CN108540241B - 一种多天线无线通信系统的信道互易性校正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多天线无线通信系统的信道互易性校正方法，应用于无线通信领域，所述方法包括：基站向辅助校正设备发送下行校正信号，其中下行校正信号由2N‑1个下行单频率信号组成，并通过N根天线发送。每根天线发送一个或多个下行单频率信号；辅助校正设备接收下行校正信号，并提取每个下行单频率信号上的第一系数；辅助校正设备根据提取的各下行单频率信号上的第一系数对各单频率信号进行调制得到上行单频率信号，并将所有上行单频率信号相加后得到上行校正信号，向基站发送；基站根据上行校正信号中各上行单频率信号上的第二系数得到校正因子，完成信道互易性校正。通过本发明无需数据传输通道，能够更加快速有效地的完成信道校正。

Description

一种多天线无线通信系统的信道互易性校正方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，更具体地，涉及一种多天线无线通信系统的信道互易性校正方法。
背景技术
为了满足未来千亿设备的连接和多样化的业务需求，第五代移动通信(5G)已成为全球的研发热点。作为5G中最具潜力的传输技术，大规模多天线技术(Massive MIMO)已经得到了广泛的学界和业界关注。Massive MIMO系统在基站覆盖区域内配置数十根甚至数百根天线，通过利用冗余的空间自由度，可以在三维空间形成具有很高空间分辨能力的高增益窄细波束，从而提供灵活的空间复用能力，实现更高的系统容量和频谱效率。
由于时分双工存在上下行信道的互易性，Massive MIMO通常应用在时分双工系统中。这样，无需下行信道估计，基站可直接利用上行信道信息进行下行传输。然而在实际无线场景中，各天线收发单元的幅相差异会破坏上下行信道的互易特征，从而影响MassiveMIMO性能。因此校正Massive MIMO中上下行的信道差异(信道互易性校正)是十分必要的。
现有较为有效的信道互易性校正方法为空中传输校正方法。该类方法的核心思想是：利用基站上的一根参照天线和一个位置固定的辅助校正设备(Assistant CalibrationDevice，ACD)通过训练符号的无线传输来实现基站的相对信道互易性校正。具体地说，1)ACD首先上行发送训练符号给基站，基站通过信道估计得到上行信道信息；2)基站天线随后依次发送训练符号至ACD，ACD依次估计每根天线对应的信道信息，并反馈给基站；3)最后，基站通过估计的上行信道信息和收到的反馈信息估计每根天线的相对校正因子，完成信道互易性校正。
尽管空中传输校正方法易于实现且对硬件复杂度要求不高，但是可以看出该方法信息交互量大。特别是当天线数量较大时，基站需要花费大量时间在每根天线上传输下行导频；该时间的长度正比于天线的数量。此外，在ACD向基站反馈信息时，需要数据传输通道传输信道信息，从而使得校正不及时且效率低下。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多天线无线通信系统的信道互易性校正方法，由此解决现有空中传输校正方法存在的信息交互量大、校正不及时且效率低下的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种多天线无线通信系统的信道互易性校正方法，包括：
基站向辅助校正设备发送下行校正信号，其中，下行校正信号由2N-1个下行单频率信号组成，并通过N根天线发送，每根天线发送一个或多个下行单频率信号，N为基站的收发天线的个数；
辅助校正设备接收下行校正信号，提取每个下行单频率信号上的第一系数；
辅助校正设备根据提取的各下行单频率信号上的第一系数对各单频率信号进行调制得到上行单频率信号，并将所有上行单频率信号相加后得到上行校正信号，并向基站发送；
基站接收上行校正信号，提取各上行单频率信号上的第二系数，并根据各上行单频率信号上的第二系数得到校正因子，完成信道互易性校正。
优选地，基站发送的2N-1个下行单频率信号的各频率等间隔分布且相邻的单频率信号的频率差为Δf，各下行单频率信号的序号为1，2，3，...，2N-1，在N根天线中，以第i根天线为参照天线，由参照天线发送N个下行单频率信号，且参照天线发送的下行单频率信号的序号为2i-1和2，4，6，...，2N-2，除去参照天线后剩余的N-1根天线分别发送一个下行单频率信号，且对于第n(n≠i)根天线，其发送的下行单频率信号的序号为2n-1。
优选地，所述辅助校正设备接收的下行校正信号表示为：
Figure GDA0002394776080000031
其中，f1为频率序号为1的单频率信号的频率值，Dk为频率序号为k的下行单频率信号对应的第一系数，计算Ck＝Dk/Ak，其中，Ak为基站使用的频率序号为k的下行单频率信号的幅度调制系数，Ak是辅助校正设备知道的参数，用于控制功率以及信号峰均功率比，Ck为频率序号为k的下行单频率信号经历下行信道后的系数，Ck为复数；t为时间。
