CN108173576B - Mimo***的校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种MIMO***的校准方法，所述方法包括：首先构造一个测量信号矩阵，然后根据所述测量信号矩阵去估计射频增益比矩阵，在校准过程中除了估计射频增益比矩阵的主对角线元素以外，还估计所述射频增益比矩阵除主对角线以外的其他元素，充分考虑了大规模MIMO***的天线之间的相互作用。本发明能够改善大规模MIMO***的校准效果。

Description

MIMO***的校准方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种MIMO***的校准方法。

背景技术

在TDD(Time Division Duplexing，时分双工)模式的MIMO(Multiple-InputMultiple-Output，多入多出)***中，自由空间传播的上下行信道是对称的，然而由于每个天线使用不同的射频单元，由于不同的射频单元具有不同的增益，因此包括射频链路在内的等效传播信道是不对称的。

为了校准这种不对称，通过上行信道计算出下行信道，需要估计一个射频增益比矩阵。这个射频增益比矩阵的第(u，v)个元素为天线u的发射射频单元增益跟天线v的接收射频单元增益的比值。

现有的校准方法只估计所述射频增益比矩阵的主对角线元素，这是由于一般的MIMO***天线之间没有相互作用，所以只需要估计每根天线的发射射频单元增益和自身的接收射频单元增益的比值。而不用考虑一根天线的发射射频单元增益和其他天线的接收射频单元增益的比值，所以非对角线元素默认为零。

作为下一代无线通信的关键技术，大规模MIMO***拥有高频谱效率和高能量效率的特性，然而在大规模MIMO***中，天线以阵列形式分布，天线之间距离很近，会产生相互作用。因此，在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下技术问题：

现有的校准方法只估计射频增益比矩阵的主对角线元素，忽视了天线之间的相互作用，对大规模MIMO***来说，校准效果较差。

发明内容

本发明提供的MIMO***的校准方法，能够改善大规模MIMO***的校准效果。

本发明提供一种MIMO***的校准方法，所述MIMO***的所有天线等距离放置，所述方法包括：

构造测量信号矩阵Y，所述测量信号矩阵Y的第(u，v)个元素的表达式为：

y_u,v＝α_uhβ_v+n_u,v，u∈[1,M]，v∈[1,M]，

其中，y_u,v为所述测量信号矩阵Y的第(u，v)个元素，α_u为天线u的发射射频单元增益，β_v为天线v的接收射频单元增益，h为信道增益，n_u,v为天线u与天线v之间的测量噪声，所述天线u与天线v是相邻的，M为所述MIMO***基站侧的天线总数；

利用所述测量信号矩阵Y估计射频增益比矩阵。

可选地，所述利用所述测量信号矩阵Y估计射频增益比矩阵包括：

利用N-LS法估计所述射频增益比矩阵主对角线上的元素；

确定任意节点u，u∈[1,M]，估计所述节点u所在列的元素。

可选地，所述利用N-LS法估计所述射频增益比矩阵主对角线上的元素包括：

对代价函数

求导并使导数为零，其中A_u表示跟天线u相邻的天线序号的集合，v表示跟天线u相邻的天线序号。

可选地，所述确定任意节点u，u∈[1,M]，估计所述节点u所在列的元素包括：

对于所述节点u的第一层上的节点t₁，忽略测量噪声，射频增益比

根据以下表达式确定：

其中t₁'是所述节点u的第一层上不同于t₁且与t₁相邻的节点；

对于所述节点u的第k(k≥2)层上的节点t_k，选择一条从u到t_k的最短路径，射频增益比

根据以下表达式确定：

其中t_k-1是所述节点u的第k-1层上的节点。

可选地，当所述从u到t_k的最短路径存在L条时，射频增益比

根据以下表达式确定：

其中

分别是选择不同最短路径时估计出的射频增益比

可选地，所述利用所述测量信号矩阵Y估计射频增益比矩阵包括：

定义误差函数f(X_t,X_r)＝||Y-X_tAX_r||²，

其中，矩阵A的表达式为：

使用块协作下降方法求解两个对角矩阵X_t及X_r，使所述误差函数f(X_t,X_r)最小。

可选地，所述使用块协作下降方法求解两个对角矩阵X_t及X_r包括下述步骤：

1)随机得到X_t及X_r的初始化值

和

并初始化循环变量j＝0；

2)根据表达式(1)计算

3)根据表达式(2)计算

4)循环变量j累加，重复步骤2)～3)，直至满足预先设定的终止准则；

其中，上述表达式中，Diag{}表示生成一个对角阵，其对角元素为括号内向量所给；diag{}表示生成一个向量，其元素为括号内矩阵的对角线元素；./表示向量元素对之间的点除。

