阅读说明：本技术 一种频分双工模式下的大规模mimo系统信道预测方法 (Large-scale MIMO system channel prediction method under frequency division duplex mode ) 是由 彭薇 李文刚 谢一梅 江涛 于 2019-10-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种频分双工模式下的大规模MIMO系统信道预测方法,包括以下步骤：S1、在上行链路中,基于信道的时变特性,对不同的信道参数采用不同的预测方法进行预测,从而得到上行信道各时刻上的多径到达角、时延和衰落系数；S2、在下行链路中,基于上行信道和下行信道的物理路径互易性,根据所得上行信道各时刻的多径到达角、时延、衰落系数以及下行链路载波频率,重构对应时刻的下行信道响应,从而实现对下行信道进行预测。本发明基于上行信道和下行信道的物理路径互易性,根据所得上行信道参数,在下行链路传输过程中不需要发送导频序列即可实现对下行信道进行预测,在非平稳坏境下能大大减小了导频和频谱的开销,预测的准确性较高。(The invention discloses a large-scale MIMO system channel prediction method under a frequency division duplex mode, which comprises the following steps: s1, in the uplink, based on the time-varying characteristic of the channel, predicting different channel parameters by adopting different prediction methods, thereby obtaining the multipath arrival angle, time delay and fading coefficient of the uplink channel at each moment; and S2, reconstructing the response of the downlink channel at the corresponding moment according to the multipath arrival angle, the time delay, the fading coefficient and the carrier frequency of the downlink channel at each moment of the obtained uplink channel in the downlink based on the reciprocity of the physical paths of the uplink channel and the downlink channel, thereby realizing the prediction of the downlink channel. The invention can realize the prediction of the downlink channel without sending a pilot frequency sequence in the downlink transmission process based on the reciprocity of physical paths of the uplink channel and the downlink channel according to the obtained parameters of the uplink channel, thereby greatly reducing the expenses of the pilot frequency and the frequency spectrum under the non-steady environment and having higher prediction accuracy.)

一种频分双工模式下的大规模MIMO系统信道预测方法

技术领域

本发明属于大规模MIMO信号处理技术领域，更具体地，涉及一种频分双工模式下的大规模MIMO系统信道预测方法。

背景技术

大规模多输入多输出(multiple-input multiple-output，MIMO)技术凭借其更高的频谱能量效率和链路可靠性等优势，成为第五代移动通信系统中的关键技术之一。为了发挥大规模MIMO技术的众多潜在优势，基站(base station，BS)获取精确的信道状态信息(channel state information，CSI)是必不可少的。

大规模MIMO系统一般假设工作在时分双工(time division duplex,TDD)模式，利用上行和下行信道响应的互易性，避免了下行信道估计所需的巨大导频开销。而将大规模MIMO技术应用于频分双工(frequency division duplex,FDD)系统可以获得更好的传输速率和链路可靠性。然而在FDD模式下，上行和下行数据传输占用不同的频带，由于导向矩阵与频率和到达角有关，上行和下行信道响应并不是直接互易的，因此传统的下行信道估计方案需要在用户侧进行信道状态信息的获取，并且会产生巨大的导频开销，严重影响系统的性能。为此，下行信道估计的研究集中于解决巨大的导频开销问题，一些研究提出利用空间相关性，只在基站一部分天线上发射导频信号从而节省导频开销，也有研究设计了稀疏导频，通过压缩感知的方法进行信道估计，以减少导频开销。在信道的空间相关性或者稀疏性先验已知的假设下，上述方法确实可以在一定程度上减少导频开销，然而这些假设在实际环境中并不合理，因为用户的快速移动，信道通常是快速时变的，从而破坏了空间相关性和稀疏性，导致上述方法得到的信道参数，特别是衰落系数快速过时，信道预测的准确性较低，无法在非平稳环境下减小导频开销。因此，为了获取更加准确的信道状态信息，实际系统中的导频开销是不能按照以上方法降低的，从而上述方法并不能真正的达到节省导频的目的。

综上所述，针对工作在FDD模式下的大规模MIMO系统信道，提出一种在非平稳环境下导频开销小、准确性高的信道预测方法是亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提出一种频分双工模式下的大规模MIMO系统信道预测方法，旨在解决现有技术由于基于特定的信道假设而无法适应非平稳环境，从而导致无法减小导频开销的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种频分双工模式下的大规模MIMO系统信道预测方法，包括以下步骤：

