CN110383719B - 下行链路通道状态信息估计的硬件损伤参数确定 - Google Patents

Abstract

利用MIMO收发器的天线阵列执行阵列内导频测量。所述天线阵列包括N个收发天线。将天线阵列划分为K组天线，G_k，k＝1,…,K，其中K≥2，每组G_k包括天线阵列的N_k个天线，A_ki，i＝1,…,N_k。对于每个k＝1,…,K，执行S_k导频测量，M_ks，s＝1,…,S_k，其中S_k≥1并且其中每个导频测量M_ks包括由组G_k中的每个天线A_ki，i＝1,…,N_k同时发送导频信号P_kis，并且由其他组G_k'，k'≠k的每个天线A_k'i'，i'＝1,…,N_k'通过接收由天线A_ki，i＝1,…,N_k发送的导频信号P_kis生成接收信号Y_kk′i′s。可以在用于检测当前硬件损伤参数是否有效的模式中或在用于更新硬件损伤参数的模式中执行所述测量。

Description

下行链路通道状态信息估计的硬件损伤参数确定

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及使用多天线收发器的无线通信领域。

背景技术

天线阵列是包括两个或更多个天线的天线设置。与单个天线相比，天线阵列允许更有效的射频(RF,radio frequency)信号的传输以及接收。

利用包括Nt个发送天线的发送阵列和包括Nr个接收天线的接收阵列，存在N_t×N_r个传播路径，这些传播路径中的每一个从发送天线之一到达接收天线之一。对于发送信号的给定频率分量，每个传播路径涉及增益和相移。增益和相移可以表示为复数增益因子。因此与N_t×N_r个传播路径相关联的N_t×N_r个复数增益因子构成了大小为N_t×N_r的信道矩阵H的元素。

信道状态信息(CSI,Channel state information)是关于信道矩阵H的信息，并且它可以指信道矩阵H本身。发送器侧的CSI对于利用多输入多输出(MIMO,Multiple-In-Multiple-Out)系统的潜力是至关重要的，特别是在多用户场景中。在时分双工(TDD,TimeDivision Duplexing)模式中，从基站(BS,base station)到用户设备(UE,userequipment)的下行链路(DL,uplink)传输和从UE到BS的上行链路(UL,uplink)传输发生在相同的频带上(参见图1)。

可以通过利用DL传输和UL传输之间的互易性来获取TDD模式中的下行链路CSI。然而，基站处的天线阵列的硬件损伤打破了互易性，并且在确定下行链路CSI时需要考虑它们。

图2示出了TDD模式中的上行链路信道和下行链路信道的示意模型。在图2所示的模型中，基站和用户设备均包括MIMO收发器。MIMO收发器包括接收器链和发送器链。在每个子载波中，硬件损伤可以被建模为线性滤波器，示意性地示为块T_BS、R_BS、T_UE和R_UE。T_BS和R_BS分别代表基站处的发送器链和接收器链的损伤。T_UE和R_UE分别表示在用户设备处的发送器链和接收器链处的损伤。H_DL和H_UL分别代表下行链路信道和上行链路信道的有效信道。C_DL和C_UL分别表示与下行链路信道和上行链路信道的“空中”部分(即电磁(EM,electromagnetic)部分)相关联的信道矩阵。

有效的下行链路和上行链路信道矩阵与“空中”信道矩阵相关联，如下所示

H_DL＝R_UECT_BS

H_UL＝R_BSC^TT_UE。

因此，有效的下行链路信道矩阵是：

即，

其中，

是BS校准矩阵并且

是UE校准矩阵。为简单起见，BS校准矩阵可以表示为F(即，F＝F_BS)。

可以如下获取下行链路CSI。UE将导频发送到BS。BS从UE接收导频。基于所接收的导频，BS估计上行链路信道状态信息H_UL(使用例如现有技术的估计方法之一，例如最小二乘估计)。基于估计的上行链路信道状态信息H_UL，BS结合用户校准矩阵F_UE通过下式推导出下行链路信道状态信息H_DL。

在许多应用中(例如，一些波束成形应用)，只需要知道乘积

(而不是信道矩阵H_DL本身)。

每个子载波具有其自己的N×N校准矩阵F，其中N是基站的天线阵列中的天线的数量。因此，需要针对每个感兴趣的子载波估计校准矩阵F。

校准矩阵F通常随时间保持稳定。然而，两种类型的变化是相当普遍的：首先是平滑变化，其次是零星的突变。例如，由于温度变化，通常在几分钟内发生平滑变化。电涌、电源断裂或同步丢失可以导致零星的突变。

可以通过在天线阵列的天线之间通过空中发送信号来测量天线阵列的硬件损害。有几种方案是已知的。

Shepard等人的“Argos：实用的多天线基站”(Proc.ACM Int.Conf.移动计算和网络(MobiCom)，2012年8月)提出了一种方法，其中从基站的天线中选择一个参考天线。在第一步骤中，参考天线向其他天线发送信号。在第二步骤中，不是参考天线的每个天线在每个时隙中发送信号。然后根据接收信号估计校准系数。

