CN108833318B - 一种大规模mimo通信系统中基于空间耦合的预失真校准方法 - Google Patents

一种大规模mimo通信系统中基于空间耦合的预失真校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大规模MIMO通信系统中基于空间耦合的预失真校准方法，该方法将多路天线的预失真数据通过无线信道耦合，传输到专用的无线预失真测量通道，无线预失真测量通道对多路预失真数据进行解耦，并求取各天线的信道响应，进行信道校准，提取各天线的预失真系数，该方法能够大大减少大规模MIMO通信系统中预失真测量通道的数量，从而有效降低硬件开销。

Description

一种大规模MIMO通信系统中基于空间耦合的预失真校准方法
技术领域
本发明涉及一种大规模MIMO通信系统的预失真问题，尤其涉及一种大规模MIMO通信系统中基于空间耦合的预失真校准方法，属于无线通信技术领域。
背景技术
功率放大器是通信系统的重要组成部分。功率放大器的线性度和效率存在着矛盾，功放线性工作时，效率不高。工作在非线性区时，非恒包络调制会导致信号的频谱产生带内失真和带外扩展。要想维持功放的高效率、低失真，需要采用线性化技术补偿功放的非线性。预失真技术是比较有前景的一种线性化技术。
对于大规模MIMO通信系统，随着天线数量的增加，系统的能耗也随之增加。因此，如何减少能耗，实现绿色通信成为大规模MIMO技术的热点话题之一。预失真技术可以有效地提高功放效率，在保持功放线性化的同时，实现减小能耗、绿色通信的目标。但大规模MIMO中的预失真问题，如果采用传统的架构，天线数量的增加同时也意味着预失真测量通道数量随之增加，预失真测量通道需要与天线相同数量的射频链路，这大大增加了系统的复杂性、设备量和成本。如何在不显著增加硬件设备同时还能有效解决预失真问题，这对大规模MIMO系统来说是必须要解决的一个重要问题，具有很高的应用价值。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种大规模MIMO通信系统中基于空间耦合的预失真校准方法，该方法通过无线信道传输多路预失真数据，通过专用的预失真测量通道接收经过无线信道耦合后的预失真数据，达到减少预失真通道的目的。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种大规模MIMO通信系统中基于空间耦合的预失真校准方法，具体包括如下步骤：
步骤1，在基站侧配置单独的预失真天线，预失真天线接收具有N个天线的MIMO系统经无线信道耦合后的预失真数据；其中，具有N个天线的MIMO系统通过无线信道传输N路预失真数据，无线信道将N路预失真数据耦合后传输至无线预失真测量通道；
步骤2，无线预失真测量通道在接收到耦合信号后进行解耦，得到各天线的发送数据，分别求取各天线的信道响应，进行信道校准，信道校准后运用预失真理论，求取各天线的预失真系数；
步骤3，将得到的各天线的预失真系数通过服务器发送给具有N个天线的MIMO系统对应每个天线的预失真器；
步骤4，基带输入信号通过配置后的预失真器，然后输出给DAC模块，DAC模块将数字信号转换成模拟信号，模拟信号依次经过调制模块和PA模块后由天线发出，天线发出的信号为经过预失真校准的信号；
步骤5，循环步骤1～4，无线预失真测量通道持续对MIMO系统各天线的发送信号进行校准。
其中，步骤1中，具有N个天线的MIMO系统工作在预失真系数估计模式时，各天线发送预失真数据时为分时工作，多路预失真数据通过无线信道耦合后传输到无线预失真测量通道，无线预失真测量通道在接收到耦合的预失真数据后按照顺序解耦。为了完成多天线数据的耦合，避免功放特性数据互相干扰，各天线数据分时发送，无线预失真测量通道在接收到数据后按照顺序解耦。
其中，步骤2中，解耦后的各天线数据内容包括导频信号，预失真小信号，预失真大信号；导频信号用于求取各天线与预失真天线间的信道响应，然后对预失真小信号和预失真大信号做信道校准，校准后的小信号作为功放的输入，校准后的大信号作为功放的输出。
其中，所述导频信号为输入功率在功放的1dB点以下的信号，带宽至少为预失真小信号的3倍以上；所述预失真小信号输入功率在功放的1dB点以下；所述预失真大信号工作在功放的非线性区，数据内容和预失真小信号完全相同。
其中，所述导频信号Xp[k]在经过无线信道传输后到达预失真天线接收侧变为Yp[k]，预失真天线接收到的预失真小信号为Y1[k]，预失真天线接收到的预失真大信号为Y2[k]，经信道校准，有
Figure BDA0001699748960000021
Figure BDA0001699748960000022
Figure BDA0001699748960000023
其中，
Figure BDA0001699748960000024
为估计后的功放输入信号，
Figure BDA0001699748960000025
为估计后的功放输出信号；将
Figure BDA0001699748960000026
和
Figure BDA0001699748960000027
变换到时域，为x(n)和s(n)，运用预失真理论求出各天线的预失真系数。
其中，运用预失真理论，如记忆多项式建模法求取各天线的预失真系数。
有益效果：本发明方法能够大大减少大规模MIMO通信系统中预失真测量通道的数量，从而有效降低硬件开销。
附图说明
图1为本发明大规模MIMO通信系统中基于空间耦合的预失真校准方法采用的通信系统架构图；
图2为本发明大规模MIMO通信系统工作于预失真系数校准模式时各天线分时发送的数据内容图；
图3为未经过预失真的信号功率谱；
图4为经过预失真的信号功率谱。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
