频分双工多用户大规模多天线系统及其下行导频信号长度设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种频分双工多用户大规模多天线系统及其下行导频信号长度设计方法。该系统包含一个配备大规模天线阵列的基站和K个地理位置分散的单天线用户，基站向所有用户发送下行导频信号，各用户独立完成信道估计，并将信道状态信息(Channel State Information,CSI)估计值信息反馈至基站。基站利用信道估计值，采用最大比发送预编码向各用户发送下行数据。本发明专利技术方法以最大化下行和速率为目标，以导频信号长度为优化变量建立数学模型，首先利用确定性等价原理，求得目标函数的一种近似解析表达式，进而利用变量松弛方法和Lambert W函数，得到导频信号长度的一种闭合形式解。

Frequency division duplex multi-user large-scale multi-antenna system and its downlink pilot signal length design method

The invention discloses a frequency division duplex multi-user large-scale multi-antenna system and a downlink pilot signal length design method thereof. The system consists of a base station equipped with large-scale antenna arrays and K single-antenna users with geographically dispersed locations. The base station transmits downlink pilot signals to all users. Each user completes channel estimation independently and feeds back channel state information (CSI) estimation information to the base station. Base stations use channel estimates to transmit downlink data to users using maximum ratio transmission precoding. The method of the present invention aims at maximizing downlink and speed, establishes a mathematical model with pilot signal length as an optimization variable. Firstly, an approximate analytical expression of the objective function is obtained by using deterministic equivalence principle. Then, a closed form solution of pilot signal length is obtained by using variable relaxation method and Lambert W function. \u3002

