CN115776424B - 一种去蜂窝大规模mimo共生通信系统信道估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种去蜂窝大规模MIMO共生通信系统信道估计方法，包括：去蜂窝大规模MIMO网络布设大量分布式接入点AP和一个反向散射装置；信道估计阶段，所有用户向所有的接入点AP与反向散射装置发送导频信号，反向散射装置接收到信号将不进行处理而是直接发送给所有接入点AP；各个接入点AP接收到来自反向散射装置和用户的信号后，先根据接收到的信号进行直接链路信道估计，获得直接链路信道估计信息；之后利用直接链路信道估计信息对之前接收到的信号进行信号去除；然后对剩下的信号进行信道估计，得到间接链路信道估计信息。本发明具有均方误差低、复杂度低和所需信令开销小的优点。

Description

一种去蜂窝大规模MIMO共生通信系统信道估计方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种去蜂窝大规模MIMO共生通信系统信道估计方法。

背景技术

在频谱资源日益紧缺以及无线数据业务量爆炸式增长的情况下，5G之后的无线通信系统需要进行新的变革。一方面，去蜂窝大规模MIMO架构在不增加功率和带宽资源下可以有效地提升频谱效率，目前已被认为是后5G时代移动通信的关键架构；另一方面，共生通信能够同时兼顾传统的认知无线电和新兴的无源环境后向散射通信的优点，实现频谱高效通信，是一种很有前途的传输技术。作为后5G时代移动通信的最具发展前景的网络架构和传输技术，二者自然会相互融合，实现两者兼得，然而目前这方面的工作仍然较少，尤其是对于二者结合情况下的信道估计，缺少一个可以实现的方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种去蜂窝大规模MIMO共生通信系统信道估计方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种去蜂窝大规模MIMO共生通信系统信道估计方法，包括如下步骤，

步骤101：去蜂窝大规模MIMO网络密集布设分布式接入点AP和一个反向散射装置，所有接入点AP由一个中心处理单元所控制，接入点AP与用户之间的信道称为直接链路信道，反向散射装置与用户之间的信道称为间接链路信道；

步骤102：信道估计阶段分为直接链路信道估计阶段和间接链路信道估计阶段，直接链路信道估计阶段，关闭反向散射装置，用户向所有接入点AP发送导频信号，各个接入点AP根据导频信号，进行信道估计，得到直接链路信道估计信息；

步骤103：间接链路信道估计阶段，开启反向散射装置，用户向所有接入点AP和反向散射装置发送导频信号，反向散射装置接收到导频信号后不进行处理而是直接发送给所有接入点AP；

步骤104：接入点AP接收到来自用户和反向散射装置的信号后，根据之前得到的直接链路信道估计信息进行信号去除；

步骤105：接入点AP对进行信号去除后剩余的信号进行信道估计，得到间接链路信道估计信息。

优选地，在步骤101中，接入点AP与中心处理单元之间通过前传链路传递信息，本发明假设直接链路信道与间接链路信道不具有相关性。

优选地，在步骤102中，由于反向散射装置是一个无源装置，因而该过程不产生噪声；本发明假设忽略延迟的影响，所以接入点AP将同时接收到反向散射装置与用户发送的导频信号。信道估计阶段，用户向所有接入点AP与反向散射装置发送导频信号，第m个接入点AP接收到的来自用户的信号为：

其中p_i ^ce为第i个用户的发射功率，τ_p为上行训练持续时间，为中第i个用户发射的导频信号且/>w_dc,m为加性白高斯噪声，服从于均值为0，方差为σ²I_N的正态分布，其中/>是单位矩阵，h_mi为第m个接入点AP与第i个用户之间的直接链路信道，服从于均值为0，方差为β_miI_N的正态分布，其中β_mi代表第m个接入点AP与第i个用户之间直接链路信道的大尺度衰落，并相关于阴影衰落与路径损耗；

反向散射装置接收到的来自用户的信号为：

其中q_i为反向散射装置与第i个用户之间的信道衰减系数，服从于均值为0，方差为β_i的正态分布；

在接收到来自用户的信号后，反向散射装置不会做进一步的处理而是直接发送给接入点AP，第m个接入点AP接收到的来自反向散射装置的信号可以表示为：

其中为反向散射装置的调制系数，g_mi＝f_mq_i为第m个接入点AP与第i个用户之间的间接链路信道，服从于均值为0，方差为R_mk＝β_mβ_kI_N的正态分布，f_m为反向散射装置与第m个接入点AP之间的信道，服从于均值为0，方差为β_m的正态分布。

优选地，在步骤103中，使用最小均方误差MMSE进行信道估计，此时将来自反向散射装置的信号和高斯白噪声视作干扰项，具体步骤为：

第m个接入点AP接收到的来自用户和反向散射装置的信号合并表示为：

第m个接入点AP将其置于共轭导频信号上，得到：

从而得出直接链路信道最小均方误差MMSE估计：

其中为第m个接入点AP与第k个用户之间的直接链路信道估计，服从于均值为0，方差为/>的正态分布，c_mk表示为：

设定直接链路信道估计误差其中/>服从于均值为0，方差为C_mk的正态分布，其中，

优选地，在步骤104中，本发明假设信号去除的过程是完美的，因而进行信号去除后，接入点AP接收的信号应当只剩下来自直接链路信道估计误差的干扰项、来自反向散射装置的信号和高斯白噪声，具体为：

