CN104539335B - 一种大规模天线***的有限反馈方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种大规模天线***的有限反馈方法及装置，所述方法包括：接收端在每个短周期中向发射端反馈利用主成份分析法得到的低维信道状态信息；接收端在每个长周期中，持续进行信道估计，并利用主成份分析法获得降维矩阵，并向发射端反馈降维矩阵；发射端在每个长周期的开始接收到接收端反馈的降维矩阵，将降维矩阵的转置和低维信道信息相乘，还原出高维状态信息；发射端每个短周期都接收接收端反馈的低维信道状态信息。通过本发明提供的方法，利用主成份分析法对具有空间相关性的高维信道状态信息进行降维处理，降低压缩比；接收端只需反馈相应的码字序号，减小接收端负担；发送端只需要还原出高维信道状态信息，减小发送端的处理复杂度。

Description

一种大规模天线***的有限反馈方法及装置
技术领域
本申请涉及无线通信技术领域，特别涉及一种大规模天线***的有限反馈方法及装置。
背景技术
MIMO(Multi-input Multi-output，多输入多输出)技术是近年来无线通信领域的研究热点之一，其可以利用发射端的多个天线各自独立发送信号，同时在接收端利用多个天线接收并恢复原信息。大规模天线(Massive MIMO)在接收端采用大规模天线阵列的MIMO技术，可以充分利用空间自由度提高空分复用增益。
空分复用增益的实现有赖于接收端熟知下行信道状态信息(Channel StateInformation，CSI)。在时分复用(Time Division Duplexing，TDD)***中，信号的发射和接收在相同频率信道上进行，接收端可以利用信道互易性通过对上行信道状态信息进行估计，近似得到下行信道状态信息。而在应用范围更广的频分双工(Frequency Divisi onDuplexing，FDD)***中，信道互易性不再成立，接收端需要通过上行信道反馈信道状态信息，即有限反馈机制。
传统的MIMO有限反馈机制中，接收端首先利用码本对信道状态信息进行量化，此码本为收、发双方所共有，然后反馈最匹配信道状态信息的码字在码本中的序号。为实现完全的MIMO***空分复用增益，信道量化码本的大小随发射天线数呈指数增长。这既增加了接收端量化信道时的码本搜索复杂度，又加重了上行链路的反馈负担。在大规模天线(Massive MIMO)***中，天线数量巨大，传统的MIMO有限反馈机制必然会增加码本搜索复杂度和反馈负担。
目前，利用压缩感知(Compressive Sensing，CS)技术可以对Massive MIMO信道状态信息进行压缩。在大规模天线阵列中，各天线阵元排列紧密，间距一般为半波长，具有空间相关性，压缩感知正是利用了这种空间相关性。压缩感知技术指出：对于具有空间相关性的信道矩阵，可以寻找一组正交基Ψ，使得信道矩阵在Ψ上是稀疏的。这是压缩感知得以实现的基础。然后接收端用一个与Ψ不相关的观测矩阵Φ对信道矩阵进行测量，将高维度的信道状态信息投影到低维空间中，发射端通过求解一个优化问题，可以从这些少量的投影中高概率地还原出高维度信道状态信息。
但是，利用压缩感知对高维信道信息进行压缩后，是通过模拟反馈的方式，即在上行信道上直接向接收端发送压缩后的信道状态信息。不同于基于量化码本的有限反馈方式，模拟反馈要求接收端首先发送上行探测参考信号(Sounding Reference Signal，SRS)，接收端也要利用SRS对上行信道状态进行估计，这给接收端和接收端带来额外负担。其次，接收端在接收到反馈回来的低维信道状态信息后，还需要通过求解一个优化问题才能还原出高维信道信息，增加了处理复杂度。此外，现有压缩感知技术中，虽然可以一定程度上降低上行链路反馈负担，但压缩比不可能太低。为保证均方误差在***可接受的范围内，压缩感知的压缩比一般应在10％——30％范围内。
发明内容
本申请的目的在于，提供一种大规模天线***的有限反馈方法及装置，以解决上述技术的问题，具体方案包括：