本发明提供的MIMO***的校准方法，首先构造一个测量信号矩阵，根据所述测量信号矩阵再去估计射频增益比矩阵，在校准过程中除了估计射频增益比矩阵的主对角线元素以外，还估计所述射频增益比矩阵除主对角线以外的其他元素，即估计一根天线的发射射频单元增益和其他天线的接收射频单元增益的比值，充分考虑了大规模MIMO***的天线之间的相互作用，能够改善大规模MIMO***的校准效果。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的MIMO***的天线阵列；

图2为本发明一实施例提供的MIMO***的校准方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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。

假设基站有M根天线，每个用户只有1根天线。由于用户端天线数量少，校准相对简单，所以在本发明中假设用户端校准已经完成，只关注基站端校准。

首先定义两个射频增益矩阵：

C_BS,t＝Diag{α₁,α₂,…,α_M}

C_BS,r＝Diag{β₁,β₂,…,β_M}

这里α_u,u∈[1,M]表示天线u的发射射频单元增益，β_v,v∈[1,M]表示天线v的接收射频单元增益，Diag{}表示对角矩阵。

因此可以得到射频增益比矩阵P的表达式如下：

显然地，矩阵P是一个MxM的矩阵，其中第(u，v)个元素

表示天线u的发射射频单元增益和天线v的接收射频单元增益的比值，矩阵P的第u列元素

表示天线u的发射射频单元增益和其他所有天线(也包括自身)的接收射频单元增益的比值，对MIMO***的校准最终就是确定所述射频增益比矩阵P中的所有元素。

如图1所示，一个MIMO***的天线按照正六边形形状的阵列分布，所有天线之间的距离都为半波长。为了估计矩阵P，需要在相邻天线之间交换信号，具体的做法是，一个天线发射信号，它旁边的6个(或更少)相邻天线接收信号。依次对所述天线阵列里的每一个天线执行上述操作。由于所有天线等距离放置，相邻天线之间传递信号时的信道增益可以被认为是一样的。

本发明实施例提供一种MIMO***的校准方法，如图2所示，所述方法包括：

S11、构造一个测量信号矩阵Y,如果天线u和天线v是相邻的，Y的第(u,v)个元素由以下表达式得出：

y_u,v＝α_uhβ_v+n_u,v，u∈[1,M]，v∈[1,M]，

其中，y_u,v为所述测量信号矩阵Y的第(u，v)个元素，α_u为天线u的发射射频单元增益，β_v为天线v的接收射频单元增益，h为信道增益，n_u,v为天线u与天线v之间的测量噪声，所述天线u与天线v是相邻的，M为所述MIMO***基站侧的天线总数；

S12、利用所述测量信号矩阵Y估计射频增益比矩阵P。

在本发明中给出了估计矩阵P的两种不同的方案。

第一种估计矩阵P的方法叫做对角优先方案。顾名思义，对角优先方案首先估计矩阵P主对角线上的元素，然后再估计主对角线以外的元素。

主对角线元素可以直接利用N-LS法进行估计：定义M维向量

其中γ是一个可调标量。在实际过程中，可忽略γ对估计结果的影响。对c估计的方式是找到一个c使以下的代价函数J(c)最小：

这里A_u表示跟天线u相邻的天线序号的集合，v表示跟天线u相邻的天线序号。

通过对代价函数J(c)求导并让导数为零的方法，可以得到最优的c的表达式为：

其中c₁＝1，即

这里A＝(a₁,A₁)，A的第(u,v)个元素是通过下式得到的：

得到了向量c，就知道了矩阵P的主对角线元素。

对于主对角线以外的元素的估计，我们以列为对象，一列一列地估计矩阵P的元素。如图1所示，所述MIMO***的天线阵列可以被看作一个特殊的图，每根天线对应图中的一个节点，而且每个节点仅仅和离它最近的那个节点连通。

不失一般性，首先确定任意节点u，u∈[1,M]，估计所述节点u所在列的元素，即射频增益比矩阵P的第u列元素

表示为P^(u)。

为了表述清楚，我们定义天线之间的“距离”为：假设相邻天线之间路径长度为1，天线之间的距离就是两者之间最短的路径长度。进一步地，我们定义“层”为：相对于某个节点u(即天线u)，距离节点u为k的所有节点组成相对u的第k层节点。在图1中,v₁到v₆组成节点u的第1层，w₁,w₂,…相互连接的所有节点组成节点u的第2层，x₁,x₂,…相互连接的所有节点组成节点u的第3层。

