CN112019246A - 基于信道预测的预编码方法、天线通信系统以及存储设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于信道预测的预编码方法、天线通信系统以及存储介质，一种基于信道预测的预编码方法，应用于天线通信系统中，所述方法包括；根据信道估计算法，获得上一时刻第一信道状态信息；根据所述上一时刻第一信道状态信息，进行信道预测获得当前时刻的第二信道状态信息；对所述第二信道状态信息进行采样；根据采样后的所述第二信道状态信息，进行预编码。利用信道预测获取信道状态信息，代替传统的信道估计获取信道状态信息，改善大规模天线通信系统中预编码技术性能。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及一种基于信道预测的预编码方法、天线通信系统以及存储介质。
背景技术
对于通信系统而言，为了提升传输效率、降低功率损耗，在已知信道状态信息的情况下，通常在发送端对发送的信号做一个预先的处理，以方便接收机进行信号检测，即预编码。
多天线阵列的预编码技术通常包括线性和非线性两类，常见非线性预编码实现方案有脏纸编码等；线性预编码方案有迫零、MMSE(最小均方误差)预编码等。通常来说，相比于非线性预编码方案，线性编码通常实现简单，能获得次优的系统和容量。但是，对于毫米波大规模天线阵列系统而言，研究表明，简单的线性预编码的性能即可以达到或接近非线性预编码的性能。
在大规模天线阵列技术中，通常采用时分双工(TDD)模式进行信道估计，即在上行信道传输训练序列，在基站端进行信道估计，然后将估计所得到的信道状态信息用于下行预编码和相干信号检测。然而，由于毫米波通信使用超高频频谱资源，在移动通信环境下，接收信号的电平起伏速度将远远超过目前广泛使用的低频通信系统信号电平起伏速度，即信道状态信息将快速变化，这将导致毫米波通信系统的信道相干时间变得极短。此时，大规模天线阵列系统中上行信道估计获得的信道状态信息将会很快过时，无法直接用于下行传输的预编码。因此，需要提供一种信道预测的预编码技术，能够克服信道估计获取的信道信息过时问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于信道预测的预编码方法，能够大幅度改善预编码性能。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于信道预测的预编码方法，应用于天线通信系统中，所述方法包括；
根据信道估计算法，获得上一时刻第一信道状态信息；
根据所述第一信道状态信息，进行信道预测获得当前时刻的第二信道状态信息；
对所述第二信道状态信息进行采样；
根据采样后的所述第二信道状态信息，进行预编码。
进一步的，所述方法还包括：
根据所述预编码，获得预编码列向量，
根据所述预编码向量，生成所述信号数据；
发送所述信号数据至接收端。
进一步的，所述根据所述预编码，获得预编码列向量，还包括：
根据第一公式，获取所述预编码列向量
所述第一公式为：
其中，"*"是共轭操作，
是天线通信系统的基站的第u个天线发送信道的第一信号预估值，
是第二信号预估值向量。
进一步的，所述发送所述信号数据至所述接收端之前，所述方法还包括：
根据第二公式，对所述信号数据进行加权处理，所述第二公式为：
x[i,k]＝d[i,k]s[i,k],.....(2)
其中，d[i,k]为M×1的预编码列向量，s[i,k]为基站端对用户发送的实际数据。
进一步的，所述发送所述信号数据至所述接收端包括：根据所述第三公式表示所述信号数据，所述第三公式为：
y[i,k]＝hT[i,k]x[i,k]+z[i,k].....(3)
其中，y[i,k]为接收端接收到的信号数据，"T"为转置操作符，h[i,k]为基站发送天线阵列第二信道状态信息的列向量，x[i,k]为相应天线阵列发送的数据的列向量，z[i,k]为信道相应的信道噪声。
进一步的，所述进行信道预测获得第二信道状态信息，具体包括：
根据自回归模型，对所述第一信道状态信息进行信道预测，获得第二信道状态信息。
进一步的，所述进行信道预测获得第二信道状态信息，所述方法还包括：
根据信道插值方法，对所述第二信道状态信息进行采样。
本发明还提供一种天线通信系统，所述天线通信系统包括存储器和处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的基于信道预测的预编码程序，所述基于信道预测的预编码程序被所述处理器执行时，实现上述中任一项所述的基于信道预测的预编码方法。
本发明还提供一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器处理时实现上述中任一项基于信道预测的预编码方法。
本发明的有益效果在于，利用信道预测获取信道状态信息，代替传统的信道估计获取信道状态信息，改善大规模天线通信系统中预编码技术性能。
附图说明
图1为本发明提供的天线通信系统的结构示意图；