一方面，本发明实施例提供了大规模天线***的有限反馈方法，包括：
所述接收端在每个短周期中向所述发射端反馈利用主成份分析法得到的低维信道状态信息；
所述接收端在每个长周期中，持续进行信道估计，并利用主成份分析法获得降维矩阵，并向所述发射端反馈降维矩阵；
所述发射端在每个长周期的开始接收到接收端反馈的降维矩阵，将降维矩阵的转置和低维信道信息相乘，还原出高维状态信息；
所述发射端每个短周期都接收所述接收端反馈的低维信道状态信息。
优选地，所述接收端在每个短周期中向所述发射端反馈利用主成份分析法得到的低维信道状态信息包括：
短周期操作在每个长周期内重复进行L次，具体步骤如下：
对下行信道进行信道估计，得到高维信道状态信息i＝1，2...L；
利用接收端前一个长周期得到的降维矩阵对高维信道状态信息h(i)作降维处理，得到低维信道状态信息
反馈相应的码字序号给发送端。
优选地，所述接收端在每个长周期中，持续进行信道估计，并利用主成份分析法获得降维矩阵，并向所述发射端反馈所述降维矩阵具体包括：
在长周期内持续进行信道估计，得到大量高维信道状态信息样本；
对得到的大量高维信道状态信息样本使用主成份分析法，求出降维矩阵供接收端在下一个长周期作降维处理使用，以及发送端在下一个长周期还原高维信道状态信息使用；
基于码本量化降维矩阵；
将量化信息反馈给发送端。
优选地，所述发射端在每个长周期的开始接收到接收端反馈的降维矩阵，具体包括：
在每个长周期的开始接收到来自接收端(接收端)反馈的降维矩阵
对U′求伪逆，得到用于还原高维信道状态信息的恢复矩阵：在当前长周期使用。
优选地，所述发射端在每个长周期的开始接收到接收端反馈的降维矩阵，将降维矩阵的转置和低维信道信息相乘，还原出高维状态信息，具体包括：
在每个短周期都接收来自接收端反馈的低维信道状态信息
利用矩阵乘法操作将还原成高维信道状态信息：
优选地，主成份分析法主要包括：
持续观测L个短周期(每个短周期s个TTI)，得到L*s个信道向量样本h11…h1s，h21…h2s…hL1…hLs；
令并求其协方差矩阵：
对协方差矩阵C进行特征分解：C＝UDUH；
其中D是将特征值从大到小排列构成的对角阵，U是相应的特征向量构成的酉矩阵；
选取U中前M列构成降维矩阵U′中的列向量为主特征向量；
利用降维矩阵对高维信道状态信息进行降维处理：h′＝hU′，将h在主特征向量上进行投影，得到
另一方面，本发明实施例提供了一种大规模天线***的有限反馈装置，基于接收端和发射端，所述装置包括：
低维信道状态信息获得模块，设置于所述接收端中，用于在每个短周期中向所述发射端反馈利用主成份分析法得到的低维信道状态信息；
反馈降维矩阵模块，设置于所述接收端中，用于在每个长周期中，持续进行信道估计，并利用主成份分析法获得降维矩阵，并向所述发射端反馈降维矩阵；
降维矩阵接收模块，设置于所述发射端中，用于在每个长周期的开始接收到接收端反馈的降维矩阵；
高维状态信息还原模块，用于将降维矩阵的转置和低维信道信息相乘，还原出高维状态信息；低维信道状态信息接收模块，设置于所述发射端中，用于每个短周期都接收所述接收端反馈的低维信道状态信息。
与现有技术相比，本申请包括以下优点：利用主成份分析法对具有空间相关性的高维信道状态信息进行降维处理的过程中，高维信道状态信息一般可用2至3个主成份浓缩表示，降低压缩比。相关仿真结果表明，主成份的贡献率可达95％以上。另外，对降维后信道状态信息的反馈是基于低维度量化码本的有限反馈方式，接收端只需反馈相应的码字序号，无需发送SRS探测信号，减小接收端负担。发送端在接收到低维信道状态信息后，只需要进行矩阵乘法操作即可还原出高维信道状态信息，无需求解复杂的优化问题，减小发送端的处理复杂度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的时间资源示意图；
图2为本发明实施例一提供的一种大规模天线***的有限反馈方法的流程图；
图3为本发明实施例二提供的一种大规模天线***的有限反馈装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
