CN117833969A - 一种基于5g大规模mimo无线传输系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于5G大规模MIMO无线传输系统及其方法，本方案在预设时间间隔下，通过基站与其服务区域内的用户终端的信息交互，以确定基站与用户的信号信息，基站再结合信道信息，使用波束成形技术对通信信号进行预编码，同时根据信道条件和用户终端反馈的服务质量要求信息，进行动态分配频谱资源，其不仅能够提高基站在5G大数据MIMO无线传输的效率和性能利用，而且应用可靠，实施灵活。
Description
技术领域
本发明涉及数据传输技术、通信技术领域，尤其涉及一种基于5G大规模MIMO无线传输系统及其方法。
背景技术
通过在基站(base station,BS)配备大规模天线阵列极大提高系统容量的大规模多输入多输出(multiple-input multiple-output)技术是未来新一代无线网络的关键技术之一，也是近年来的研究热点。大规模多输入多输出(multiple-input multipleoutput)技术的其中一个具有挑战性的技术难点是为公共信道设计信号传输过程。目前，对于公共信道传输技术的研究还比较少。公共信道在蜂窝系统中起着重要作用，许多必要的公共信息与服务是通过公共信道传递给用户的。因为公共信道服务于基站服务区域内的所有用户而不仅仅是特定的活跃用户，因此人们希望基站发送信号的辐射功率在其服务区域内的不同空间方向上几乎没有波动，这样区域内的所有用户能够可靠地接收到公共信号。而这种方案用于大规模MIMO系统将导致功放利用效率低下，这是因为180度全向覆盖方案可以由单天线发送信号实现，而基站的发射总功率往往由每根天线的单个功率容量所限制，因此功率的利用效率有待进一步提高；其中，正确估计用户设备(UE)和基站(BS)(例如，gNode B(gNB))之间的信道对于高效和有效的无线通信是重要的；而如何提高5G大规模MIMO无线传输的效率和稳定性是非常具有积极现实意义的课题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种实施可靠、应用灵活且MIMO无线传输效率高、均衡性好的基于5G大规模MIMO无线传输系统及其方法。
为了实现上述的技术目的，本发明所采用的技术方案为：
一种基于5G大规模MIMO无线传输方法，其包括：
S01、基站与其服务范围的用户终端建立通信；
S02、基站按预设时间间隔通过下行链路对与其建立通信的用户终端发送训练序列；
S03、用户终端接收基站所发送的训练序列，并估计信道信息，然后生成反馈信息，且通过上行链路反馈给基站；
S04、基站根据用户终端反馈回的反馈信息中的信道信息，使用波束成形技术对通信信号进行预编码，然后将预编码后的通信信号发送给用户终端；
S05、用户终端接收基站所发送的通信信号，并根据对应预编码信息进行解调信号。
作为一种可能的实施方式，进一步，本方案S01包括：基站配置大规模MIMO天线阵列，通过波束赋形生成能够覆盖预设服务范围的波束集合，然后在波束集合的波束上与其服务范围的用户终端进行通信。
作为一种可能的实施方式，进一步，本方案S03中，估计信道信息采用最小均方误差MMSE进行估计，其数学公式模型如下：
其中，Y是用户终端接收到的信号矩阵，X是基站发送的训练序列矩阵，是估计的信道信息矩阵，σ2是噪声功率，I是单位矩阵，/>是基站发送的训练序列矩阵的共轭转置。
作为一种可能的实施方式，进一步，本方案S04还包括：基站根据用户终端反馈回的信道信息进行设计预编码矩阵，生成预编码信息，然后通过下行链路将其下发至用户终端。
作为一种可能的实施方式，进一步，本方案S03中，所述反馈信息还包括信道幅度、相位信息、接收信号强度，以及用户终端主动生成的服务质量要求信息。
作为一种可能的实施方式，进一步，本方案S04中，基站根据用户终端反馈回的反馈信息，确定基站与用户终端通信的信道条件，其至少包括：信号衰减信息、信道干扰信息、信噪比SNR、误码率BER、多径效应信息中的一项以上。