图2为本发明提供的基于信道预测的预编码方法的流程示意图；
图3为本发明提供的基于信道预测的预编码方法的另一实施例的流程示意图；
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
需要说明的是，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
下面对本申请实施例中设计的部分概念进行介绍。
请参看图1，本发明还提供一种天线通信系统，所述天线通信系统包括存储器12和处理器11，所述存储器12上存储有可在所述处理器11上运行的基于信道预测的预编码方法程序，所述基于信道预测的预编码方法程序被所述处理器11执行时，实现基于信道预测的预编码方法。
天线通信系统中，通常使用时分双工(TDD)模式进行信道估计，即在上行信道传输训练序列，在基站段进行信道估计，然后将估计所得到的信道状态信息用于下行预编码和相关信号检测。在本实施例中，基于信道估计得到第一信道状态信息，即频率-阵列域信道状态信息，并通过信道预测技术，根据第一信道状态信息，提前预测获得第二信道状态信息，在根据第二信道状态信息，进行预编码。
请参看图2，本发明提供的应用天线通信系统的基于信道预测的预编码方法，具体方法如下：
步骤S10：根据信道估计算法，获得上一时刻第一信道状态信息；
具体的，可以利用传统的信道估计算法获取频率-阵列域信道状态信息
其中u表示第u个基站天线，n表示第n时刻，表示第k个OFDM(正交频分复用)子载波。
将为后续信道预测提供辅助，具体的，获取第n时刻的第一信道状态信息，用于第n+1时刻的信道预测获得第二信道状态信息做准备。
步骤S11：根据所述第一信道状态信息，进行信道预测获得当前时刻的第二信道状态信息；
具体的，基于TDD模式上行信道和下行信道的对称性，可以由上行信道的第一信道状态信息预测并代替下行信道预编码(下行信息传输时刻)所需的第二信道状态信息，预测算法可以是基于AR(自回归)模型的信道预测方法等，
为下行信道阵列-频率域第u个接收天线、第k个子载波、第n+1时刻的信道预测值，该信道预测值可由第n时刻的第一信道状态信息值提前预测获得。
步骤S12：对所述第二信道状态信息进行采样；
具体的，在进行预编码之前，由于信道预测的采样间隔远大于数据传输的采样间隔，需要采用合适的信道插值方法获取每一个数据发送时刻的第二信道状态信息，提供给生成预编码的模块使用。需要注意的是，在选取合适的信道差值方法时，应该考虑到大规模天线通信系统的快速时变性，在本实施例中，采用的信道插值方法包括三阶样条插值或基于升余弦函数的插值方法。
步骤S13：根据采样后的所述第二信道状态信息，进行预编码；
基于上述获取的数据发送时刻的信道状态信息，可以对系统的发送数据进行预编码处理。在大规模天线通信系统中，通常可以使用简单的线性预编码或者非线性预编码，本发明适合多用户或者单用户系统。
在上述实施例中，利用信道预测获取信道状态信息，代替传统的信道估计获取信道状态信息，改善大规模天线通信系统中预编码技术性能。
请参看图3，基于信道预测的预编码方法中，在进行预编码之后，根据预编码对传输的数据进行处理，具体包括：
步骤S20：根据所述预编码，获得预编码列向量，
步骤S21：根据所述预编码向量，生成所述信号数据；
步骤S22：发送所述信号数据至所述接收端。
具体的，根据第一公式，获取所述预编码列向量，所述第一公式为：
其中，"*"是共轭操作，
是天线通信系统的基站的第u个天线发送信道的第一信号预估值，
是第二信号状态信息向量。
具体的，所述发送所述信号数据至所述接收端之前，根据第二公式，对所述信号数据进行加权处理，以达到在用户端的相干接收，所述第二公式为：
x[i,k]＝d[i,k]s[i,k],.....(2)
其中，d[i,k]为M×1的预编码列向量，s[i,k]为基站端对用户发送的实际数据。
在步骤S22中，所述发送所述信号数据至所述接收端包括：根据所述第三公式表示所述信号数据，所述第三公式为：
y[i,k]＝hT[i,k]x[i,k]+z[i,k].....(3)
其中，y[I,k]为接收端接收到的信号数据，"T"为转置操作符，h[i,k]为基站发送天线阵列第二信道状态信息的列向量，x[i,k]为相应天线阵列发送的数据的列向量，z[i,k]为信道相应的信道噪声。，
现有方法研究的预编码技术主要基于信道估计获取的信道状态信息，然而，对于大规模天线通信系统，信道估计获取的信道状态信息会出现过时的现象，影响系统性能。本实施例基于信道预测为预编码技术获取信道状态信息，克服信道估计获取的信道状态信息过时问题，大幅度改善预编码技术性能。