(Caire等人的)US2014/217779A1公开了一种方法(“Rogalin方法”)，其中对每个天线对执行双向测量。该对中的第一天线在第二天线监听时发送信号。然后第二个天线在第一个天线监听时发送信号。然后基于接收信号确定校准系数。

Papadopoulos等人在2014年IEEE全球信号和信息处理会议(GlobalSIP,GlobalConference on Signal and Information Processing)中的“雪崩：大规模阵列的快速射频校准”，提出使用校准天线子组，以校准其他天线。首先，根据天线对的双向测量来校准该天线对。然后，另外两个天线组成的组向已经校准的该天线对发送信号，并且根据过去的测量值估计它们的校准系数。用具有与已经校准的天线组相同的尺寸的另外的天线的组重复该过程。

所有这些技术都涉及在阵列的天线之间交换导频信号。

上述考虑参考了基站中用于与用户设备通信的MIMO收发器。然而，它们类似地适用于任何类型的MIMO收发器，并且不限于基站中的MIMO收发器。因为它们是说明性的而不是限制性的。

发明内容

本发明的一个目的是提供用于评估或估计MIMO收发器的校准矩阵的有效概念。该目的通过独立权利要求的特征实现。根据从属权利要求、说明书和附图，本发明的其他实施例是显而易见的。

本发明部分基于以下见解：上述现有技术不适合于快速更新校准矩阵，例如，在硬件损坏的突变的情况下。使用这些技术的重新校准在所需的频谱资源方面往往是昂贵的并且通常是周期性地而不是在实际需要时进行的。

本发明还基于以下发现：校准矩阵的非对角线元素通常可以忽略不计，并且通过对角线或块对角矩阵来近似校准矩阵可能就足够了。

根据第一方面，本发明涉及一种MIMO收发器，包括天线阵列、连接到所述天线阵列的收发器单元，以及连接到所述收发器单元的控制单元。所述天线阵列包括N个收发天线。所述控制单元用于通过以下方式执行阵列内导频测量：

-将所述天线阵列划分为K组天线，G_k，k＝1,…,K，其中K≥2，每组G_k包括天线阵列的N_k个天线，A_ki，i＝1,…,N_k；以及

-对于每个k＝1,…,K，控制所述收发器单元执行S_k导频测量，M_ks，s＝1,…,S_k，其中S_k≥1并且其中每个导频测量M_ks包括由组G_k中的每个天线A_ki，i＝1,…,N_k同时发送导频信号P_kis，并且由其他组G_k'，k'≠k的每个天线A_k'i'，i'＝1,…,N_k'通过接收由所述天线A_ki，i＝1,…,N_k发送的所述导频信号P_kis生成接收信号Y_kk′i′s。

因此，提供了用于进行阵列内导频测量的有效技术。测量数据(即接收的导频信号)可用于不同目的。一个目的是检查校准矩阵F_BS的可用值是否是最新的(即，用于测试校准矩阵F_BS)。另一个目的是确定校准矩阵F_BS的新值(即，用于更新校准矩阵F_BS)。该技术特别适用于检测校准矩阵的突变，并用于校正它们。当天线阵列包括四个或更多个天线时，该技术可能特别有用。

这些组中的至少一个可以包括两个或更多个天线。换句话说，可能存在至少一个其中N_k≥1的k。在这种情况下，不对每个天线对执行双向测量。因此减少了测量所需的总时间。

在一个实施例中，控制单元用于评估所述天线阵列的校准(例如，在第一模式中，在本文中称为正常模式)或用于基于多个所述接收信号Y_kk′i′s校准(例如，在第二模式中，在本文中称为紧急模式)天线阵列，其中k＝1,…,K，s＝1,…,S_k，k'≠k，并且i'＝1,…,N_k'。“评估天线阵列的校准”意味着确定天线阵列是否被充分良好地校准，即校准矩阵F是否足够精确。

更具体地，所述控制单元可以用于通过确定大小为N×N的校准矩阵F，以便最小化或减小违反互易关系的集合的程度来校准所述天线阵列，或者其中所述控制单元用于通过计算违反所述互易关系的集合的程度来评估所述天线阵列的校准，其中每个所述互易关系是由所述天线组中的一组天线产生的所述接收信号与所述天线组中的另一组天线产生的所述接收信号之间的互易关系。所述校准矩阵可以是对角线或块对角线，在这种情况下，它可以分别由其对角线元素或其对角线块表示。

所述互易关系可能是

其中k'≠k且s＝1,…,S_k和s'＝1,…,S_k'，并且其中F_k是第k组天线G_k的大小为N_k×N_k的校准矩阵，其中F_k为与所述第k组天线G_k相关联的所述校准矩阵F的子矩阵。如果对所述天线进行排序以使所述组G_k的天线组合在一起，则F_k将是校准矩阵F的对角线上的大小为N_k×N_k的块。