作为一种可能的实施方式，进一步，本方案S04还包括：基站根据信道条件和服务质量要求信息，进行动态分配频谱资源。
作为一种较优的实施选择，优选的，本方案S04中，波束成形的数学公式模型为：
其中，WZF为波束成型矩阵，其用于指导发射信号的方向和强度，为估计的信道信息矩阵，其代表基站到用户终端的信道响应，/>为估计的信道信息矩阵的共轭转置，为矩阵乘法的结果的逆，其用于消除信道中的干扰和多径效应。
作为一种较优的实施选择，优选的，本方案所述信噪比SNR的计算数学公式模型为：
其中，Psignal为用户终端测量接收信号的功率，Pnoise为用户终端测量接收信号中的噪声功率。
作为一种较优的实施选择，优选的，本方案所述误码率BER的计算数学公式模型为：
作为一种较优的实施选择，优选的，本方案还包括：
S06、基站持续监测其与用户终端的通信性能，然后结合与基站通信的移动终端数量和位置信息，动态调整波束成形策略和频谱资源分配参数。
基于上述，本方案还提供一种基于5G大规模MIMO无线传输系统，其应用有上述所述的基于5G大规模MIMO无线传输方法。
基于上述，本方案还提供一种计算机可读的存储介质，所述的存储介质中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述的至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集由处理器加载并执行实现上述所述的基于5G大规模MIMO无线传输方法。
采用上述的技术方案，本发明与现有技术相比，其具有的有益效果为：本方案在预设时间间隔下，通过基站与其服务区域内的用户终端的信息交互，以确定基站与用户的信号信息，基站再结合信道信息，使用波束成形技术对通信信号进行预编码，同时根据信道条件和用户终端反馈的服务质量要求信息，进行动态分配频谱资源，其不仅能够提高基站在5G大数据MIMO无线传输的效率和性能利用，而且应用可靠，实施灵活。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明方法的简要实施流程示意图之一；
图2是本发明方法的简要实施流程示意图之二。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明，但不对本发明的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
参考图1所示，本实施例方案一种基于5G大规模MIMO无线传输方法，其包括：
S01、基站与其服务范围的用户终端建立通信；
S02、基站按预设时间间隔通过下行链路对与其建立通信的用户终端发送训练序列；
S03、用户终端接收基站所发送的训练序列，并估计信道信息，然后生成反馈信息，且通过上行链路反馈给基站；
S04、基站根据用户终端反馈回的反馈信息中的信道信息，使用波束成形技术对通信信号进行预编码，然后将预编码后的通信信号发送给用户终端；
S05、用户终端接收基站所发送的通信信号，并根据对应预编码信息进行解调信号。
其中，本方案中，在信道估计前，基站与移动终端可以采用如下方式来进行通信和活跃用户判断：
1、初始接入时，进入基站服务区域的新用户通过移动终端向基站发送接入请求(如随机接入请求)与基站建立通信联系，这些请求可以帮助基站来获知其服务区域内的用户数量(即，用户终端数量)；
2、基站可以定期或不定期地进行网络管理操作，例如，通过寻呼的方式来确定用户终端的活跃程度，以此供后续MIMO资源分配时作为参考因素之一。
在此基础上，作为一种可能的实施方式，进一步，本方案S01包括：基站配置大规模MIMO天线阵列，通过波束赋形生成能够覆盖预设服务范围的波束集合，然后在波束集合的波束上与其服务范围的用户终端进行通信。
而对于训练序列的形式和内容上，本方案中，训练序列通常是预先定义好的已知信号模式，其用于信道估计。
而在内容形式上，作为一种举例：一个简单的训练序列可能是一个包含有规律的0和1的序列，如“101010…”或一系列正弦波。由于训练序列被设计为易于在接收端检测和处理，因此，其可以便于用户终端从接收到的信号中准确估计信道特性。
