CN108712197A - 一种fdd大规模mimo系统中基于移动速度的反馈量选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种FDD大规模MIMO系统中基于移动速度的反馈量选择方法，在FDD大规模MIMO系统的基站端布置大规模，基站端发送导频信号经下行信道到达用户端，用户端估计出虚拟角度域信道的非零元素位置，再将估计结果反馈回基站端，在之后的信道估计中，依据反馈的位置信息进行导频序列的发送，发送的导频需覆盖非零元素位置，估计出下行信道，基站端进行预编码传输数据，通过仿真计算用户的信干噪比获得系统的频谱效率。本方法中的相干时间受到移动速度的影响，在不同的移动速度下，基站能够依据用户端的移动特性，选择合适的反馈量，能够在信道获取代价与信道估计的准确性方面之间折中，有效提升系统的频谱效率。

Description

一种FDD大规模MIMO系统中基于移动速度的反馈量选择方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种FDD大规模MIMO系统中基于移动速度的反馈量选择方法。

背景技术

大规模MIMO系统通过在基站端布置大规模的天线阵列，能够充分挖掘和利用空域自由度，提升系统的频谱效率和能量效率，受到了广泛的关注。当前的小区系统，大多数采用FDD模式，FDD模式在上下行对称传输和时延性能方面具有更大的优势，为了更好的与当前小区系统兼容以及实现大规模MIMO系统的性能增益，研究FDD大规模MIMO系统具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种FDD大规模MIMO系统中基于移动速度的反馈量选择方法，依据用户端移动速度的不同，通过选择合适的反馈量，以提升系统的频谱效率。

本发明采用以下技术方案：

一种FDD大规模MIMO系统中基于移动速度的反馈量选择方法，在FDD大规模MIMO系统的基站端布置大规模，基站端发送导频信号经下行信道到达用户端，用户端估计出虚拟角度域信道的非零元素位置，再将估计结果反馈回基站端，在之后的信道估计中，依据反馈的位置信息进行导频序列的发送，发送的导频需覆盖非零元素位置，估计出下行信道，基站端进行预编码传输数据，通过仿真计算用户的信干噪比获得系统的频谱效率。

具体的，用户端估计出虚拟角度域信道的非零元素位置具体为：选取Φ^HR的每一列的前L个绝对值的最大值作为非零元素，将L个最大值所对应的位置信息反馈回基站，Φ为导频矩阵，R为用户的接收信号，L为用户端估计的非零元素的个数。

具体的，通过仿真计算的结果得到系统的频谱效率S与反馈量L关系的曲线图，选择最优反馈量，在信道估计准确性与信道获取代价之间折中以获取最大频谱效率。

进一步的，频谱效率S如下：

其中，B为带宽，c为光速，f为载波频率，v为用户移动速度，R为系统容量，L为用户端估计的非零元素的个数。

进一步的，信噪比为8～12dB，移动速度为30～90km/h，根据最优反馈位置个数L_opt与天线数、信噪比的近似关系获得最大频谱效率。

进一步的，最优的反馈位置个数L_opt具体如下：

其中，SNR为信噪比的dB形式，v为用户移动速度。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明基站端发送导频信号经过下行信道到达用户端，用户端估计出虚拟角度域信道的非零元素位置，再将估计的结果反馈回基站。在之后的信道估计中，依据反馈的位置信息进行导频序列的发送，发送的导频只需要覆盖非零元素所在的位置，即可获得高准确性的信道，可以大幅减少信道估计与反馈的开销，提升系统的频谱效率。考虑移动速度对系统相关时间的影响，在不同的移动速度下，选择最优的反馈量，在信道获取代价与信道估计的准确性方面折中，有效提升系统的频谱效率。

进一步的，考虑将信道映射到稀疏的虚拟角度域，在虚拟角度域进行信道估计与反馈，可以有效减少信道获取的代价，提升系统的频谱效率。

进一步的，在相干时间内，信道可以近似认为是不变的，一部分用于信道估计与反馈，另外一部分用于数据传输，为了提升系统的频谱效率，尽可能的减少信道估计与反馈的开销。

综上所述，本方法中的相干时间受到移动速度的影响，在不同的移动速度下，基站能够依据用户端的移动特性，选择合适的反馈量，能够在信道获取代价与信道估计的准确性方面之间折中，有效提升系统的频谱效率。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为为本发明方法所应用的场景实例图；

图2为本发明相干时间的分配示意图；

图3为本发明功能实现模块框图；

图4为本发明通过仿真分析得到的不同移动速度情况下的最优反馈量示意图；

图5为本发明选择反馈量与固定反馈量的对比示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种FDD大规模MIMO系统中基于移动速度的反馈量选择方法，在FDD大规模MIMO系统中，基站布置大规模的天线阵列，而信道估计与反馈的开销正比于基站内的天线数，而信道的相干时间有限。

基站端发送导频信号经过下行信道到达用户端，用户端估计出虚拟角度域信道的非零元素位置，再将估计的结果反馈回基站。在之后的信道估计中，依据反馈的位置信息进行导频序列的发送，发送的导频只需要覆盖非零元素所在的位置，即可获得高准确性的信道。可以大幅减少信道估计与反馈的开销，提升系统的频谱效率。考虑移动速度对系统相关时间的影响，在不同的移动速度下，选择最优的反馈量，在信道获取代价与信道估计的准确性方面折中，有效提升系统的频谱效率。

请参阅图1，发射端散射体稀少，用户端散射环境十分丰富的场景。此时，不同的发射天线到接收天线之间的信道具有一定的空间相关性。考虑将信道映射到稀疏的虚拟角度域，在虚拟角度域进行信道估计与反馈，可以有效减少信道获取的代价，提升系统的频谱效率。

