CN113489519B - 一种面向非对称大规模mimo系统的无线通信传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向非对称大规模MIMO系统的无线通信传输方法，包括以下步骤：同步阶段：终端利用接收到的基站广播的同步序列完成与基站的同步；初始接入阶段：基站挑选天线阵列中的部分天线作为接收天线以完成终端的初始接入；上行导频训练阶段：终端向基站发送导频信息，基站再次通过挑选部分天线作为接收天线完成上行信道估计；上行数据传输与上下行信道转换阶段：终端向基站发送上行数据信息，基站采用与上行导频训练阶段相同的接收天线完成上行数据传输，并同时完成下行信道信息的重建；下行传输阶段：基站利用上一阶段确定的下行信道信息对所需发送的导频或数据信息进行全数字预编码后，采用全部发送天线向终端发送信息。

Description

一种面向非对称大规模MIMO系统的无线通信传输方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，特别涉及一种适用于非对称大规模MIMO系统的无线通信传输方法。
背景技术
随着社会的不断进步和人类对于数据传输速率需求的日益增长，移动通信系统目前已经演进到以移动互联网与物联网业务为主体目标的第五代(5G)，移动通信技术正在渗入包括购物支付、消遣娱乐、日常出行等在内的人类生活的方方面面。为应付多种多样的业务需求，5G根据不同场景的需求特性，对应用场景进行了划分并提出了三大应用场景，分别为增强型移动宽带场景、高可靠低时延场景和大规模机器通信场景。围绕这三大应用场景，包含大规模多输入多输出(MIMO)技术、新型多载波传输技术等在内的多种关键技术被纷纷提出。其中，大规模MIMO技术通过在基站部署大规模天线阵列来同时服务多个用户终端，充分利用了大规模天线阵列所带来的高空间分辨率和丰富空间自由度，从而有效提升系统的频谱效率。
然而，由于大规模天线阵列的引入，为每个天线单元配备单独的收发射频通道不仅使得系统造价昂贵，由大规模收发射频通道带来的超高数据吞吐量也使得系统的基带处理面临严峻挑战。事实上，2019年中国5G商用元年开启，64天线或128天线的大规模MIMO系统已进行实际商用部署。实际的部署与实测结果也证实了当前全数字对称大规模MIMO系统的基站硬件成本昂贵和能耗高等问题。为克服这些问题，多种解决方案被先后提出。例如，在大规模MIMO系统中应用混合(即模拟和数字相结合)波束成型，将部分信号处理能力转移至模拟射频器件中以减少收发射频通道的数量；又或者在大规模MIMO系统中，为每个收发射频通道配置低精度的模数转换器(ADC)和数字转换器(DAC)，来降低系统整体的硬件成本和功耗；此外，天线选择也被引入到大规模MIMO系统，用以减轻对系统收发射频链路数目的需求。
遗憾的是，混合波束成型由于包含有在模拟域对信号进行处理，因而通常具有额外的信号处理限制，例如模拟域系数的恒模限制等。另外，由于较少的收发射频通道数是通过模拟移相或开关网络与较多的天线相连，信号维度在经过模拟网络后急剧降低，这不仅限制了混合波束成型结构的上、下行的多路复用能力，同时也导致了信道信息的严重损失。为实现混合波束成型结构下的完整信道估计，不得不引入沉重的波束训练开销。对于全部采用低精度ADC/DAC收发射频通道的大规模MIMO结构，由于低精度比特量化，数据在传输过程中不可避免地会丢失部分信号信息，因此需要复杂的迭代算法来恢复数据，实现信号的解调。而在大规模MIMO天线选择系统中，与混合波束成型结构类似，由于收发射频链路数量的减少，系统的上、下行数据传输能力均有明显下降。
事实上，尽管相比于4G，5G的应用场景中系统的上行数据传输速率需求有了较大提高，但相比于急剧增长的下行数据传输速率需求，上行数据传输速率依旧较低。基于此，为缓解大规模MIMO系统所面临的造价高昂和超高基带处理压力等问题，同时尽可能获取大规模MIMO系统的下行传输性能，解耦收、发射频通道是一种可行的方式。因此，基于非对称收发机结构的大规模MIMO系统被提出并受到学术界与工业界的较大关注。与传统MIMIO收发机中接收射频通道往往与发送射频通道一一匹配不同，在非对称大规模MIMO收发机结构中，接收射频通道数量与发送射频通道不再匹配，发送射频通道数(等同于发送天线数)可远多于接收射频通道数(等同于接收天线数)。