專利名稱：基于收發機天線校準誤差的多點協作魯棒預編碼方法
技術領域：
本發明涉及一種基于收發機天線校準誤差的多點協作魯棒預編碼方法，特別是涉及面向時分雙工(TDD)多點協作傳輸(CoMP)系統中用于下行鏈路空分復用傳輸的多用戶魯棒發射預編碼方法，屬于無線通信技術領域。
背景技術：
隨著社會的不斷進步和人們需求的增加，未來移動通信系統將追求更大的系統容量、更好的通信質量、更遠的作距離、更快的數據速率和更低的成本。多天線技術因其能在不增加系統帶寬的情況下提高傳輸效率和頻譜利用率而被現有無線通信系統(例如，長期演進系統(LTE))所廣泛采用。在移動通信系統中，小區間采用全頻率復用能夠提高頻譜效率，然而由此帶來的小區間干擾則成為進一步提高系統性能的主要瓶頸。多點協作傳輸(以下簡稱CoMP)系統通過基站間的協作能夠將小區間的干擾信號變為被服務用戶的期望信號，從而有效地解決小區間干擾的問題，顯著地提高系統的頻譜效率。
時分雙工(以下簡稱TDD)和頻分雙工(FDD)是移動通信系統中兩種常用的雙工方式。在TDD系統中，上行鏈路和下行鏈路工作在相同的頻段，因此人們通常認為TDD系統的上下行信道之間具有互易性，也即基站可以通過估計用戶上行信道而獲得下行信道。然而，TDD系統的上下行信道之間的互易性只存在于基站天線和用戶天線之間的空間信道中。當考慮了同時包含空間信道以及基站端和用戶端射頻鏈路的等效信道時，這種互易性將不再成立。
如圖1信道非互易性原理說明所示，基站端和用戶端每個天線的射頻鏈路都包含用于發射的高功率放大器(以下簡稱HPA)和用于接收的低噪聲放大器(以下簡稱LNA)。以用戶端第i根天線與基站端第j根天線之間的信道為例，令SiUE和YiUE分別表示用戶端第i根天線的HPA和LNA的放大增益，SjBS和YjBS分別表示基站端第j根天線的HPA和LNA的放大增益，則等效的上行信道hUij與等效的下行信道hDij的關系可以表述為 其中用戶端的收發鏈路增益比γiUE為
基站端的收發鏈路增益比γjBS為
hij是用戶端第i根天線與基站端第j根天線間的空間信道。上式可以進一步表示為 其中
在實際系統中，基站和用戶的每一個天線通常都具有不同的收發鏈路增益比，因此基站和用戶的不同天線對之間的信道具有不同的gij，這破壞了TDD系統中上下行等效信道之間的互易性。
通常，人們采用天線校準方法來保證TDD系統上下行等效信道之間的互易性，例如天線自校準方法和空口校準方法。天線自校準方法是單小區系統中一種常用的校準方法。通過校準，同一基站或用戶中的所有天線的收發鏈路增益比都將等于校準所采用的參考天線的收發鏈路增益比，因此基站和用戶的不同天線對之間具有相同的gij，從而恢復了上下行信道之間的互易性。由于天線自校準方法只能在每個基站中獨立地執行，因此在包含多個協作基站的CoMP系統中，不同基站的天線的收發鏈路增益比將被不同的參考天線所校準，這使得每個基站的所有天線具有相同的收發鏈路增益比，但是不同基站的天線的收發鏈路增益比卻不同，因此將導致不同的gij，我們稱之為基站間的增益模糊。增益模糊的程度由系統所采用的參考天線的收發鏈路增益比精度決定。如果每個基站所采用的參考天線具有極高的精度，即所有的校準天線具有相同的收發鏈路增益比，則通過天線自校準方法不同基站的收發鏈路增益比將相同，從而消除基站間的增益模糊。然而，在實際系統中不同的參考天線不可能保證具有相同的收發鏈路增益比，它將隨著不同基站的溫度、濕度等因素而變化，而且制造高精度的校準天線具有極高的難度和成本。
