CN111245487A - 一种高速率下行数据预编码和传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速率下行数据预编码和传输方法。在下行链路中，首先基站需要存储上一个传输时隙反馈回来的信道状态信息，然后在当前传输时隙时，基站在发送完下行训练导频后，在等待阶段并不什么也不做，而是将存储下来的上一个传输时隙获得的信道状态信息直接用于待发送数据的预编码和传输，而在传输阶段仍继续发送下行数据，这样实际的传输阶段便是上行反馈等待阶段加上原来的传输阶段，从而增加了每个时隙传输阶段所占比例，进而提高下行传输速率和更加有效地利用频谱资源。

Description

一种高速率下行数据预编码和传输方法
技术领域
本发明涉及一种信息通信技术，尤其是一种频分双工大规模多进多出(MassiveMultiple-Input Multiple-Output)系统的下行数据预编码和传输方法。
背景技术
在过去的二十年里，随着移动通信系统的快速发展，各类移动终端设备对数据流量的需求呈指数型增长。尽管多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技术为增强移动通信网络性能做出了突出贡献，但它仍不足以应付如今移动终端的巨量增长。最近几年，一种在基站端部署天线远多于移动终端天线数的多用户多输入多输出技术，已经被视为下一代移动通信网络的关键技术之一。在基站端使用大量天线具有许多好处，理论上来说，大规模多输入多输出系统可以通过简单的线性预编码和解码技术(如最大比率传输/结合和迫零技术)来显著提升通信网络的频谱效率和能量效率。除此之外，大规模多输入多输出技术还能消除无线信道的小尺度衰落、简化信号处理过程以及提供有效的功率控制等。
为了充分获得上述大规模多输入多输出技术的增益效果，通信系统无论是采用时分双工(time-division-duplex，TDD)模式还是频分双工(frequency-division-duplex，FDD)模式，基站都需要获得准确的信道状态信息(channel state information，CSI)。对于时分双工模式来说，由于其上下行链路都采用同一个频段而具有信道互易性，因此在时分双工系统中只需要装配了单根天线的用户终端向基站发送上行信道状态信息，而基站并不需要发送导频，这样用于获取信道状态信息的信号开销只和用户终端数量呈线性关系而与基站天线数目无关。然而，对于频分双工模式而言，由于其上下行链路采用了不同频段的通信频率而不具有信道互易性，这使得频分双工系统中基站和用户终端都需要发送导频来获取准确的信道状态信息。当基站天线数大幅度增加至成百上千根时，显然频分双工模式下基站用于获取信道状态信息的信号开销将变得非常大，这对于实际的移动通信系统来说是难以承受的，因此频分双工模式下采用大规模多输入多输出技术显得不切实际。尽管基站天线数大幅度增加并不会对时分双工模式造成较大的不利影响，选择时分双工模式来部署大规模多输入多输出技术较之频分双工有着天然的优势，但是现今许多地区的蜂窝网络仍是工作在频分双工模式下，而且对于时分双工系统而言也存在着导频污染、校准误差、硬件减损等系统缺陷，这些限制条件意味着大规模多输入多输出技术直接部署在时分双工模式下可能要付出更大的代价。因此无论是在学术界还是产业界，研究如何减少因增加基站天线数目给频分双工系统带来的不利影响是很有必要且具有实际意义的。
频分双工大规模多输入多输出系统的基本帧结构如图1所示，一个典型的下行链路传输时隙可以分为三个阶段——训练阶段、上行反馈等待阶段(或信道状态信息反馈等待阶段)和传输阶段，一个上行链路传输时隙也可分为三个阶段——上行反馈阶段(或信道状态信息反馈阶段)、训练阶段和传输阶段。在下行链路传输过程中，基站需要经过上行反馈等待阶段获得估计的信道状态信息后才能开始向用户终端传输源数据。现有的频分双工大规模多输入多输出系统的下行数据预编码和传输方案正是建立在其基本帧结构的基础上，如图2所示，在现有下行数据预编码和传输方法中，基站首先进行训练阶段，将导频发给用户终端后进入上行反馈等待阶段，此时用户终端将通过下行导频估计到的下行信道状态信息反馈给基站，而基站在该阶段不能发送任何源数据给用户，也就是说基站在反馈阶段除了等待什么也不能做。