CN110912587B - Fdd系统中已知导向矩阵条件下预编码设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及FDD大规模MIMO系统中基于信道部分互易性的已知导向矩阵条件下预编码设计方法，所述预编码设计方法包括以下步骤：设计导频序列和处理接收信号；选择码字并反馈其索引；设计预编码和发送信息。本发明FDD系统中已知导向矩阵条件下预编码设计方法与现有的方法相比具有更好的系统性能，在知道少量信道信息的情况下，能够实现很高的信道利用率，且提出的CSI反馈过程能大量的减少系统训练和反馈开销，从而进一步提升系统性能。

Description

FDD系统中已知导向矩阵条件下预编码设计方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及FDD大规模MIMO系统中基于信道部分互易性的已知导向矩阵条件下预编码设计方法。

背景技术

在大规模MIMO系统中，利用基站(BS)的大规模天线阵，系统能够获得极高的空间分辨率和空间分割复用增益，做到在不造成严重干扰的情况下，还同时为多个用户提供服务，极大的提高了系统的频谱效率和传送速率。然而，这些优势都依赖于信道状态信息(CSI)的可用性，因此在实际系统中如何精确获取CSI对系统性能的影响至关重要。

针对频分双工(FDD)大规模MIMO系统，要获取下行CSI需要花费大量的时频开销。在实际的大规模MIMO系统中，由于训练量和反馈开销与BS天线的数量成正比，因此采用传统的线性信道估计方法(如最小二乘算法(LS)和线性最小均方误差(LMMSE)算法)来获取CSI的消耗太大，不切实际。为了更好地控制系统资源，我们可以利用FDD系统中上行信道和下行信道频段之间的时延和角度的互易性来减少反馈开销。在获取CSI的条件下，采用预编码技术可以消除干扰，能够进一步提升下行链路的性能。因此基于信道部分互易性的基础上，研究CSI的获取和反馈问题，并结合预编码技术设计一个通过少量的训练和反馈开销就可解决FDD大规模MIMO系统中下行CSI的精确获取的问题是值得研究的。

发明内容

基于现有技术中存在的上述不足，本发明提供FDD系统中已知导向矩阵条件下预编码设计方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

FDD系统中已知导向矩阵条件下预编码设计方法，应用于频分双工(FDD)下的单用户大规模MIMO系统中，主要是针对导向矩阵已知的情况，即在导向矩阵可通过上行信道估计而获取的条件下，所述预编码设计方法包括以下步骤：

S1：设计导频序列，将导频序列通过下行信道发送给用户端，利用MMSE估计方法处理用户端的接收信号；

S2：在预编码码本中选择所述处理后的参数对应的码字，将该码字对应的索引反馈给基站；

S3：基站构造预编码，并利用该预编码发送信息给用户。

单用户大规模MIMO系统包括一个单天线用户，一个基站，基站配备M_t根天线，L_c个簇。

步骤S1具体为：

设信道是基于3GPP TR 36.873V 12.7.0标准所建立的信道，不考虑时间相关项，天线间的发射天线场模式和接收天线场模式都分别相等；

记导向矩阵A的第(i,j)元素定义为[A]_i，j；

S1.1：对A进行奇异值分解；

A＝UDV^H

其中

令J＝min{M_t,L_c}，则J＝rank(A)，

D＝diag(λ₁,λ₂,…,λ_J)，且λ₁≥λ₂≥…≥λ_J≥0。

S1.2：取A的前K个最大奇异值所对应的奇异值向量u₁,u₂,…,u_K的组合U_K作为导频序列；

S1.3：将U_K通过下行信道发送给用户，则用户端接收到的信号为：

其中

为下行信道，

为噪声；

S1.4：利用MMSE估计方法对接收信号进行处理，估计得到g_i，表示为：

并对g_K＝[g₁,g₂,…,g_K]归一化处理为g₀。

作为本发明的优选方案之一，步骤S2具体为：

在预编码码本

找到g₀对应码字

并把码字所对应的索引

反馈给基站，该索引由下式定义：

作为本发明的优选方案之一，步骤S3具体为：

基站构造预编码

并利用此预编码发送信息s给用户，此时，用户端的接收信号表示为：

本发明与现有技术相比，有益效果是：

本发明FDD系统中已知导向矩阵条件下预编码设计方法与传统的预编码设计方法相比，在知道少量信道信息的情况下，能够实现更高的信道利用率，且提出的CSI反馈过程能大量的减少系统训练和反馈开销从而进一步提升系统性能。

附图说明

图1是本发明实施例所述方法在不同反馈数K下，基站天线数关于信道利用率的仿真图。

图2是本发明实施例所述方法在不同基站天线数下，反馈数K取值关于信道利用率的仿真图。

具体实施方式

以下将对本发明的技术方案作进一步解释说明。

本发明实施例的FDD系统中

已知导向矩阵条件下预编码设计方法，针对现有预编码设计方法的不足，进行了改进。

具体应用案例如下：

假设系统中有1个用户，1个基站且以基站的天线数为32根，K的取值为10为例。基于上述系统环境下，结合本发明中的预编码设计方法。下表给出了系统的一般参数，根据表1中的系统参数来进行预编码设计。