與天線自校準方法不同，空口校準方法無法在基站或用戶單獨進行，而要求基站和用戶之間的信息交換。在執行空口校準方式時，用戶需要將估計到的下行信道反饋回基站，然后基站通過用戶反饋回的下行信道和它估計出的上行信道校準所有天線的收發鏈路增益比。在理想情況下，如果忽略用戶端和基站端的信道估計誤差以及用戶的反饋誤差，空口校準方法可以完全恢復上下行信道的互易性，從而完全提高系統的性能。但在實際系統中，當存在信道估計誤差和反饋誤差時，空口校準方法仍然難以恢復TDD系統上下行信道之間的互易性，對系統的性能也會極大的影響。
發明內容
本發明的目的是提出一種基于收發機天線校準誤差的多點協作魯棒預編碼方法，在TDD CoMP系統中，通過魯棒預編碼來對抗信道非互易性帶來的系統性能損失，從而恢復系統性能。
本發明提出的多點協作無線通信中對抗信道非互易魯棒預編碼方法，包括以下步驟 (1)設一個包含Nc個協作基站和NU個被服務用戶的協作多點傳輸系統，協作基站共有Nt根天線，每個被服務用戶有一根天線，設協作基站的第i根天線到第j個被服務用戶天線間的下行信道hDij與第j個被服務用戶天線到協作基站的第i根天線間的上行信道hUij之間的關系為
其中gij是是由協作基站的第i根天線和第j個被服務用戶天線的射頻鏈路決定的一個隨機變量； (2)根據NU個被服務用戶通過上行鏈路發送的訓練序列，協作基站可以估計出NU個被服務用戶的上行信道，記為
其中hUj是第j個被服務用戶到協作基站的所有天線的上行信道，
(3)根據上述上下行信道之間的關系，得到協作基站到第j個被服務用戶的下行信道hDj為
其中隨機變量組成的行向量
上行信道構成的對角矩陣
(4)根據隨機變量
的聯合概率密度
協作基站計算出矩陣GjHGj的數學期望Ej，Ej是一個Nt×Nt矩陣，Ej的第m行、第n列元素 (5)協作基站計算第i個被服務用戶的預編碼向量pi，pi為與
的最大特征值相對應的特征向量，其中p0為每個協作基站的平均發射功率，Nc是進行協作多點傳輸的協作基站個數，σ2為被服務用戶的接收機噪聲方差； (6)重復步驟(5)得到所有被服務用戶的預編碼向量
并構造初始預編碼矩陣P，
(7)設第i個協作基站的預編碼矩陣為Pi，所有Nc個協作基站的預編碼矩陣構成初始預編碼矩陣P，即
則滿足單基站功率約束的預編碼矩陣Popt為
根據預編碼矩陣將發送給所有被服務用戶的原始信號映射為發射信號。
本發明提出的基于收發機天線校準誤差的多點協作魯棒預編碼方法，其優點是 1.在TDD多點協作傳輸系統中，傳統的應用于單小區系統的天線校準方法不能夠保證TDD系統上下行信道之間的互易性。本發明不再采用天線校準的方法，而是通過采用魯棒預編碼的方式來對抗實際系統中非理想校準天線對系統性能的影響。研究發現，本發明所提的魯棒預編碼能夠很大程度上恢復由非理想校準天線所帶來的系統性能損失。
2.在天線精度相同的情況下，本發明所提的魯棒預編碼的性能優于基于上行信道的非魯棒預編碼。反之，在保證相同性能的前提下，與基于上行信道的非魯棒預編碼相比，本發明所提的魯棒預編碼能夠容忍更差精度的天線校準。因此，系統將現有的天線校準方法與本發明所提的魯棒預編碼同時應用，能夠降低對天線校準精度的要求。例如，常用的天線自校準方法的校準精度決定于所采用的參考天線的精度。然而由于高精度的參考天線通常具有很大的制作難度和極高的費用，因此本發明所提的魯棒預編碼通過降低對校準精度的要求能夠有效地減少系統的成本，同時也使得基于相對精確的參考天線的天線自校準方法能夠獲得很好的系統性能。
