互易误差估计矩阵；2)根据所得的上行信道状态信息和互易误差估计矩阵，在基站端设计最优的校正矩阵；3)利用最优校正矩阵，计算发送预编码矩阵。

Description

多天线无线通信系统中信道非互易条件下的误差校正方法
技术领域
本发明涉及无线数据传输领域，特别涉及当无线通信系统信道非互易时的误差校正方法。
背景技术
在接下来的5年时间里，全球的数据流量将会增长3倍以上，并且相比于2005年，增长倍数将会达到100倍。智能可携带设备的流行，以及机器通信方式的崛起以及物联网市场的繁荣。因此针对未来无线网络中大量的通信场景，急需一种重定义的结构对海量新兴的应用，QoS(Quality of Service，服务质量)需求提供良好的支持。其中大规模MIMO(Multiple-Input Multiple-Output,多输入多输出)被认为是可以在基站端取得最显著突破的技术。跟传统的多用户MIMO不同，大规模MIMO使用大量低功耗的基站天线，在同一个时频资源块去服务多个用户设备，此时大规模MIMO在无线数据速率和链路可靠性上也可以取得显著的增益。在过去几年中，大规模MIMO技术已经吸引了来自学术界和工业界大量的关注，并成为了无线通信领域最热门的研究话题。
实际大规模MIMO系统的运行依赖于当采用时分双工工作模式时上下行信道的互易特性。理想情况下，下行链路的信道状态信息可以通过在基站端计算上行链路的信道状态信息获得。但在实际情况中，由于基站和用户端接收和发送信号分别使用两套不同的设备，因此不同的收发设备之间存在着的一系列由于射频电路引入的射频误差，比如混频器、功率放大器、滤波器，导致真实的上下行信道并非互易的。而且由于在大规模MIMO系统中，基站端可能采用更廉价的射频天线，使得基站端和用户端之间的误差将会进一步的变大，这些都将导致系统性能的下降。而现有的下行预编码技术在进行预编码矩阵的计算时并没有考虑基站与用户之间存在的互易性误差致使系统性能下降。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种多天线无线通信系统中信道非互易条件下的误差校正方法，以降低互易误差对系统性能的影响，提高系统和速率。
技术方案：为实现上述目标，本发明采用的技术方案为：
多天线无线通信系统中信道非互易条件下的误差校正方法，基于多用户的无线通信系统，所述系统工作在时分双工模式下，基站端配置N根天线同时服务K个单天线用户，由于基站端和用户端的射频电路的增益不对称性引入了信道互易误差，通过设计一个优化的校正矩阵来校正信道互易误差，具体步骤如下：
步骤一：基站从所服务的用户终端获取上行信道矩阵G，由于信道中存在互易误差，在基站端获取互易误差估计矩阵
步骤二：根据所得的上行信道状态信息和互易误差估计矩阵，在基站端设计最优的校正矩阵Bopt；
步骤三：利用最优校正矩阵，计算发送预编码矩阵。
作为本发明所述的多天线无线通信系统中信道非互易条件下的误差校正方法，在步骤一中，所述信道按照如下方式建模：
H＝AGTB，
其中，G为N×K的随机矩阵，代表上行信道矩阵，其元素是零均值，方差为1的独立同分布的复高斯随机变量，上标(·)T代表矩阵转置，H为K×N的随机矩阵，代表下行信道矩阵，其元素是零均值，方差为1的独立同分布的复高斯随机变量，A为K×K的随机对角矩阵，代表用户端互易误差，其元素是零均值，方差为的独立同分布的复高斯随机变量，B为N×N的随机矩阵，代基站端互易误差,其中对角线元素是均值为1，方差为的独立同分布的复高斯随机变量，非对角线元素是零均值，方差为的独立同分布的复高斯随机变量。
作为本发明所述的多天线无线通信系统中信道非互易条件下的误差校正方法，在步骤一中，互易误差估计矩阵按照如下方式建模：
其中，ΔB为N×N的随机矩阵，代表误差矩阵的估计误差，其元素是零均值，方差为的独立同分布的复高斯随机变量。