在得到直接链路信道估计信息后，第m个接入点AP将根据直接链路信道估计信息对之前收到的信号进行信号去除，去除过程表示为：

假设去除过程是完美的，得到的新的信号表示为：

优选地，在步骤105中，使用最小均方误差MMSE进行信道估计，由于直接链路信道估计误差与来自反向散射装置的信号不具有相关性，因而可将直接链路信道估计误差视作噪声项，具体为：

根据处理过后的信号第m个接入点AP将其置于共轭导频信号/>上，并且除以反向散射装置的调制系数/>得到：

从而得出最小均方误差MMSE估计：

其中为第m个接入点AP与第k个用户之间的间接链路信道估计，服从于均值为0，方差为/>的正态分布，Ψ_mk表示为：

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过信号去除，可以有效地降低间接链路信道的干扰信号，降低均方误差，提升信道估计的准确度；

2、本发明信道估计仅在接入点AP本地进行，因而不需要将信息传输至中心处理单元，减小了对前传链路的压力；

3、本发明可适用于任何数量的接入点AP与用户。

附图说明

图1为本发明实施例的一种去蜂窝大规模MIMO共生通信系统信道估计方法的流程图；

图2为本发明实施例的一种去蜂窝大规模MIMO共生通信系统网络架构的示意图。

具体实施方式

下面结合附图将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以使本领域的技术人员能够更好的理解本发明的优点和特征，从而对本发明的保护范围做出更为清楚的界定。本发明所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，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的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。

参照图1-2，一种去蜂窝大规模MIMO共生通信系统信道估计方法，包括如下步骤：

步骤101：去蜂窝大规模MIMO网络密集布设分布式接入点AP和一个反向散射装置，所有接入点AP由一个中心处理单元所控制，接入点AP与用户之间的信道称为直接链路信道，接入点AP到反向散射装置再到用户之间的信道称为间接链路信道。

步骤102：信道估计阶段，用户向所有接入点AP与反向散射装置发送导频信号，反向散射装置接收到导频信号后不进行处理而是直接发送给所有接入点AP。

步骤103：接入点AP接收到来自用户和反向散射装置的信号后，进行信道估计，得到直接链路信道估计信息。

步骤104：根据得到的直接链路信道估计信息，接入点AP对之前接收到的信号进行信号去除。

步骤105：接入点AP对进行信号去除后剩余的信号进行信道估计，得到间接链路信道估计信息。

本实施例的去蜂窝大规模MIMO共生通信系统网络架构如图2所示，图示场景包含M个接入点AP、1个中心处理单元、1个反向散射装置和K个用户，用户终端为单天线，每个接入点AP上有N个天线，中心处理单元与接入点AP通过前传链路相连。整个系统由接入点AP201、中心处理单元202、用户终端203、前传链路204和反向散射装置205组成，其中，接入点AP201，主要作用是负责收发数据；中心处理单元202，主要作用是负责基带信号处理、用户处理单元以及交换处理单元等；用户终端203，是用户收发数据的设备；前传链路204，主要作用是负责点AP到中心处理单元之间的数据传输；反向散射装置205，主要作用是对接收到的信号进行调制并发送。

具体的，反向散射装置发送信号：

信道估计阶段，用户向所有接入点AP与反向散射装置发送导频信号，第m个接入点AP接收到的来自用户的信号为：

其中p_i ^ce为第i个用户的发射功率，τ_p为上行训练持续时间，为中第i个用户发射的导频信号且/>w_dc,m为加性白高斯噪声(AWGN)，服从于均值为0，方差为σ²I_N的正态分布，其中/>是单位矩阵，h_mi为第m个接入点AP与第i个用户之间的直接链路信道，服从于均值为0，方差为β_miI_N的正态分布，其中β_mi代表第m个接入点AP与第i个用户之间直接链路信道的大尺度衰落，并相关于阴影衰落与路径损耗。

反向散射装置接收到的来自用户的信号为：

其中q_i为反向散射装置与第i个用户之间的信道衰减系数，服从于均值为0，方差为β_i的正态分布。

在接收到来自用户的信号后，反向散射装置不会做进一步的处理而是直接发送给接入点AP，第m个接入点AP接收到的来自反向散射装置的信号可以表示为：

其中为反向散射装置的调制系数，g_mi＝f_mq_i为第m个接入点AP与第i个用户之间的间接链路信道，服从于均值为0，方差为R_mk＝β_mβ_kI_N的正态分布，f_m为反向散射装置与第m个接入点AP之间的信道，服从于均值为0，方差为β_mI_N的正态分布。