3.現有文獻在設計發射預編碼時通常考慮所有發射天線總功率受限的和功率約束，從而降低了發射預編碼設計和理論研究的難度。然而，在多點協作無線通信系統中，不同基站之間不能共享發射功率，這使得每個基站的發射功率都獨立地受限于基站可達到的最大發射功率。當每個基站只有一個天線時，多點協作傳輸系統轉變為分布式天線系統，它是未來無線通信系統保證蜂窩小區均勻覆蓋的一項重要候選技術。因此，本發明所考慮的單基站功率約束更具有重要的實際意義。
圖1是信道非互易性原理說明。
圖2是本發明方法的流程框圖。
具體實施例方式 本發明提出的基于收發機天線校準誤差的多點協作魯棒預編碼方法，其流程框圖如圖2所示，包括以下步驟 (1)設一個協作多點傳輸系統中，包含Nc個協作基站和NU個被服務用戶，所有協作基站共有Nt根天線，每個被服務用戶有一根天線，設協作基站的第i根天線到第j個被服務用戶天線間的下行信道hDij與第j個被服務用戶天線到協作基站的第i根天線間的上行信道hUij之間的關系為
其中gij是由協作基站的第i根天線和第j個被服務用戶天線的射頻鏈路決定的一個隨機變量； (2)根據由NU個被服務用戶通過上行鏈路發送的訓練序列，協作基站估計出NU個被服務用戶的上行信道，記為
其中hUj是第j個被服務用戶到協作基站的所有天線的上行信道，
(3)根據上述上下行信道之間的關系，得到協作基站到第j個被服務用戶的下行信道hDj為
其中隨機變量組成的行向量
上行信道構成的對角矩陣
(4)根據上述隨機向量
的聯合概率密度
協作基站計算出矩陣GjHGj的數學期望Ej，Ej是一個Nt×Nt矩陣，Ej的第m行、第n列元素 (5)協作基站計算第i個被服務用戶的預編碼向量pi，pi為與
的最大特征值相對應的特征向量，其中p0為每個協作基站的平均發射功率，Nc是進行協作多點傳輸的協作基站個數，σ2為被服務用戶的接收機噪聲方差； (6)重復步驟(5)得到所有被服務用戶的預編碼向量
并構造初始預編碼矩陣P，
(7)設第i個協作基站的預編碼矩陣為Pi，所有Nc個協作基站的預編碼矩陣構成初始預編碼矩陣P，即
則滿足單基站功率約束的預編碼矩陣Popt為
根據預編碼矩陣將發送給所有被服務用戶的原始信號映射為發射信號。
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖及具體實施例對本發明作進一步地詳細描述。
本發明的主要思想是利用校準誤差分布的信息，設計出一種平均信漏比最大魯棒預編碼。從而恢復系統損失的性能。
(1)設一個包含3個協作基站和6個被服務用戶的協作多點傳輸系統，協作基站共有12根天線，每個被服務用戶有一根天線，設協作基站的第i根天線到第j個被服務用戶天線間的下行信道hDij與第j個被服務用戶天線到協作基站的第i根天線間的上行信道hUij之間的關系為
其中gij是是由協作基站的第i根天線和第j個被服務用戶天線的射頻鏈路決定的一個隨機變量，設上述隨機變量統計獨立同分布，幅度服從[-3，3]分貝的對數均勻分布、相位服從[-180，180]度的均勻分布； (2)根據6個被服務用戶通過上行鏈路發送的訓練序列，協作基站可以估計出6個被服務用戶的上行信道，記為hU1、…、hU6，其中hUj是第j個被服務用戶到協作基站的所有天線的上行信道，
(3)根據上述上下行信道之間的關系，得到協作基站到第j個被服務用戶的下行信道hDj為
其中隨機變量組成的行向量Gj＝[g1j…g12j]；上行信道構成的對角矩陣
