CN110943767B - Fdd大规模mimo***中基于信道部分互易性的预编码设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及单用户大规模MIMO***中基于信道部分互易性的预编码设计方法，应用于频分双工(FDD)下的单用户大规模MIMO***中，所述预编码设计方法包括以下步骤：设计参考框架和选择合适的参考向量；设计导频序列和处理接收信号；选择码字并反馈其索引；设计预编码和发送信息。本发明基于信道部分互易性的预编码设计方法与基于DFT的预编码设计方法相比具有更好的***性能，能够实现更高的信道利用率，所提出的CSI反馈过程能够大量的减少***训练和反馈开销从而提升***性能。并且通过优化参数

和R的取值可进一步提升性能。

Description

FDD大规模MIMO***中基于信道部分互易性的预编码设计 方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及FDD大规模MIMO***中基于信道部分互易性的预编码设计方法。

背景技术

在大规模MIMO***中，利用基站(BS)的大规模天线阵，***能够获得极高的空间分辨率和空间分割复用增益，做到在不造成严重干扰的情况下，还同时为多个用户提供服务，极大的提高了***的频谱效率和传送速率。然而，这些优势都依赖于信道状态信息(CSI)的可用性，因此在实际***中如何精确获取CSI对***性能的影响至关重要。

针对频分双工(FDD)大规模MIMO***，要获取下行CSI需要花费大量的时频开销。在实际的大规模MIMO***中，由于训练量和反馈开销与BS天线的数量成正比，因此采用传统的线性信道估计方法(如最小二乘算法(LS)和线性最小均方误差(LMMSE)算法)来获取CSI的消耗太大，不切实际。为了更好地控制***资源，我们可以利用FDD***中上行信道和下行信道频段之间的时延和角度的互易性来减少反馈开销。在获取CSI的条件下，采用预编码技术可以消除干扰，能够进一步提升下行链路的性能。因此基于信道部分互易性的基础上，研究CSI的获取和反馈问题，并结合预编码技术设计一个通过少量的训练和反馈开销就可解决FDD大规模MIMO***中下行CSI的精确获取的问题是值得研究的。

发明内容

基于现有技术中存在的上述不足，本发明提供FDD大规模MIMO***中基于信道部分互易性的预编码设计方法，包括以下步骤：

S1，已知预编码码本，确定所取参数值，根据参数值设计参考框架；根据所述参考框架选择合适的参考向量；

S2，根据参考向量设计导频序列，将所述导频序列发送给用户，利用MMSE估计方法对用户的接收信号进行处理；

S3，在预编码码本中选择处理后的参数对应的码字，并将该码字对应的索引反馈至基站；

S4，基站构造预编码，并利用该预编码发送信息给用户。

作为本发明的优选方案之一，所述大规模MIMO***包括一个单天线用户，一个基站，基站配备M_t根天线，L_c个簇。

作为本发明的优选方案之一，步骤S1具体为：

S1.1，根据所取参数

和

的值构造参考框架

该参考向量是由维数为M_a×1的

个参考向量q_ai组成，定义如下：

参考框架

其中

S1.2,计算

i＝1,2,…,N_r，选择最大的前R个值所对应的参考向量q₁,q₂,…,q_R，记为Q。

作为本发明的优选方案之一，步骤S2具体为：

设信道是基于3GPP TR 36.873V 12.7.0标准所建立的信道，不考虑时间相关项，天线间的发射天线场模式和接收天线场模式都分别相等，天线阵列为均匀平面阵列；