本发明方法将多路天线的预失真数据通过无线信道耦合，传输到专用的无线预失真测量通道，无线预失真测量通道对多路预失真数据进行解耦，并求取各天线的信道响应，进行信道校准，提取各天线的预失真系数。本发明方法设置了预失真测量专用通道，采集无线信道耦合后的数据，并将其变换到基带处理。
本发明基于空间耦合的预失真校准方法引入了无线信道完成多路通道数据的空间耦合，因此，需要考虑无线信道特性对功放特性数据的影响。实际系统中，大规模MIMO通信系统的发射机与预失真测量通道的位置相对固定，收、发天线间存在着有效的直达径，没有相对位移，不考虑多普勒效应，衰落主要体现在多径时延扩展导致的频率选择性。采集功放特性数据时，无线信道的频率选择性会叠加到功放的特性中，准确地说，是叠加到功放的记忆性中。一般来说，信道的频率选择性和记忆性都是随着带宽的增加变得更加严重。因此，对于宽带系统来说，需要将信道的特性与功放的记忆性分离，才能准确地提取功放特性，完成预失真校准；其次，由于在无线信道传输的数据为功放的失真数据，需要作为接收机的预失真测量通道提供较高的信噪比，保证失真信号的能量远高于噪声能量；另外，还要避免无线信道出现深度衰落点，影响预失真系数的准确提取。
本发明适用于大规模MIMO通信系统的基于空间耦合的预失真校准方法，其中该MIMO通信系统的相关配置参数为：
1)调制方式：OFDM；
2)传输带宽：20MHz；
3)预失真采样率：100MHz；
4)预失真方法：记忆多项式法；
步骤1：无线预失真模型的建立；
实例的场景为室内。室内环境存在的多种障碍物，墙壁、地面及天花板产生的反射、散射机、绕射；多径时延扩展τ是表征多径信道特性的重要参数，其定义为多条路径中最长路径到达时间与最短路径到达时间之差，无线信道可以建模成一个线性时变系统：
Figure BDA0001699748960000041
实际测试环境中，BS的发射机和预失真测量通道的接收机位置相对固定，收、发间无遮挡，存在有效的直达径，这属于典型的莱斯信道，衰落主要体现在多径时延扩展导致的频率选择性。由于没有相对运动，不会受到多普勒频扩展的影响，信道近似可看做是时不变信道，可用一个FIR结构建模。因此，对于经过该信道的基带等效输出信号y(n)为：
y(n)＝s(n)*h(n)+w(n) (2)
其中，w(n)为噪声，h(n)为信道冲激响应，s(n)为功放的等效基带输出，有：
Figure BDA0001699748960000042
其中，bkq为功放的记忆多项式模型系数，K为多项式阶数，Q为记忆深度，则有：
Figure BDA0001699748960000043
其中，K为多项式阶数，Q为记忆深度，L为信道抽头长度，从式(4)中可以看出，经过信道的输出信号对提取功放多项式系数的影响主要在于多径信道h(0)的时延抽头。若为平坦性衰落信道，除了直达径上的影响，其他径的抽头系数分量为0，并不会对提取预失真系数造成影响。但若为频率选择性信道，其他径的抽头系数h(l)|l≠0的影响则会叠加到功放的记忆性中，影响预失真系数的准确提取。
步骤2：预失真信号提取流程
对于多天线系统来说，为了避免预失真数据的相互干扰，各天线发送的数据在时间上是正交的，即当某个天线在发送预失真数据时，其他天线需要停止发送数据。如图2所示，发送的内容包括导频信号，预失真小信号和预失真大信号。预失真天线在接收到耦合信号后进行解耦，得到各天线的发送数据，分别求取各信道响应，提取各天线的预失真系数。由于预失真信号经过功放的非线性区会产生带外扩展，预失真信号带宽变大。因此，导频带宽至少为预失真信号的3倍以上，实际测试中为5倍，带宽为100MHz。预失真小信号工作在线性区，带宽为20MHz，经过功放后线性放大。预失真大信号工作在非线性区，数据内容与小信号相同，功率不同，工作在非线性区，经过功放后会产生非线性失真。此时发送的信号包括仅受信道影响的导频信号：
yp(n)＝xp(n)*h(n)+w(n) (5)
仅受信道影响的预失真小信号：
y1(n)＝x(n)*h(n)+w(n) (6)
和受到信道影响和功放影响的预失真大信号：
Figure BDA0001699748960000051
那么由LS信道估计有：
Figure BDA0001699748960000052
Figure BDA0001699748960000053
Figure BDA0001699748960000054
将
Figure BDA0001699748960000055
和
Figure BDA0001699748960000056
变换到时域，即为功放的输入x(n)和功放的输出s(n)，无线预失真问题退化成有线预失真问题，可以用记忆多项式对其建模，完成预失真。
步骤3：预失真系数提取
实际测试中，采用的预失真模型为记忆多项式模型，对于记忆深度为Q，非线性阶数为K的预失真器模型来说，
Figure BDA0001699748960000057
其中，G为功放理想增益。为了便于求解，定义：
Figure BDA0001699748960000058
因此，有
X＝Ua (13)
其中
X＝[x(0),x(1),L,x(N-1)]T (14)
U＝[u10,L uK0,L u1Q,L uKQ] (15)
uiq＝[uiq(0),uiq(1),L,uiq(N-1)]T (16)
a＝[a10,L aK0,L a1Q,L aKQ]T (17)
其中，N为训练样本的长度，a为理想的预失真系数。式(13)的LS解为
Figure BDA0001699748960000061
运用QR分解对其简化处理，得
U＝QR (19)
其中Q为正交矩阵，R为上三角矩阵，得
Figure BDA0001699748960000062
在估计出各天线的预失真系数
Figure BDA0001699748960000063
之后(
Figure BDA0001699748960000064
为LS解忽略噪声下得到的估计值)，通过服务器上传到各预失真器，完成各天线的预失真校准。
图3和图4对比说明了MIMO系统的发送信号在经过本发明方法预失真校准后，信号的邻道功率比大大改善。