S1、在上行链路中，基于信道的时变特性，对不同的信道参数采用不同的预测方法进行预测，从而得到上行信道各时刻上的多径到达角、时延和衰落系数；

S2、在下行链路中，基于上行信道和下行信道的物理路径互易性，根据所得上行信道各时刻的多径到达角、时延、衰落系数以及下行链路载波频率，重构对应时刻的下行信道响应，从而实现对下行信道进行预测。

进一步优选地，每得到一个上行信道的多径到达角、时延和衰落系数，均按照步骤S2所述的方法实时对对应时刻的下行信道进行预测。

进一步优选地，步骤S1所述的方法包括以下步骤：

S11、用户发送初始导频；

S12、基站根据接收的初始导频，估计得到初始导频各时刻的多径到达角、时延和衰落系数，其中，多径到达角和时延在信道中变化缓慢，在后续步骤中保持不变，与初始导频最后时刻的多径到达角和时延相等；

S13、用户发送跟踪导频；

S14、基站根据上一时刻的多径衰落系数，跟踪快速变化的衰落系数，得到跟踪导频各时刻的多径衰落系数向量；

S15、采用一阶泰勒展开式对每条路径的衰落系数进行展开，根据所得跟踪导频段各时刻的多径衰落系数向量，采用线性回归法求解一阶泰勒展开式中的系数，得到每条路径上的衰落系数预测模型；

S16、根据所得的衰落系数预测模型，确定跟踪导频后的有效预测区间；

S17、用户发送上行数据；

S18、在衰落系数的有效预测区间内，基站基于所得衰落系数预测模型计算每一时刻的多径衰落系数；

S19、重复步骤S13-S18，持续对上行信道进行预测。

进一步优选地，上述多径衰落系数向量由各路径的衰落系数组成，当某一条路径消失时，相应的衰落系数为0。

进一步优选地，有效预测区间由最大多普勒频移和用户移动的方向决定，用户朝着散射体的移动速度越快，有效预测区间越小。

进一步优选地，有效预测区间N_IEP的表达式为：

其中，系数

∈为预设阈值，

为第n_p条路径的功率，

为最大多普勒频移，v为用户的运动速度，c为光速，f_up为上行载波频率，

为第n_p条路径上用户移动方向与基站散射体方向之间的角度，N_p为多径的条数。

进一步优选地，重构所得下行信道响应h(t)为：

其中，N_p为多径的条数，

和τ_p为上行信道中预测得到的第n_p条路径的衰落系数和时延，为下行信道中第n_p条路径的导向矢量。

进一步优选地，下行信道中第n_p条路径的导向矢量

其中，N_a为基站天线数，

为下行信道中第n_p条路径上基站相邻天线以发射角

发出的信号的相位差，λ_down为下行链路的载波频率，l为基站上相邻天线之间的距离，

为上行信道中第n_p条路径的到达角。

进一步优选地，本发明所提供的频分双工模式下的大规模MIMO系统信道预测方法应用于频分双工模式下大规模MIMO信号处理技术领域。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提出了一种频分双工模式下的大规模MIMO系统信道预测方法，首先在在上行链路中，基于信道的时变特性，对不同的信道参数采用不同的预测方法进行预测，从而得到上行信道各时刻上的多径到达角、时延和衰落系数；然后基于上行信道和下行信道的物理路径互易性，根据所得上行信道的多径到达角、时延和信道衰落系数重构下行信道响应，从而实现对下行信道的预测。在上行链路中通过建立衰落系数预测模型，使得能够在有效预测区间内对在非平稳环境下的信道进行预测，整个有效预测区间内的预测过程中不需要发导频，与现有的要想获得准确的信道参数，就要在较短时间内就要重发导频的方法相比，节省了导频开销。与此同时，基于上行信道和下行信道的物理路径互易性，根据上行信道的预测结果，在下行链路传输过程中不需要发送导频序列即可实现对下行信道的预测，大大减小了在非平稳环境下导频开销，系统的频谱利用率较高。

