用于MMW信道中的混合波束成形的信道估计的方法和系统技术方案

本发明专利技术提供了一种用于MMW信道中的混合模拟/数字波束成形的信道估计的方法和系统。该方法包括空间相关性矩阵估计步骤，其进一步包括：在下行链路训练周期的每个循环中，BS使用BS侧发送码本发送下行导频信号，UE使用UE侧接收码本来接收所述下行导频信号，并且根据UE在下行链路训练周期的所有循环中接收的下行导频信号来估计UE侧空间相关性矩阵；在上行链路训练周期的每个循环中，UE使用UE侧发送码本发送上行导频信号，BS使用BS侧接收码本来接收所述上行导频信号，并且根据BS在上行链路训练周期的所有循环中接收的上行导频信号来估计BS侧空间相关性矩阵。

Method and system for channel estimation of hybrid beamforming in MMW channels

The present invention provides a channel estimation method and system for hybrid analog / digital beam forming in a MMW channel. The method comprises the steps of spatial correlation matrix estimation, which further includes in each cycle of the downlink training cycle, BS BS sends the code for transmitting downlink pilot signals using UE UE receives codebooks receives the downlink pilot signal, and according to the downlink UE in all cyclic training cycle in the next link the received pilot signal to estimate the spatial correlation matrix of UE side; in each cycle of the uplink training cycle, UE UE sends the code for sending uplink pilot signal, BS BS receives codebooks receiving the uplink pilot signal, and according to the uplink BS in all cyclic training cycle in the received uplink the pilot signal to estimate the lateral spatial correlation matrix BS.