只有当反馈完成，基站获得了估计到的信道状态信息后才能对源数据进行预编码再传输给用户终端，即进入传输阶段。在传输阶段，基站发送给用户终端的其实是源数据经过预编码后的下行数据。图2中将基站等待阶段刚刚结束即将要进入传输阶段的那一时刻记为T1，将下行训练阶段结束即将要进入等待阶段的那一时刻记为T2，经过等待阶段后，基站在传输阶段进行预编码，采用的预编码矩阵实际上是由T2时刻信道即H2的信道状态信息得到的。这种下行数据预编码和传输方法比较简单，其优点在于基站在下行传输阶段采用的预编码矩阵受到信道过时的影响较小，传输可靠性较高，但其缺点也比较明显，由于基站必须要经过等待阶段才能开始预编码和传输数据，因此当基站天线数目大规模增加时，用于获取信道状态信息的导频和反馈信号开销势必要大大增加，导致等待时间在整个传输时隙中所占比例较大，这样就白白浪费了一些频率资源，降低了传输速率，在信道变化较慢(信道变化不大)的情况下其传输效率更低。
因此设计一种新的可以有效利用上行反馈等待时间的下行数据预编码和传输方法是十分有意义的，通过有效利用等待时间来提高传输速率，使其尽可能减少因大规模多输入多输出系统基站天线数大幅度增加给频分双工系统带来的不利影响也是十分有前景的。
发明内容
当大规模多输入多输出系统采用频分双工模式部署时，基站天线数目的大幅度增加势必会引起用于获取信道状态信息的导频和反馈信号开销大大增加，从而使得基站处在下行链路时其上行反馈等待时间大大增加，进而造成现有下行数据预编码和传输方案的传输速率降低、频率资源浪费等不利影响。为了尽可能克服上述缺陷，本发明通过利用上行反馈等待时间，旨在提供一种高速率下行数据预编码和传输方法，以在有限的带宽资源下提高下行传输速率和效率。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种高速率下行数据预编码和传输方法，具体步骤如下：
(1)在下行链路中，基站存储上一个传输时隙反馈回来的信道状态信息；
(2)在当前传输时隙，基站在发送完下行训练导频后，在上行反馈等待阶段和传输阶段将步骤(1)存储的信道状态信息直接用于待发送数据的预编码并传输给用户终端。
本发明另一种高速率下行数据预编码和传输方法，具体步骤如下：
(1)在下行链路中，基站存储上一个传输时隙反馈回来的信道状态信息；
(2)在当前传输时隙，基站在上行反馈等待阶段利用步骤(1)存储的信道状态信息进行待发送数据的预编码并发送给用户终端，直到当前传输时隙的信道状态信息反馈回基站；
(3)上行反馈等待阶段结束后进入传输阶段，在传输阶段基站利用用户终端反馈回来的当前时隙的信道状态信息来对待发送数据进行预编码并传输给用户终端。
本发明相比现有的数据预编码和传输方法的优势在于：本发明可以更加有效地利用上行反馈等待阶段，增加每个时隙传输阶段所占比例，从而提高在同频谱资源下的下行传输速率和效率。
附图说明
图1为频分双工大规模多输入多输出系统的基本帧结构；
图2为现有的下行数据预编码和传输方法流程图，H2表示T2时刻的信道。
图3为本发明提出的下行数据预编码和传输方法流程图，H3表示上一传输时隙的信道。
图4为本发明实施例1方法示意图。
图5为现有方法和本发明实施例1方法随用户移动时间的下行传输速率变化曲线图，(a)表示低速场景，(b)表示高速场景。
图6为现有方法和本发明实施例1方法随用户速度的下行传输速率变化曲线图。
图7为本发明实施例2方法示意图。
图8为现有方法和本发明实施例2方法随用户移动时间的下行传输速率变化曲线图，(a)表示低速场景，(b)表示高速场景。
图9为现有方法和本发明实施例2方法随用户速度的下行传输速率变化曲线图。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
为了能充分利用上行反馈等待时间，本发明提出在下行传输过程中将上一个传输时隙得到的信道状态信息用于当前传输时隙上行反馈等待阶段的预编码和数据传输。在下行链路中，首先基站需要存储上一个传输时隙反馈回来的信道状态信息，然后在当前传输时隙时，基站在发送完下行训练导频后，在等待阶段并不什么也不做，而是将存储下来的上一个传输时隙获得的信道状态信息直接用于待发送数据的预编码和传输，而在传输阶段仍继续传输下行数据，这样实际的传输阶段便是上行反馈等待阶段加上原来的传输阶段，从而增加了每个时隙传输阶段所占比例，进而提高下行传输速率和更加有效地利用频谱资源。