估计P^(u)是通过迭代的方式实现的，在第k次迭代，我们估计节点u和相对u的第k层节点的射频单元增益比。

对于所述节点u的第一层上的节点t₁，如果忽略测量噪声，射频增益比

根据以下表达式确定：

其中t₁'是所述节点u的第一层上不同于t₁且与t₁相邻的节点；

具体地，如图1所示，节点u的第一层上有6个节点v₁到v₆，对于第1层上的节点v_i，i∈[1,6]，我们直接通过测量信号进行计算。如果忽略测量噪声

可以得到以下的关系式：

明显的，可以通过测量信号y和已经得到的对角元素c就能求出节点u和节点v_i的射频增益比

而且可以通过选择不同的邻节点v_j，其中j≠i，v_i，v_j都是u的第一层节点，以减少测量噪声对估计精度的影响。需要注意的是这种方法只适合估计第1层节点，因为信号只在相邻节点之间传递。

对于所述节点u的第k(k≥2)层上的节点t_k，我们总是能找到一条从u到t_k的最短路径：u→t₁→t₂→…→t_k-1→t_k。那么可以得到以下的关系式：

其中

和

已经在第1次迭代中得出,

和

已经在第k-1次迭代中得出，

和

在向量c已经得出。

进一步地，如果从u到t_k存在L个可能的最短路径，取L条路径的平均值作为最终的估计结果，从而提高估计质量，即

其中

分别是选择不同最短路径时估计出的射频增益比

对于所述天线阵列的每个节点u,u∈[1,M]，都可以用以上迭代方法得出节点u所在列的元素，当所有节点都算出在矩阵P中对应的列以后，整个矩阵P就被完整估计出来了。

第二种估计矩阵P的方法叫做批处理方案。从矩阵P的表达式可以看出，P的元素包含M个α和M个β的所有组合。所以，不同于以前所有的校准方案，本发明提出的批处理方案利用所述测量信号矩阵Y直接估计每个α和β，而不是他们的比值。α和β的估计过程可通过解一个优化问题实现。定义一个误差函数f(X_t,X_r)如下：

f(X_t,X_r)＝||Y-X_tAX_r||²，

其中A是邻节点矩阵：

我们的目标就是求两个矩阵X_t和X_r使所述误差函数f(X_t,X_r)最小，而且这两个矩阵必须是对角矩阵，即：

X_t＝Diag{x_t,1,x_t,2,…,x_t,M}

X_r＝Diag{x_r,1,x_r,2,…,x_r,M}

为了从测量信号矩阵Y中恢复出X_t和X_r，我们可以利用块协作下降(BCD)方法去求解上述的优化问题。

首先随机得到所求矩阵的初始化值

和

同时初始化循环变量j＝0；然后进行迭代运算。

迭代过程为：

已知

可以由以下表达式求得：

已知

可以由以下表达式求得：

循环变量j累加，重复计算X_r ^(j+1)和X_t ^(j+1)，直到满足预先设定的终止准则，例如迭代过程超过一定次数，此时迭代过程终止。

其中，上述表达式中，Diag{}表示生成一个对角阵，其对角元素为括号内向量所给；diag{}表示生成一个向量，其元素为括号内矩阵的对角线元素；./表示向量元素对之间的点除。

如果忽略测量噪声，测量信号矩阵Y满足以下关系式:Y＝hC_BS,tAC_BS,r，这里h是信道增益。由于天线图的连通性，可以证明通过迭代过程，以上问题的最优解满足如下关系：

X_t＝μhC_BS,t

X_r＝ωC_BS,r

其中μ和ω是任意常数，而且满足μ·ω＝1。

根据得到的X_t和X_r，就可以得到C_BS,t及C_BS,r，也就得到了所有的α和β的估计值，所以该算法在理想状况下可以准确估计出α和β。

在考虑测量噪声的情况下，用X_t和X_r近似代替C_BS,t及C_BS,r，从而得到所有的α和β的估计值，估计值跟实际值有所偏差，偏差程度跟测量信号噪声功率比有关。