作为本发明所述的多天线无线通信系统中信道非互易条件下的误差校正方法，在步骤一中，基站从服务的用户终端获取上行信道矩阵G，以及在基站端获取互易误差估计矩阵
作为本发明所述的多天线无线通信系统中信道非互易条件下的误差校正方法，在步骤二中，最优的校正矩阵Bopt计算方法为：其中，I为单位阵，c为系数，并且c满足
其中，表示使得f(x)取得最大值时所对应的变量x的值，同时c的取值满足条件c＞0，k表示个终端用户。
作为本发明所述的多天线无线通信系统中信道非互易条件下的误差校正方法，在步骤二中：第k个终端用户的接收信号可以表示为：
其中，ρd代表下行传输的信噪比，代表功率归一化系数，tr(·)代表矩阵的求迹运算，W＝G*(GTG*)-1为预编码矩阵，上标(·)*代表矩阵共轭运算，E[·]代表求期望；表示真实下行信道，ak为A中对角线上第k个元素，表示第k个用户终端的互易误差，gk表示上行信道矩阵G中的第k个列向量，wk预编码矩阵W中的第k个列向量，si代表第i个用户的发送符号，满足E[|si|2]＝1，nk代表噪声方差为1的高斯白噪声；上式中代表有用信号，代表符号间干扰，代表用户间干扰，至此，第k个终端用户信干噪比按如下步骤进行：
(2a)计算第k个终端用户接收的有用信号其中，k＝1,2,...K；
(2b)计算第k个终端用户所受符号间干扰其中，k＝1,2,...K；
(2c)计算第k个终端用户所受的用户间干扰其中，k＝1,2,...K；
(2d)计算第k个终端用户的信干噪比其中，k＝1,2,...K，var(·)代表求方差。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本方法通过使用优化的校正矩阵，使得互易误差对系统系统的干扰降低，从而提高系统和速率。
附图说明
图1为基站与终端用户存在信道互易误差的系统架构图。
图2为多天线无线通信系统中信道非互易条件下的误差校正方法的流程图。
图3位本发明实施例提供的多天线无线通信系统中信道非互易条件下的误差校正后的系统和速率。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。
本发明实施例提供的多天线无线通信系统中信道非互易条件下的误差校正方法，在系统存在信道互易误差时，可以达到最大化系统和速率的要求。本例的多天线无线通信系统架构图如图1所示，所述系统工作在时分双工模式下，基站端配置N根天线同时服务K个单天线用户，由于基站端和用户端的射频电路的增益不对称性而引入了信道互易误差。
如图2所示，本发明实施例提供的多天线无线通信系统中信道非互易条件下的误差校正方法的流程图，该方法包括如下步骤：
步骤101：基站从所服务的用户终端获取上行信道矩阵G，由于信道中存在互易误差，在基站端获取互易误差估计矩阵
步骤102：根据所得的上行信道状态信息和互易误差估计矩阵，在基站端设计最优的校正矩阵最优的校正矩阵其中，I为单位阵，c为系数，并且c满足
其中，表示使得f(x)取得最大值时所对应的变量x的值，同时c的取值满足条件c＞0。
第k个终端用户的接收信号可以表示为：
其中，ρd代表下行传输的信噪比，代表功率归一化系数，tr(·)代表矩阵的求迹运算，W＝G*(GTG*)-1为预编码矩阵，上标(·)*代表矩阵共轭运算，E[·]代表求期望；表示真实下行信道，ak为A中对角线上第k个元素，表示第k个用户终端的互易误差，gk表示上行信道矩阵G中的第k个列向量，wk预编码矩阵W中的第k个列向量，si代表第i个用户的发送符号，满足E[|si|2]＝1，nk代表噪声方差为1的高斯白噪声；上式中代表有用信号，代表符号间干扰，代表用户间干扰，至此，第k个终端用户信干噪比按如下步骤进行：
(2a)计算第k个终端用户接收的有用信号其中，k＝1,2,...K；
(2b)计算第k个终端用户所受符号间干扰其中，k＝1,2,...K；
(2c)计算第k个终端用户所受的用户间干扰其中，k＝1,2,...K；