图3显示了本发明提出的利用上行反馈时间的下行数据预编码和传输方法。其中，上一个传输时隙反馈回来的信道状态信息记为H3，对应的时刻为T3，T3表示上一传输时隙中训练阶段刚结束时的那一时刻，T1、T2及H2和图2中的含义相同。为了指出本发明提出的下行数据预编码和传输方法的原理和可行性，首先需要给出必要的系统模型。
本发明采用一个单小区频分双工大规模多输入多输出系统，基站装配M根天线，服务K个单天线用户，信道噪声服从加性高斯白噪声，其均值为0，方差为1，下行传输功率用Pd表示。为了便于计算和比较下行传输速率，每个下行传输时隙中等待阶段和传输阶段的信道一律看成准静态信道，且等于T1时刻的信道H1。设下行导频符号长度为NDP，上行反馈信号符号长度为NUF，下行传输数据符号长度为NDD。本发明采用迫零预编码，迫零预编码矩阵W和信道矩阵H的关系如下：
W＝H*(HTH*)-1 (1)
根据信干噪比的定义可得第k个用户的信干噪比SINRk为：
Figure BDA0002370841970000051
其中hk、wk分别表示信道矩阵H和预编码矩阵W的第k列元素，α是一个满足功率约束的归一化常数，α的值计算如下：
Figure BDA0002370841970000052
则频分双工大规模多输入多输出系统的下行传输总速率的计算模型如下：
Figure BDA0002370841970000053
基站通过发送下行导频和用户终端反馈获得估计的信道状态信息后，即可通过(1)、(2)、(3)和(4)式计算总的下行速率。由上述现有下行数据预编码和传输方法的原理可知其第k个用户的信干噪比为：
Figure BDA0002370841970000054
Figure BDA0002370841970000055
其中下标“contemporary”表示现有技术方案，H1表示T1时刻的信道，W2表示基于T2时刻信道H2得到的预编码矩阵，而h1,k和w2,k分别表示H1和W2的第k列元素。由于现有方案仅在传输阶段向用户发送经过预编码后的源数据，因此其每个传输时隙实际的传输比例系数βcont为：
Figure BDA0002370841970000061
故现有方案的下行传输总速率为：
Figure BDA0002370841970000062
对于本发明提出的下行数据预编码和传输方法而言，由于其实际的传输阶段不仅包括了原有的传输阶段，还利用了上行反馈等待时间来进行数据预编码和传输，因此计算其下行传输总速率首先需要计算利用上行反馈等待阶段的传输速率：
Figure BDA0002370841970000063
Figure BDA0002370841970000064
Figure BDA0002370841970000065
Figure BDA0002370841970000066
其中下标“waiting”表示上行反馈等待阶段，βwaiting表示上行反馈等待阶段的传输比例系数，W3表示基于T3时刻信道H3得到的预编码矩阵，而w3,k表示W3的第k列元素。本发明提出的下行数据预编码和传输方案其下行传输总速率为利用上行反馈等待阶段和原有传输阶段的传输速率之和，显然从上述推导可以发现本发明在原理上是可行的，可以提高现有方案的传输速率。
实施例1
第一步，对于频分双工大规模多输入多输出系统而言，在下行传输过程中，基站需要对前一个传输时隙获得的信道状态信息加以存储，这样从第二个传输时隙开始就能利用上一个传输时隙的信道状态信息来进行数据的预编码和传输了。
第二步，在每个传输时隙中，基站首先进行导频训练，发送导频信号给用户终端，然后进入上行反馈等待和传输阶段。
第三步，在上行反馈等待和传输这两个阶段，基站利用存储下来的上一个传输时隙获得的信道状态信息对待发送数据进行预编码并发送给用户终端。因此该实施例的总的下行传输速率为：
Figure BDA0002370841970000071