【技术实现步骤摘要】
用于MMW信道中的混合波束成形的信道估计的方法和系统
本专利技术概括而言涉及无线通信领域，更具体而言，涉及一种用于MMW信道中的混合模拟/数字波束成形的信道估计的方法和系统。
技术介绍
近来，在毫米波(millimeter-wave，MMW)频带使用宽频谱已经被广泛接收作为一种支持下一代无线通信的极高数据率的重要方式。为了克服高路损的挑战并在MMW信道中建立具有合理信噪比(SNR)的链路，需要大的天线阵列来提供高的波束成形增益。MMW射频硬件的高成本和低功效使得不能够使用全数字多天线处理技术，因此混合预编码成为一种自然的适当的解决方案，因为其可以使用比天线数小的多的射频(RF)通道并且仍实现全数字预处理的大多数增益。
技术实现思路
为了实现高波束成形增益，发射机和接收机都需要知道(部分)信道状态信息(CSI)。传统的信道估计技术由于严重的路损和非常低的SNR而在MMW系统中性能很差。为了克服这一问题，MMW系统中的大多数现有的信道估计方法关注于基于码本的技术。在这些技术中，通信的每侧具有包含码字的码本，可以用作发送或接收波束成形向量。通信的一侧使用码本中的不同码字发送导频，另一侧使用码本中的各个码字接收导频。找到具有最大接收功率的导频并将对应的码字用作接下来的数据传输的发送和接收波束成形向量。一旦建立了这种波束对准，两侧将使用围绕所选择的码字的簇内的码字来周期性地发送/接收导频以跟踪信道的变化。然而，在这种基于码本的信道估计技术中，基站(BS)和用户设备(UE)估计最佳波束成形向量而不是信道信息，其对于单用户传输工作良好，但不能支持先进的多用户MIMO传输。另一个问题是建立可靠连接之后如何保持链路质量。为了实现高波束成形增益，在MMW信道中需要窄波束，这增加了波束与由各种原因引起的信道变化的对准的敏感度，如移动电话的位移和旋转以及周围环境的移动。由于信道变化引起的波束失准可能导致链路质量严重下降。因此，如何快速重新对准波束并恢复可靠连接对于MMW系统来说是至关重要的。为了解决上述至少一个问题，本专利技术提供了一种两阶段信道估计技术用于MMW信道中的混合预编码，从而即使在非常低的SNR环境中，也能够以非常低的训练开销来提供混合预编码所需的CSI。进一步地，本专利技术还提供了一种波束跟踪技术，其允许当失准发生时发射机和接收机快速重新对准它们的波束(以μs的量级)。根据本专利技术的一个方面，提供了一种用于MMW信道中的混合模拟/数字波束成形的信道估计的方法。该方法包括空间相关性矩阵估计步骤，其进一步包括：在下行链路训练周期的每个循环中，BS使用BS侧发送码本发送下行导频信号，UE使用UE侧接收码本来接收所述下行导频信号，并且根据UE在下行链路训练周期的所有循环中接收的下行导频信号来估计UE侧空间相关性矩阵；在上行链路训练周期的每个循环中，UE使用UE侧发送码本发送上行导频信号，BS使用BS侧接收码本来接收所述上行导频信号，并且根据BS在上行链路训练周期的所有循环中接收的上行导频信号来估计BS侧空间相关性矩阵。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种用于MMW信道中的混合模拟/数字波束成形的信道估计的系统，包括空间相关性矩阵估计模块，其用于使得：在下行链路训练周期的每个循环中，BS使用BS侧发送码本发送下行导频信号，UE使用UE侧接收码本来接收所述下行导频信号，并且根据UE在下行链路训练周期的所有循环中接收的下行导频信号来估计UE侧空间相关性矩阵；在上行链路训练周期的每个循环中，UE使用UE侧发送码本发送上行导频信号，BS使用BS侧接收码本来接收所述上行导频信号，并且根据BS在上行链路训练周期的所有循环中接收的上行导频信号来估计BS侧空间相关性矩阵。与基于码本的技术相比，通过估计物理信道的长期统计信息以及等效(后模拟波束成形)信道的短期状态信息，本专利技术的方案能够支持先进的多用户预编码并且实现更高的复用增益。附图说明通过以下参考下列附图所给出的本专利技术的具体实施方式的描述之后，将更好地理解本专利技术，并且本专利技术的其他目的、细节、特点和优点将变得更加显而易见。在附图中：图1示出了一种示例性混合预编码架构的示意图；图2示出了根据本专利技术的多天线处理的完整操作过程的示意图；图3A和3B分别示出了空间相关性矩阵估计的下行链路训练过程和上行链路训练过程的示意图；图4示出了根据本专利技术的波束跟踪操作的流程图；图5示出了图1所示的混合预编码架构在L＝1时的特殊情况的示意图；图6示出了利用本专利技术的信道估计和跟踪技术进行混合预编码的平均总速率的示意图；以及图7示出了根据本专利技术的用于MMW信道中的混合模拟/数字波束成形的信道估计的系统的示意图。具体实施方式下面将参照附图更详细地描述本专利技术的优选实施方式。虽然附图中显示了本专利技术的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本专利技术而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本专利技术更加透彻和完整，并且能够将本专利技术的范围完整的传达给本领域的技术人员。图1示出了一种示例性混合预编码架构的示意图。假设一个下行MIMO-OFDM系统包括N(B)个BS天线，N(U)个用户天线和NFFT个子载波。使用混合预编码来同时支持K个用户。在基站(BS)侧，部署了S(B)个射频(RF)通道(S(B)＜N(B))，在用户设备(UE)侧，部署了S(U)个RF通道(S(U)＜N(U))。假设Hk(w)表示BS和第k个用户通过第w个子载波的N(U)×N(B)信道，则BS端的空间相关性矩阵定义为：类似地，用户端的空间相关性矩阵定义为：使用Kronecker模型，等效信道矩阵可以表示为：图2示出了根据本专利技术的多天线处理的完整操作过程100的示意图。如图2中所示，过程100首先包括空间相关性矩阵估计步骤S10。具体地，空间相关性矩阵估计包括下行链路训练过程和上行链路训练过程。对于下行链路训练过程来说，在下行链路训练周期的每个循环中，BS使用BS侧发送码本发送下行导频信号，UE使用UE侧接收码本来接收该下行导频信号，并且根据UE在下行链路训练周期的所有循环中接收的下行导频信号来估计UE侧空间相关性矩阵。对于上行链路训练过程来说，在上行链路训练周期的每个循环中，UE使用UE侧发送码本发送上行导频信号，BS使用BS侧接收码本来接收该上行导频信号，并且根据BS在上行链路训练周期的所有循环中接收的上行导频信号来估计BS侧空间相关性矩阵。空间相关性矩阵估计的具体实例将在以下结合图3A和3B更具体地描述。在空间相关性矩阵估计之后，过程100分为两个分支，一个用于数据传输(例如包括图2中的步骤S110、S120、S130和S140等)，另一个用于波束跟踪(例如包括图2中的步骤S210、S220、S230、S240、S260等)。接下来，对于数据传输分支来说，在模拟波束成形步骤S110，分别根据步骤S10中计算的UE侧空间相关性矩阵和BS侧空间相关性矩阵计算UE侧模拟波束成形矩阵和BS侧模拟波束成形矩阵；在等效信道估计步骤S120，根据UE侧模拟波束成形矩阵和BS侧模拟波束成形矩阵估计BS和UE之间的等效信道；在步骤S130，基于所估计的等效矩阵对待传输的数据进行数字预编码，并在步骤S140，传输预编码后的数据。这里本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于MMW信道中的混合模拟/数字波束成形的信道估计的方法，包括空间相关性矩阵估计步骤，其进一步包括：在下行链路训练周期的每个循环中，BS使用BS侧发送码本发送下行导频信号，UE使用UE侧接收码本来接收所述下行导频信号，并且根据UE在下行链路训练周期的所有循环中接收的下行导频信号来估计UE侧空间相关性矩阵；在上行链路训练周期的每个循环中，UE使用UE侧发送码本发送上行导频信号，BS使用BS侧接收码本来接收所述上行导频信号，并且根据BS在上行链路训练周期的所有循环中接收的上行导频信号来估计BS侧空间相关性矩阵。