其中s＝1,…,S_k和s'＝1,…,S_k'的测量可以是相干测量。这意味着它们在足够短的时间间隔内完成，该足够短的时间间隔足以使信道矩阵的变化可忽略不计。在这种情况下，可以预期所述互易关系满足可忽略的误差。或者，S_k和S_k'导频测量可以分别分解为L_k和L_k'相干测量组成的T_NC个组(以使得S_k＝L_kT_NC)。在这种情况下，上面给出的互易关系适用于每个相干时隙，也就是说s＝tL_k+1,…,tL_k+L_k和s′＝tL_k′+1,…,tL_k′+L_k′和1≤t≤T_NC。

在一个实施例中，控制单元用于通过以下方式校准所述天线阵列：确定未校准天线池，所述未校准天线池为所述天线阵列的所述天线的子集；以及校准所述未校准的天线池。因此可以特别快速地校准天线阵列。

所述控制单元可以用于通过过以下方式确定所述未校准天线池：确定对于每个k＝1,…,K，组G_k是否被校准，以及如果发现所述组G_k被校准，从所述未校准天线池排除组G_k的所述天线。

因此可以有效地确定所述未校准天线池。如果已知与天线组G_k相关联的校准矩阵F_k具有足够的准确度，则可以考虑校准天线组G_k。在校准过程的初始阶段，所述未校准天线池包括所述天线阵列的所有天线。然后从未校准天线池中排除校准的天线组减少了未校准天线池中的天线数量。进一步的评估或校准不需要涉及整个天线阵列-所述进一步的评估或校准可以限于所述未校准天线池，因此可以更快。

为了确定组G_k是否被校准，可以如上所述配置所述控制单元，现在将所述组G_k视为所述天线阵列。换句话说，所述控制单元可以用于如上所述的用于全天线阵列的组G_k。因此可以有效地校准组G_k。

为了校准所述未校准天线池，可以如上所述配置控制单元，现在将所述未校准天线池视为所述天线阵列。换句话说，建议将针对整个天线阵列描述的技术措施应用于所述未校准天线池。当应用于所述未校准天线池时，这些技术措施具有类似于上面参考整个天线阵列所描述的技术效果和优点。

在一个实施例中，所述控制单元可以用于迭代地确定所述未校准天线池。在该实施例中，上述将所述天线阵列划分为K组G_k和“确定对于每个k＝1,…,K，组G_k是否被校准，以及如果发现所述组G_k被校准，从所述未校准天线池排除组Gk的所述天线”的操作是第一次迭代。在第二次迭代中，将类似于第一次迭代的操作应用于在第一次迭代中被识别为未校准的每个组，以确定较小的未校准天线组。可以类似地执行进一步的迭代，直到天线阵列的每个未校准的组已经被划分为已校准的，并且因此可以连续地划分成更小的天线组，直到每个经过未校准组由单个天线组成。例如，对于第二次迭代，所述控制单元可以用于对于每个k＝1,…,K，如果发现所述组G_k未校准，进一步将所述组G_k划分为两个或更多个子组，并且评估每个这些子组的校准；并且从未校准天线池中排除所述子组中任何一个被发现为被校准的子组的天线。因此可以进一步减小所述未校准天线池，从而允许更快的进一步评估或校准(即，用于更快地测试或估计与所述未校准天线池相关联的校准矩阵)。

在一个实施例中，K＝2。即所述天线阵列被划分为两组，G₁和G₂。因此可以实现用于校准或测试校准的特别快速的过程。

在一个实施例中，所述控制单元用于基于多个所述接收信号Y_kk′i′s评估所述天线阵列的校准，其中k＝1,…,K，s＝1,…,S_k，k'≠k，并且i'＝1,…,N_k'，以及如果发现所述天线阵列未校准，则使用根据前述内容的方法校准所述天线阵列。根据是否发现天线阵列未校准来评估校准和校准所述天线阵列可以比例如所述天线阵列的周期性校准更有效。

所述控制单元可以用于基于上行链路信道矩阵H_UL和所述校准矩阵F计算下行链路信道状态信息。例如，所述控制单元可以用于通过计算乘积

来计算下行链路信道状态信息。

根据第二方面，提供了一种对MIMO收发器的天线阵列执行阵列内导频测量的方法。所述天线阵列包括N个收发天线，所述方法包括：

-将所述天线阵列划分为K组天线，G_k，k＝1,…,K，其中K≥2，每组G_k包括所述天线阵列的N_k个天线，A_ki，i＝1,…,N_k；以及

-对于每个k＝1,…,K，执行S_k导频测量，M_ks，s＝1,…,S_k，其中S_k≥1并且其中每个导频测量M_ks包括由所述组G_k中的每个天线A_ki，i＝1,…,N_k同时发送导频信号P_kis，并且由其他组G_k'，k'≠k的每个天线A_k'i'，i'＝1,…,N_k'通过接收由所述天线A_ki，i＝1,…,N_k发送的所述导频信号P_kis生成接收信号Y_kk′i′s。