【技术实现步骤摘要】
频分双工多用户大规模多天线系统及其下行导频信号长度设计方法
本专利技术属于无线通信
，具体涉及基于频分双工多用户大规模多天线系统及其导频信号长度优化方法。
技术介绍
大规模多输入多输出技术，又称为大规模多天线系统(简称大规模MIMO)自2010年提出以来，深入挖掘潜在的空间维度资源，通过在基站配备比现有多天线系统(如4GLTE-A)高若干数量级的天线阵列(几十到几百甚至上千根天线)来同时服务多个用户，可以获得传统MIMO系统所不具备的传输特征和物理特性。从而，在无需增加额外的时间、频率和功率资源条件下，便可在频谱效率、能效、多用户干扰消除、空间分辨率以及上层调度等方面获得巨大的性能优势。也正因为如此，大规模MIMO技术一经提出便吸引了无线通信产业界和研究机构的众多目光，并被普遍认为是未来5G系统的物理层关键技术之一。然而，大规模MIMO技术所带来上述性能提升是以基站获得良好的下行信道状态信息(ChannelStateInformation，CSI)为前提，而信道估计作为获取CSI的重要环节，将影响着整个系统的性能。针对蜂窝移动通信系统的两种传统双工制式，即时分双工(TimeDivisionDuplexing，TDD)和频分双工(FrequencyDivisionDuplexing，FDD)，大规模MIMO在获取CSI时所采用的信道估计方案以及所产生的导频开销也是截然不同的。在TDD制式下，由于上下行信道满足互易性条件(ChannelReciprocity)，可通过用户发送上行导频信号，基站端接收后再进行信道估计，由此获得下行信道CSI。因此，正交导频序列的长度将与用户数成正比，而与天线数无关，其导频开销较小。而对于FDD制式，由于上下行信道不再满足互易性，只能通过基站发送导频序列，用户进行信道估计，随后用户再将CSI反馈至基站。由此，正交导频序列长度将与基站天线数成正比，从而产生巨大的系统开销，这将对系统的有效信息传输造成巨大的浪费。因此，针对于频分双工大规模MIMO系统的导频信号开销研究逐渐成为了研究热点，特别是在多用户场景下会带来更为复杂的用户间干扰项，从而影响信道估计和数据传输性能。业内目前普遍关注的是如何在一定的导频开销下，尽可能的提升系统的信道估计精度，或者是减少导频开销的情况，来设计相应的传输方案，尽可能降低由此带来的信道估计精度损失。值得注意的是，现有针对导频信号的设计方案和研究内容过多的关注于信道估计本身的精度问题，即信道估计的均方误差性能，而忽略了信道估计对于后续预编码方案性能的影响，因为预编码方案的性能将直接关系到整个系统的传输速率。另外，由于导频信号本身不携带有效信息，在一定的信道相干时间内，发送导频会占用系统的时长资源，而余下的时长资源则需要用于发送有效数据。一般而言，分配给导频信号的时长越长，则信道估计精度通常越好，但剩余的可发送的数据时长资源则大大减小，而数据发送直接决定着系统的有效传输速率。因此，在设计导频信号长度时，需要兼顾导频信号长度对信道估计精度、系统开销和系统有效传输速率的综合作用，取得一种折中性能，这对于未来频分双工多用户大规模MIMO系统的工程实现具有十分重要的意义，而这一问题尚未有研究人员涉足。为了解决该问题，我们提出了基于下行可达和速率最大化的导频信号长度优化模型，该模型中目标函数过于复杂不便求解，而对于最优导频信号长度的闭合形式解更是难以获得，而闭合形式解对于探究最优导频信号长度的影响因素和这些因素的作用机理有着重要的指导意义。本专利技术公开了一种基于频分双工多用户大规模多天线系统的速率最大化下行导频信号长度设计方法。该系统包含一个配备大规模天线阵列的基站和K个地理位置分散的单天线用户，基站向所有用户发送下行导频信号，各用户独立完成信道估计，并将CSI估计值信息反馈至基站。基站利用信道估计值，采用最大比发送预编码向各用户发送下行数据。本专利技术方法以最大化下行和速率为目标，以导频信号长度为优化变量建立数学模型，由于该优化问题中目标函数无明确的解析表达式，首先利用确定性等价原理，求得目标函数的一种近似解析表达式。基于此，利用变量松弛方法和LambertW函数，得到导频信号长度的一种闭合形式最优解，避免了采用迭代算法导致的高复杂度。
技术实现思路
本专利技术为使频分双工多用户大规模天线系统获得较高的和速率性能而提出一种基于频分双工大规模多天线系统的导频信号长度设计方法，并求得了最优导频信号长度的闭合形式解。具体地，一种频分双工多用户大规模多天线系统的下行导频信号长度设计方法，所述频分双工多用户大规模多天线系统包含一个配备大规模天线阵列的基站和K个地理位置分散的单天线用户，基站向所有用户发送下行导频信号，各用户独立完成信道估计，并将CSI估计值信息反馈至基站，基站利用CSI估计值，采用最大比发送预编码向各用户发送下行数据；所述方法包括以下步骤：1).基站与用户采用频分双工制式，上下行信道不满足互易性，信道服从平坦块衰落，具有以符号时长计的相干时长Tc；基站使用前L(＜Tc)个符号用于从基站的M根天线上发送导频序列信号，则由导频序列组成的信号矩阵可以表示为且导频矩阵满足等功率列正交特性，即ΦHΦ＝IL；基站通过下行信道矩阵向K个用户发送导频信号和预编码数据向量，H表示基站到K个用户的信道矩阵，hk表示基站到第k个用户之间的信道系数向量，采用克罗内克相关信道模型将信道矩阵表示为该式表明基站天线到所有用户具有相同的信道空间相关阵，表示基站到K个用户的等效信道矩阵，是具有零均值和单位方差的独立同分布循环对称复高斯随机向量，表示基站发射天线间的空间相关阵，且(其中，k＝1,2,...,K)，采用物理信道模型对空间相关阵进行建模且在大规模基站天线条件下，可以得到R的特征值分解为其中，是由R的特征向量组成的酉矩阵，该式表明，R的特征值只有和0两种，非零特征值个数N是由无线信道中的散射体数量和环境所决定，且N与基站天线数M成比例，即且η∈[1，+∞)，参数η反映了基站发射天线空间相关性的强弱程度，η越小，信道相关性越弱，反之则越强；2).在基站处建立以系统下行可达和速率最大化为目标，以导频信号长度L为变量，并考虑信道相干时长约束和导频开销的数学优化模型，如下所示，其中，C表示系统下行和速率，且表示在一个信道相干时长内的导频长度开销，表示第k个用户的下行遍历速率，表示第k个用户端的等效接收信噪比，ρd表示基站对用户数据符号的平均发送功率，θ表示基站对每个用户的发射信号平均功率归一化因子，且表示基站到K个用户的信道矩阵估计量，表示基站发送最优导频矩阵Φopt＝U(1:L)、用户采用最小均方误差估计器所得到的基站到第k个用户的下行信道向量估计值，U(1:L)表示由矩阵U的第1列到第L列全部元素所组成的子矩阵，表示对应于的信道估计误差向量，且与相互统计独立，3).利用确定性等价定理，可得到步骤2)中遍历速率Ck的近似解析表达式如下：4).将步骤1)中信道相关阵R特征值分解形式和步骤2)中的最优导频矩阵Φopt和Ψ代入步骤3)中的遍历速率解析表达式化简合并后替换步骤3)中优化问题目标函数中的Ck，将原优化问题近似转化为如下形式，5).由于步骤4)中优化问题的变量L为整数变量，先将其松弛本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种频分双工多用户大规模多天线系统的下行导频信号长度设计方法，所述频分双工多用户大规模多天线系统包含一个配备大规模天线阵列的基站和K个地理位置分散的单天线用户，基站向所有用户发送下行导频信号，各用户独立完成信道估计，并将CSI估计值信息反馈至基站，基站利用CSI估计值，采用最大比发送预编码向各用户发送下行数据；所述方法包括以下步骤：1).基站与用户采用频分双工制式，上下行信道不满足互易性，信道服从平坦块衰落，具有以符号时长计的相干时长Tc；基站使用前L(＜Tc)个符号用于从基站的M根天线上发送导频序列信号，则由导频序列组成的信号矩阵可以表示为

