CN113572506B - 基于fdd预编码的高铁多trp无线通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于FDD预编码的高铁多TRP无线通信方法，包括以下步骤：设计导频序列估计上行信道的角度信息；设计修正算法进行下行角度方向修正；选择码字并反馈其索引；设计预编码和发送信息。本发明基于信道角度互易性的预编码设计方法可以大幅度减少***训练和反馈开销，提升***的鲁棒性，提高通信质量。

Description

基于FDD预编码的高铁多TRP无线通信方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体是一种基于FDD预编码的高铁多TRP无线通信方法。

背景技术

随着全球范围内高铁无线通信服务需求的增加，多业务并行激增使通信网络容量面临巨大的挑战。考虑未来铁路物联网和大数据应用，发展铁路5G专网(5G-R)移动通信***已是大势所趋。由于低时延和高可靠的要求，5G-R专网采用频分双工模式(FDD)。为了进一步提高***的容量，多天线技术也被视为5G-R的关键技术。但是FDD***中上下行在不同频带，且随着高铁的快速移动，信道通常是时变的，其通过发送导频获取的信道状态信息(CSI)会快速老化过时，故上下行CSI不再具有直接互易性。因此，对于高铁多TRP无线通信过程中FDD的MIMO***来说，如何获取预编码，进而提高***的性能是一个瓶颈性问题。

发明内容

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种基于FDD预编码的高铁多TRP无线通信方法，可以根据用户角度域信道信息等实际情况合理选择码本大小与反馈精度，大幅度减少***开销，提升***性能，提高通信效果。

1)获取导频序列估计上行信道的角度信息θ；

基于高速铁路移动场景下，设置信道模型为LOS和NLOS路径，LOS径服从莱斯分布，NLOS分量服从广义平稳非相关散射，假设用户终端位于列车内部，通过车厢天线阵列中继站进行通信，天线阵列采用均匀阵列，在RRU端首先对信号进行解复用得到单个MRS到RRU的发送信号，利用RRU天线阵列接收信号的差异进行估计，得到对应MRS到RRU的估计角度θ，通过多个MRS之间的距离关系对角度估计结果进行平均降低误差，得到每个MRS到RRU的上行角度信息θ；

2)利用修正算法进行下行角度方向修正，得到修正下行角度

2.1)将上行角度信息θ分别代入到天线阵列间距d、阵列天线数M的上下行方向矢量中：

2.2)将下行方向矢量增加一个修正角度

2.3)利用下式求出上下行方向矢量偏差最小时，需要修正的的角度

3)选择码字并反馈其索引；

3.1)在步骤2)得到的修正下行角度

的基础上，根据使用的天线阵列形式构造相应的信道方向信息矩阵

3.2)在计算出

后，将其与预设的码本集合

中计算下式：

其中j即为对应码字索引；

4)设计预编码和发送信息；

得到对应码字索引后，基站侧将使用该码字对消息进行预编码并发送信息，此时在用户端收到的信号为：

其中h_d表示下行信道信息CSI，X_s为基站侧经过预编码后的发送序列。

本发明有益效果在于：本发明基于信道角度互易性的FDD预编码设计方法可以根据用户角度域信道信息等实际情况合理选择码本大小与反馈精度，大幅度减少***开销，提升***性能，提高通信效果。

附图说明

图1是在不同的上下行频率间隔下FDD上下行到达角偏差仿真图。

图2是本发明实施所述方法角度修正前后方向矢量的幅度偏差比较仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明实施例的基于信道角度域互易性的预编码设计方法，应用于高铁多TRP场景下的FDD***，针对现有预编码设计方法的不足，进行了改进。

本发明的研究场景是基于高速铁路移动场景下，假设用户终端位于列车内部，通过车厢天线阵列中继站进行通信。对处于某个位置上的列车进行分析，假设列车的天线阵列有K_tr根天线，基站共有N_A个RRU。以在某个位置为起点，假设大尺度衰落，莱斯K因子，多普勒频移不变的情况下，设采样间隔为T_s，第n个采样点列车上第k根天线到第a个RRU间的上行信道为：