所述组中的至少一组可以包括两个或更多个天线。换句话说，存在至少一个其中N_k≥1的k。据了解，不需要在给定组内交换导频。与在阵列的每个天线对的天线之间交换导频的技术相比，这可以使该方法更快速。

该方法可以包括评估所述天线阵列的校准(例如，在正常模式中)或基于多个所述接收信号Y_kk′i′s校准(例如，在紧急模式中)天线阵列，其中k＝1,…,K，s＝1,…,S_k，k'≠k，并且i'＝1,…,N_k'。评估天线阵列的校准意味着确定天线阵列是否被校准，即校准矩阵F是否准确，或确定校准矩阵F的准确度。

在一个实施例中，校准所述天线阵列包括确定大小为N×N的校准矩阵F，以便最小化或减小违反互易关系的集合的程度，或者其中所述评估所述天线阵列的校准包括计算校准矩阵F违反所述互易关系的集合的程度，其中每个所述互易关系是由所述天线组中的一组天线产生的所述接收信号与所述天线组中的另一组天线产生的所述接收信号之间的互易关系。所述校准矩阵可以是对角线或块对角线，在这种情况下，它可以由其对角线元素或对角线块表示。

所述互易关系可以是

其中k'≠k且s＝1,…,S_k和s＝1,…,S_k'，并且其中F_k是第k组天线G_k的大小为N_k×N_k的校准矩阵，F_k为对应于所述第k组天线G_k的所述校准矩阵F的子矩阵。

其中l＝1,…,S_k的接收信号Y_k'ki's和其中l＝1,…,S_k的接收信号'Y_{kk′i′s′}可以通过相干测量获得，即通过在短时间间隔(也就是说足以使信道矩阵H的变化可忽略不计的时间间隔)内发送(和接收)导频。

在一个实施例中，校准所述天线阵列包括：确定未校准天线池，所述未校准天线池为所述天线阵列的所述天线的子集；以及校准所述未校准天线池。因此可以特别快速地校准天线阵列。

在一个实施例中，确定所述未校准天线池包括确定对于每个k＝1,…,K，组G_k是否被校准，以及如果发现所述组G_k被校准，从所述未校准天线池中排除组G_k的所述天线。在校准过程的初始阶段，所述池被认为包括天线阵列的所有天线。如果已知校准矩阵F_k具有足够的准确度，则称天线组G_k被校准。

在一个实施例中，确定组G_k是否被校准包括将如本文所述的用于整个天线阵列的方法应用到所述组G_k，将组G_k视为所述天线阵列。换句话说，本文描述的用于“天线阵列”的方法也可以应用于由所述组G_k组成的天线阵列。

可以通过如下方式来校准所述未校准天线池：将如上所述的针对整个天线阵列的方法应用于所述未校准天线池，将所述未校准天线池视为所述天线阵列。

在一个实施例中，如果发现所述组G_k未校准，则将所述组G_k划分为两个或更多个子组，并评估每个所述子组的校准。然后，从所述未校准天线池中排除所述子组中任何一个被发现为被校准的子组的天线。

所述方法可以包括基于多个所述接收信号Y_kk′i′s评估所述天线阵列的校准(例如，在正常模式下)，其中k＝1,…,K，s＝1,…,S_k，k'≠k，并且i'＝1,…,N_k'，以及如果发现所述天线阵列未校准，则使用如上所述的方法校准所述天线阵列(例如，在紧急模式中)。