(2d)计算第k个终端用户的信干噪比其中，k＝1,2,...K，var(·)代表求方差。
步骤103：利用最优校正矩阵，计算发送预编码矩阵。
如图3所示，本发明实施例提供的一种多天线无线通信系统的实例。该实例作为本发明实施例的一种特殊情况，可推广到其他类似情形，图中给出了本方法所得到的系统和速率，并与现有的方法对比分析。具体参数设置如下：
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.多天线无线通信系统中信道非互易条件下的误差校正方法，其特征在于：该方法基于多用户的无线通信系统，所述系统工作在时分双工模式下，基站端配置N根天线同时服务K个单天线用户，由于基站端和用户端的射频电路的增益不对称性引入了信道互易误差，通过设计一个优化的校正矩阵来校正信道互易误差，具体步骤如下：
步骤一：基站从所服务的用户终端获取上行信道矩阵G，由于信道中存在互易误差，在基站端获取互易误差估计矩阵
步骤二：根据所得的上行信道状态信息和互易误差估计矩阵，在基站端设计最优的校正矩阵Bopt；
步骤三：利用最优校正矩阵，计算发送预编码矩阵。
2.根据权利要求1所述的多天线无线通信系统中信道非互易条件下的误差校正方法，其特征在于：在步骤一中，所述信道按照如下方式建模：
H＝AGTB，
其中，G为N×K的随机矩阵，代表上行信道矩阵，其元素是零均值，方差为1的独立同分布的复高斯随机变量，上标(·)T代表矩阵转置运算，H为K×N的随机矩阵，代表下行信道矩阵，其元素是零均值，方差为1的独立同分布的复高斯随机变量，A为K×K的随机对角矩阵，代表用户端互易误差，其元素是零均值，方差为的独立同分布的复高斯随机变量，B为N×N的随机矩阵，代基站端互易误差,其中对角线元素是均值为1，方差为的独立同分布的复高斯随机变量，非对角线元素是零均值，方差为的独立同分布的复高斯随机变量。
3.根据权利要求1所述的多天线无线通信系统中信道非互易条件下的误差校正方法，其特征在于：在步骤一中，互易误差估计矩阵按照如下方式建模：
其中，ΔB为N×N的随机矩阵，代表误差矩阵的估计误差，其元素是零均值，方差为的独立同分布的复高斯随机变量。
4.根据权利要求1所述的多天线无线通信系统中信道非互易条件下的误差校正方法，其特征在于：在步骤一中，基站从服务的用户终端获取上行信道矩阵G，以及在基站端获取互易误差估计矩阵
5.根据权利要求1所述的多天线无线通信系统中信道非互易条件下的误差校正方法，其特征在于：在步骤二中，最优的校正矩阵Bopt计算方法为：其中，I为单位阵，c为系数，并且c满足
其中，表示使得f(x)取得最大值时所对应的变量x的值，同时c的取值满足条件c＞0，表示k个终端用户。
6.根据权利要求5所述的多天线无线通信系统中信道非互易条件下的误差校正方法，其特征在于：第k个终端用户的接收信号表示为：
其中，ρd代表下行传输的信噪比，代表功率归一化系数，tr(·)代表矩阵的求迹运算，W＝G*(GTG*)-1为预编码矩阵，上标(·)*代表矩阵共轭运算，E[·]代表求期望；表示真实下行信道，ak为A中对角线上第k个元素，表示第k个终端用户的互易误差，gk表示上行信道矩阵G中的第k个列向量，wk预编码矩阵W中的第k个列向量，si代表第i个用户的发送符号，满足E[|si|2]＝1，nk代表噪声方差为1的高斯白噪声；上式中代表有用信号，代表符号间干扰，代表用户间干扰，至此，第k个终端用户信干噪比按如下步骤进行：
(2a)计算第k个终端用户接收的有用信号其中，k＝1,2,...K；
(2b)计算第k个终端用户所受符号间干扰其中，k＝1,2,...K；
(2c)计算第k个终端用户所受的用户间干扰其中，k＝1,2,...K；
(2d)计算第k个终端用户的信干噪比其中，k＝1,2,...K，var(·)代表求方差。
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