CN108418770A - 大规模mimo中基于信道估计误差的频域信道互易补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了大规模MIMO中基于信道估计误差的频域信道互易补偿方法，该方法包括信道估计和互易性补偿两部分；首先采用最小二乘法估计上行链路的信道频域响应，对存在估计误差的信道频域响应进行校准，之后采用最小均方误差准则求得校准系数，该校准系数与下行链路信道值的自相关函数有关，可通过对自相关函数的迭代估计提高自相关函数的精确度，进而提高校准系数的准确性。本发明方法在弥补信道估计误差对信道互易性影响的基础上，提高了系统的容量和可靠性。

Description

大规模MIMO中基于信道估计误差的频域信道互易补偿方法

技术领域

本发明涉及大规模MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出系统)中基于信道估计误差的频域信道互易补偿方法，属于大规模MIMO、信道估计、信道互易补偿技术领域。

背景技术

大规模MIMO技术在基站端配备大规模的天线阵列，能够大幅的提升通信系统的容量和频谱效率，已经成为未来第五代通信系统(5G)的最关键技术之一。而大规模MIMO时分双工(Time Division Duplexing，TDD)系统中由于上下行信道采用相同的频谱资源，因此具有相似的频谱特性，即在大规模MIMOTDD系统中上下行信道具有互易性。系统根据上行链路估计的信道状态信息(Channel State Information，CSI)而获得下行链路的CSI，从而大大降低了系统的开销。然而在实际的通信系统中，受到信号传播环境中信道估计误差、I/Q不平衡、用户设备高速移动而造成的信道时变、发送端接收端设备的不匹配以及基站天线间相互作用等因素的影响，TDD系统中信道互易性丧失，若此时仍利用系统的互易性，则将导致系统性能的恶化。

由于在下行链路传输中，基站根据检测到的信道状态信息来对下行发送信号进行预处理，当信道估计存在误差时，即使实际的上下行链路是完全一致的，由于估计误差的存在也会影响系统的性能。对于信道估计误差引起信道互易性丧失的问题，许多学者提出了相应的解决方案，以此来提高系统的性能。孙德春提出了一种基于虚载波添加和导频重选的方法来估计信道值的算法，该算法通过对虚载波的添加以及将导频子载波选择在严格等距的子载波上，之后通过FFT插值的方法估计信道，有效地抑制了信道估计误差，提高了无线通信系统的容量[孙德春.无线通信系统协作传输和信道互易性问题研究[D].西安电子科技大学,2012]。Chenhao分析了信道模型的块相干性，利用信道的时间-空间相关性，提出了一种联合信道估计算法，该算法估计误差将随着基站天线的增多而下降[Chenhao Qiand Lenan Wu.Uplink channel estimation for massive MIMO systems exploringjoint channel sparsity[J].Electronics Letters.2014,50(23):1770-1772]。Zhilin Z等在信道稀疏度未知的情况下，利用块稀疏信道的块内相关性提出了基于块稀疏贝叶斯学习(BSBL)的信道估计算法，该算法可以在一定程度上提升信道的估计性能[Zhilin Z,RaoD B.Recovery of block sparse signals using the framework of block sparseBayesian learning[C]//2012IEEE International Conference on Acoustics,Speechans Signal Processing(ICASSP),Kyoto,Japan,2012:3345-3348]。Hao Li等人根据上下行链路间的实际关系，利用发送端估计得到的信道值来校准接收端检测的信道值，从而保证发送端和接收端间的信道保持一致[Hao Li,Xianbin Wang,Helen Tang.Compensationof imperfect channel reciprocity through MMSE prediction for physical-layerconfidentiality enhancement[C]//2016International Conference on MilitaryCommunications and Information Systems(ICMCIS).IEEE,2016:1-6.]。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供大规模MIMO中基于信道估计误差的频域信道互易补偿方法，通过弥补信道估计误差对信道互易性的影响，提高了系统的容量和可靠性。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

大规模MIMO中基于信道估计误差的频域信道互易补偿方法，包括如下步骤：

步骤1，设定大规模MIMO采用时分双工模式，建立大规模MIMO的信道模型：Y＝HX+N，其中，H表示信道频域响应，Y、X、N分别表示导频位置处的接收信号、发送信号、加性高斯白噪声；

步骤2，采用最小二乘法估计上行链路信道频域响应，得到上行链路信道频域响应的估计值；

步骤3，利用上行链路信道频域响应的估计值对下行链路进行校准，令下行链路信道频域响应为根据最小均方误差准则求得校准系数G，其中，表示上行链路信道频域响应的估计值，H_d表示下行链路信道频域响应的实际值；

步骤4，对校准系数中包含的自相关函数进行迭代，得到下行链路信道频域响应的最终实际值，具体步骤如下：

4.1，对自相关函数、校准系数、上行链路信道频域响应的实际值进行初始化：k＝0；其中，R_H表示自相关函数，表示上行链路信道频域响应的估计值，E[]表示均值，β²表示方差，I表示单位矩阵，H_d表示下行链路信道频域响应的实际值，上标H表示共轭转置，上标T表示转置，k表示迭代次数；

