CN114142986A - 基于接入点分组的上下行信道互易性空口校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于接入点分组的上下行信道互易性空口校准方法。包括：步骤1、根据各个接入点的位置，将多个接入点分为两组；步骤2、两组之间互相收发校准导频信号，根据收到的导频信号估计两个信道矩阵；步骤3、根据两组接入点估计的信道矩阵计算校准矩阵。本发明利用接入点之间的位置，尽量使得每个接入点存在较好的参考接入点，从而在联合校准中获得较优的校准性能。

Description

基于接入点分组的上下行信道互易性空口校准方法

技术领域

本发明属于无线通信传输技术领域，尤其涉及一种基于接入点分组的上下行信道互易性空口校准方法。

背景技术

随着MIMO***中用户和天线的大规模增加，信道状态信息的获取成为一大难题。时分双工(TDD,Time Division Duplexing)***能利用空中信道互易的特点，大大减小***导频开销。但是由于发送和接收机射频(RF，Radio Frequency)链路的非对称性，导致实际信道上下行不再具有互易性。因此会在采用下行预编码技术时对RF增益进行补偿，即进行互易性校准。

对于6G的大规模分布式MIMO***，由于接入点数大规模增加，传统的轮流发送校准的时间开销较大，实现的难度也较大。为了降低校准的时间开销，可以将接入点分成多个组，进行组间校准。分组校准中，最基本的实现即为分为两组。两组之间互为参考，进而实现全部接入点的校准系数计算。但是由于接入点之间存在一定的物理距离，所以导频信号经过大尺度衰落之后估计出的信道不够准确，这将严重影响校准算法的精度。

为了获得更好的校准性能，需要对分组算法进行精心的设计。穷举搜索最优分组的复杂度在实际实现时难以承受。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于接入点分组的上下行信道互易性空口校准方法,以解决穷举搜索最优分组的复杂度在实际实现时难以承受的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：

一种基于接入点分组的上下行信道互易性空口校准方法，包括以下步骤：

步骤1、根据各个接入点的位置，将多个接入点分为两组；

步骤1.1、找到一个离其他接入点的距离之和最远的接入点a₁和离a₁最近的接入点b₁，将接入点a₁分进A组，将接入点b₁分进B组；

步骤1.2、继续搜索未归类的接入点中离其他接入点距离之和最远的p和离它最近的接入点q，计算p到A组已有接入点的最小距离minA，计算p到B组已有接入点的最小距离minB；若minA大则p分进A组，q分进B组；若minA大则q分进A组，p分进B组；

步骤1.3、以此操作搜索直至所有接入点全部被分组；

步骤2、两组之间互相收发校准导频信号，根据收到的导频信号估计两个信道矩阵；

步骤3、根据两组接入点估计的信道矩阵计算校准矩阵。

进一步的，步骤1.1中到离其它接入点距离之和最远的接入点，实现方法为矩阵D按列求和找到最大元素的索引idx1；将其对应的接入点idx1放入A集合中，找到D矩阵idx1行中最小的元素索引idx2，将其对应的接入点idx2放入B集合中，令未分组的接入点个数为R＝N-2。

进一步的，所述步骤2中两个信道矩阵为：

其中H是A组发B组收时的空中信道，H^T是B组发A组收时的空中信号，H和H^T具有互易性，是转置的关系；C_A,t是A组天线的发射RF增益对角矩阵，C_B,t是B组天线的发射RF增益对角矩阵，C_A,r是A组天线的接收RF增益对角矩阵，C_B,r是B组天线的接收RF增益对角矩阵。

进一步的，步骤3具体包括以下步骤：

步骤3.1、获得A，B之间两个信道矩阵的估计之后，构造如下目标函数：

其中vec是向量化算子，G_B,A是A组发B组收时的信道，G_A,B是B组发A组收时的信道，C_A是A组天线的校准矩阵，C_B是B组天线的校准矩阵；

步骤3.2、构造Ψ矩阵：

其中：

也就是对G_B,A各元素的模取平方后再按列求和，然后将该结果化作对角阵，N₁是B组天线个数；

也就是对G_A,B各元素的模取平方后再按列求和，然后将该结果化作对角阵,N₂是A组天线个数；

是指对[G_B,A]_v,u取共轭；

是对Ψ₁₂作共轭转置；

步骤3.3、对Ψ矩阵进行特征值分解：

Ψ＝UΛU^H；

U矩阵中，对应到最小特征值所对应的特征向量作为最终的校准向量ccal；校准向量分为两组，

最终的校准矩阵C_A和C_B表示为C_A＝diag(c_A)，C_B＝diag(c_B)，其中diag()表示对向量生成对角阵。

本发明的基于接入点分组的上下行信道互易性空口校准方法,具有以下优点：

1、本发明使收发两组天线之间几何距离最小的分组方式，收发两组天线之间几何距离最小导致校准信号经历的大尺度衰落减小，校准系数也将估计的更加准确，下行传输能力大大提升；