Claims (3)

1.一种大规模MIMO通信系统中基于空间耦合的预失真校准方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
步骤1，在基站侧配置单独的预失真天线，预失真天线接收具有N个天线的MIMO系统经无线信道耦合后的预失真数据；其中，具有N个天线的MIMO系统通过无线信道传输N路预失真数据，无线信道将N路预失真数据耦合后传输至无线预失真测量通道；
步骤2，无线预失真测量通道在接收到耦合信号后进行解耦，得到各天线的发送数据，分别求取各天线的信道响应，进行信道校准，信道校准后运用预失真理论，求取各天线的预失真系数；解耦后的各天线数据内容包括导频信号，预失真小信号，预失真大信号；导频信号用于求取各天线与预失真天线间的信道响应，然后对预失真小信号和预失真大信号做信道校准，校准后的小信号作为功放的输入，校准后的大信号作为功放的输出；所述导频信号为输入功率在功放的1dB点以下的信号，带宽至少为预失真小信号的3倍以上；所述预失真小信号输入功率在功放的1dB点以下；所述预失真大信号工作在功放的非线性区，数据内容和预失真小信号完全相同；所述导频信号Xp[k]在经过无线信道传输后到达预失真天线接收侧变为Yp[k]，预失真天线接收到的预失真小信号为Y1[k]，预失真天线接收到的预失真大信号为Y2[k]，经信道校准，有
Figure FDA0002864324830000011
Figure FDA0002864324830000012
Figure FDA0002864324830000013
其中，
Figure FDA0002864324830000014
为估计后的功放输入信号，
Figure FDA0002864324830000015
为估计后的功放输出信号；将
Figure FDA0002864324830000016
和
Figure FDA0002864324830000017
变换到时域，为x(n)和s(n)，运用预失真理论求出各天线的预失真系数；
步骤3，将得到的各天线的预失真系数通过服务器发送给具有N个天线的MIMO系统对应每个天线的预失真器；
步骤4，基带输入信号通过配置后的预失真器后，输出给DAC模块，DAC模块将数字信号转换成模拟信号，模拟信号依次经过调制模块和PA模块后由天线发出，天线发出的信号为经过预失真校准的信号；
步骤5，循环步骤1～4，无线预失真测量通道持续对MIMO系统各天线的发送信号进行校准。
2.根据权利要求1所述的大规模MIMO通信系统中基于空间耦合的预失真校准方法，其特征在于：步骤1中，具有N个天线的MIMO系统工作在预失真系数估计模式时，各天线发送预失真数据时为分时工作，多路预失真数据通过无线信道耦合后传输到无线预失真测量通道，无线预失真测量通道在接收到耦合的预失真数据后按照顺序依次解耦各天线数据。
3.根据权利要求1所述的大规模MIMO通信系统中基于空间耦合的预失真校准方法，其特征在于：步骤2中，所述预失真理论为记忆多项式建模法来求取各天线的预失真系数。
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