本发明实施例基于大规模天线***，接收端(UE)通过有限反馈方式向发射端(基站)反馈下行信道状态信息。所假设的场景是单小区、多用户，基站部署大规模天线阵列，发射天线数是Nt，而用户配备单天线。对于某个用户来说，在时刻t进行信道估计得到的信道矩阵是一个Nt维行向量，即
本发明实施例提出了一种大规模天线***的有限反馈方法。在本发明中，对不同类型的信息使用不同的反馈周期。下面对本发明实施例中对长、短周期的设置做详细说明。
长周期：本发明中UE利用主成份分析法可以将具有空间相关性的高维信道信息用少数几个主成份浓缩表示，即降维处理成低维信道信息，并通过上行链路反馈给基站。为了基站能还原出高维信道状态信息，UE还需反馈通过主成份分析法得到的降维矩阵。不同于低维信道信息的实时反馈，降维矩阵由于是在对信道状态进行持续估计的基础上得到一种统计信息，不必实时反馈，可以适当拉长反馈周期。本发明对通过主成份分析法得到的降维矩阵使用长周期反馈。
短周期：本发明中对利用主成份分析法得到的低维信道状态信息使用短周期反馈，这种低维信道状态信息是高维信道状态信息的浓缩表示，UE需要实时反馈给基站，便于基站及时了解信道状态做出相应处理。
如图1所示，时间资源被划分为以短周期为单位的基本单元，每个短周期包含若干TTI(Transmit Time Interval)，特别地，每个TTI就是一个短周期。在每个短周期中，UE都向基站反馈利用主成份分析法得到的低维信道状态信息。若干个短周期构成一个长周期，每个长周期里，UE持续进行信道估计，并利用主成份分析法得到降维矩阵，降维矩阵的反馈以长周期进行。所以，在每个长周期的最后一个短周期中，UE不仅要反馈低维信道状态信息，还要反馈降维矩阵。
另外，从图1可以看出，UE在当前长周期对高维信道状态信息进行降维处理所用到的降维矩阵，以及基站在当前长周期还原高维信道状态信息用到的恢复矩阵，都是由UE在前一个长周期利用主成份分析法得到的。
实施例一
本发明实施例一提供了一种大规模天线***的有限反馈方法，基于大规模天线***，大规模天线***包括接收端和发射端，如图2所示，方法包括：
步骤S201，接收端在每个短周期中向发射端反馈利用主成份分析法得到的低维信道状态信息；
步骤S202，接收端在每个长周期中，持续进行信道估计，并利用主成份分析法获得降维矩阵，并向发射端反馈降维矩阵；
步骤S203，发射端在每个长周期的开始接收到接收端反馈的降维矩阵，将降维矩阵的转置和低维信道信息相乘，还原出高维状态信息；
步骤S204，发射端每个短周期都接收接收端反馈的低维信道状态信息。
具体的，在步骤S201中，接收端在每个短周期中向发射端反馈利用主成份分析法得到的低维信道状态信息包括：
短周期操作在每个长周期内重复进行L次，具体步骤如下：
对下行信道进行信道估计，得到高维信道状态信息i＝1，2...L；
利用接收端前一个长周期得到的降维矩阵对高维信道状态信息h(i)作降维处理，得到低维信道状态信息
基于码本量化低维信道状态信息h(i)′，码本的大小取决于h(i)′的维数，相对于现有技术来说，可以降低码本大小，减小接收端(UE)码本搜索复杂度和反馈量。同时，免去了发送上行探测参考信号(SRS)的负担；
反馈相应的码字序号给发送端。
在步骤S202中，接收端在每个长周期中，持续进行信道估计，并利用主成份分析法获得降维矩阵，并向发射端反馈降维矩阵具体包括：
在长周期内持续进行信道估计，得到大量高维信道状态信息样本；
对得到的大量高维信道状态信息样本使用主成份分析法，求出降维矩阵供接收端在下一个长周期作降维处理使用，以及发送端在下一个长周期还原高维信道状态信息使用；
基于码本量化降维矩阵；
将量化信息反馈给发送端。
在步骤S203中，发射端在每个长周期的开始接收到接收端反馈的降维矩阵，具体包括：
在每个长周期的开始接收到来自接收端反馈的降维矩阵
对U′求伪逆，得到用于还原高维信道状态信息的恢复矩阵：在当前长周期使用。
在步骤S204中，发射端在每个长周期的开始接收到接收端反馈的降维矩阵，将降维矩阵的转置和低维信道信息相乘，还原出高维状态信息，具体包括：