2、本发明所提出的频分双工模式下的大规模MIMO系统信道预测方法，通过确定衰落系数预测方法的有效预测区间，使得本发明可以在有效预测区间内获得良好的衰落系数预测值，信道预测精确度较高。

3、本发明所提出的一种频分双工模式下的大规模MIMO系统信道预测方法，在上行链路中，根据信道参数的时变特性，将信道参数进行分离处理，极大地降低了预测信道的计算复杂度。通过跟踪算法对快速变化的信道衰落系数进行预测，有效的适应了非平稳环境下的信道变化。

附图说明

图1是本发明所提出的频分双工模式下的大规模MIMO系统信道预测方法流程图；

图2是本发明所提供的上行数据和下行数据的传输示意图；

图3是分别采用完美信道信息和本发明所得的上、下行信道预测结果进行符号检测所得的误码率曲线对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为实现上述目的，本发明提供了一种频分双工模式下的大规模MIMO系统信道预测方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1、在上行链路中，基于信道的时变特性，对不同的信道参数采用不同的预测方法进行预测，从而得到上行信道各时刻上的多径到达角、时延和衰落系数；

具体的，包括以下步骤：

S11、用户发送初始导频；

S12、基站根据接收的初始导频，估计得到初始导频各时刻的多径到达角、时延和衰落系数，其中，多径到达角和时延在信道中变化缓慢，在后续步骤中保持不变，与初始导频最后时刻的多径到达角和时延相等；

具体的，对于多用户MIMO系统，通常假设用户距离基站较远，随着用户的移动，基站的到达角是缓慢变化，时延也是缓慢变化的，所以在这个过程中可以认为每条路径的到达角和时延都是准静态的，保持不变。

具体的，在本实施例中，基站根据接收的初始导频，采用因子分析法和ALS算法估计得到上行链路多径信道中初始导频各时刻的导向矩阵、时延矩阵和衰落系数矩阵，并从三个矩阵中分别提取初始导频各时刻的多径到达角、时延和衰落系数。以初始导频最后时刻为例，记初始导频最后时刻的导向矩阵、时延矩阵和衰落系数矩阵分别为A_up、C和F。

具体的，初始导频最后时刻的导向矩阵A_up的表示如下：

其中，

表示上行链路上第n_p条路径上基站相邻天线以发射角

发出的信号的相位差，l为天线间距，

是第n_p条路径的到达角，λ_up是上行信道载波频率对应的波长，N_p为多径的条数，N_a为基站天线数目。

对于导向矩阵A_up的第n_p列，第n_p条路径的信号到达相邻天线之间的相位差：

则第n_p条路径上的到达角的估计为：

具体的，初始导频最后时刻的导向矩阵C的表示如下：

其中，

为第n_p条路径的时延。

根据导向矩阵C可知第n_p条路径的时延其中，

对于衰落系数，多径衰落系数直观地对应着估计得到的衰落系数矩阵中的每一元素矩阵，直接可以得到。

S13、用户发送跟踪导频；

S14、基站根据上一时刻的多径衰落系数，跟踪快速变化的衰落系数，得到跟踪导频各时刻的多径衰落系数向量；

具体的，本实施例中采用RLS算法在上行信道中跟踪快速变化的多径衰落系数，得到跟踪导频各时刻的多径衰落系数。

S15、采用一阶泰勒展开式对每条路径的衰落系数进行展开，根据所得跟踪导频段各时刻的多径衰落系数向量，采用线性回归法求解一阶泰勒展开式中的系数，得到每条路径上的衰落系数预测模型；

具体的，采用一阶泰勒展开式对某条路径上的衰落系数进行展开得到衰落系数表达式如下：

f(t)＝f(t₀)+f'(t₀)(t-t₀)+ω_TIT(t)

其中，t₀为基站接收到的跟踪导频的第一时刻，f'(t₀)为衰落系数在的t₀一阶导数，

为附加误差。

将所得跟踪导频段各时刻的衰落系数

带入上述衰落系数表达式中，采用线性回归法求解得到衰落系数表达式中的系数f'(t₀)和f(t₀)，分别为：

其中，N为跟踪导频符号长度，

为t_i采样时刻的衰落系数估计值，g_i＝t_i-t₀，i＝0，…，N-1。

S16、根据所得的衰落系数预测模型，确定跟踪导频后的有效预测区间；

具体的，随着用户的移动，信道是时变的，当衰落系数的一阶导数在一段时间内小于某一阈值∈时，可以在该时间区间内有效的预测多径衰落系数，，计算有效预测区间保证了多径衰落系数的预测准确度。

