本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于局部校準(zhǔn)的大規(guī)模MIMO互易性校準(zhǔn)方法。

背景技術(shù)：

由于具有射頻鏈路模塊成本低、抗衰落、容量大等特性，大規(guī)模MIMO技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，它已經(jīng)成為未來蜂窩網(wǎng)絡(luò)、5G通信的備選技術(shù)。在實際通信中，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)往往需要獲得下行信道信息(CSI)，以進(jìn)行預(yù)編碼，實現(xiàn)系統(tǒng)功能。

在時分雙工(TDD)模式中，發(fā)送和接收信道搭載到相同的載波頻率上，用保護時間間隔來實現(xiàn)上下行信道的分離。在整體TDD系統(tǒng)中，基站和用戶之間的信道采用相同的載波頻率，因此上下行鏈路信道特性相同，可以將上行信道估計到的信道增益直接用于下行信道預(yù)編碼。

雖然物理信道具有互易性，但是在實際通信中，信道發(fā)射和接收過程都需要經(jīng)過射頻鏈路模塊，每根天線接收和發(fā)送的射頻鏈路是由不同的電路來分別完成，發(fā)射和接收電路的特性很難做到一致。另外，由于發(fā)射和接收電路所處的環(huán)境溫度與濕度等特性不同，兩套電路的特性不能做到完全相同，使得信道互易性受損，在實際通信中需要進(jìn)行信道的互易性校準(zhǔn)。

已知的互易性校準(zhǔn)算法均采用了全局校準(zhǔn)方案，它們將所有的天線視為一個整體。隨著天線數(shù)目越來越大，全局校準(zhǔn)方案的處理開銷往往將是很大的。

但是采用更為簡單的校準(zhǔn)技術(shù)時，雖然復(fù)雜度有了很大的下降，但是校準(zhǔn)精度損失很大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種基于局部校準(zhǔn)的大規(guī)模MIMO互易性校準(zhǔn)方法，其精度損失小，復(fù)雜度低，適用于時分雙工的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，它可以應(yīng)用的場景為：(1)集中式天線場景；(2)分布式天線場景。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種基于局部校準(zhǔn)的大規(guī)模MIMO互易性校準(zhǔn)方法，適用于時分雙工的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，包括如下步驟：

步驟A，將所有基站天線分為不同的組，對每組基站天線利用LS算法進(jìn)行校準(zhǔn)，獲得各組基站天線的局部校準(zhǔn)系數(shù)；

步驟B，對不同的組，選擇若干根基站天線作為參考天線，獲得不同組的組間校準(zhǔn)系數(shù)；

步驟C，利用步驟A和B中得到的局部校準(zhǔn)系數(shù)和組間校準(zhǔn)系數(shù)，計算得到全局校準(zhǔn)系數(shù)c＝(c₁,c₂,...,c_M)^T，c_i＝r_i/t_i(i＝1,2,....,M)，M為基站天線的總數(shù)，t_i是基站天線i的射頻發(fā)射模塊的等效基帶增益，r_i是基站天線i的射頻接收模塊的等效基帶增益；

步驟D，利用全局校準(zhǔn)系數(shù)，對基站天線的發(fā)射接收模塊進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)相對校準(zhǔn)過程。

步驟A中，將基站天線盡可能平均地等分為m組，同時設(shè)置閾值d₀，保證每組內(nèi)部天線之間的距離小于d₀。

步驟A中，利用LS算法進(jìn)行校準(zhǔn)的步驟如下：

步驟1，在天線組內(nèi)，任意兩根基站天線之間相互發(fā)送導(dǎo)頻，測量出任意兩根基站天線之間的信道增益

步驟2，利用任意兩根基站天線之間的信道增益構(gòu)造矩陣W：

步驟3，對矩陣W進(jìn)行特征值分解，求出其最小特征值所對應(yīng)的特征向量，即為局部校準(zhǔn)系數(shù)其中i和j為基站天線的序號，m為天線組的序號，M_m為第m組天線的數(shù)目。

步驟B中，針對天線組m₁和天線組m₂組間校準(zhǔn)時，假設(shè)一共選取n根天線作為參考天線，則從天線組m₁中選取距離天線組m₂最近的n/2根天線，從天線組m₂中選取距離天線組m₁最近的n/2根天線，組成一個新的天線組

步驟B中，利用相鄰天線組遞推校準(zhǔn)時，僅從相鄰天線的天線組中選取若干根基站天線組成一個新的新的天線組對新天線組進(jìn)行權(quán)利要求3所述LS校準(zhǔn)，獲得不同天線組的組間校準(zhǔn)系數(shù)

步驟B中，利用單參考組校準(zhǔn)時，取天線組m_n/2作為參考天線組，從其它天線組中選取若干根基站天線與天線組m_n/2中的若干根基站天線組成天線新的天線組對新天線組進(jìn)行權(quán)利要求3所述LS校準(zhǔn)，獲得不同天線組的組間校準(zhǔn)系數(shù)

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

(1)利用基站天線之間的信道響應(yīng)即可完成校準(zhǔn)過程，無需額外的硬件電路，無需來自用戶端的反饋。

(2)通過設(shè)置局部校準(zhǔn)區(qū)域的大小，在保證校準(zhǔn)精度不受嚴(yán)重影響的前提下，校準(zhǔn)復(fù)雜度大大降低。