在每个短周期都接收来自接收端反馈的低维信道状态信息
利用矩阵乘法操作将还原成高维信道状态信息：
可以看出，发送端(基站)只需进行矩阵乘法即可还原出高维信道状态信息，并不需要像压缩感知技术中求解一个复杂的优化问题，减少了发送端(基站)的处理复杂度。
在本发明实施例中，主成份分析法主要包括：
持续观测L个短周期(每个短周期s个TTI)，得到L*s个信道向量样本h11…h1s，h21…h2s…hL1…hLs；
令并求其协方差矩阵：
对协方差矩阵C进行特征分解：C＝UDUH；
其中D是将特征值从大到小排列构成的对角阵，U是相应的特征向量构成的酉矩阵；
选取U中前M列构成降维矩阵U′中的列向量为主特征向量；
利用降维矩阵对高维信道状态信息进行降维处理：h′＝hU′，将h在主特征向量上进行投影，得到
通过本发明实施例提供的一种大规模天线***的有限反馈方法，利用主成份分析法对具有空间相关性的高维信道状态信息进行降维处理的过程中，高维信道状态信息一般可用2至3个主成份浓缩表示，降低压缩比。相关仿真结果表明，主成份的贡献率可达95％以上。另外，对降维后信道状态信息的反馈是基于低维度量化码本的有限反馈方式，接收端只需反馈相应的码字序号，无需发送SRS探测信号，减小接收端负担。发送端在接收到低维信道状态信息后，只需要进行矩阵乘法操作即可还原出高维信道状态信息，无需求解复杂的优化问题，减小发送端的处理复杂度。
实施例二
本发明实施例二提供了一种大规模天线***的有限反馈装置，基于接收端和发射端，如图3所示，所述装置包括：低维信道状态信息获得模块31、反馈降维矩阵模块32、降维矩阵接收模块33、高维状态信息还原模块34和低维信道状态信息接收模块35。具体的：
低维信道状态信息获得模块31，设置于所述接收端中，用于在每个短周期中向所述发射端反馈利用主成份分析法得到的低维信道状态信息；
反馈降维矩阵模块32，设置于所述接收端中，用于在每个长周期中，持续进行信道估计，并利用主成份分析法获得降维矩阵，并向所述发射端反馈降维矩阵；
降维矩阵接收模块33，设置于所述发射端中，用于在每个长周期的开始接收到接收端反馈的降维矩阵；
高维状态信息还原模块34，用于将降维矩阵的转置和低维信道信息相乘，还原出高维状态信息低维信道状态信息接收模块35，设置于所述发射端中，用于每个短周期都接收所述接收端反馈的低维信道状态信息。
通过本发明实施例二提供了一种大规模天线***的有限反馈装置，利用主成份分析法对具有空间相关性的高维信道状态信息进行降维处理的过程中，高维信道状态信息一般可用2至3个主成份浓缩表示，降低压缩比。相关仿真结果表明，主成份的贡献率可达95％以上。另外，对降维后信道状态信息的反馈是基于低维度量化码本的有限反馈方式，接收端只需反馈相应的码字序号，无需发送SRS探测信号，减小接收端负担。发送端在接收到低维信道状态信息后，只需要进行矩阵乘法操作即可还原出高维信道状态信息，无需求解复杂的优化问题，减小发送端的处理复杂度。
以上对本申请所提供的图像特征提取方法、服务器、终端及***进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (6)

1.一种大规模天线***的有限反馈方法，其特征在于，基于大规模天线***，所述大规模天线***包括接收端和发射端，所述方法包括：
所述接收端在每个短周期中向所述发射端反馈利用主成份分析法得到的低维信道状态信息；
所述接收端在每个长周期中，持续进行信道估计，并利用主成份分析法获得降维矩阵，并向所述发射端反馈降维矩阵；
所述发射端在每个长周期的开始接收到接收端反馈的降维矩阵，将降维矩阵的转置和低维信道状态信息相乘，还原出高维状态信息；
所述发射端每个短周期都接收所述接收端反馈的低维信道状态信息；
所述接收端在每个短周期中向所述发射端反馈利用主成份分析法得到的低维信道状态信息包括：
短周期操作在每个长周期内重复进行L次，具体步骤如下：
对下行信道进行信道估计，得到高维信道状态信息其中Nt为发射天线数，L为预定义的次数变量；