【技术特征摘要】
1.一种频分双工多用户大规模多天线系统的下行导频信号长度设计方法，所述频分双工多用户大规模多天线系统包含一个配备大规模天线阵列的基站和K个地理位置分散的单天线用户，基站向所有用户发送下行导频信号，各用户独立完成信道估计，并将CSI估计值信息反馈至基站，基站利用CSI估计值，采用最大比发送预编码向各用户发送下行数据；所述方法包括以下步骤：1).基站与用户采用频分双工制式，上下行信道不满足互易性，信道服从平坦块衰落，具有以符号时长计的相干时长Tc；基站使用前L(＜Tc)个符号用于从基站的M根天线上发送导频序列信号，则由导频序列组成的信号矩阵可以表示为且导频矩阵满足等功率列正交特性，即ΦHΦ＝IL，其中，为复数集合，(·)H表示矩阵或向量的共轭转置运算，IL表示L×L维单位阵；基站通过下行信道矩阵向K个用户发送导频信号和预编码数据向量，H表示基站到K个用户的信道矩阵，hk表示基站到第k个用户之间的信道系数向量，采用克罗内克相关信道模型将信道矩阵表示为其中，表示基站到K个用户的等效信道矩阵，且是具有零均值和单位方差的独立同分布循环对称复高斯随机向量，表示基站发射天线间的空间相关阵，且(其中，k＝1,2,...,K)，表示针对随机量的数学期望运算，采用物理信道模型对空间相关阵进行建模且在大规模基站天线条件下，得到R的特征值分解为：其中，是由R的特征向量组成的酉矩阵，非零特征值个数N是由无线信道中的散射体数量和环境所决定，且N与基站天线数M成比例，即且η∈[1，+∞)；2).在基站处建立以系统下行可达和速率最大化为目标，以导频信号长度L为变量，并考虑信道相干时长约束和导频开销的数学优化模型，如下：其中，C表示系统下行和速率，且表示在一个信道相干时长内的导频长度开销，表示第k个用户的下行遍历速率，表示第k个用户端的等效接收信噪比，ρd表示基站对用户数据符号的平均发送功率，θ表示基站对每个用户的发射信号平均功率归一化因子，且表示基站到K个用户的信道矩阵估计量，为针对随机量的数学期望运算，Tr{·}为矩阵的迹，|·|表示实数绝对值或复数模值运算，表示基站发送最优导频矩阵Φopt＝U(1:L)、用户采用最小均方误差估计器所得到的基站到第k个用户的下行信道向量估计值，表示均值为μ方差为σ2的循环对称复高斯随机分布，U(1:L)表示由矩阵U的第1列到第L列全部元素所组成的子矩阵，表示对应于的信道估计误差向量，且与相互统计独立，2.如权利要求1所述的下行导频信号长度设计方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：3).利用确定性等价定理，得到步骤2)中遍历速率Ck的近似解析表达式为：其中，表示几乎确定收敛。3.如权利要求2所述的下行导频信号长度设计方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：4).将步骤1)中信道相关阵R特征值分解形式和步骤2)中的最优导频矩阵Φopt和Ψ代入步骤3)中的遍历速率解析表达式化简合并后替换步骤3)中优化问题目标函数中的Ck，将原优化问题近似转化为如下形式，其中，为正整数集合，ρp表示每一列导频信号的平均发射功率。4.如权利要求3所述的下行导频信号长度设计方法，其特征在于，所述方法还包括以...

【专利技术属性】
技术研发人员：王毅，马鹏阁，薛鹏，郭慧，刘建强，张松炜，牛铜，黄开枝，
申请(专利权)人：郑州航空工业管理学院，
类型：发明
国别省市：河南,41