优选地，所述辅助校正设备发送的上行校正信号为：
Figure GDA0002394776080000032
其中，Ak为基站使用的频率序号为k的下行单频率信号的幅度调制系数，Ck为频率序号为k的下行单频率信号经历下行信道后的系数，f1为频率序号为1的单频率信号的频率值；t为时间。
优选地，所述基站天线n接收的上行校正信号表示为：
Figure GDA0002394776080000033
基站提取上行校正信号中各上行单频率信号上的第二系数
Figure GDA0002394776080000034
计算
Figure GDA0002394776080000035
其中，Ak为基站使用的频率序号为k的下行单频率信号的幅度调制系数，
Figure GDA0002394776080000036
为频率序号为k的上行单频率信号经历上行信道到达基站天线n后的系数与Ck相除的结果，
Figure GDA0002394776080000037
为复数；t为时间。
优选地，对于参照天线i，仅提取频率序号为2i-1和2，4，6，...，2N-2的上行单频率信号对应的
Figure GDA0002394776080000038
对于天线n(n≠i)，仅提取频率序号为2n-1的上行单频率序号对应的
Figure GDA0002394776080000039
优选地，基站基于
Figure GDA0002394776080000041
计算校正因子，其中，第n(n≠i)根天线相对参照天线i的校正因子为：
Figure GDA0002394776080000042
其中，i为参照天线的序号。
优选地，第n(n≠i)根天线校正的下行信道状态信息为：
Figure GDA0002394776080000043
其中，
Figure GDA0002394776080000044
为基站在第n(n≠i)根天线上获得的上行信道状态信息。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
相比于传统的空中传输信道互易性校正方法所需耗费与基站天线数成正比的时隙数，本发明中提出的信道互易性校正这种方法只需2个时隙，一个时隙用于发送下行校正信号，一个时隙用于发送上行校正信号，所需时隙数固定，大大降低了时隙资源的浪费；此外，辅助校正设备无需反馈天线信道信息数据，因此无需数据传输通道，保证了信道互易性校正的快速有效。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种多天线无线通信系统的信道互易性校正方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种下行天线和频率对应图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种多天线无线通信系统的信道互易性校正方法，相比传统的空中传输信道互易性校正方法无需数据传输通道，能够更加快速有效地的完成信道互易性校正。
如图1所示为本发明实施例提供的一种多天线无线通信系统的信道互易性校正方法的流程示意图，在图1所示的方法中包括以下步骤：
(1)基站向辅助校正设备发送下行校正信号，下行校正信号由2N-1个下行单频率信号组成，并通过N根天线发送。其中，每根天线发送一个或多个下行单频率信号，N为基站的收发天线的个数；
在本发明实施例中，基站发送的2N-1个下行单频率信号的各频率等间隔分布且相邻的单频率信号的频率差为Δf，各下行单频率信号的序号为1，2，3，...，2N-1，在N根天线中，以第i根天线为参照天线，由参照天线发送N个单频率信号，且参照天线发送的下行单频率信号的序号为2i-1和2，4，6，...，2N-2，除去参照天线后剩余的N-1根天线分别发送一个下行单频率信号，且对于第n(n≠i)根天线，其发送的下行单频率信号的序号为2n-1。
(2)辅助校正设备接收下行校正信号，提取每个下行单频率信号上的第一系数；
在本发明实施例中，辅助校正设备为预先选择的与基站具有较好通信质量的辅助校正设备，以协助基站完成信道校正，且辅助校正设备的天线数为1，辅助校正设备可以通过快速傅里叶变换(FastFourier Transform，FFT)提取每个单频率信号上的第一系数，其中，第一系数包括幅度和相位信息。
在本发明实施例中，辅助校正设备接收的下行校正信号可表示为：
Figure GDA0002394776080000051
其中，f1为频率序号为1的单频率信号的频率值，Dk为频率序号为k的下行单频率信号对应的第一系数，计算Ck＝Dk/Ak，其中，Ak为基站使用的频率序号为k的下行单频率信号的幅度调制系数，Ak是辅助校正设备已知参数，用于控制功率以及信号峰均功率比，Ck为频率序号为k的下行单频率信号经历下行信道后的系数，Ck为复数；t为时间。