本实施例中，存储器12和存储器12至少包括一种类型的可读存储介质，所述可读存储介质包括闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器(例如SD或DX存储器12等)、磁性存储器、磁盘、光盘等。存储器12在一些实施例中可以是天线通信系统的内部存储单元，例如该天线通信系统的硬盘。存储器12在另一些实施例中也可以是天线通信系统的外部存储设备，例如天线通信系统上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，存储器12还可以既包括天线通信系统的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器12不仅可以用于存储安装于天线通信系统的应用软件及各类数据，例如天线通信系统的代码等，还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
处理器11在一些实施例中可以是一中央处理器11(Central Processing Unit，CPU)、控制器、微控制器、微处理器或其他数据处理芯片，用于执行存储器中存储的程序代码或处理数据，例如基于信道预测的预编码程序。
本申请实施例还提供了一种存储介质，该存储介质可存储有程序，该程序执行时可运行本申请实施例所述的方法的部分或全部步骤。具体实现中，本申请实施例的计算机存储介质包括：RAM、ROM、EEPROM、闪存、CD-ROM、DVD或其他光存储器，磁带、磁盘或其他磁存储器，或者其他任何可以用于存储所需信息并可被计算机设备所访问的介质。
需要说明的是，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。并且本文中的术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、装置、物品或者方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、装置、物品或者方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、装置、物品或者方法中还存在另外的相同要素。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于信道预测的预编码方法，应用于天线通信系统中，其特征在于，所述方法包括；
根据信道估计算法，获得上一时刻第一信道状态信息；
根据所述上一时刻第一信道状态信息，进行信道预测获得当前时刻的第二信道状态信息；
对所述第二信道状态信息进行采样；
根据采样后的所述第二信道状态信息，进行预编码。
2.根据权利要求1所述的基于信道预测的预编码方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述预编码，获得预编码列向量，
根据所述预编码向量，生成所述信号数据；
发送所述信号数据至接收端。
3.根据权利要求2所述的基于信道预测的预编码方法，其特征在于，所述根据所述预编码，获得预编码列向量，还包括：
根据第一公式，获取所述预编码列向量
所述第一公式为：
其中，"*"是共轭操作，
是天线通信系统的基站的第u个天线发送信道的第一信号预估值，
是第二信号预估值向量。
4.根据权利要求3所述的基于信道预测的预编码方法，其特征在于，所述发送所述信号数据至接收端之前，所述方法还包括：
根据第二公式，对所述信号数据进行加权处理，所述第二公式为：
x[i,k]＝d[i,k]s[i,k],·····(2)
其中，d[i,k]为M×1的预编码列向量，s[i,k]为基站端对用户发送的实际数据。
5.根据权利要求4所述的基于信道预测的预编码方法，其特征在于，所述发送所述信号数据至接收端包括：根据所述第三公式表示所述信号数据，所述第三公式为：
y[i,k]＝hT[i,k]x[i,k]+z[i,k]·····(3)
其中，y[i,k]为接收端接收到的信号数据，"T"为转置操作符，h[i,k]为基站发送天线阵列第二信道状态信息的列向量，x[i,k]为相应天线阵列发送的数据的列向量，z[i,k]为信道相应的信道噪声。
6.根据权利要求1所述的基于信道预测的预编码方法，其特征在于，所述进行信道预测获得第二信道状态信息，具体包括：
根据自回归模型，对所述第一信道状态信息进行信道预测，获得第二信道状态信息。
7.根据权利要求1所述的基于信道预测的预编码方法，其特征在于，所述进行信道预测获得第二信道状态信息，所述方法还包括：
根据信道插值方法，对所述第二信道状态信息进行采样。
8.一种天线通信系统，其特征在于，所述天线通信系统包括存储器和处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的基于信道预测的预编码程序，所述基于信道预测的预编码程序被所述处理器执行时，实现如权利要求1-7中任一项所述的基于信道预测的预编码方法。
9.一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器处理时实现如权利要求1-7中任一项基于信道预测的预编码方法。
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