4.2，通过下列公式更新下行链路的自相关函数和校准系数G^k+1：

其中，0≤λ≤1表示加权因子；

4.3，利用更新后的自相关函数和校准系数得到下行链路信道频域响应：

4.4，判断是否达到迭代终止条件，当时，终止迭代，此时，下行链路信道频域响应的最终实际值为α为阈值；否则，令k＝k+1并返回4.2，重新迭代。

作为本发明的一种优选方案，步骤1所述建立大规模MIMO的信道模型，具体过程为：

在正交频分复用系统中，发送端将发送信号经过串并变换和Q进制正交振幅调制操作转换为K维的频域向量，对K维的频域向量进行逆傅里叶变换、插入循环前缀后，发送到信道进行传输，发送信号中包含导频；接收端将接收到的导频信号进行移除循环前缀和傅里叶变换后得到接收信号，同时，接收端根据接收到的导频信号来估计信道状态信息，其中，K表示信道包含的子载波数目。

作为本发明的一种优选方案，步骤2所述上行链路信道频域响应的估计值，具体公式为：

其中，表示上行链路信道频域响应的估计值，H_u表示上行链路信道频域响应的实际值，Z_u表示估计误差，Y、X分别表示导频位置处的接收信号、发送信号，上标H表示共轭转置。

作为本发明的一种优选方案，步骤3所述下行链路信道频域响应，表达式为：

其中，表示下行链路信道频域响应的估计值，G表示校准系数，表示上行链路信道频域响应的估计值，上标T表示转置。

作为本发明的一种优选方案，步骤3所述校准系数G的表达式为：

其中，R_H表示自相关函数，上标T表示转置，β²表示方差，I表示单位矩阵。

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：

1、本发明既考虑了信道估计误差对TDD系统中上下行信道互易性造成的影响，通过对上行链路的信道估计值校准来预测下行链路的信道值，并利用MMSE准则来计算校准系数。

2、本发明同时考虑到校准系数中自相关函数估计的不准确性，通过线性迭代以提高校准系数的精确度，进而保证TDD系统中上下行链路的互易性，提高大规模MIMO系统的信道容量。

附图说明

图1是信道估计存在误差时的系统传输模型。

图2是本发明大规模MIMO中基于信道估计误差的频域信道互易补偿方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明大规模MIMO中基于信道估计误差的频域信道互易补偿方法，包括信道估计和互易性两部分。针对上行链路信道估计中不可避免的存在信道估计误差，利用上行信道估计值对下行链路进行校准，根据最小均方误差准则求得校准系数，并通过对下行链路信道值自相关函数的迭代估计，提高校准系数的精度。

如图2所示，具体实施过程如下：

步骤1、首先建立大规模MIMO系统的信道模型

假设大规模MIMO系统采用了TDD双工模式，基站端有M根天线，而在移动端有U个单天线用户，信道有K个子载波。在正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，OFDM)系统中，发送端将发送信号经过串并变换和Q进制正交振幅调制(Q-QAM)等操作转换为K维的频域向量。在进行逆傅里叶变换、插入循环前缀后，将发送信号发送到无线信道进行传输。接收端将接收到的信号进行移除循环前缀和傅里叶变换后得到接收信号。则基站端接收到的信号可以表示为：Y′＝HX′+N′，其中H表示信道频域响应，X'为发送信号，N'为信道噪声。

由于接收端根据接收到的导频信号来估计信道状态信息，故假设发送信号中包含P个导频，且其位置集合为Λ₁,Λ₂,...,Λ_K，则接收端接收到的导频信号为Y_Λ′＝H′_ΛX′_Λ+N′_Λ，其中Y_Λ′、X′_Λ、N′_Λ及H′_Λ分别表示导频位置处的接收信号、发送信号、加性高斯白噪声以及信道频域响应，令Y＝Y_Λ′、X＝X′_Λ、N＝N′_Λ及H＝H′_Λ，则接收导频可表示为Y＝HX+N。

步骤2、利用最小二乘法(Least Squares，LS)估计上行链路的信道频域响应：其中，H_u为实际的上行频域响应，(·)^H表示共轭转置，Z_u表示估计误差，且Z_u的元素满足均值为零、方差为β²的高斯分布。

步骤3、令下行链路信道频域响应为根据最小均方误差准则求得校准系数为其中，I表示单位矩阵，(·)^T表示转置，E[]表示均值。

步骤4、通过以下步骤来求自相关函数和校准系数：

4.1、初始化k＝0；

4.2、更新当前的下行链路信道的自相关函数和校准系数G^k+1：其中，0≤λ≤1为加权因子；

4.3、利用自相关函数和校准系数得到信道频域响应：

4.4、迭代终止条件：当(α为阈值)时，终止迭代，此时否则，令k＝k+1并返回步骤4.2，重新迭代。

下面以一具体实施例进行阐述，假设大规模MIMO系统中基站端有8根天线，而移动终端有3个单天线用户，信道的子载波数K＝256。则发送端信号可表示为X″＝[X″₁,X″₂X″₃]^T，而移动终端和基站间的信道频域响应可表示为：