在一个实施例中，K＝2。换句话说，天线阵列被精确地划分为两组，G₁和G₂。这样的方案易于实现并且可以特别快。

所述方法可以进一步包括基于上行链路信道矩阵H_UL和所述校准矩阵F计算下行链路信道状态信息(例如，通过计算乘积

)。

根据第三方面，本发明涉及一种计算机程序，包括程序代码，用于在计算机上执行时执行根据第二方面或其任何实施方式的方法。因此，所述方法可以以自动且可重复的方式执行。

所述计算机程序可以由基站执行。所述装置可以可编程地配置以执行所述计算机程序。

本发明的实施例可以以硬件、软件或硬件和软件的任何组合来实现。

附图说明

将参照以下附图描述本发明的这些和其他实施例，其中：

图1示意性地示出了与第二MIMO收发器通信的第一MIMO收发器的示例。

图2示意性地表示有效下行链路信道和有效上行链路信道。

图3示意性地示出了MIMO收发器的示例。

图4示意性地表示阵列内导频测量方案的第一示例。

图5示意性地表示阵列内导频测量方案的第二示例。

图6示意性地表示检测天线阵列的未校准(“正常模式”)和校准天线阵列(“紧急模式”)的方法的示例。

图7示意性地表示检测天线阵列的未校准(“正常模式”)和校准天线阵列(“紧急模式”)的方法的示例。

图8示意性地表示检测天线阵列的未校准(“正常模式”)的方法的示例。

图9示意性地表示检测天线阵列的未校准(“正常模式”)和校准天线阵列(“紧急模式”)的方法的示例。

图10示意性地表示用于检测未校准天线的方法的示例。

相同的附图标记表示相同或功能等同的特征。

具体实施方式

本发明涉及几个相互关联的概念，这些概念将在下文中更详细地描述。这些概念可以单独实施或组合实施。本文描述的操作可以例如通过适当地配置(例如，编程)MIMO收发器的控制单元来实现，使得MIMO收发器将执行相应的操作。

图3示出了MIMO收发器10的示例。MIMO收发器10包括天线阵列12、连接到天线阵列12的收发器单元14，以及连接到收发器单元14的控制单元16。天线阵列12包括N个收发天线(图中编号为1到N)。这些天线中的每一个可在接收(或“监听”)模式和发送(或“发送”)模式下操作。在接收模式中，相应的天线不由收发器单元14驱动，而是响应于来自其环境的电磁辐射而产生接收信号。接收信号被馈送到收发器单元14以进行进一步处理。在发送模式中，相应的天线由收发器单元14驱动，以将电磁信号发射到其环境中。发射的电磁信号可以特别地包括去往例如一个或多个用户设备(在该图中未示出)的下行链路信号，以及用于校准目的的导频信号。在阵列内校准方案中，来自一个发送天线的导频信号由天线阵列12的一个或多个监听天线接收。

第一个概念涉及将天线区域划分为两组或更多组天线，并在这些组之间发送导频信号，以产生接收的导频信号。接收的导频信号可用于例如确定当前校准矩阵F_BS是否准确，或用于估计校准矩阵。

更具体地，天线阵列被划分为K组天线，其中K≥2。如果K远小于天线的总数并且如果各组具有大致相同的大小(即，如果每组A_k包括与其他组大致相同的天线数量)，则预期该技术将特别有效。K＝2可能是一个特别好的选择。

这些组表示为A₁,…,A_K。K个组之间的导频传输(对于K＝2参见图4，对于K＝3参见图5)以K个连续间隔执行。在第k个间隔(其中k＝1,…,K)中，组A_k的每个天线发送导频，而其他组的天线正在监听(其他组是除了A_k之外的A₁至A_K)。“监听”意味着他们的操作是为了接收A₁组的导频。组A₁的每个天线都发送自己独特的导频。换句话说，由该组的不同天线发送的导频彼此不同(例如，它们的载波相同但是它们被不同地调制)。因此，可以基于其导频信号识别每个天线。组A_k的天线可以同时发送它们的导频，从而实现良好的时间效率。可以重复执行这些操作。例如，在第K个间隔之后，可以重复间隔1到K的操作。

接收的导频信号用于评估天线阵列的校准矩阵的现有值(例如，以确定天线阵列是否被充分校准)，或者确定天线阵列的校准矩阵的新值(即重新校准天线阵列)。

再次参考图3，控制单元16可以用于通过以下操作执行阵列内导频测量：

-将天线阵列分成K组天线，G_k，k＝1,…,K，其中K≥2，每组G_k包括天线阵列的N_k个天线，A_ki，i＝1,…,N_k。换句话说，定义K个互斥天线集合(天线组)，并且阵列的N个天线中的每一个被精确地分配给这些集合中的一个。

-对于每个k＝1,…,K，控制收发器单元执行S_k导频测量，M_ks，s＝1,…,S_k，其中S_k≥1。每个导频测量M_ks包括由组G_k的每个天线A_ki，i＝1,…,N_k同时发送导频信号P_kis。每个天线将发送其自己的独特的导频信号，从而允许基于其导频信号识别相应的天线。相应的导频测量M_ks还包括由其他组G_k'，k'≠k的每个天线A_k'i'，i'＝1,…,N_k'通过接收由天线A_ki，i＝1,…,N_k发送的导频信号P_kis，生成接收信号Y_kk′i′s。

需注意的是，校准可能需要多个这样的导频传输。特别地，K个导频测量足以用于测试校准参数但不足以更新它们。例如，每个组G_k可以发送多个导频信号。

另一个概念涉及用于在必要时快速重新校准天线阵列的阵列内导频传输方案。该方案包括天线阵列的两个阵列内导频传输方案，即检测模式(本文称为正常模式)和校准模式(本文称为紧急模式)。

在正常模式中，在天线阵列的天线之间发送导频信号，并且估计校准矩阵F_BS的当前值与接收的导频之间的失配。如果估计的失配超过阈值，则MIMO收发器切换到紧急模式。

在紧急模式中，在天线阵列的天线之间发送导频信号。在已经发送了足够数量的导频信号之后，MIMO收发器基于接收的导频估计校准矩阵F_BS的新值。在两种模式(正常和紧急模式)中，导频可以在K组天线之间传输。