Figure BDA0002370841970000072
Figure BDA0002370841970000073
Figure BDA0002370841970000074
其中下标“SchemeI”表示实施例1提出的下行数据预编码和传输方法，βScheme I表示实施例1中每个传输时隙实际的传输比例系数。该实施例的方法如图4所示。
为了验证该实施例的有益效果，在上述系统模型的基础上本申请进行了实验仿真，仿真参数如下：设基站天线数M为64根，用户数K为6个，然后设置导频长度为满足系统要求的最低符号长度，即等于基站天线数目，则NDP＝NUF＝64，设每个下行传输时隙发送的源数据符号长度为192个，因此每个传输时隙总的符号长度为320个。每个传输时隙时长1.63ms，然后设置下行信噪比为20dB。最后采用COST2100室外信道模型进行仿真实验，该信道模型带宽设置为20MHz，中心频率设置为285MHz，用户移动速度设置在[0,40]m/s的范围内。实验结果如图5、图6所示。
图5的(a)图表示低速场景，此场景下用户速度均较低，分别设置为[5 5 6 6 8 8]m/s；(b)图表示高速场景，此场景下用户速度均较高，分别设置为[30 30 32 32 34 35]m/s。从图5、图6可以看出本实施例相对于现有的下行数据预编码和传输方法来说，在信道变化较慢时下行传输速率提升较为明显，在用户终端中速移动情况下传输速率仍有一定的提升，总体上本实施例能为频分双工大规模多输入多输出系统在移动终端中低速情况下提供更高的下行传输速率，并且由于其在传输阶段只需要计算一次预编码矩阵，因此计算复杂度也相对较低。
实施例2
第一步，对于频分双工大规模多输入多输出系统而言，在下行传输过程中，基站需要对前一个传输时隙获得的信道状态信息加以存储，这样从第二个传输时隙开始就能利用上一个传输时隙的信道状态信息来进行数据的预编码和传输了。
第二步，在每个传输时隙中，基站首先进行导频训练，发送导频给用户终端，然后进入上行反馈等待阶段。
第三步，在等待阶段，基站利用存储下来的上一个传输时隙获得的信道状态信息进行待发送数据的预编码并发送给用户终端，直到当前传输时隙的信道状态信息反馈回基站。
第四步，等待阶段过后即进入传输阶段，在传输阶段基站利用用户终端反馈回来的当前时隙的信道状态信息来对待发送数据进行预编码和传输。因此该实施例的下行传输总速率为：
RSchemeII＝Rwaiting+Rcontemporary (17)
其中下标“Scheme II”表示实施例2提出的下行数据预编码和传输方法。该实施例的方法如图7所示。
本实施例的实验仿真条件与实施例1的相同。实验结果如图8、图9所示，从图8、图9可以看出本实施例相对于现有的下行数据预编码和传输方法来说，在信道变化较慢时下行传输速率提升较为明显，尽管随着信道变化加快本发明方案速率逐渐降低，但在快变信道情况下下行速率仍有一定的提升，总体上本实施例能为频分双工大规模多输入多输出系统提供更高的下行传输速率，并能适应快变信道。

Claims (2)

1.一种高速率下行数据预编码和传输方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)在下行链路中，基站存储上一个传输时隙反馈回来的信道状态信息；
(2)在当前传输时隙，基站在发送完下行训练导频后，在上行反馈等待阶段和传输阶段将步骤(1)存储的信道状态信息直接用于待发送数据的预编码并传输给用户终端。
2.一种高速率下行数据预编码和传输方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)在下行链路中，基站存储上一个传输时隙反馈回来的信道状态信息；
(2)在当前传输时隙，基站在上行反馈等待阶段利用步骤(1)存储的信道状态信息进行待发送数据的预编码并发送给用户终端，直到当前传输时隙的信道状态信息反馈回基站；
(3)上行反馈等待阶段结束后进入传输阶段，在传输阶段基站利用用户终端反馈回来的当前时隙的信道状态信息来对待发送数据进行预编码并传输给用户终端。
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