对于用户估计信道信息的过程而言，其可以简要包括如下步骤：
1.接收训练序列：用户终端接收从基站发送的训练序列。
2.信道响应计算：用户终端基于接收到的训练序列计算信道的响应，此步骤涉及测量训练序列的变化，比如信号的衰减和相位变化。
在训练数据的内容上，用户终端在信道信息估计时，用户终端不会对训练数据的内容进行转换或修改，而是使用该数据来估计从基站到用户终端的信道特性。
在上行链路反馈的信道信息方面，本方案反馈的信道信息通常是信道状态信息(CSI)，包括信道的幅度和相位信息。例如，信道信息可能是一系列复数值，每个值代表一个特定频率上的信道响应。其中，CSI可以以多种形式传送，如量化的幅度和相位值，或者作为预编码矩阵的一部分。
在本方案信号序列举例及信道估计结果方面，本方案包括如下步骤：
(1)假设训练序列是一个简单的二进制序列：“1010…”。
(2)经过信道传输后，这个序列可能会因为信道的衰减和相位移动而变化。
(3)使用信道估计公式后，可能得到一个复数矩阵，该矩阵表示信道在不同时间和频率上的响应。
另外，作为一种可能的实施方式，进一步，本方案S03中，估计信道信息采用最小均方误差MMSE进行估计，其数学公式模型如下：
其中，Y是用户终端接收到的信号矩阵，X是基站发送的训练序列矩阵，是估计的信道信息矩阵，σ2是噪声功率，I是单位矩阵，/>是基站发送的训练序列矩阵的共轭转置。
作为一种可能的实施方式，进一步，本方案S04还包括：基站根据用户终端反馈回的信道信息进行设计预编码矩阵，生成预编码信息，然后通过下行链路将其下发至用户终端。
作为一种可能的实施方式，进一步，本方案S03中，所述反馈信息还包括信道幅度、相位信息、接收信号强度，以及用户终端主动生成的服务质量要求信息。
作为一种可能的实施方式，进一步，本方案S04中，基站根据用户终端反馈回的反馈信息，确定基站与用户终端通信的信道条件，其至少包括：信号衰减信息、信道干扰信息、信噪比SNR、误码率BER、多径效应信息中的一项以上。
作为一种可能的实施方式，进一步，本方案S04还包括：基站根据信道条件和服务质量要求信息，进行动态分配频谱资源。
作为一种较优的实施选择，优选的，本方案S04中，波束成形的数学公式模型为：
其中，WZF为波束成型矩阵，其用于指导发射信号的方向和强度，为估计的信道信息矩阵，其代表基站到用户终端的信道响应，/>为估计的信道信息矩阵的共轭转置，为矩阵乘法的结果的逆，其用于消除信道中的干扰和多径效应。
本方案所述信噪比SNR的计算数学公式模型为：
其中，Psignal为用户终端测量接收信号的功率，Pnoise为用户终端测量接收信号中的噪声功率。
本方案所述误码率BER的计算数学公式模型为：
本方案中，用户终端信号的质量测量的信号强度采用如下数学公式模型：
RSS＝Pt+Gt+Gr-Lp
其中，Pt是发射功率，Gt是发射天线增益，Gr接收天线增益，Lp路径损耗。本方案中，信号衰减采用如下数学公式模型：
PL＝Lfs+Lex
其中，Lfs是自由空间路径损耗，Lex是额外的损耗，其可以为自定值或根据实际测量估算；自由空间路径损耗Lfs的公式如下：
其中，d是距离，f是频率，c是光速。
本方案中，基站可以根据用户终端反馈的反馈信息中的信号强度RSS、信号衰减PL来估计信道衰减情况，衰减评估公式如下：
其中，是估计的路径损耗，Pt是发射功率，Gt是发射天线增益，Gr接收天线增益，RSS是信号强度。
结合图2所示，作为一种较优的实施选择，优选的，本方案还包括：
S06、基站持续监测其与用户终端的通信性能，然后结合与基站通信的移动终端数量和位置信息，动态调整波束成形策略和频谱资源分配参数。
本方案在预设频率或预设时间间隔下，通过基站与用户终端的信息交互，以确定基站与用户的信号信息，基站再结合信道信息，使用波束成形技术对通信信号进行预编码，同时根据信道条件和用户终端反馈的服务质量要求信息，进行动态分配频谱资源，其不仅能够提高基站在5G大数据MIMO无线传输的效率和性能利用，而且本方案应用可靠，实施灵活。