然而，由于收发机硬件结构的改变，原有适用于传统对称大规模MIMO收发机的无线通信传输方法将面临不再适配等问题。例如，接收射频通道与发送射频通道的数量不匹配导致下行信道向量维度大于上行信道向量，从而使得传统收发机中基于上行信道向量的下行预编码方法不能直接应用。为充分挖掘非对称大规模MIMO系统的性能，本发明针对非对称大规模MIMO接收机上行接收天线与下行发送天线的数量不对等特性以及信道互易性，提出了一种面向非对称大规模MIMO系统的无线通信传输方法。该方法包含了五个阶段，分别为同步阶段、初始接入阶段、上行导频训练阶段、上行数据传输与上下行信道转换阶段、以及下行传输阶段。通过在初始接入阶段和上行导频训练阶段分别添加接收天线选择操作，并在上行数据传输阶段引入上下行信道转换，本发明提供的无线通信传输方法可以在有效匹配非对称大规模MIMO收发机这一新型硬件架构的同时，充分发挥大规模MIMO系统优异的上下行数据传输性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种面向非对称大规模MIMO系统的无线通信传输方法，以充分利用大规模MIMO系统的固有优势，实现高速率上下行数据传输。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种面向非对称大规模MIMO系统的无线通信传输方法，所述非对称大规模MIMO系统由一个基站与K个终端组成；所述方法包括以下步骤：
步骤a，同步阶段：终端利用接收到的基站广播的同步序列完成与基站的同步；
步骤b，初始接入阶段：基站挑选天线阵列中的部分天线作为接收天线以完成终端的初始接入；
步骤c，上行导频训练阶段：终端向基站发送导频信息，基站再次通过挑选部分天线作为接收天线完成上行信道估计；
步骤d，上行数据传输与上下行信道转换阶段：终端向基站发送上行数据信息，基站采用与上行导频训练阶段相同的接收天线完成上行数据传输，并同时完成下行信道信息的重建；
步骤e，下行传输阶段：基站依据目标准则，利用上一阶段确定的下行信道信息对所需发送的导频或数据信息进行全数字预编码后，采用全部发送天线向终端发送信息。
所述非对称大规模MIMO系统工作在时分双工(TDD，Time Division Duplex)模式，其中，基站采用非对称大规模MIMO收发机结构，终端采用对称收发机结构，基站同时服务K个终端。
所述基站总天线数为M，发送通道数为M，接收通道数为N，K<N<M，其中，M个发送通道与M根天线一一相连，N个接收通道通过开关网络与M根天线中的任意N根天线相连，终端采用单天线或多天线。
所述同步阶段中，基站向终端广播同步序列，所有终端利用接收到的同步序列完成与基站的频率与时间同步。
所述初始接入阶段中，基站的接收天线挑选准则为：最大化接收天线的射频接收功率之和。
所述上行导频训练阶段中，基站的接收天线挑选准则为：最大化阵列孔径的随机挑选、均匀等间隔挑选；或者，最小化下行信道信息恢复误差挑选。
所述上行导频训练阶段中，上行信道估计采用最小二乘法或线性最小均方误差法。
所述上行数据传输与上下行信道转换阶段中，基站采用迫零或线性最小均方误差等线性接收算法完成上行数据的解调。
所述上行数据传输与上下行信道转换阶段，基站依据上一阶段所选择的接收天线的拓扑结构、已估计到的上行信道信息、时分双工模式下非对称大规模MIMO系统中的信道互易性来重建下行信道信息。
所述下行传输阶段，基站进行全数字预编码的目标准则为：最大化系统数据传输速率；或者，最大化每个终端的信漏噪比。
有益效果：本发明提供的一种面向非对称大规模MIMO系统的无线通信传输方法，具有如下优点：
1、本发明能够有效匹配非对称大规模MIMO收发机中接收天线与发送天线数量不对等这一硬件架构特性。
2、本发明能够充分利用大规模MIMO系统的固有优势，实现高速率的上下行数据传输，尤其是下行数据传输。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于非对称大规模MIMO收发机的基站的收、发射频通道与天线配置示意图；