需注意的是，在正常模式下已经发送了足够数量的导频信号之后，也可以估计校准矩阵的新值。然而，紧急模式允许比正常模式更快地估计校准矩阵的新值。

图6示意性地表示其中MIMO收发器在正常模式下操作，然后切换到紧急模式，然后切换回正常模式的场景的示例。

在正常模式的实施例中(参见图7，“正常模式”)，在连续的时隙中执行组导频传输。在每个时隙中，基于接收的导频信号估计当前校准矩阵F_BS的失配。如果估计的失配太高，则MIMO收发器切换到紧急模式。正常模式允许以频谱有效的方式快速检测任何未校准(即，检测校准矩阵的当前值的任何失配)，需要相对较少的导频信号传输(即，需要比确定校准矩阵的新值所需的更少的导频信号传输)。然而，正常模式通常不适合于识别任何未校准的天线。

在紧急模式的实施例中(参见图7，“紧急模式”)，发送专用的导频信号序列。基于N_U个接收的导频信号确定校准矩阵F_BS的新值。可以选择足够大的数量N_U，以便可以识别未校准天线。在N_U导频测量之后，MIMO收发器被重置为正常模式。紧急模式允许识别任何未校准的天线，并重新校准它们。

在正常模式中，导频在一系列时隙中在K个天线子组A₁,…,A_K之间传输。

可将每个时隙选择为足够短，以使得在时隙期间信道矩阵的任何变化都可以忽略不计。在这些时隙中的任何一个期间执行的导频测量称为相干测量。正常模式中的每个时隙包括L_C相干连续双向导频测量(例如，如图8所示)。

其中发送一个或多个导频的时隙可以称为导频发送时隙。在任何两个连续导频传输时隙之间的时段中，可以操作天线阵列以发送或接收任何类型的信号，例如，发送下行链路信号，或者接收上行链路信号。由一个或多个时隙分开的导频传输时隙在本文中称为非相干时隙。因此，上述S_k导频测量可以分解为Lc相干测量组成的T_NC个组。如果可能，估计校准矩阵。

可以估计校准矩阵(或其子矩阵)，例如，如下：

连续操作天线阵列的K个天线组，以分别发送对应于其大小为N₁×L_C,…,N_K×L_C的K个导频矩阵P_1,t,…,P_K,t的导频，以用于每个非相干时隙t(在1和T_NC之间，其中T_NC是非相干时隙的数量)。对于每个k和每个相干时隙L(在1和L_C之间)，第L列分别对应于由组A_k的天线元件发送的信号。当K个天线组中的一个发送时，阵列的其他天线监听(即，以接收模式操作)，从而产生接收的导频信号Y_1k',t,…,Y_K',t，它们是在每个非相干时隙t(在1和T_NC之间)的导频传输期间，分别包含由天线元件集合A_k'接收的信号的大小为N_k'×L_C的K个矩阵。

基于接收的导频信号计算校准子矩阵F₁,…,F_K。然后，完整校准矩阵F是具有子矩阵F₁,…,F_K作为其块对角线的块对角矩阵，即

对于从1到K的任何k和k'，k≠k'，发送和接收的导频在理论上通过以下互易关系相关联：

其中n是噪声矩阵。该关系可用于基于发送的导频P_k和接收的导频Y_kk'来估计校准子矩阵F₁,…,F_K。

在一个实施例中，通过求解以下最小二乘最小化问题的解来估计校准子矩阵F₁,…,F_K(例如，通过MIMO收发器的控制单元)：

在该实施例的变型中，

在一个实施例中，组A_k的导频矩阵如下设计。随机选择P_k,t的行i和列j的每个元素，以使得其范数与功率约束α匹配，例如

其中θ_i,j为范围[0；2π]内的均匀随机变量。

在另一实施例中，P_k,t的每条线的功率被选择为

其中SNR_k是子集A_k的天线i与子集A_k外部的天线之间的信道的信噪比。如在第一实施例中那样选择P_k,t的每个元素的相位，即在0和2π之间均匀随机。

例如，可以如下计算用于检测未校准的标准。在一个实施例中，在每个非相干时隙t之后计算标准η_t。该标准η_t可以计算为

如果发现标准超过定义的阈值T(即，当η_t>T时)，则触发紧急模式。例如，可以通过将错误地切换到紧急模式的概率固定为特定值来选择阈值T。

在紧急模式的第一实施例(“最大相干时间”)中，与正常模式类似地发送

相干连续导频。在这种情况下，可以通过与正常模式相同的等式估计校准参数。在估计校准参数之后，系统返回到正常模式。该技术特别适用于信道在N_U测量上保持恒定的情况。

在紧急模式的第二实施例(“二叉树搜索”，参见图9)中，紧急模式包括树搜索操作(例如，二叉树搜索)，用于确定未校准天线池，然后进行校准操作以校准未校准天线池。

换句话说，树搜索用于识别未校准的天线。树搜索可以包括，例如，在K个天线子组A₁,…,A_K和B之间交换的N-N₀个其他导频传输。如果可能，在每个导频传输之后估计校准参数(例如，像在正常模式中那样)。然后系统返回到正常模式，例如，在总共N_U＝N个双向测量之后(参见图8)。