具体的，直接链路信道估计：

第m个接入点AP接收到的来自用户和反向散射装置的信号可以合并表示为：

第m个接入点AP将其置于共轭导频信号上，得到：

从而得出直接链路信道最小均方误差MMSE估计：

其中为第m个接入点AP与第k个用户之间的直接链路信道估计，服从于均值为0，方差为/>的正态分布，c_mk可以表示为：

本发明设定直接链路信道估计误差其中/>服从于均值为0，方差为C_mk的正态分布，其中

具体的，信号去除：

在得到直接链路信道估计信息后，第m个接入点AP将根据直接链路信道估计信息对之前收到的信号进行信号去除，去除过程可以表示为：

本发明假设去除过程是完美的，得到的新的信号可以表示为：

具体的，间接链路信道估计：

根据处理过后的信号第m个接入点AP将其置于共轭导频信号/>上，并且除以反向散射装置的调制系数/>得到：

从而得出最小均方误差MMSE估计：

其中为第m个接入点AP与第k个用户之间的间接链路信道估计，服从于均值为0，方差为/>的正态分布，Ψ_mk可以表示为：

本发明中披露的说明和实践，对于本技术领域的普通技术人员来说，都是易于思考和理解的，且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。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的修改或改进，也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种去蜂窝大规模MIMO共生通信系统信道估计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤101：去蜂窝大规模MIMO网络密集布设分布式接入点AP和一个反向散射装置，所有接入点AP由一个中心处理单元所控制，接入点AP与用户之间的信道称为直接链路信道，接入点AP到反向散射装置再到用户之间的信道称为间接链路信道；

步骤102：信道估计阶段，用户向所有接入点AP与反向散射装置发送导频信号，反向散射装置接收到导频信号后不进行处理而是直接发送给所有接入点AP；

步骤103：接入点AP接收到来自用户和反向散射装置的信号后，进行信道估计，得到直接链路信道估计信息；

步骤104：根据得到的直接链路信道估计信息，接入点AP对之前接收到的信号进行信号去除；

步骤105：接入点AP对进行信号去除后剩余的信号进行信道估计，得到间接链路信道估计信息。

2.根据权利要求1所述的一种去蜂窝大规模MIMO共生通信系统信道估计方法，其特征在于：在步骤101中，接入点AP与中心处理单元之间通过前传链路传递信息。

3.根据权利要求1所述的一种去蜂窝大规模MIMO共生通信系统信道估计方法，其特征在于：在步骤102中，信道估计阶段，用户向所有接入点AP与反向散射装置发送导频信号，第m个接入点AP接收到的来自用户的信号为：

其中为第i个用户的发射功率，τ_p为上行训练持续时间，/>为中第i个用户发射的导频信号且/>w_dc,m为加性白高斯噪声，服从于均值为0，方差为σ²I_N的正态分布，其中是单位矩阵，h_mi为第m个接入点AP与第i个用户之间的直接链路信道，服从于均值为0，方差为β_miI_N的正态分布，其中β_mi代表第m个接入点AP与第i个用户之间直接链路信道的大尺度衰落，并相关于阴影衰落与路径损耗；

反向散射装置接收到的来自用户的信号为：

其中q_i为反向散射装置与第i个用户之间的信道衰减系数，服从于均值为0，方差为β_i的正态分布；

在接收到来自用户的信号后，反向散射装置不会做进一步的处理而是直接发送给接入点AP，第m个接入点AP接收到的来自反向散射装置的信号表示为：

其中为反向散射装置的调制系数，g_mi＝f_mq_i为第m个接入点AP与第i个用户之间的间接链路信道，服从于均值为0，方差为R_mk＝β_miβ_kI_N的正态分布，f_m为反向散射装置与第m个接入点AP之间的信道，服从于均值为0，方差为β_mI_N的正态分布。

4.根据权利要求3所述的一种去蜂窝大规模MIMO共生通信系统信道估计方法，其特征在于：在步骤103中，使用最小均方误差MMSE进行信道估计，此时将来自反向散射装置的信号和高斯白噪声视作干扰项，具体步骤为：

第m个接入点AP接收到的来自用户和反向散射装置的信号合并表示为：

第m个接入点AP将其置于共轭导频信号上，得到：

从而得出直接链路信道最小均方误差MMSE估计：

其中为第m个接入点AP与第k个用户之间的直接链路信道估计，服从于均值为0，方差为/>的正态分布，c_mk表示为：

设定直接链路信道估计误差其中/>服从于均值为0，方差为C_mk的正态分布，其中，

5.根据权利要求4所述的一种去蜂窝大规模MIMO共生通信系统信道估计方法，其特征在于：在步骤104中，在得到直接链路信道估计信息后，第m个接入点AP将根据直接链路信道估计信息对之前收到的信号进行信号去除，去除过程表示为：

假设去除过程是完美的，得到的新的信号表示为：

6.根据权利要求5所述的一种去蜂窝大规模MIMO共生通信系统信道估计方法，其特征在于：在步骤105中，使用最小均方误差MMSE进行信道估计，具体步骤为：

根据处理过后的信号第m个接入点AP将其置于共轭导频信号/>上，并且除以反向散射装置的调制系数/>得到：

从而得出最小均方误差MMSE估计：

其中为第m个接入点AP与第k个用户之间的间接链路信道估计，服从于均值为0，方差为/>的正态分布，Ψ_mk表示为：