其中ν_k,a为有向路径的随机相位偏移，服从0到2π间的均匀分布。β_k,a为该位置上列车上第k根天线到第a个RRU间的大尺度衰落，K_k,a为该位置上列车上第k根天线到第a个RRU间的莱斯K因子

p_LOS,k,a为列车上第k根天线到第a个RRU间为直射路径的概率。a_k,a为该位置上列车上第k根天线到第a个RRU间的方向向量，当天线阵列采用均匀阵列(ULA)，则M个阵元排列在一条直线上，假设天线阵元间隔为d,信号入射的角度为θ_k(k＝1,2,…K),相邻两个天线阵元间的接收信号存在一个相位差Δd＝d sinθ_k,此时阵列的方向矢量为：

f_k,a(nT_s)为该位置上列车上第k根天线到第a个RRU间多普勒的影响经过时间nT_s后产生的相位旋转[4]，表示为：

v_tr为该位置上列车的速度向量，θ_k,a,l为速度向量与列车实时位置的夹角。

为非直射分量，其中的元素独立同分布于

假设非直射分量服从广义平稳非相关散射，则

其中

为最大多普勒频移，J₀(·)为第一类零阶贝塞尔函数。

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***仿真参数

在RRU侧接收到MRS发送信号后，首先对信号进行解复用，得到RRU处收到由单个MRS发送的信号X。首先计算阵列接收信号的协方差矩阵：

对协方差矩阵进行特征值分解，对应Λ的特征值，信号子空间U_s，噪声子空间U_n由下式给出：

R_x＝UΛU^H

λ₁≥λ₂≥...≥λ_P＝...＝λ_M＝σ²

U_s＝[u₁ u₂ ... u_P]

U_n＝[u_P+1 u_P+2 ... u_M]

其中u_i为特征值λ_i对应的特征向量。

构造如下式的空间谱，并搜索谱峰最大值。上行角度估计信息即为使下式取得最大值的θ：

θ＝arg max P(θ)

在多个RRU和MRS的情况时，第m个RRU对第n个MRS的角度估计信息为θ_(m,n)。保留角度估计信息处于[-60°,60°]的结果。列车MRS的距离为l_MRS，RRU的距离为l_RRU，则通过该估计信息估计所得的列车位置为

Z_(m,n)＝ltan(θ_(m,n))-(m-1)l_MRS+(n-1)l_RRU

之后通过多个RRU对列车位置的估计结果进行平均减小误差，c_k为第k个RRU对MRS角度估计的有效个数，则可以得到多个RRU对列车位置的估计结果为

得出列车位置估计信息后可以通过下式反推得到

在获取了上行角度信息θ后分别代入到天线阵列间距d、阵列天线数M的上下行方向矢量中：

将下行方向矢量增加一个修正角度

然后利用下式求出上下行方向矢量偏差最小时，需要修正的的角度

如图1所示，随着频率间隔的增大，上下行角度偏差也随之增大，当频率间隔为200MHz时，下行的方向向量角度与上行最大偏差为22°，因此若希望利用上行角度的互易性，在下行进行角度修正是十分必要的。

如图2所示，通过本发明实施所述方法进行角度修正后，上下行方向矢量的幅度偏差与修正前比较大幅度减小，为后续传输工作做了良好的铺垫。

基站侧在得到修正的角度信息

后，首先通过下式构造对应的下行信道信息矩阵

之后从预设的码本中选择满足信噪比最大原则的一个特定的码字矢量w_j。对应的码字矢量索引j通过下式得到：

基站侧在确定使用的码字矢量索引后，使用该码字将预编码信息发送给用户。在用户侧接收到的信号表示为：

其中h_d表示下行信道信息CSI，X_s为基站侧经过预编码后的发送序列。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于FDD预编码的高铁多TRP无线通信方法，其特征在于包括以下步骤：

1)获取导频序列估计上行信道的角度信息θ；

基于高速铁路移动场景下，设置信道模型为LOS和NLOS路径，LOS径服从莱斯分布，NLOS分量服从广义平稳非相关散射，假设用户终端位于列车内部，通过车厢天线阵列中继站进行通信，天线阵列采用均匀阵列，在RRU端首先对信号进行解复用得到单个MRS到RRU的发送信号，利用RRU天线阵列接收信号的差异进行估计，得到对应MRS到RRU的估计角度θ，通过多个MRS之间的距离关系对角度估计结果进行平均降低误差，得到每个MRS到RRU的上行角度信息θ；

2)利用修正算法进行下行角度方向修正，得到修正下行角度

2.1)将上行角度信息θ分别代入到天线阵列间距d、阵列天线数M的上下行方向矢量中：

2.2)将下行方向矢量增加一个修正角度

2.3)利用下式求出上下行方向矢量偏差最小时，需要修正的角度

3)选择码字并反馈其索引；

3.1)在步骤2)得到的修正下行角度

的基础上，根据使用的天线阵列形式构造相应的信道方向信息矩阵

3.2)在计算出

后，将其与预设的码本集合

中计算下式：

其中j即为对应码字索引；

4)设计预编码和发送信息；

得到对应码字索引后，基站侧将使用该码字对消息进行预编码并发送信息，此时在用户端收到的信号为：

其中h_d表示下行信道信息CSI，X_s为基站侧经过预编码后的发送序列。

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