图10示出了树搜索的实施例的示例。这里，η₁是可以离线优化的阈值。在该示例中，树搜索包括以下操作(其可以由MIMO收发器的控制单元控制)：

-在K个天线子组A₁,…,A_K之间交换导频。基于接收的导频计算标准

(具有如上针对正常模式详述的符号)。

-如果η<η_max，则停止二叉树搜索；否则，对于每个组A_k(k＝1,…,K)，将第二标准γ_k计算为

如果γ_k>γ_max，则将组A_k分成K个子组A_kA₁，A_kA₂,…,A_kA_K。需注意的是，如果γmax＝0，则不需要计算第二标准γ_k)。然后在这K个子组之间交换导频，并计算相应的标准η_Ak。如果η_Ak<η_max，则不再进一步划分组A₁A₁,…,A₁A_K。否则，(即，如果η_A1>η₁)，计算第二标准η_Ak，k'。如果γ_Ak,k'>γ_max，则组A_kA_k'也将被划分成K个子组。

-迭代此过程，直到每个剩余的组仅包含一个元素。

-然后，仅在阵列的其余天线之间，即在未校准天线池的天线之间，(例如，通过如在正常模式中的传输方案)发送多个导频，并且基于接收的导频确定那些剩余天线的校准参数。

上述技术具有以下优点。两个天线子组之间的导频传输的相干和非相干累积允许校准技术在频谱上有效。需注意的是，它将需要相对较少的导频符号(如果

仅需要

个导频传输)。通过允许检测和校正校准参数的突变，校准技术在硬件行为方面也可以非常稳健。

估算数量意味着确定数量的值。如果数量包括多个元素(例如，如果数量是元组或矩阵)，则该值还包括多个元素；估计数量则意味着确定多个元素中的每一个的值。

从一组天线(第一组)到另一组天线(第二组)的导频传输意味着从第一组的每个天线同时发送导频并且由第二组的每个天线接收该导频的操作。这被称为单向导频传输。

一组天线(第一组)和另一组天线(第二组)之间的双向导频传输是从第一组到第二组的单向导频传输，随后是相反方向的单向导频传输，即从第二组到第一组的单向导频传输。

校准天线阵列的一组天线意味着确定与该组天线相关联的校准矩阵。与该组天线相关联的校准矩阵是与整个天线阵列相关联的校准矩阵的子矩阵。

已经结合本文的各种实施例描述了本发明。然而，通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现所公开实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中记载的若干项的功能。某些措施被记载在相互不同的从属权利要求中的事实不指示这些措施的组合不能被用于获得有益效果。计算机程序可以存储/分布在合适的介质上，例如与其他硬件一起提供或作为其他硬件的一部分提供的光学存储介质或固态介质，但也可以以其他形式分发，例如通过因特网或其他有线或无线电信系统。

尽管已经参考本发明的具体特征和实施例描述了本发明，但显然可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对其进行各种修改和组合。因此，说明书和附图应简单地视为由所附权利要求限定的本发明的说明，并且预期涵盖落入本发明范围内的任何和所有修改、变化、组合或等同物。

Claims (16)

1.一种多输入多输出MIMO收发器，包括天线阵列、连接到所述天线阵列的收发器单元，以及连接到所述收发器单元的控制单元，所述天线阵列包括N个收发天线，其中所述控制单元用于通过以下方式执行阵列内导频测量：

将所述天线阵列划分为K组天线，G_k，k＝1,…,K，其中K≥2，每组G_k包括所述天线阵列的N_k个天线，A_ki，i＝1,…,N_k，其中所述N_k是任意正整数；以及

对于每个k＝1,…,K，控制所述收发器单元执行S_k导频测量，M_ks，s＝1,…,S_k，其中S_k≥1并且其中每个导频测量M_ks包括由所述组G_k中的每个天线A_ki，i＝1,…,N_k同时发送导频信号P_kis，并且由其他组G_k'，k'≠k的每个天线A_k'i'，i'＝1,…,N_k'通过接收由所述天线A_ki，i＝1,…,N_k发送的所述导频信号P_kis生成接收信号Y_kk′i′s；

通过使用多个所述接收信号Y_kk′i′s计算违反互易关系的集合的程度来评估所述天线阵列的校准，从而确定当前校准矩阵的失配，其中所述互易关系的集合中的每个所述互易关系是由所述天线组中的一组天线产生的接收信号与所述天线组中的另一组天线产生的接收信号之间的互易关系；