【技术特征摘要】
1.一种用于MMW信道中的混合模拟/数字波束成形的信道估计的方法，包括空间相关性矩阵估计步骤，其进一步包括：在下行链路训练周期的每个循环中，BS使用BS侧发送码本发送下行导频信号，UE使用UE侧接收码本来接收所述下行导频信号，并且根据UE在下行链路训练周期的所有循环中接收的下行导频信号来估计UE侧空间相关性矩阵；在上行链路训练周期的每个循环中，UE使用UE侧发送码本发送上行导频信号，BS使用BS侧接收码本来接收所述上行导频信号，并且根据BS在上行链路训练周期的所有循环中接收的上行导频信号来估计BS侧空间相关性矩阵。2.如权利要求1所述的方法，还包括模拟波束成形步骤，其进一步包括：分别根据所述UE侧空间相关性矩阵和所述BS侧空间相关性矩阵计算UE侧模拟波束成形矩阵和BS侧模拟波束成形矩阵。3.如权利要求2所述的方法，还包括等效信道估计步骤，其进一步包括：根据所述UE侧模拟波束成形矩阵和所述BS侧模拟波束成形矩阵估计BS和UE之间的等效信道。4.如权利要求2所述的方法，还包括波束方向初始化步骤，其进一步包括：BS根据在上行链路训练周期的所有循环中接收的上行导频信号的平均功率对所述BS侧接收码本中的每个码字对应的波束方向进行排序，选择并保持所述BS侧接收码本中与接收功率最强的M(B)个波束方向相对应的码字的索引所组成的BS侧最强索引集合UE根据在下行链路训练周期的所有循环中接收的下行导频信号的平均功率对所述UE侧接收码本中的每个码字对应的波束方向进行排序，选择并保持所述UE侧接收码本中与接收功率最强的M(U)个波束方向相对应的码字的索引所组成的UE侧最强索引集合5.如权利要求4所述的方法，还包括波束方向跟踪步骤，其进一步包括：将所述UE侧接收码本分为一个或多个UE侧簇，其中每个UE侧簇包括所述UE侧接收码本中围绕一个中心向量的一组波束成形向量；将所述BS侧接收码本分为一个或多个BS侧簇，其中每个BS侧簇包括所述BS侧接收码本中围绕一个中心向量的一组波束成形向量；BS使用具有所述BS侧最强索引集合中的索引对应的所有波束成形向量来发送下行导频信号，UE使用以UE侧最强索引集合每个波束成形向量为中心向量的UE侧簇中的波束成形向量来接收所述下行导频信号，并且找到所述UE侧簇中的接收功率最强的M(U)个波束方向以更新所述UE侧最强索引集合UE使用具有所述UE侧最强索引集合中的索引对应的所有波束成形向量来发送上行导频信号，BS使用以BS侧最强索引集合每个波束成形向量为中心向量的BS侧簇中的波束成形向量来接收所述上行导频信号，并且找到所述BS侧簇中的接收功率最强的M(B)个波束方向以更新所述BS侧最强索引集合6.如权利要求3所述的方法，还包括波束重新对准过程，其进一步包括：测量所述等效信道的质量；将所述等效信道的质量与预定的信道质量阈值进行比较；如果所述等效信道的质量低于所述预定的信道质量阈值，则更新所述UE侧空间相关性矩阵和所述BS侧空间相关性矩阵；并且根据更新后的UE侧空间相关性矩阵和BS侧空间相关性矩阵重新计算所述UE侧模拟波束成形矩阵和所述BS侧模拟波束成形矩阵。7.如权利要求6所述的方法，其中更新所述UE侧空间相关性矩阵和所述BS侧空间相关性矩阵进一步包括：在下行链路训练周期的每个循环中，BS使用所述BS侧最强索引集合中的波束成形向量来发送下行导频信号，UE使用所述UE侧最强索引集合中的波束成形向量来接收所述下行导频信号，并且根据UE在下行链路训练周期的所有循环中接收的下行导频信号来更新所述UE侧空间相关性矩阵；在上行链路训练周期的每个循环中，UE使用所述UE侧最强索引集合中的波束成形向量来发送上行导频信号，BS使用所述BS侧最强索引集合中的波束成形向量来接收所述上行导频信号，并且根据BS在上行链路训练周期的所有循环中接收的上行导频信号来更新所述BS侧空间相关性矩阵。8.如权利要求6所述的方法，还包括：在更新所述UE侧空间相关性矩阵和所述BS侧空间相关性矩阵之前，确定之前执行的重新对准的次数是否小于或等于预定阈值次数，当确定之前执行的重新对准的次数小于或等于所述预定阈值次数时，更新所述UE侧空间相关性矩阵和所述BS侧空间相关性矩阵，或者当确定之前执行的重新对准的次数大于所述预定阈值次数时，重新执行所述空间相关性矩阵估计步骤。9.一种用...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴克颖，
申请(专利权)人：上海贝尔股份有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31