表1系统参数选择

S1,设计导频序列和处理接收信号

假设信道是基于3GPP TR 36.873V 12.7.0(2017-12)标准所建立的信道，且不考虑时间相关项，天线间的发射天线场模式和接收天线场模式都分别相等。记导向矩阵A的第(i,j)元素定义为[A]_i，j，根据现有文献，存在若干方法能够通过上行信道实现该导向矩阵的获取。

S1.1：对A进行奇异值分解(SVD)；

A＝UDV^H

其中U＝[u₁ u₂ … u₃₂]，令J＝min{Mt,L_c}，则J＝rank(A)＝19，D＝diag(λ₁,λ₂,…,λ₁₉)，且λ₁≥λ₂≥…≥λ₁₉≥0。

S1.2：确定反馈数K的取值为10，取A的前10个最大奇异值所对应的奇异值向量u₁,u₂,…,u₁₀的组合U_K作为导频序列；

S1.3：将U_K通过下行信道发送给用户，则用户端接收到的信号为：

其中

为下行信道，

为噪声。

S1.4：利用MMSE估计方法对接收信号进行处理，估计得到g_i，可表示为：

并对g_K＝[g₁,g₂,…,g₁₀]归一化处理为g₀；

S2,选择码字并反馈其索引

在预编码码本

找到g₀对应码字

并把码字所对应的索引

反馈给基站，该索引由下式定义：

S3,设计预编码和发送信息

基站构造预编码

并利用此预编码发送信息s给用户，用户端可根据该接收信号估计出下行信道h_dl，该接收信号可表示为：

S4,信道利用率分析

为了分析本发明所提出的FDD系统中已知导向矩阵条件下预编码设计方法的性能，我们定义了信道利用率η如下：

如图1所示，是在上述举例的条件下，基站天线数关于系统信道利用率的仿真图，可以看出在不同反馈数K取值下，基站天线数与信道利用率的之间关系，反馈数K的增加，信道利用率也随之增加。从图1中可以看出，在上述举例的条件下，信道利用率可达约96％。且在K＝12，基站天线数在128根以内的条件下信道利用率可达92％以上。从中可以说明本发明提出的方法在低反馈多天线数下能达到很高的信道利用率，与现有的方法相比具有更好的系统性能。

如图2所示，是在上述举例的条件下，反馈数K的取值关于系统信道利用率的仿真图，可以看出在不同基站天线数下，反馈数K与信道利用率之间的关系，基站天线数的减少，信道利用率随之增加。从图2中可以看出，在反馈数K取值为16，基站天线数在128根以内的条件下，系统的信道利用率就接近99％。从中可以说明本发明提出的方法在知道少量信道信息的情况下可以实现低反馈多天线数并达到很高的信道利用率，与现有的方法相比具有更好的系统性能，且提出的CSI反馈过程能够大量的减少系统训练和反馈开销，从而进一步提升系统性能。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.FDD系统中已知导向矩阵条件下预编码设计方法，应用于FDD下的单用户大规模MIMO系统中，其特征在于：包括以下步骤：

S1：设计导频序列，将导频序列通过下行信道发送给用户，利用MMSE估计方法处理用户的接收信号；

S2：在预编码码本中选择所述处理后的参数对应的码字，将该码字对应的索引反馈给基站；

S3：基站构造预编码，并利用该预编码发送信息给用户；

所述单用户大规模MIMO系统包括一个单天线用户，一个基站，基站配备M_t根天线，L_c个簇；

步骤S1具体为：

设信道是基于3GPP TR 36.873 V 12.7.0标准所建立的信道，不考虑时间相关项，天线间的发射天线场模式和接收天线场模式都分别相等；

记导向矩阵A的第(i,j)元素定义为[A]_i，j；

S1.1：对A进行奇异值分解；

A＝UDV^H

其中

令J＝min{M_t,L_c}，则J＝rank(A)，D＝diag(λ₁,λ₂,…,λ_J)，且λ₁≥λ₂≥…≥λ_J≥0；

S1.2：取A的前K个最大奇异值所对应的奇异值向量u₁,u₂,...,u_K的组合U_K作为导频序列；

S1.3：将U_K通过下行信道发送给用户，则用户端接收到的信号为：

其中

为下行信道，

为噪声；

S1.4：利用MMSE估计方法对接收信号进行处理，估计得到g_i，表示为：

并对g_K＝[g₁,g₂,…,g_K]归一化处理为g₀。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2具体为：

在预编码码本

找到g₀对应码字

并把码字所对应的索引

反馈给基站，该索引由下式定义：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：

基站构造预编码

并利用此预编码发送信息s给用户，此时，用户的接收信号表示为：

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