利用接收端前一个长周期得到的降维矩阵对高维信道状态信息h(i)作降维处理，得到低维信道状态信息其中M为低维信道状态信息的维度；
反馈相应的码字序号给发送端。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接收端在每个长周期中，持续进行信道估计，并利用主成份分析法获得降维矩阵，并向所述发射端反馈所述降维矩阵具体包括：
在长周期内持续进行信道估计，得到大量高维信道状态信息样本；
对得到的大量高维信道状态信息样本使用主成份分析法，求出降维矩阵供接收端在下一个长周期作降维处理使用，以及发送端在下一个长周期还原高维信道状态信息使用；
基于码本量化降维矩阵；
将量化信息反馈给发送端。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发射端在每个长周期的开始接收到接收端反馈的降维矩阵，具体包括：
在每个长周期的开始接收到来自接收端反馈的降维矩阵
对U′求伪逆，得到用于还原高维信道状态信息的恢复矩阵：在当前长周期使用，其中U是相应的特征向量构成的酉矩阵。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发射端在每个长周期的开始接收到接收端反馈的降维矩阵，将降维矩阵的转置和低维信道信息相乘，还原出高维状态信息，具体包括：
在每个短周期都接收来自接收端反馈的低维信道状态信息
利用矩阵乘法操作将还原成高维信道状态信息：
<mrow> <mover> <mi>h</mi> <mo>^</mo> </mover> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mover> <mi>h</mi> <mo>^</mo> </mover> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>&amp;times;</mo> <mi>G</mi> <mo>;</mo> </mrow>
其中G是恢复矩阵。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，主成份分析法主要包括：
持续观测L个短周期，每个短周期s个传输时间间隔TTI，得到L*s个信道向量样本h11...h1s,h21...h2s...hL1...hLs；
令并求其协方差矩阵：
对协方差矩阵C进行特征分解：C＝UDUH；
其中D是将特征值从大到小排列构成的对角阵，U是相应的特征向量构成的酉矩阵；
选取U中前M列构成降维矩阵U′中的列向量为主特征向量；
利用降维矩阵对高维信道状态信息进行降维处理：h′＝hU′，其中h是高维信道状态信息，h’是降维信道状态信息；将h在主特征向量上进行投影，得到
6.一种大规模天线***的有限反馈装置，其特征在于，基于接收端和发射端，所述装置包括：
低维信道状态信息获得模块，设置于所述接收端中，用于在每个短周期中向所述发射端反馈利用主成份分析法得到的低维信道状态信息；
反馈降维矩阵模块，设置于所述接收端中，用于在每个长周期中，持续进行信道估计，并利用主成份分析法获得降维矩阵，并向所述发射端反馈降维矩阵；
高维状态信息还原模块，用于将降维矩阵的转置和低维信道状态信息相乘，还原出高维状态信息；
低维信道状态信息接收模块，设置于所述发射端中，用于每个短周期都接收所述接收端反馈的低维信道状态信息；
其中低维信道状态信息获得模块在每个短周期中向所述发射端反馈利用主成份分析法得到的低维信道状态信息包括：
短周期操作在每个长周期内重复进行L次，具体步骤如下：
对下行信道进行信道估计，得到高维信道状态信息其中Nt为发射天线数，L为预定义的次数变量；
利用接收端前一个长周期得到的降维矩阵对高维信道状态信息h(i)作降维处理，得到低维信道状态信息其中M为低维信道状态信息的维度；
反馈相应的码字序号给发送端。
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