一种高铁场景下的大规模MIMO波束域信道追踪方法技术

技术编号:19751307 阅读:24 留言:0更新日期:2018-12-12 05:46
本发明专利技术提供了一种高铁场景下的大规模MIMO波束域信道追踪方法,先针对大规模MIMO高铁场景,根据LTE‑R的标准,分别建立波束域信道

【技术实现步骤摘要】
一种高铁场景下的大规模MIMO波束域信道追踪方法
本专利技术属于无线通信
,具体涉及一种高铁场景下的大规模MIMO波束域信道追踪方法。
技术介绍
近些年来,随着高速铁路的大量普及,高移动场景下的无线通信技术逐渐成为研究热点。随着5G(FifthGenerationCommunication)时代的到来,当列车的速度达到甚至超过350km/h,5G通信系统要能够为其中的用户提供很好的服务,主要体现在高传输速率和低时延方面。目前最流行的高铁移动通信系统是GSM-R(GlobalSystemforMobileCommunications-Railway),支持的最大传输速率低于200Kbps,而5G要求在高移动场景下,数据传输速率可达150Mbps甚至更高,显然传统的GSM-R并不能满足未来高铁通信的需求。大规模MIMO(Multiple-inputMultiple-output)作为5G的关键技术之一,能够充分利用无线空间的维度资源,极大地提升未来无线通信系统的吞吐量。因此将大规模MIMO与高铁通信结合,是提升高铁无线移动通信系统数据传输速率和频谱利用率的有效手段之一。对于TDD大规模MIMO高铁通信系统,训练过程中的导频开销会随着总的用户天线数的增大而线性增长;对于FDD大规模MIMO高铁通信系统,训练过程中的反馈开销与基站侧的天线数成正比。因此,在减小导频开销的同时保证一定的信道追踪精度是大规模MIMO高铁通信系统中的难题。经对现有技术文献的检索发现,ZhangCheng等人在《IETCommunications,Oct.2017,11(13),pp.2082-2088(英国工程技术学会通信期刊,2017年10月,第11卷,第13期,第2082-2088页)》上发表了题为“Location-aidedChannelTrackingandDownlinkTransmissionforHSTMassiveMIMOSystems(针对高铁大规模MIMO系统的基于位置的信道追踪和下行链路传输)”一文,该文将时间相关模型引入大规模MIMO高铁空间信道模型中,并利用卡尔曼滤波进行时域信道追踪。其不足之处在于,本文在进行时域信道追踪时,导频开销较大,同时信道追踪算法复杂度较大。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足,本专利技术提供了一种高铁场景下的大规模MIMO波束域信道追踪方法。本专利技术的目的通过以下技术方案来实现,且基于通信系统所提出,所述通讯系统属于被广泛采用的两条高铁通信系统,假设基站和列车顶部部署的是均匀线性阵列,基站侧配置M(M>>1)根天线,列车顶部配置N(M>N,N>>1)个终端,每个终端1根天线。具体通信过程如下:列车顶部天线阵列负责接收来自基站的信号,用户通过列车内部部署的WiFiAP和列车顶部天线阵列进行通信。本专利技术仅考虑基站和列车顶部天线阵列通信这一层。考虑下行链路,由于基站侧有M根天线,故可以形成M个波束,给每个终端分配1个波束,共分配N个波束,则针对第i(1≤i≤N)个终端,大规模MIMO信道频率响应矩阵为:其中ap,i表示第p条传播路径的衰减系数,且ap,i~CN(0,1),dp,i表示发射天线m和接收天线n沿着路径p之间的距离,λ是载波波长,dp,i/λ:U(0,1),l是子载波的标号,τp,i表示第p条传输路径的时延,j为复数域。当基站天线数足够多,且天线间距为半波长时,V等价于一个离散傅里叶变换矩阵,即而Vi是V的第i列,表示分配给第i个终端的波束基向量,且每个终端分配的Vi各不相同。表示波束域信道矩阵,具体形式如下,其中St,i表示第i个波束覆盖范围内的路径数。基于以上的高铁场景下的大规模MIMO波束域信道追踪方法,包括如下步骤:S1、针对大规模MIMO高铁场景,根据LTE-R的标准,分别建立波束域信道和波束域信道自相关R的转移方程,以及接收信号y与发射信号s之间的状态方程;具体的,通过以下方法可得卡尔曼滤波所需的转移方程和状态方程,即在波束域构建完大规模MIMO高铁空间信道模型之后,考虑将时间相关模型引入到信道建模中。根据LTE-R的标准,在相邻的CT(ChannelCoherenceTime)内,通过计算可知波束的角度几乎不会发生变化,即波束覆盖范围内的路径AOD(AngleofDeparture)基本不变。因此,针对第i个波束,有如下关系:ψp,i,n+1=ψp,i,n其中ψp,i,n是AOD,n表示CT的下标,ρ是时间相关系数,且ρ=J0(2πfDT),其中J0(·)表示第一类零阶贝塞尔函数,fD是多普勒频移,T是信道相干时间。bp,i,n+1表示独立于衰减系数的随机变化量,且bp,i,n+1~CN(0,1)。假设第i个波束覆盖p条路径(包含一条主径和少量散射路径),则在第n个CT内,重写波束域信道矩阵:假设βp,i不随时间变化,其中则在第n+1个CT内,波束域信道矩阵为:进一步可得:其中(表示左右两边服从相同的概率分布),则S2、根据S1所得的状态方程和转移方程,利用卡尔曼滤波进行波束域信道追踪;S3、利用S2的结果,通过归一化的信道追踪误差nrmsen进行性能评估。优选地,所述S1中的转移方程为:Rp,i,n+1=ρ2Rp,i,n+(1-ρ2)Rp,i,n+1所述状态方程为:其中,表示第i个波束的第p条路径在第n个CT内的信道;ρ是时间相关系数,且ρ=J0(2πfDT),其中J0(·)表示第一类零阶贝塞尔函数,fD是多普勒频移,T是信道相干时间;γp,i,n+1是转移方程参数;Rp,i,n表示第i个波束的第p条路径在第n个CT内的信道自相关,sp,i,n表示第n个CT的时域导频信号,即wi,n~CN(0,1)表示第n个CT的噪声,表示第n个CT的波束域导频信号,即其中Vi表示分配给第i根终端天线的波束基向量,yp,i,n表示第i个终端在第n个CT的接收信号。优选地,所述波束域信道追踪分为预测阶段和调整阶段,预测阶段不需要导频,调整阶段需要用到导频。如果仅仅通过卡尔曼滤波进行CSI的预测,随着信道追踪误差的不断累积,会导致信道追踪的性能越来越差;而如果对信道追踪量不断地调整,由于高铁信道是快速时变的,频繁的调整会带来很大的导频开销。因此比较合理的方案是对预测时间和调整时间折中,这样在减小导频开销的同时可以取得不错的信道追踪性能。若预测阶段由tp个CT组成,调整阶段由td个CT组成,则一次卡尔曼滤波由t=tp+td个CT组成。优选地,所述S2中一次卡尔曼滤波中对于表示CT的下标n,n=0,1,Lt-1,当n<=tp-1时,ERp,n+1|n+1=ERp,n+1|n=ρ2ERp,n|n+(1-ρ2)Rp,n+1当n>tp-1时,则有:ERp,n+1|n=ρ2ERp,n|n+(1-ρ2)Rp,n+1其中上标B表示波束域信道,ERp,n表示第i个波束的第p条路径在第n个CT内的信道追踪误差,Kp,n表示卡尔曼滤波因子。优选地,所述S3具体包含如下步骤:定义归一化的信道追踪误差其中,波束基向量Vi的分配准则为使得最小。优选地,所述状态方程和转移方程基于波束域信道矩阵的通讯系统本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种高铁场景下的大规模MIMO波束域信道追踪方法,其特征在于:包括如下步骤:S1、针对大规模MIMO高铁场景,根据LTE‑R的标准,分别建立波束域信道