(3)辅助校正设备根据提取的各下行单频率信号上的第一系数对各单频率信号进行调制得到上行单频率信号，并将所有上行单频率信号相加后得到上行校正信号，并向基站发送；
在本发明实施例中，辅助校正设备发送的上行校正信号为：
Figure GDA0002394776080000061
(4)基站接收上行校正信号，提取各上行单频率信号上的第二系数，并根据各上行单频率信号上的第二系数得到校正因子，完成信道互易性校正。
在本发明实施例中，基站收到辅助校正设备发送的上行校正信号后，在每根天线上做FFT处理，提取各上行单频率信号上的第二系数，其中，第二系数包括幅度和相位信息。
在本发明实施例中，基站天线n接收的上行校正信号可表示为：
Figure GDA0002394776080000062
基站提取上行校正信号中各上行单频率信号上的第二系数
Figure GDA0002394776080000063
计算
Figure GDA0002394776080000064
其中，Ak为基站使用的频率序号为k的下行单频率信号的幅度调制系数，
Figure GDA0002394776080000065
为频率序号为k的上行单频率信号经历上行信道到达基站天线n后的系数与Ck相除的结果，
Figure GDA0002394776080000066
为复数；t为时间。
在本发明实施例中，对于参照天线i，仅提取频率序号为2i-1和2，4，6，...，2N-2的上行单频率信号对应的
Figure GDA0002394776080000067
对于天线n(n≠i)，仅提取频率序号为2n-1的上行单频率序号对应的
Figure GDA0002394776080000068
在本发明实施例中，基站基于
Figure GDA0002394776080000069
计算校正因子，第n(n≠i)根天线相对参照天线i的校正因子为：
Figure GDA0002394776080000071
在本发明实施例中，基站获得校正因子后，校正下行信道状态信息；其中，第n(n≠i)根天线校正的下行信道状态信息为：
Figure GDA0002394776080000072
Figure GDA0002394776080000073
为基站在第n(n≠i)根天线上获得的上行信道状态信息。
以下以4天线基站为例对本发明进行详细说明说明。
天线序号依次为1到4。辅助校正设备(Assistant Calibration Device，ACD)与基站具有较好通信质量，且天线数为1。
现假设在本发明实施例中，天线1作为参照天线。因为ACD发送接收电路的信道响应幅值对本发明方法不影响，故假设为1。同时假设Ak＝1,k＝1,2,...,2N-1。
(1)基站发送下行校正信号
在本发明实施例中，基站通过4根天线向ACD发送下行校正信号。该信号由7个下行单频率信号组成。设定这些频率序号为1至7；其中频率1的频率值为f1，相邻频率间隔相同为Δf。天线和频率对应图如图2所示，天线1(参照天线)所发送的频率为频率1，频率2，频率4以及频率6；对于其他天线，天线n(2≤n≤4)发送的频率为频率2n-1。
具体地，天线1发送的下行频率信号为：
Figure GDA0002394776080000074
天线n(2≤n≤4)发送的下行频率信号为：
Figure GDA0002394776080000075
(2)ACD提取第一系数
下行校正信号经历基站天线发送电路信道响应，无线信道响应以及ACD接收电路信道响应后到达ACD。ACD接收到的下行校正信号具有形式：
Figure GDA0002394776080000081
ACD通过FFT提取各下行单频率信号对应的第一系数。具体地，第一系数即Dk(1≤k≤7)。
(3)ACD发送上行校正信号
ACD提取第一系数Dk(1≤k≤7)后，计算Ck＝Dk/Ak＝Dk，并基于Ck生成上行校正信号向基站发送。具体地，ACD发送的上行校正信号可以写为：
Figure GDA0002394776080000082
(4)基站提取第二系数并计算校正因子
同样地，上行校正信号经历ACD天线发送电路信道响应，无线信道响应以及基站天线接收电路信道响应后到达基站。其中，基站天线n(1≤n≤4)接收的上行校正信号可表示为：
Figure GDA0002394776080000083
基站提取上行校正信号中各上行单频率信号上的第二系数
Figure GDA0002394776080000084
计算
Figure GDA0002394776080000085
对于参照天线1，仅提取频率序号为1，2，4，6的上行单频率信号对应的
Figure GDA0002394776080000086
对于天线n(n≠1)，仅提取频率序号为2n-1的上行单频率序号对应的
Figure GDA0002394776080000087
基于
Figure GDA0002394776080000088