(4)根據隨機變量Gj＝[g1j…g12j]
的聯合概率密度，協作基站計算出矩陣GjHGj的數學期望Ej，
是一個12×12的對角矩陣； (5)設每個協作基站的平均發射功率為40W，被服務用戶的接收機噪聲方差為0.32pW，協作基站計算第i個被服務用戶的預編碼矩陣pi，pi為
的最大特征值對應的特征向量； (6)重復步驟(5)將所有被服務用戶的預編碼矩陣合并為初始預編碼矩陣P，P＝[p1…p6]； (6)重復步驟(5)得到所有被服務用戶的預編碼向量p1、…、p6，并構造初始預編碼矩陣P，P＝[p1…p6]； (7)設第i個協作基站的預編碼矩陣為Pi，3個協作基站的預編碼矩陣構成初始預編碼矩陣P，即P＝[P1P2P3]T，則滿足單基站功率約束的預編碼矩陣Popt為
根據預編碼矩陣將發送給所有被服務用戶的原始信號映射為發射信號。
權利要求
1.基于收發機天線校準誤差的多點協作魯棒預編碼方法，其特征在于該方法包括以下步驟
(1)設一個協作多點傳輸系統中，包含Nc個協作基站和NU個被服務用戶，所有協作基站共有Nt根天線，每個被服務用戶有一根天線，設協作基站的第i根天線到第j個被服務用戶天線間的下行信道hDij與第j個被服務用戶天線到協作基站的第i根天線間的上行信道hUij之間的關系為
其中gij是由協作基站的第i根天線和第j個被服務用戶天線的射頻鏈路決定的一個隨機變量；
(2)根據由NU個被服務用戶通過上行鏈路發送的訓練序列，協作基站估計出NU個被服務用戶的上行信道，記為hUl、…、
其中hUj是第j個被服務用戶到協作基站的所有天線的上行信道，
(3)根據上述上下行信道之間的關系，得到協作基站到第j個被服務用戶的下行信道hDj為
其中隨機變量組成的行向量
上行信道構成的對角矩陣
(4)根據上述隨機向量
的聯合概率密度
協作基站計算出矩陣GjHGj的數學期望Ej，Ej是一個Nt×Nt矩陣，Ej的第m行、第n列元素
(5)協作基站計算第i個被服務用戶的預編碼向量pi，pi為與
的最大特征值相對應的特征向量，其中p0為每個協作基站的平均發射功率，Nc是進行協作多點傳輸的協作基站個數，σ2為被服務用戶的接收機噪聲方差；
(6)重復步驟(5)得到所有被服務用戶的預編碼向量p1、…、
并構造初始預編碼矩陣P，
(7)設第i個協作基站的預編碼矩陣為Pi，所有Nc個協作基站的預編碼矩陣構成初始預編碼矩陣P，即
則滿足單基站功率約束的預編碼矩陣Popt為
根據預編碼矩陣將發送給所有被服務用戶的原始信號映射為發射信號。
全文摘要
本發明涉及一種基于收發機天線校準誤差的多點協作魯棒預編碼方法，屬于無線通信技術領域。協作基站根據自身和被服務用戶上下行信道之間的關系以及上行信道，得到協作基站到被服務用戶的下行信道的統計特征，并根據下行信道的統計特征計算所有被服務用戶的預編碼向量，并構造初始預編碼矩陣，進而得到最終的預編碼矩陣，根據最終的預編碼矩陣將發送給所有被服務用戶的原始信號映射為發射信號。本發明方法能夠恢復由非理想天線校準所帶來的系統性能損失；也能通過降低對校準精度的要求有效地減少系統的成本，使得基于相對精確的參考天線的天線自校準方法能夠獲得很好的系統性能。
文檔編號H04L25/03GK101807978SQ20101012459
公開日2010年8月18日 申請日期2010年3月12日 優先權日2010年3月12日
發明者韓圣千, 蘇立焱, 楊晨陽, 王剛, 雷鳴 申請人:北京航空航天大學, 日電(中國)有限公司