响应于确定所述当前校准矩阵的失配超过阈值，执行所述天线阵列的校准；以及

响应于确定所述当前校准矩阵的失配小于所述阈值，跳过所述天线阵列的校准。

2.根据权利要求1所述的多输入多输出MIMO收发器，其中，所述组中的至少一个包括两个或更多个天线。

3.根据权利要求1所述的多输入多输出MIMO收发器，其中，所述控制单元用于通过确定大小为N×N的更新的校准矩阵F，以便最小化或减小违反所述互易关系的集合的程度来校准所述天线阵列。

4.根据权利要求3所述的多输入多输出MIMO收发器，其中，所述互易关系是

其中k'≠k且s＝1,…,S_k和s'＝1,…,S_k'，并且其中F_k是第k组天线G_k的大小为N_k×N_k的校准矩阵，其中F_k为与所述第k组天线G_k相关联的所述更新的校准矩阵F的子矩阵。

5.根据权利要求4所述的多输入多输出MIMO收发器，其中，s＝1,…,S_k的所述S_k导频测量M_ks和其中s'＝1,…,S_k'的所述测量Y_{kk′i′s′}是相干测量。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的多输入多输出MIMO收发器，其中，所述控制单元用于通过以下方式校准所述天线阵列：

-确定未校准天线池，所述未校准天线池为所述天线阵列的所述天线的子集；以及

-校准所述未校准天线池。

7.根据权利要求6所述的多输入多输出MIMO收发器，其中，所述控制单元用于通过以下方式确定所述未校准天线池：确定对于每个k＝1,…,K，组G_k是否被校准，以及如果发现所述组G_k被校准，从所述未校准天线池排除组G_k的所述天线。

8.根据权利要求7所述的多输入多输出MIMO收发器，其中，为了确定组G_k是否被校准，所述控制单元被配置为对所述组G_k执行所述阵列内导频测量。

9.根据权利要求7所述的多输入多输出MIMO收发器，其中，为了校准所述未校准天线池，所述控制单元被配置为对所述未校准天线池执行所述阵列内导频测量。

10.根据权利要求6所述的多输入多输出MIMO收发器，其中，如果发现所述组G_k未校准，则所述控制单元用于将所述组G_k划分为两个或更多个子组，并且评估每个所述子组的校准，并且对于所述子组中任何一个被发现为被校准的子组，从所述未校准天线池中排除该子组的所述天线。

11.根据权利要求1至5中任一项所述的多输入多输出MIMO收发器，其中，K＝2。

12.根据权利要求1至5中任一项所述的多输入多输出MIMO收发器，其中，所述控制单元用于：

-基于多个所述接收信号Y_kk′i′s评估所述天线阵列的校准，其中k＝1,…,K，s＝1,…,S_k，k'≠k，并且i'＝1,…,N_k'，以及

-如果发现所述天线阵列未校准，则使用根据前述权利要求中任一项的方法校准所述天线阵列。

13.根据权利要求3至5中任一项所述的多输入多输出MIMO收发器，其中，所述控制单元用于基于上行链路信道矩阵H_UL和所述更新的校准矩阵F计算下行链路信道状态信息。

14.一种对多输入多输出MIMO收发器的天线阵列执行阵列内导频测量的方法，所述天线阵列包括N个收发天线，所述方法包括：

-将所述天线阵列划分为K组天线，G_k，k＝1,…,K，其中K≥2，每组G_k包括所述天线阵列的N_k个天线，A_ki，i＝1,…,N_k，其中所述N_k是任意正整数；以及

-对于每个k＝1,…,K，执行S_k导频测量，M_ks，s＝1,…,S_k，其中S_k≥1并且其中每个导频测量M_ks包括由所述组G_k中的每个天线A_ki，i＝1,…,N_k同时发送导频信号P_kis，并且由其他组G_k'，k'≠k的每个天线A_k'i'，i'＝1,…,N_k'通过接收由所述天线A_ki，i＝1,…,N_k发送的所述导频信号P_kis生成接收信号Y_kk′i′s；

通过使用多个所述接收信号Y_kk′i′s计算违反互易关系的集合的程度来评估所述天线阵列的校准，从而确定当前校准矩阵的失配，其中所述互易关系的集合中的每个所述互易关系是由所述天线组中的一组天线产生的接收信号与所述天线组中的另一组天线产生的接收信号之间的互易关系；

响应于确定所述当前校准矩阵的失配超过阈值，执行所述天线阵列的校准；以及

响应于确定所述当前校准矩阵的失配小于所述阈值，跳过所述天线阵列的校准。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述组中的至少一组包括两个或更多个天线。

16.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括计算机程序指令，当其在计算机上运行时，使得所述计算机执行根据权利要求14或15所述的方法。

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