第n根(2≤n≤4)天线对应的相对校正因子可以写为：
Figure GDA0002394776080000089
基站获得校正因子后，校正下行信道状态信息；第n(n≠i)根天线校正的下行信道状态信息为：
Figure GDA0002394776080000091
其中，
Figure GDA0002394776080000092
为基站在第n(n≠i)根天线上获得的上行信道状态信息。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多天线无线通信系统的信道互易性校正方法，其特征在于，包括：
基站向辅助校正设备发送下行校正信号，其中，下行校正信号由2N-1个下行单频率信号组成，并通过N根天线发送，每根天线发送一个或多个下行单频率信号，N为基站的收发天线的个数；
辅助校正设备接收下行校正信号，提取每个下行单频率信号上的第一系数；
辅助校正设备根据提取的各下行单频率信号上的第一系数对各单频率信号进行调制得到上行单频率信号，并将所有上行单频率信号相加后得到上行校正信号，并向基站发送；
基站接收上行校正信号，提取各上行单频率信号上的第二系数，并根据各上行单频率信号上的第二系数得到校正因子，完成信道互易性校正。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基站发送的2N-1个下行单频率信号，各频率等间隔分布且相邻的下行单频率信号的频率差为Δf，各下行单频率信号的序号为1，2，3，...，2N-1，在N根天线中，以第i根天线为参照天线，由参照天线发送N个下行单频率信号，且参照天线发送的下行单频率信号的序号为2i-1和2，4，6，...，2N-2，除去参照天线后剩余的N-1根天线分别发送一个下行单频率信号，且对于第n(n≠i)根天线，其发送的下行单频率信号的序号为2n-1。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述辅助校正设备接收的下行校正信号表示为：
Figure FDA0002394776070000011
其中，f1为频率序号为1的单频率信号的频率值，Dk为频率序号为k的下行单频率信号对应的第一系数，计算Ck＝Dk/Ak，Ak为基站使用的频率序号为k的下行单频率信号的幅度调制系数，Ck为频率序号为k的下行单频率信号经历下行信道后的系数，Ck为复数；t为时间。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述辅助校正设备发送的上行校正信号为：
Figure FDA0002394776070000021
其中，Ak为基站使用的频率序号为k的下行单频率信号的幅度调制系数，Ck为频率序号为k的下行单频率信号经历下行信道后的系数，f1为频率序号为1的单频率信号的频率值；t为时间。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基站天线n接收的上行校正信号表示为：
Figure FDA0002394776070000022
基站提取上行校正信号中各上行单频率信号上的第二系数
Figure FDA0002394776070000023
计算
Figure FDA0002394776070000024
其中，Ak为基站使用的频率序号为k的下行单频率信号的幅度调制系数，
Figure FDA0002394776070000025
为频率序号为k的上行单频率信号经历上行信道到达基站天线n后的系数与Ck相除的结果，
Figure FDA0002394776070000026
为复数，其中，对于参照天线i，仅提取频率序号为2i-1和2，4，6，...，2N-2的上行单频率信号对应的
Figure FDA0002394776070000027
对于天线n(n≠i)，仅提取频率序号为2n-1的上行单频率序号对应的
Figure FDA0002394776070000028
t为时间。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，基站基于
Figure FDA0002394776070000029
计算校正因子，其中，第n(n≠i)根天线相对参照天线i的校正因子为：
Figure FDA00023947760700000210
i为参照天线的序号。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，第n(n≠i)根天线校正的下行信道状态信息为：
Figure FDA0002394776070000031
其中，
Figure FDA0002394776070000032
为基站在第n(n≠i)根天线上获得的上行信道状态信息。
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