图2为本发明实施例提供的一种面向非对称大规模MIMO系统的无线通信传输方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明提供了一种面向非对称大规模MIMO系统的无线通信传输方法，在完成系统同步后，基站于初始接入和上行导频训练的开始阶段分别进行接收天线选择，并在所挑选的接收天线上完成初始接入与上行信道估计和数据传输，而后，基于挑选天线的拓扑结构和上下行信道互易性，实现下行信道信息重建，进而进行下行导频或数据信息的发送，完成当前轮次的上下行数据传输。
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
本实施例中，基站和终端的配置如图1所示。
本实施例提供的一种面向非对称大规模MIMO系统的无线通信传输方法，可以有效匹配非对称大规模MIMO收发机中接收天线与发送天线数量不对等这一硬件架构特性，充分利用大规模MIMO系统的固有优势，实现高速率的数据传输，尤其是下行数据传输。本例的基站采用非对称大规模MIMO收发机，基站总天线数为M，M个发送通道与M根天线一一相连，N个接收通道通过M选N开关网络与N根天线相连，且N<M。K个终端采用单天线传统对称收发机，K小于或等于N。整个非对称大规模MIMO系统工作在TDD模式。
如图2所示，本发明实施例提供的一种面向非对称大规模MIMO系统的无线通信传输方法，包括以下步骤：
步骤201：同步阶段，基站利用M根发送天线向K个终端广播同步序列，所有终端分别对各自接收到的同步序列和本地所存储的同步序列进行自相关和互相关等操作，校准各自的频率偏差和定时偏差，完成与基站的频率与时间同步。
步骤202：初始接入阶段，基站通过对当前M根天线射频接收功率的测量，利用M选N开关网络挑选前N根较大射频接收功率的天线作为接收天线，接收K个终端的上行接入信息，完成终端的初始接入。
步骤203：上行导频训练阶段，终端向基站发送正交导频序列，基站此采用最大化阵列孔径的随机挑选为挑选准则，利用M选N开关网络再次挑选N根天线作为接收天线完成K个终端的上行导频信号的接收和上行信道估计。
步骤204：上行数据传输与上下行信道转换阶段，K个终端向基站发送上行数据信息，基站采用与上一步骤相同的N根接收天线，并利用上一步骤得到的上行信道估计信息以及迫零或线性最小均方误差等线性接收算法，完成上行数据传输。与此同时，基站基于当前N根接收天线的拓扑结构、上行信道估计信息、时分双工模式下非对称大规模MIMO系统的信道互易性完成K个终端下行信道信息的重建。以第k个终端下行信道信息的重建为例，具体方法如下：
使用参数信道模型来表示终端与基站之间的信道，则上一步骤得到的终端k到基站的上行信道估计可表示为
Figure BDA0003151376740000051
其中，M为基站总天线数，Pk为信道中的传播路径数，gk,i为第i条路径的复增益，θk,i为第i条路径的到达角，
Figure BDA0003151376740000052
为终端k的信道估计误差，aU(·)为由上行接收天线阵列拓扑决定的阵列响应矢量，其形式如下
Figure BDA0003151376740000053
其中，λ为系统载波波长，an∈{1,2,...,M},
Figure BDA0003151376740000054
为所选接收天线的索引号。在上行信道估计误差较小的情况下即
Figure BDA0003151376740000055
由TDD系统的互易性，可知终端k的下行信道与上行信道估计有如下关系
Figure BDA0003151376740000061
其中，aD(·)为由下行发送天线阵列拓扑结构决定的阵列响应矢量，即
Figure BDA0003151376740000062
Figure BDA0003151376740000063
为上一步骤所选取的N个接收天线的索引集合，
Figure BDA0003151376740000064
表示将输入向量中由索引集合
Figure BDA0003151376740000065
中N个元素指定位置的元素取出构成新的向量。因此下行信道信息的重建可简化为从上行信道估计信息中估计出gk,i，θk,i，Pk，这一系列参数，即
Figure BDA0003151376740000066
该系列参数的估计可由基于DFT的信道转换算法实现。基于DFT的下行信道重建算法主要由五个部分组成，分别为上行信道估计信息的维度扩展、过采样DFT矩阵的构建、基于构建的过采样DFT矩阵对扩展后的上行信道估计信息进行的空间滤波、信道传播路径的参数估计、以及下行信道信息的重建。