S2.1：对Q进行奇异值分解；

Q＝UDV^H

其中

D＝diag(λ₁,λ₂,…,λ_R)，且λ₁≥λ₂≥…≥λ_R；

S2.2：取Q的前K个最大奇异值所对应的奇异值向量u₁,u₂,…,u_K组合为U_K作为导频序列；

S2.3：将U_K通过下行信道发送给用户，则用户端接收到的信号为：

其中

为下行信道，

为噪声。

S2.4：利用MMSE估计方法对接收信号进行处理，估计得到g_i，可表示为：

并对g_K＝[g₁ g₂ … g_K]归一化处理为g₀。

作为本发明的优选方案之一，步骤S3具体为：

在预编码码本

中找到g₀的码字

所对应的索引

并将该索引反馈给基站，该索引由下式定义：

作为本发明的优选方案之一，步骤S4具体为：

基站构造预编码

并利用此预编码发送信息s给用户，此时用户的接收信号表示为：

本发明与现有技术相比，有益效果是：

本发明基于信道部分互易性的预编码设计方法与传统的预编码设计方法相比，无需估计，能够实现更高的信道利用率，提出的CSI反馈过程能够大量的减少***训练和反馈开销从而提升***性能。并且通过优化参数

和R的值能进一步提升性能。

附图说明

图1是本发明实施例所述方法在不同反馈数K下，基站天线数关于信道利用率的仿真图。

图2是本发明实施例所述方法在不同天线数下，反馈数K取值关于信道利用率的仿真图。

具体实施方式

以下将对本发明的技术方案作进一步解释说明。

本发明实施例的基于信道部分互易性的预编码设计方法，针对现有预编码设计方法的不足，进行了改进。本发明实施例的基于信道部分互易性的预编码设计方法，应用于FDD下的单用户大规模MIMO***的预编码设计方法，并给出了CSI反馈的过程。

具体应用案例如下：

假设***中有1个用户，1个基站且基站的天线数为32根，K的取值为10，以参数

R＝64为例。下表给出了***的一般参数，根据表1中的***参数来进行预编码设计。

表1***参数选择

S1,设计参考框架和选择合适的参考向量

假设单用户大规模MIMO***包括一个单天线用户，一个基站，基站配备32根天线，考虑19个簇。假设信道是基于3GPP TR 36.873V 12.7.0(2017-12)标准所建立的信道，且不考虑时间相关项，天线间的发射天线场模式和接收天线场模式都分别相等。假设在基站和用户双方都已知预编码码本

的情况下，设置参数

R＝16。

S1.1：根据所取参数

和

的值构造参考框架

该参考向量是维数为8×1的16个参考向量q_vi和维数为4×1的32个参考向量q_hi组成，定义如下：

参考框架

其中N_r＝16×32，M_v＝8，M_h＝4，B_v＝4，B_h＝5。

S1.2：根据所构造的参考框架选择64个合适的参考向量，该选择方法是通过计算

i＝1,2,…,512，选择最大的前64个值所对应的参考向量q₁,q₂,...,q₆₄，记为Q。

S2,设计导频序列和处理接收信号

假设信道是基于3GPP TR 36.873V 12.7.0(2017-12)标准所建立的信道，且不考虑时间相关项，天线间的发射天线场模式和接收天线场模式都分别相等，天线阵列为均匀平面阵列(UPA)。