当所有的α和β被估计出来以后，通过两两相比，整个矩阵P就被估计出来了。

本发明实施例提供的MIMO***的校准方法，首先构造一个测量信号矩阵，根据所述测量信号矩阵再去估计射频增益比矩阵，在校准过程中除了估计射频增益比矩阵的主对角线元素以外，还估计所述射频增益比矩阵除主对角线以外的其他元素，即估计一根天线的发射射频单元增益和其他天线的接收射频单元增益的比值，充分考虑了大规模MIMO***的天线之间的相互作用，能够改善大规模MIMO***的校准效果。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种MIMO***的校准方法，其特征在于，所述MIMO***的所有天线等距离放置，所述方法包括：

构造测量信号矩阵Y，所述测量信号矩阵Y的第(u，v)个元素的表达式为：

y_u,v＝α_uhβ_v+n_u,v，u∈[1,M]，v∈[1,M]，

其中，y_u,v为所述测量信号矩阵Y的第(u，v)个元素，α_u为天线u的发射射频单元增益，β_v为天线v的接收射频单元增益，h为信道增益，n_u,v为天线u与天线v之间的测量噪声，所述天线u与天线v是相邻的，M为所述MIMO***基站侧的天线总数；

利用所述测量信号矩阵Y估计射频增益比矩阵，所述射频增益比矩阵的第(u，v)个元素的表达式为：

u∈[1,M]，v∈[1,M]，

其中，利用所述测量信号矩阵Y估计射频增益比矩阵包括：

对于所述射频增益比矩阵主对角线上的元素按下述方法估计：定义一个M维向量

其中γ是一个可调标量，计算得到使代价函数

最小的向量c，以便估计出所述射频增益比矩阵主对角线上的元素，其中A_u表示跟天线u相邻的天线序号的集合，v表示跟天线u相邻的天线序号，c_u表示向量c的第u个元素，

c_v表示向量c的第v个元素，

对于所述射频增益比矩阵主对角线以外的位于第u列的元素按下述方法估计：以天线u为中心天线，其余天线围绕所述中心天线按层分布，对于所述天线u的第一层上的天线t₁，忽略测量噪声，射频增益比

根据以下表达式确定：

其中t₁'是所述天线u的第一层上不同于天线t₁且与t₁相邻的天线，

表示向量c的第t₁'个元素，

对于所述天线u的第k(k≥2)层上的天线t_k，选择一条从u到t_k的最短路径，射频增益比

根据以下表达式确定：

其中t_k-1是所述天线u的第k-1层上的天线。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述从u到t_k的最短路径存在L条时，射频增益比

根据以下表达式确定：

其中

i∈[1,L]分别是选择不同最短路径时估计出的射频增益比

3.一种MIMO***的校准方法，其特征在于，所述MIMO***的所有天线等距离放置，所述方法包括：

构造测量信号矩阵Y，所述测量信号矩阵Y的第(u，v)个元素的表达式为：

y_u,v＝α_uhβ_v+n_u,v，u∈[1,M]，v∈[1,M]，

其中，y_u,v为所述测量信号矩阵Y的第(u，v)个元素，α_u为天线u的发射射频单元增益，β_v为天线v的接收射频单元增益，h为信道增益，n_u,v为天线u与天线v之间的测量噪声，所述天线u与天线v是相邻的，M为所述MIMO***基站侧的天线总数；

利用所述测量信号矩阵Y估计射频增益比矩阵，所述射频增益比矩阵的第(u，v)个元素的表达式为：

u∈[1,M]，v∈[1,M]，

其中，利用所述测量信号矩阵Y估计射频增益比矩阵包括：

定义误差函数f(X_t,X_r)＝||Y-X_tAX_r||²，

其中，矩阵A的表达式为：

使用块协作下降方法求解两个对角矩阵X_t及X_r，使所述误差函数f(X_t,X_r)最小；

得到的X_t及X_r满足如下表达式：

X_t＝μhC_BS,t

X_r＝ωC_BS,r

其中μ和ω是任意常数，而且满足μ·ω＝1，C_BS,t＝Diag{α₁,α₂,…,α_M}，C_BS,r＝Diag{β₁,β₂,…,β_M}；

根据上述表达式计算得到所有天线的α和β的估计值，以便得到所述射频增益比矩阵的全部元素。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述使用块协作下降方法求解两个对角矩阵X_t及X_r包括下述步骤：

1)随机得到X_t及X_r的初始化值

和

并初始化循环变量j＝0；

2)根据表达式(1)计算

3)根据表达式(2)计算

4)循环变量j累加，重复步骤2)～3)，直至满足预先设定的终止准则；

其中，上述表达式中，Diag{}表示生成一个对角阵，其对角元素为括号内向量所给；diag{}表示生成一个向量，其元素为括号内矩阵的对角线元素；./表示向量元素对之间的点除。

Images