步骤205：下行传输阶段，基站依据最大化系统数据传输速率准则，利用上一步骤重建的下行信道信息对所需发送的导频或数据信息进行全数字预编码后，通过M根发送天线向K个终端发送下行信息。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种面向非对称大规模MIMO系统的无线通信传输方法，其特征在于：所述非对称大规模MIMO系统由一个基站与K个终端组成；所述非对称大规模MIMO系统工作在时分双工模式，其中，基站采用非对称大规模MIMO收发机结构，终端采用对称收发机结构，基站同时服务K个终端；所述方法包括以下步骤：
步骤a，同步阶段：终端利用接收到的基站广播的同步序列完成与基站的同步；基站利用M根发送天线向K个终端广播同步序列，所有终端分别对各自接收到的同步序列和本地所存储的同步序列进行自相关和互相关操作，校准各自的频率偏差和定时偏差，完成与基站的频率与时间同步；其中，M为基站总天线数；
步骤b，初始接入阶段：基站挑选天线阵列中的部分天线作为接收天线以完成终端的初始接入；
基站通过对当前M根天线射频接收功率的测量，利用M选N开关网络挑选前N根较大射频接收功率的天线作为接收天线，接收K个终端的上行接入信息，完成终端的初始接入；
步骤c，上行导频训练阶段：终端向基站发送导频信息，基站再次通过挑选部分天线作为接收天线完成上行信道估计；
终端向基站发送正交导频序列，基站此采用最大化阵列孔径的随机挑选为挑选准则，利用M选N开关网络再次挑选N根天线作为接收天线完成K个终端的上行导频信号的接收和上行信道估计；
步骤d，上行数据传输与上下行信道转换阶段：终端向基站发送上行数据信息，基站采用与上行导频训练阶段相同的接收天线完成上行数据传输，并同时完成下行信道信息的重建；
K个终端向基站发送上行数据信息，基站采用与上一步骤相同的N根接收天线，并利用上一步骤得到的上行信道估计信息以及迫零或线性最小均方误差等线性接收算法，完成上行数据传输；与此同时，基站基于当前N根接收天线的拓扑结构、上行信道估计信息、时分双工模式下非对称大规模MIMO系统的信道互易性完成K个终端下行信道信息的重建；
步骤e，下行传输阶段：基站依据目标准则，利用上一阶段确定的下行信道信息对所需发送的导频或数据信息进行全数字预编码后，采用全部发送天线向终端发送信息。
2.根据权利要求1所述的面向非对称大规模MIMO系统的无线通信传输方法，其特征在于：所述基站总天线数为M，发送通道数为M，接收通道数为N，K<N<M，其中，M个发送通道与M根天线一一相连，N个接收通道通过开关网络与M根天线中的任意N根天线相连，终端采用单天线或多天线。
3.根据权利要求1所述的面向非对称大规模MIMO系统的无线通信传输方法，其特征在于：所述同步阶段中，基站向终端广播同步序列，所有终端利用接收到的同步序列完成与基站的频率与时间同步。
4.根据权利要求1所述的面向非对称大规模MIMO系统的无线通信传输方法，其特征在于：所述初始接入阶段中，基站的接收天线挑选准则为：最大化接收天线的射频接收功率之和。
5.根据权利要求1所述的面向非对称大规模MIMO系统的无线通信传输方法，其特征在于：所述上行导频训练阶段中，基站的接收天线挑选准则为：最大化阵列孔径的随机挑选、均匀等间隔挑选；或者，最小化下行信道信息恢复误差挑选。
6.根据权利要求1所述的面向非对称大规模MIMO系统的无线通信传输方法，其特征在于：所述上行导频训练阶段中，上行信道估计采用最小二乘法或线性最小均方误差法。
7.根据权利要求1所述的面向非对称大规模MIMO系统的无线通信传输方法，其特征在于：所述上行数据传输与上下行信道转换阶段中，基站采用线性接收算法完成上行数据的解调。
8.根据权利要求1所述的面向非对称大规模MIMO系统的无线通信传输方法，其特征在于：所述上行数据传输与上下行信道转换阶段，基站依据上一阶段所选择的接收天线的拓扑结构、已估计到的上行信道信息、时分双工模式下非对称大规模MIMO系统中的信道互易性来重建下行信道信息。
9.根据权利要求1所述的面向非对称大规模MIMO系统的无线通信传输方法，其特征在于：所述下行传输阶段，基站进行全数字预编码的目标准则为：最大化系统数据传输速率；或者，最大化每个终端的信漏噪比。
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