附圖說明

圖1為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的時分雙工大規(guī)模MIMO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的基于局部校準(zhǔn)的線陣單參考組校準(zhǔn)方法結(jié)構(gòu)圖。

圖3為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的基于局部校準(zhǔn)的線陣相鄰組遞推校準(zhǔn)方法結(jié)構(gòu)。

圖4為根據(jù)本發(fā)明一個實施例基于局部校準(zhǔn)的線陣兩種組間校準(zhǔn)方案性能分析的仿真圖。

圖5為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的基于局部校準(zhǔn)面陣相鄰組遞推校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)圖。

圖6為為根據(jù)本發(fā)明一個實施例基于局部校準(zhǔn)的面陣全局校準(zhǔn)方案和局部校準(zhǔn)方案性能仿真圖。

具體實施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實施例，實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。

一個有M根基站天線和K根用戶天線的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)建模如圖1所示。用H_DL表示等效基帶的下行物理信道增益(從基站天線到終端天線之間)，則級聯(lián)了射頻收發(fā)模塊之后的綜合下行信道和上行信道如下：

其中T和R表示基站天線的射頻發(fā)射模塊和射頻接收模塊的等效基帶增益矩陣，和表示用戶天線的射頻發(fā)射模塊和射頻接收模塊的等效基帶增益矩陣。

很容易可以得到

其中C_A＝RT^-1,忽略不同天線之間的耦合，T，R，都是對角陣。

T＝diag(t₁,t₂...,t_M)，

R＝diag(r₁,r₂...,r_M)

對于相對校準(zhǔn)，僅需獲得C_A＝RT^-1＝diag(c₁,,...,c_M),c_i＝r_i/t_i(i＝1,2,....,M)。

LS算法是已知的算法中精度較高的一種，它包括以下三個步驟：

(1)獲得任意兩根基站天線之間的雙向的級聯(lián)信道增益

(2)構(gòu)造矩陣W，并進(jìn)行特征值分解獲得最小特征值所對應(yīng)的特征向量，即為校準(zhǔn)向量c＝(c₁,c₂,...,c_M)^T。其中W為：

LS算法校準(zhǔn)復(fù)雜度太高，本發(fā)明將基站天線盡可能平均地等分為m組，然后對每組天線內(nèi)部實行局部LS校準(zhǔn)，再對m組天線進(jìn)行組間校準(zhǔn)，以m＝4為例，分組方案如圖2所示。

組內(nèi)的校準(zhǔn)可以輕易地通過LS算法來實現(xiàn)。然而，組間的校準(zhǔn)方案有許多種，考慮單參考組校準(zhǔn)(如圖2所示)和相鄰組遞推校準(zhǔn)(如圖3所示)兩種方案。

對應(yīng)于單參考組局部校準(zhǔn)，分別對4個天線組B₁,B₂,B₃,B₄實行LS校準(zhǔn)，獲得局部校準(zhǔn)向量對所有天線構(gòu)成的整體進(jìn)行LS校準(zhǔn)，全局校準(zhǔn)向量標(biāo)記為c＝(c₁,c₂,c₃,c₄)^T，其中c_i(i＝1,2,3,4)表示全局校準(zhǔn)向量中對應(yīng)于天線組B_i的子向量。

記B_ij為進(jìn)行B_i和B_j組間校準(zhǔn)涉及到的參考天線集合，對B_ij也進(jìn)行LS校準(zhǔn)，相應(yīng)的校準(zhǔn)向量記為

定義B_ijk＝B_ij∩B_k,k＝i,j

記為中對應(yīng)于B_ijk的子向量，為中對應(yīng)于B_ijk的子向量，c_ijk為c_k中對應(yīng)于B_ijk的子向量。

用LS算法獲得的局部校準(zhǔn)向量是相應(yīng)的全局校準(zhǔn)向量分量乘以一個常數(shù)值(這個常數(shù)值對不同的天線組是不一樣的)。如果校準(zhǔn)過程中沒有噪聲的影響，則和都是c_ijk的倍數(shù)，在有噪聲的情況下，可以得到如下的表達(dá)式：

定義d_ijk＝α_ijk/β_ijk，易知對d_ijk的估計可以通過總體最小二乘(Total Least Square)算法得以解決。定義為d_ijk的估計值

令為全局校準(zhǔn)向量c的估計值，則可通過局部校準(zhǔn)向量獲得全局校準(zhǔn)向量的估計值

對于相鄰組遞推校準(zhǔn)，模式如圖3所示。相應(yīng)地，可以通過局部校準(zhǔn)向量獲得

圖4顯示了分組校準(zhǔn)方案的MSE。單參考組校準(zhǔn)和相鄰組遞推校準(zhǔn)都能將復(fù)雜度降低到O(M³/16)。然而，由于路徑損耗的減小，相鄰組遞推校準(zhǔn)方案的精確度更高。

將相鄰組遞推校準(zhǔn)擴展到二維面陣場景，如圖5所示，采用局部遞推校準(zhǔn)后的性能如圖6所示。可知，基于局部校準(zhǔn)的相鄰組遞推校準(zhǔn)精度損失很小，但復(fù)雜度降為O(M³/16)，校準(zhǔn)速度大大提高。