具体的，将第n_p条路径的衰落系数定义为

其中

是第n_p条路径的功率，φ₀是信号的初始化相位，

为最大多普勒频移，v为用户的运动速度，c为光速，f_up为上行载波频率，

是第n_p条路径上用户移动方向与基站散射体方向之间的角度。

在有效预测区间内，衰落系数预测模型中衰落系数的一阶导数小于某一阈值∈时，保证了有效预测区间内衰落系数预测的准确性。具体的，将

带入

中进行计算可得，有效预测区间N_IEP的表达式为：

其中，系数

∈为预设阈值，

为第n_p条路径的功率，

为最大多普勒频移，v为用户的运动速度，c为光速，f_up为上行载波频率，

为第n_p条路径上用户移动方向与基站散射体方向之间的角度，N_p为多径的条数。具体的，本实施例中，预设阈值∈取值为0.15。

有效预测区间由最大多普勒频移和用户移动的方向决定，用户朝着散射体的移动速度越快，有效预测区间越小。

S17、用户发送上行数据；

S18、在衰落系数的有效预测区间内，基站基于所得衰落系数预测模型计算每一时刻的多径衰落系数；

S19、重复步骤S13-S18，持续对上行信道进行预测。

S2、在下行链路中，基于上行信道和下行信道的物理路径互易性，根据所得上行信道各时刻的多径到达角、时延、衰落系数以及下行链路载波频率，重构对应时刻的下行信道响应，从而实现对下行信道进行预测。

具体的，为了重构下行信道响应，须先计算下行链路载波频率对应的导向矩阵。观察到导向矩阵与到达角和载波频率有关。由于上下行信道的物理路径在较短的时间内具有互易性，因此上下行链路的到达角，衰减系数，时延具有互易性，重新构建下行信道的导向矩阵A_down为：

其中，

为下行信道中第n_p条路径上基站相邻天线以发射角

发出的信号的相位差，λ_down为下行信道的载波频率，l为基站上相邻天线之间的距离，为上行信道中第n_p条路径的到达角。

因此重构所得第n_p条路径的下行信道响应h(t)为：

其中，N_p为多径的条数，

为下行信道中第n_p条路径的导向矢量，即下行信道的导向矩阵A_down的列向量，

和τ_p为上行信道中预测得到的第n_p条路径的衰落系数和时延。

具体的，如图2所示为本发明所提供的上行数据和下行数据的传输示意图，从图中可以看出，上行链路中的传输包括三个阶段，依次是初始化导频传输阶段、跟踪导频传输阶段和上行数据传输阶段，而下行链路中仅包括下行数据传输阶段，上、下行信道数据传输的过程中传输时间是一一对应的，在每一时刻，预测得到上行信道的到达角、时延和信道衰落系数，即可重构得到相应时刻的下行信道，从而同时完成了下行信道的预测。如图3所示的是在不同信噪比条件下，分别采用完美信道信息和本发明所得的上、下行信道预测结果进行符号检测，并计算其误码率，所得误码率曲线对比图。从图中可以看出根据本发明提出的方法所得的上、下行信道预测结果进行符号检测的误码率曲线均非常接近于根据完美信道信息进行符号检测的误码率曲线，信道预测的精确度较高。

综上所述，本发明提出了一种频分双工模式下的大规模MIMO系统信道预测方法，在上行链路中通过建立衰落系数预测模型，使得能够在有效预测区间内对在非平稳环境下的信道进行预测，整个有效预测区间内的预测过程中不需要发导频，与现有的要想获得准确的信道参数，就要在较短时间内就要重发导频的方法相比，节省了导频开销。与此同时，基于上行信道和下行信道的物理路径互易性，根据上行信道的预测结果，在下行链路传输过程中不需要发送导频序列即可实现对下行信道的预测，大大减小了在非平稳环境下导频开销，系统的频谱利用率较高。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。