2、本发明较穷举的算法更简单易于实现。

附图说明

图1为本发明的分组校准步骤示意图；

图2为本发明的校准性能的示意图。

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种基于接入点分组的上下行信道互易性空口校准方法做进一步详细的描述。

步骤1、根据各个接入点的位置，将多个接入点分为两组；

图1给出了本发明分组校准的执行流程示意图，包括如下步骤：

步骤1.1、初始化：根据N个接入点位置计算距离矩阵D，该矩阵维度为N×N，元素d_ij为接入点i到接入点j的欧氏距离；

步骤1.2、找到离其它接入点距离之和最远的接入点，实现方法为：矩阵D按列求和找到最大元素的索引idx1。将其对应的接入点idx1放入A集合中，找到D矩阵idx1行中最小的元素索引idx2，将其对应的接入点idx2放入B集合中。令未分组的接入点个数为R＝N-2；

步骤1.3、对还未进行分组的接入点进行如下操作：

步骤1.3.1、重新计算距离矩阵D，该矩阵维度为R×R，是除去已分好组的接入点之间的距离矩阵；

步骤1.3.2、矩阵D按列求和找到最大元素的索引idx1，找到D矩阵idx1行中最小的元素索引idx2；

步骤1.3.3、求出接入点idx1与A集合中已存在的接入点之间的距离，找出最小距离minA，同时求出与B集合中最小距离minB，若minA>minB则将接入点idx1放入A集合中，idx2放入B集合中，反之同理。

步骤1.3.4、R＝R-2。回到步骤1.3.1，直到R＝0。

如果N为奇数，可求出最后一个待分配的接入点与A组和B组中已存在接入点的最小距离minA和minB，若minA≥minB，则分进A组；否则分进B组。

步骤2、两组之间互相收发校准导频信号，根据收到的导频信号估计两个信道矩阵；

在分布式大规模MIMO的场景下，由于各接入点位于不同的地理位置，因此校准阶段互相收发校准信号进行互易性校准的效果主要受大尺度衰落的影响，这里的大尺度衰落主要指路径损耗，所以经过该衰落之后的信号功率为：

SNR_f是经过大尺度衰落之后的信噪比，d是指天线之间的欧式距离，d₀是参考点，α是路径损耗指数，可以看到d越大，天线之间的大尺度衰落越严重，这将影响校准信号的传输，两天线之间的信道增益可如下表示：

其中ν～N(0,1)是服从均值为0方差为1正态分布的复随机变量。

因此将实际信道建模为：

G_B,A＝C_B,rH C_A,t

G_A,B＝C_A,rH^TC_B,t

其中H是A组发B组收时的空中信道，H^T是B组发A组收时的空中信号，根据互易性两个信道具有互易性，是转置的关系。C_A,t是A组天线的发射RF增益对角矩阵，C_B,t是B组天线的发射RF增益对角矩阵，C_A,r是A组天线的接收RF增益对角矩阵，C_B,r是B组天线的接收RF增益对角矩阵。

步骤3、根据两组接入点估计的信道矩阵计算校准矩阵。

步骤3.1、获得A，B之间两个信道矩阵之后，使用如下算法求得校准向量。构造目标函数为：

其中vec是向量化算子。

可以改写为如下无约束模型：

其中，

c_A表示为c_A＝diag(C_A)，c_B表示为c_B＝diag(C_B)。

由于Ψ为Hermitian矩阵，所以

其中校准向量λ_min为Ψ的最小特征值，λ_max为Ψ的最大特征值。而待求的c_cal为Ψ的最小特征值所对应的特征向量。

步骤3.2、构造Ψ矩阵：

其中：

也就是对G_B,A各元素的模取平方后再按列求和，然后将该结果化作对角阵，N₁是B组天线个数；

也就是对G_A,B各元素的模取平方后再按列求和，然后将该结果化作对角阵，N₂是A组天线个数；

是指对[G_B,A]_v,u取共轭；

是对Ψ₁₂作共轭转置；

步骤3.3、对Ψ矩阵进行特征值分解：

Ψ＝UΛU^H

U矩阵中，对应到最小特征值所对应的特征向量作为最终的校准向量c_cal；注意校准向量分为两组，即

最终的校准矩阵C_A和C_B表示为C_A＝diag(c_A)，C_B＝diag(c_B)，其中diag()表示对向量生成对角阵。

步骤4、通过预编码验证***容量；

采用ZF预编码，接收到的信号为：

其中

是经过预编码后由基站侧发出去的信号，G_UL是上行信道，G_DL是下行信道，()^*代表对矩阵元素取共轭，()^T代表对矩阵转置，x是预编码之前待发送的数据，C＝diag(c_cal)，n是噪声，β是功率归一化因子：