S2.1：对Q进行奇异值分解(SVD)；

Q＝UDV^H

其中

D＝diag(λ₁,λ₂,…,λ₆₄)，且λ₁≥λ₂≥…≥λ₆₄。

S2.2：取Q的前10个最大奇异值所对应的奇异值向量u₁,u₂,...,u₁₀组合为U_K作为导频序列；

S2.3：将U_K通过下行信道发送给用户，则用户端接收到的信号为：

其中

为下行信道，

为噪声。

S2.4：利用MMSE估计方法对接收信号进行处理，估计得到g_i，可表示为：

并对g₁₀＝[g₁ g₂ … g₁₀]归一化处理为g₀；

S3，选择码字并反馈其索引

在预编码码本

中找到g₀对应码字

并把该码字所对应的索引

反馈给基站，索引由下式定义：

S4，设计预编码和发送信息

基站构造预编码

并利用此预编码发送信息s给用户，用户端可根据该接收信号估计出下行信道h_dl，该接收信号可表示为：

S5,信道利用率分析

为了分析本发明所提出的基于信道部分互易性的已知导向矩阵条件下预编码设计方法的性能，我们定义了信道利用率η如下：

如图1所示，是在上述举例的条件下，在各自参数

R的取值和不同反馈数K的取值下基站天线数关于***信道利用率的仿真图，可以看出基站天线数与信道利用率的之间关系。其中“基于DFT的预编码设计方法”是不同反馈数K下基于DFT方法的信道利用率曲线，“本发明提出的方法”是在不同K的取值下采用本发明提出的方法的信道利用率曲线。从图1中可以看出，反馈数K的增加，信道利用率也随之增加。在上述举例的条件下，信道利用率可达约93％。且在K＝12，基站天线数在128根以内的情况下信道利用率可达83％以上。从中可以说明本发明提出的方法在低反馈多天线数下也能达到更高的信道利用率，与基于DFT的预编码设计方法相比具有更好的***性能。

如图2所示，是在上述举例的条件下，不同基站天线数在各自参数

和R的取值下，反馈数K的取值关于***信道利用率的仿真图，可以看出反馈数K与信道利用率之间的关系。其中“基于DFT的预编码设计方法”是在不同基站天线数下基于DFT方法的信道利用率曲线，“本发明提出的方法”是在不同基站天线数下采用本发明提出的方法的信道利用率曲线。从图2中可以看出，基站天线数的减少，信道利用率随之增加。在反馈数K取值为20时，基站天线数在128根以内的情况下，***的信道利用率达90％以上。从中可以说明本发明提出的方法在低反馈多天线数下也能达到更高的信道利用率，与基于DFT的预编码设计方法相比具有更好的***性能，能够实现更高的信道利用率，所提出的CSI反馈过程能够大量的减少***训练和反馈开销从而提升***性能。且通过优化参数

和R的取值可进一步提升性能。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.FDD大规模MIMO***中基于信道部分互易性的预编码设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，已知预编码码本，确定所取参数值，根据参数值设计参考框架；根据所述参考框架选择合适的参考向量；

S2，根据参考向量设计导频序列，将所述导频序列发送给用户，利用MMSE估计方法对用户的接收信号进行处理；

S3，在预编码码本中选择处理后的参数对应的码字，并将该码字对应的索引反馈至基站；

S4，基站构造预编码，并利用该预编码发送信息给用户；

所述大规模MIMO***包括一个单天线用户，一个基站，基站配备M_t根天线，L_c个簇；

步骤S1具体为：

S1.1，根据所取参数

和

的值构造参考框架

该参考向量是由维数为M_a×1的

个参考向量q_ai组成，定义如下：

参考框架

其中

S1.2,计算

选择最大的前R个值所对应的参考向量q₁,q₂,...,q_R，记为Q；

步骤S2具体为：

设信道是基于3GPP TR 36.873 V 12.7.0标准所建立的信道，不考虑时间相关项，天线间的发射天线场模式和接收天线场模式都分别相等，天线阵列为均匀平面阵列；

S2.1：对Q进行奇异值分解；

Q＝UDV^H

其中

D＝diag(λ₁,λ₂,…,λ_R)，且λ₁≥λ₂≥…≥λ_R；

S2.2：取Q的前K个最大奇异值所对应的奇异值向量u₁,u₂,...,u_K组合为U_K作为导频序列；

S2.3：将U_K通过下行信道发送给用户，则用户端接收到的信号为：

其中

为下行信道，

为噪声；

S2.4：利用MMSE估计方法对接收信号进行处理，估计得到g_i，可表示为：

并对g_K＝[g₁ g₂ … g_K]归一化处理为g₀。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3具体为：

在预编码码本

中找到g₀的码字

所对应的索引

并将该索引反馈给基站，该索引由下式定义：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S4具体为：

基站构造预编码

并利用此预编码发送信息s给用户，此时用户的接收信号表示为：

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