大规模MIMO高速移动场景下联合多普勒补偿的混合传输方法技术

本发明专利技术公开了一种大规模MIMO高速移动场景下联合多普勒补偿的混合传输方法，具体解决大规模MIMO高速铁路通信中多普勒频移，计算复杂度高，吞吐量低等问题。包括以下步骤：获取初始信道状态信息；根据波束对准获取入射信号实际到达角、波束增益；估计多普勒频移，设计角度域波束成形矩阵，补偿上下行频偏；信道追踪；设计波束域波束成形矩阵，消除上下行用户间干扰；数据传输。本发明专利技术联合多普勒补偿的混合传输方法针对大规模MIMO高速移动场景具有补偿多普勒频移，减小导频开销，提高系统吞吐量等特点，能够很好的应用于无线通信场景中。

Hybrid transmission method combined with Doppler compensation in large scale MIMO high-speed mobile scene

The invention discloses a hybrid transmission method of joint Doppler compensation in large-scale MIMO high-speed moving scene, which solves the problems of Doppler shift, high computational complexity and low throughput in large-scale MIMO high-speed railway communication. It includes the following steps: obtaining the initial channel state information; obtaining the actual angle of arrival and beam gain of the incident signal according to beam alignment; estimating the Doppler frequency shift, designing the angle-domain beam shaping matrix to compensate for the uplink and downlink frequency offset; channel tracking; designing the beam-forming matrix in the beam-domain to eliminate the upstream and downstream user interference; Transmission. The hybrid transmission method combined with Doppler compensation has the advantages of compensating Doppler shift, reducing pilot overhead and improving system throughput for large-scale MIMO high-speed mobile scenes, and can be well applied in wireless communication scenes.

【技术实现步骤摘要】
大规模MIMO高速移动场景下联合多普勒补偿的混合传输方法
本专利技术属于无线通信
，涉及无线通信中的传输技术，为一种大规模MIMO高速移动场景下的联合多普勒补偿的混合传输方法，尤其涉及大规模MIMO高铁通信中的上下行传输问题。
技术介绍
在大规模MIMO高铁通信中，列车时速高达300公里/小时。信道相干时间缩短，同时呈现快时变特性。传统的信道估计方法导频开销大，难以有效估计信道状态信息；同时，大规模MIMO信道高维特性使得训练与传输的计算复杂度高。在相干时间有限的条件下，较低的数据传输速率难以满足用户需求。“X.Chen,J.Lu,T.Li,P.FanandK.B.Letaief,``Directivity-BeamwidthTradeoffofMassiveMIMOUplinkBeamformingforHighSpeedTrainCommunication,”inIEEEAccess,vol.5,pp.5936-5946,2017.”，“T.Li,X.Wang,P.FanandT.Riihonen,``Position-AidedLarge-ScaleMIMOChannel本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大规模MIMO高速移动场景下联合多普勒补偿的混合传输方法，包括以下步骤：步骤(1)，初始化：基站获取用户k和基站间的上行初始信道状态信息

【技术特征摘要】
1.一种大规模MIMO高速移动场景下联合多普勒补偿的混合传输方法，包括以下步骤：步骤(1)，初始化：基站获取用户k和基站间的上行初始信道状态信息下行信道处理方法与上行一致；步骤(2)，到达角估计：对初始信道状态信息进行快速傅里叶变换，获取正交波束最大波束增益及对应波束在最大波束相邻波束区间[ik0-1,ik0+1]内，通过N倍FFT过采样和波束位移实现相位旋转和波束对准，对准后最大波束增益为对应最大波束序号ik，最优旋转角为由此算得直射路径信号实际到达角θ′k,1,n，利用角度互易性可直接获取下行到达角；步骤(3)，补偿多普勒频移：根据空间窄带传输模型建立信号实际到达角和方位角之间的关系，根据实际到达角θ′k,1,n来计算用户方位角θk,1,n，多普勒频移为受多普勒影响，θk,1,n≠θ′k,1,n，设计上行角度波束成形矩阵Bu，通过将基站波束对准上行入射信号实际到达角方向，对多普勒频移进行补偿；在设计下行角度波束成形矩阵Bd时，原则为：根据用户方位角θk,1,n，设计角度波束成形矩阵，使下行信号到达角方向与用户方位角一致，波束对准方法与上行相同；步骤(4)，信道追踪：根据角度相干时间内位置不变性，化简信道追踪复杂度，对最大波束增益进行追踪；为检测相干时间内信道突变情况，设置追踪间隔小于相干时间；在追踪间隔内，利用现有追踪方法，对进行预测或修正，下行信道处理方法与上行一致；步骤(5)，设计波束域波束成形矩阵：根据步骤(3)，上行角度波束成形矩阵为Bu，设所有用户与基站间的上行信道为则上行波束域信道为：其中为包含各用户最大波束的集合；利用迫零法则设计波束域波束成形矩阵，消除用户间干扰，同样的方法设计下行波束域波束成形矩阵Pd；步骤(6)，数据传输：设Wa,a∈{u,d}为基站波束成形矩阵，a为上下行的统称：Wa＝BaPa；基站使用混合波束成形实现数据传输。2.根据权利要求1所述的大规模MIMO高速移动场景下联合多普勒补偿的混合传输方法，其特征是步骤(2)中所述的到达角估计包括以下步骤：根据步骤(1)，初始时刻设为n时刻，在n时刻用户k和基站上行信道为设归一化离散傅里叶变换矩阵为其中M为基站天线数，为基站天线分辨率；对估计信道进行DFT变换，可得波束域信道最大波束增益为通过相位旋转矩阵实现波束对准：设相位旋转矩阵为φk,n为相位旋转角，旋转后波束域信道为最强信道增益为波束对准的目标为寻找最优旋转角使其满足设对准后最大波束增益其中r0表示经过最优相位旋转，下标ik表示向量第ik个元素，也即对准后最大波束序号；波束对准的数字实现方法，具体如下：步骤(2.1)：对进行M点FFT，获取正交波束下最大波束增益及对应波束序号ik0；步骤(2.2)：设为的NM点FFT，N为过采样倍数；正交波束域信道与过采样信号间关系为：其中m表示正交波束域信道第m个元素；由上式可知，对准后最大波束增益位于过采样信号[(ik0-2)N+1,ik0N+1]区间范围内；仅计算[(ik0-2)N+1,ik0N+1]区间内共计2N个点的波束增益；以((ik0-2)N+1)、(ik0-1)N+1、(ik0N+1)点为起点，将三个采样点位置统一向左进行位移，遍历N个步长，获取最大波束增益及最佳搜索步长m,1≤m≤N，则最优旋转角为根据及公式(2)，计算得到对准后最大波束序号ik；步骤(2.3)：设n时刻用户k的上行信号直射路径实际到达角为θ′k,1,n，根据FFT计算方法和窄带信道模型，θ′k,1,n与的关系为：通过(6)(7)两式计算得到信号实际到达角θ′k,1,n。3.根据权利要求1所述的大规模MIMO高速移动场景下联合多普勒补偿的混合传输方法，其特征是步骤(3)中所述的补偿多普勒频移包括以下步骤：静止状态下信号直射路径到达角与用户方位角一致，即θ′k，1，n＝θk，1，n，通过对准用户来波方向，来确定用户方位角θk，1，n；在高速移动状态下，受多普勒影响，信号到达角产生偏移，θ′k，1，n≠θk，1，n；确定直射路径到达...

【专利技术属性】
技术研发人员：许魁，沈哲贤，王雨榕，张冬梅，谢威，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32