请参阅图2，在相干时间内，信道可以近似认为是不变的。一部分用于信道估计与反馈，另外一部分用于数据传输。为了提升系统的频谱效率，尽可能的减少信道估计与反馈的开销。

请参阅图3，本发明公开了一种FDD大规模MIMO系统中基于移动速度的反馈量选择方法，依据用户端移动速度的不同，选择合适的反馈量，以提升系统的频谱效率，主要包括以下步骤：

S1、信道估计与反馈阶段：

基站端发送导频信号经下行信道至用户端，用户端估计虚拟角度域非零元素的位置信息。选取Φ^HR的每一列的前L个绝对值最大的值作为非零元素，将这L个最大值所对应的位置信息反馈回基站，其中Φ为导频矩阵，R为用户的接收信号，L为用户端估计的非零元素的个数，也是反馈量的大小，同时也是根据用户的移动速度进行优化的变量。

S2、基站端根据用户的移动速度，选择合适的反馈量

通过仿真结果，得到系统的频谱效率S与反馈量L关系的曲线图，选择最优的反馈量，在信道估计准确性与信道获取代价之间折中，以获得最大的频谱效率。

频谱效率S如下：

其中，B为带宽，c为光速，f为载波频率，v为用户移动速度，R为系统容量。R主要受到信噪比与反馈量L的影响。

信噪比为8～12dB，移动速度为30～90km/h，根据最优的反馈位置个数L_opt与天线数、信噪比的近似关系获得最大的频谱效率，最优的反馈位置个数L_opt具体如下：

其中，SNR为信噪比的dB形式，v为用户移动速度(km/h)。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

获取大规模MIMO系统的性能增益的关键在于：基站能够及时的获取到信道状态信息。对于传统的MIMO系统，基站获取导频信息依赖于用户端的信道估计与反馈，而信道估计与反馈的开销正比与基站内开启的天线规模。考虑到当前的小区系统，基站通常架设在较高的位置，周围散射体稀少，不同的天线间的信道具有较强的空间相关性。考虑将信道映射到虚拟角度域，利用信道在虚拟角度域的稀疏性，进行信道的估计与反馈。虚拟角度域非零元素的位置的变化相对于信道增益的变化是缓慢的，在之后的信道估计与反馈中，只需要发送一个短的导频序列，即可获得高准确性的信道，从而有效降低信道估计与反馈的开销。同时考虑用户端移动速度对信道相干时间的影响，不同的移动速度下，相干时间内所能发送的符号数不同，从而影响信道估计与反馈的比重，需要选择合适的反馈量，以获取最大的频谱效率。

请参阅图4，在不同的移动速度下，系统所获取最大的频谱效率，所需要的反馈量的示意图。移动速度增加，会引起多普勒频移增加，信道的相干时间减少，相干时间内能够发送的符号数减少，用于信道估计与反馈的比重增大，导致频谱效率的下降。在不同的移动速度下，需要选择合适的反馈量，在反馈开销与非零元素位置估计准确性方面做出最优的折中，以最大化系统的频谱效率。

请参阅图5，图中菱形线表示选择最优反馈量情况下的频谱效率，而加号、乘号和圆分别表示固定反馈量为6、10、14时的频谱效率，在不同的移动速度，选择开启合适的天线数，能够有效提升系统的频谱效率。从图中可以看到，在不同的移动速度下，选择反馈量的频谱效率明显大于固定反馈量的频谱效率，选择反馈量方案能够有效的利用用户的移动特性，在信道获取代价与信道估计准确性之间折中，有效提升系统的频谱效率。

以上内容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，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种FDD大规模MIMO系统中基于移动速度的反馈量选择方法，其特征在于，在FDD大规模MIMO系统的基站端布置大规模，基站端发送导频信号经下行信道到达用户端，用户端估计出虚拟角度域信道的非零元素位置，再将估计结果反馈回基站端，在之后的信道估计中，依据反馈的位置信息进行导频序列的发送，发送的导频需覆盖非零元素位置，估计出下行信道，基站端进行预编码传输数据，通过仿真计算用户的信干噪比获得系统的频谱效率。

2.根据权利要求1所述的一种FDD大规模MIMO系统中基于移动速度的反馈量选择方法，其特征在于，用户端估计出虚拟角度域信道的非零元素位置具体为：选取Φ^HR的每一列的前L个绝对值的最大值作为非零元素，将L个最大值所对应的位置信息反馈回基站，Φ为导频矩阵，R为用户的接收信号，L为用户端估计的非零元素的个数。

3.根据权利要求1所述的一种FDD大规模MIMO系统中基于移动速度的反馈量选择方法，其特征在于，通过仿真计算的结果得到系统的频谱效率S与反馈量L关系的曲线图，选择最优反馈量，在信道估计准确性与信道获取代价之间折中以获取最大频谱效率。

4.根据权利要求3所述的一种FDD大规模MIMO系统中基于移动速度的反馈量选择方法，其特征在于，频谱效率S如下：

其中，B为带宽，c为光速，f为载波频率，v为用户移动速度，R为系统容量，L为用户端估计的非零元素的个数。

5.根据权利要求3所述的一种FDD大规模MIMO系统中基于移动速度的反馈量选择方法，其特征在于，信噪比为8～12dB，移动速度为30～90km/h，根据最优反馈位置个数L_opt与天线数、信噪比的近似关系获得最大频谱效率。

6.根据权利要求5所述的一种FDD大规模MIMO系统中基于移动速度的反馈量选择方法，其特征在于，最优的反馈位置个数L_opt具体如下：

其中，SNR为信噪比的dB形式，v为用户移动速度。