使用上述校准算法估计出来的校准矩阵是对

的近似，C_BS,r是BS侧天线的接收RF增益的对角阵，

是发送RF增益对角阵的逆矩阵。再代入：

G_UL＝C_BS,rH^TC_UE,t

G_DL＝C_UE,rH C_BS,t

其中C_UE,r是UE侧天线的接收RF增益的对角阵，

是UE侧天线发送RF增益对角阵；

得到：

可以看到消去了BS侧天线的RF增益矩阵，达到了部分校准的目的。

图2给出了本专利提出的分组校准方法与传统分组校准信道容量的对比。可以看到使用本专利分组策略相比于传统分组校准，信道容量有了很大的提升，在信噪比为20dB的时候***容量提升了20％左右，更加接近理想校准(理想的校准需要已知RF增益，实际中无法实现)。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (4)

1.一种基于接入点分组的上下行信道互易性空口校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、根据各个接入点的位置，将多个接入点分为两组；

步骤1.1、找到一个离其他接入点的距离之和最远的接入点a₁和离a₁最近的接入点b₁，将接入点a₁分进A组，将接入点b₁分进B组；

步骤1.2、继续搜索未归类的接入点中离其他接入点距离之和最远的p和离它最近的接入点q，计算p到A组已有接入点的最小距离minA，计算p到B组已有接入点的最小距离minB；若minA大则p分进A组，q分进B组；若minA大则q分进A组，p分进B组；

步骤1.3、以此操作搜索直至所有接入点全部被分组；

步骤2、两组之间互相收发校准导频信号，根据收到的导频信号估计两个信道矩阵；

步骤3、根据两组接入点估计的信道矩阵计算校准矩阵。

2.根据权利要求1所述的基于接入点分组的上下行信道互易性空口校准方法，其特征在于，步骤1.1中到离其它接入点距离之和最远的接入点，实现方法为矩阵D按列求和找到最大元素的索引idx1；将其对应的接入点idx1放入A集合中，找到D矩阵idx1行中最小的元素索引idx2，将其对应的接入点idx2放入B集合中，令未分组的接入点个数为R＝N-2。

3.根据权利要求1所述的基于接入点分组的上下行信道互易性空口校准方法，其特征在于，所述步骤2中两个信道矩阵为：

其中H是A组发B组收时的空中信道，H^T是B组发A组收时的空中信号，H和H^T具有互易性，是转置的关系；C_A,t是A组天线的发射RF增益对角矩阵，C_B,t是B组天线的发射RF增益对角矩阵，C_A,r是A组天线的接收RF增益对角矩阵，C_B,r是B组天线的接收RF增益对角矩阵。

4.根据权利要求3所述的基于接入点分组的上下行信道互易性空口校准方法，其特征在于，步骤3具体包括以下步骤：

步骤3.1、获得A，B之间两个信道矩阵的估计之后，构造如下目标函数：

其中vec是向量化算子，G_B,A是A组发B组收时的信道，G_A,B是B组发A组收时的信道，C_A是A组天线的校准矩阵，C_B是B组天线的校准矩阵；

步骤3.2、构造Ψ矩阵：

其中：

也就是对G_B,A各元素的模取平方后再按列求和，然后将该结果化作对角阵，N₁是B组天线个数；

也就是对G_A,B各元素的模取平方后再按列求和，然后将该结果化作对角阵,N₂是A组天线个数；

是指对[G_B,A]_v,u取共轭；

是对Ψ₁₂作共轭转置；

步骤3.3、对Ψ矩阵进行特征值分解：

Ψ＝UΛU^H；

U矩阵中，对应到最小特征值所对应的特征向量作为最终的校准向量c_cal；校准向量分为两组，

最终的校准矩阵C_A和C_B表示为C_A＝diag(c_A)，C_B＝diag(c_B)，其中diag()表示对向量生成对角阵。

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