其中，H_mu为终端第u(1≤u≤3)个用户到基站端第m(1≤m≤8)根天线间的信道频域响应，则基站端接收到的信号表示为Y′＝HX′+N′，

假设导频个数为P，则导频位置接收符号Y＝HX+N，根据最小二乘法可得上行信道的频域响应当信道估计无误时，根据上下行信道互易性可直接得到下行链路的信道信息然而采用最小二乘法得到的信道估计值存在信道估计误差(信道估计方差为β²)，下行链路的信道值H_d与信道估计值不相等，若此时仍将上行信道值用于下行链路的信号传输中(如图1所示)，将会导致大规模MIMO系统性能的下降。为了补偿信道估计误差的影响，基站端根据上行信道估计值对下行链路进行预测，即

其中，G为待求的8阶校准方阵，令实际的下行信道值与预测的信道值间的预测误差为

则根据最小均方误差(MMSE)准则，可得校准矩阵为

G＝argmin f(G)＝argmin E(||e(G)||²) (5)

通过均方误差对G^*求导，并令该导数为零，即可得出均方差最小时对应的校准矩阵G，有

得出校准矩阵其中为下行信道值的自相关矩阵，实际中R_H无法作为信道的先验信息，故一般采用上行信道估计值代替下行信道值，为了降低自相关矩阵的误差，引入一个加权因子λ＝0.9，通过迭代估计校准矩阵G，假设在第k次迭代中得到的自相关矩阵为则第k+1次迭代中自相关矩阵为

则相应的校准矩阵

假设迭代终止的阈值α＝10^-4，则可通过迭代估计校准矩阵的步骤为：

1、初始化k＝0；

2、更新当前的下行链路信道的自相关函数和补偿系数G^k+1：其中0≤λ≤1为加权因子；

3、利用自相关函数和补偿系数得到信道频域响应：

4、迭代终止条件：当(α为阈值)时，终止迭代，此时否则，令k＝k+1并返回步骤4.2，重新迭代。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.大规模MIMO中基于信道估计误差的频域信道互易补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，设定大规模MIMO采用时分双工模式，建立大规模MIMO的信道模型：Y＝HX+N，其中，H表示信道频域响应，Y、X、N分别表示导频位置处的接收信号、发送信号、加性高斯白噪声；

步骤2，采用最小二乘法估计上行链路信道频域响应，得到上行链路信道频域响应的估计值；

步骤3，利用上行链路信道频域响应的估计值对下行链路进行校准，令下行链路信道频域响应为根据最小均方误差准则求得校准系数G，其中，表示上行链路信道频域响应的估计值，H_d表示下行链路信道频域响应的实际值；

步骤4，对校准系数中包含的自相关函数进行迭代，得到下行链路信道频域响应的最终实际值，具体步骤如下：

4.1，对自相关函数、校准系数、上行链路信道频域响应的实际值进行初始化：k＝0；其中，R_H表示自相关函数，表示上行链路信道频域响应的估计值，E[]表示均值，β²表示方差，I表示单位矩阵，H_d表示下行链路信道频域响应的实际值，上标H表示共轭转置，上标T表示转置，k表示迭代次数；

4.2，通过下列公式更新下行链路的自相关函数和校准系数G^k+1：

其中，0≤λ≤1表示加权因子；

4.3，利用更新后的自相关函数和校准系数得到下行链路信道频域响应：

4.4，判断是否达到迭代终止条件，当时，终止迭代，此时，下行链路信道频域响应的最终实际值为α为阈值；否则，令k＝k+1并返回4.2，重新迭代。

2.根据权利要求1所述大规模MIMO中基于信道估计误差的频域信道互易补偿方法，其特征在于，步骤1所述建立大规模MIMO的信道模型，具体过程为：

在正交频分复用系统中，发送端将发送信号经过串并变换和Q进制正交振幅调制操作转换为K维的频域向量，对K维的频域向量进行逆傅里叶变换、插入循环前缀后，发送到信道进行传输，发送信号中包含导频；接收端将接收到的导频信号进行移除循环前缀和傅里叶变换后得到接收信号，同时，接收端根据接收到的导频信号来估计信道状态信息，其中，K表示信道包含的子载波数目。

3.根据权利要求1所述大规模MIMO中基于信道估计误差的频域信道互易补偿方法，其特征在于，步骤2所述上行链路信道频域响应的估计值，具体公式为：

其中，表示上行链路信道频域响应的估计值，H_u表示上行链路信道频域响应的实际值，Z_u表示估计误差，Y、X分别表示导频位置处的接收信号、发送信号，上标H表示共轭转置。

4.根据权利要求1所述大规模MIMO中基于信道估计误差的频域信道互易补偿方法，其特征在于，步骤3所述下行链路信道频域响应，表达式为：

其中，表示下行链路信道频域响应的估计值，G表示校准系数，表示上行链路信道频域响应的估计值，上标T表示转置。

5.根据权利要求1所述大规模MIMO中基于信道估计误差的频域信道互易补偿方法，其特征在于，步骤3所述校准系数G的表达式为：

其中，R_H表示自相关函数，上标T表示转置，β²表示方差，I表示单位矩阵。