基于上述，本实施例方案的基于5G大规模MIMO无线传输方法可以应用至基于5G大规模MIMO无线传输系统中。
以上所述仅为本发明的部分实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换，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 (10)
1.一种基于5G大规模MIMO无线传输方法，其特征在于，其包括：
S01、基站与其服务范围的用户终端建立通信；
S02、基站按预设时间间隔通过下行链路对与其建立通信的用户终端发送训练序列；
S03、用户终端接收基站所发送的训练序列，并估计信道信息，然后生成反馈信息，且通过上行链路反馈给基站；
S04、基站根据用户终端反馈回的反馈信息中的信道信息，使用波束成形技术对通信信号进行预编码，然后将预编码后的通信信号发送给用户终端；
S05、用户终端接收基站所发送的通信信号，并根据对应预编码信息进行解调信号。
2.如权利要求1所述的基于5G大规模MIMO无线传输方法，其特征在于，S01包括：基站配置大规模MIMO天线阵列，通过波束赋形生成能够覆盖预设服务范围的波束集合，然后在波束集合的波束上与其服务范围的用户终端进行通信。
3.如权利要求1所述的基于5G大规模MIMO无线传输方法，其特征在于，S03中，估计信道信息采用最小均方误差MMSE进行估计，其数学公式模型如下：
其中，Y是用户终端接收到的信号矩阵，X是基站发送的训练序列矩阵，是估计的信道信息矩阵，σ2是噪声功率，I是单位矩阵，/>是基站发送的训练序列矩阵的共轭转置。
4.如权利要求1所述的基于5G大规模MIMO无线传输方法，其特征在于，S04还包括：基站根据用户终端反馈回的信道信息进行设计预编码矩阵，生成预编码信息，然后通过下行链路将其下发至用户终端。
5.如权利要求1所述的基于5G大规模MIMO无线传输方法，其特征在于，S03中，所述反馈信息还包括信道幅度、相位信息、接收信号强度，以及用户终端主动生成的服务质量要求信息；
S04中，基站根据用户终端反馈回的反馈信息，确定基站与用户终端通信的信道条件，其至少包括：信号衰减信息、信道干扰信息、信噪比SNR、误码率BER、多径效应信息中的一项以上；
S04还包括：基站根据信道条件和服务质量要求信息，进行动态分配频谱资源。
6.如权利要求5所述的基于5G大规模MIMO无线传输方法，其特征在于，S04中，波束成形的数学公式模型为：
其中，WZF为波束成型矩阵，其用于指导发射信号的方向和强度，为估计的信道信息矩阵，其代表基站到用户终端的信道响应，/>为估计的信道信息矩阵的共轭转置，为矩阵乘法的结果的逆，其用于消除信道中的干扰和多径效应。
7.如权利要求5所述的基于5G大规模MIMO无线传输方法，其特征在于，所述信噪比SNR的计算数学公式模型为：
其中，Psignal为用户终端测量接收信号的功率，Pnoise为用户终端测量接收信号中的噪声功率；
所述误码率BER的计算数学公式模型为：
8.如权利要求1至7之一所述的基于5G大规模MIMO无线传输方法，其特征在于，其还包括：
S06、基站持续监测其与用户终端的通信性能，然后结合与基站通信的移动终端数量和位置信息，动态调整波束成形策略和频谱资源分配参数。
9.基于5G大规模MIMO无线传输系统，其特征在于，其应用有权利要求1至8之一所述的基于5G大规模MIMO无线传输方法。
10.一种计算机可读的存储介质，其特征在于：所述的存储介质中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述的至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集由处理器加载并执行实现如权利要求1至8之一所述的基于5G大规模MIMO无线传输方法。
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