【技术特征摘要】
1.一种高铁场景下的大规模MIMO波束域信道追踪方法,其特征在于:包括如下步骤:S1、针对大规模MIMO高铁场景,根据LTE-R的标准,分别建立波束域信道和波束域信道自相关R的转移方程,以及接收信号y与发射信号s之间的状态方程;S2、根据S1所得的状态方程和转移方程,利用卡尔曼滤波进行波束域信道追踪;S3、利用S2的结果,通过归一化的信道追踪误差nrmsen进行性能评估。2.如权利要求1所述的一种高铁场景下的大规模MIMO波束域信道追踪方法,其特征在于:所述S1中的转移方程为:Rp,i,n+1=ρ2Rp,i,n+(1-ρ2)Rp,i,n+1所述状态方程为:其中,表示第i个波束的第p条路径在第n个CT内的信道;ρ是时间相关系数,且ρ=J0(2πfDT),其中J0(·)表示第一类零阶贝塞尔函数,fD是多普勒频移,T是信道相干时间;γp,i,n+1是转移方程参数;Rp,i,n表示第i个波束的第p条路径在第n个CT内的信道自相关,sp,i,n表示第n个CT的时域导频信号,wi,n~CN(0,1)表示第n个CT的噪声,表示第n个CT的波束域导频信号,其中Vi表示分配给第i根终端天线的波束基向量,yp,i,n表示第i个终端在第n个CT的接收信号。3.如权利要求1所述的一种高铁场景下的大规模MIMO波束域信道追踪方法,其特征在于:所述波束域信道追踪分为预测阶段和调整阶段,若预测阶段由...

【专利技术属性】
技术研发人员:徐友云周乔李大鹏陈建平王云峰
申请(专利权)人:南京邮电大学南京泰通科技股份有限公司
类型:发明
国别省市:江苏,32

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