基于空時(shí)相關(guān)性的大規(guī)模mimo系統(tǒng)信道反饋方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于通信系統(tǒng)中信道估計(jì)與反饋技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于空時(shí)相關(guān)性 的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)信道反饋方法。 技術(shù)背景
[0002] MIMO(Multiple-InputMultiple-Output)技術(shù)，指在發(fā)射端和接收端分別使用多 個(gè)發(fā)射天線和接收天線，使信號通過發(fā)射端與接收端的多個(gè)天線傳送和接收，從而改善通 信質(zhì)量。它能充分利用空間資源，通過多個(gè)天線實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收，在不增加頻譜資源和天線發(fā) 射功率的情況下，可以成倍地提高系統(tǒng)信道容量，具有功率效率高等諸多優(yōu)勢，已經(jīng)成為 下一代移動通信的核心技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)之一。
[0003] 大規(guī)模MMO系統(tǒng)的中下行信道狀態(tài)信息對于發(fā)射端進(jìn)行信號預(yù)處理等操作具有 很重要的作用。由于天線數(shù)的增大會導(dǎo)致信道反饋信息占用過多的帶寬資源。傳統(tǒng)的基于 碼書的反饋方案在大規(guī)模MMO中難以適用，這是因?yàn)樵诖笠?guī)模MMO系統(tǒng)隨著天線數(shù)目的 增加，為了保證反饋精度，必須大幅度增加碼書的長度，這將導(dǎo)致更加嚴(yán)重的反饋開銷。因 此需要針對大規(guī)模MIMO系統(tǒng)設(shè)計(jì)有效的反饋方案。
[0004] 近年來壓縮感知理論的出現(xiàn)為研究信道反饋提供了新的思路。該理論指出，當(dāng)信 號具有稀疏特性時(shí)能夠以遠(yuǎn)低于采樣定理的壓縮比壓縮信號，并且能夠以很高的精度重構(gòu) 信號。在大規(guī)模MMO系統(tǒng)中大量密集的天線陣列存在很強(qiáng)的空間相關(guān)性，使信道能夠在空 間頻率域表示成一個(gè)稀疏的形式。從而可以利用壓縮感知技術(shù)有效地降低反饋負(fù)載。將信 號表示成稀疏形式需要合理選擇稀疏基，這對壓縮感知的性能有很大的影響?，F(xiàn)有的基于 壓縮感知的反饋技術(shù)中，常采用的方法是以卡洛南_洛伊變換作為稀疏基。這種變換是一 個(gè)在統(tǒng)計(jì)意義下具有最小均方的變換，具有很好的去相關(guān)性和壓縮效率，但是使用這種稀 疏方式的前提是接收端和反射端必須同時(shí)獲得下行信道的統(tǒng)計(jì)信息，如信道相關(guān)矩陣，這 在發(fā)射端很難獲得，并且卡洛南-洛伊變換缺少快速算法，在實(shí)際中很難應(yīng)用。另外，將壓 縮感知技術(shù)應(yīng)用于大規(guī)模MMO信道反饋能夠有效降低反饋負(fù)載，現(xiàn)有技術(shù)中也通常利用 信道空間相關(guān)性進(jìn)行信道信息壓縮，但當(dāng)空間相關(guān)性降低時(shí)信道的壓縮反饋精度性能會受 到影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種基于空時(shí)相關(guān)性的大規(guī)模MMO 系統(tǒng)信道反饋方法，利用壓縮感知技術(shù)結(jié)合信道存在時(shí)間相關(guān)性和空間相關(guān)性的特點(diǎn)，采 用簡便易行的稀疏基變換方式，并且不需要發(fā)射端掌握下行信道的相關(guān)矩陣，能夠在保證 信道反饋的精度的前提下降低反饋負(fù)載，有效解決了在大規(guī)模MMO系統(tǒng)中隨著天線數(shù)的 增加信道反饋負(fù)載占用帶寬過大的問題。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案。
[0007] -種基于空時(shí)相關(guān)性的大規(guī)模M頂0系統(tǒng)信道反饋方法，所述大規(guī)模M頂0系統(tǒng)包 括發(fā)射端和接收端，其特征在于：所述的發(fā)射端和接收端分別設(shè)置有發(fā)射端存儲器和接收 端存儲器；所述方法包括以下步驟：
[0008] 步驟一、接收端獲得當(dāng)前下行時(shí)隙信道狀態(tài)信息hk，然后計(jì)算相鄰時(shí)隙信道間的 差值A(chǔ)h;
[0009] 步驟二、接收端利用壓縮感知技術(shù)將所述的相鄰時(shí)隙信道間的差值A(chǔ)h信號進(jìn)行 壓縮，并通過上行反饋信道反饋到發(fā)射端；
[0010] 步驟三、所述的發(fā)射端利用正交匹配追蹤技術(shù)對當(dāng)前所接收的反饋到本發(fā)射端的 反饋信號y進(jìn)行恢復(fù)；
[0011] 步驟四、所述的發(fā)射端將上一時(shí)隙信道信息hki和所述的當(dāng)前接收的反饋信號y 的恢復(fù)值A(chǔ)fr進(jìn)行合并，獲得當(dāng)前下行時(shí)隙信道狀態(tài)信息。
[0012] 在所述的步驟一中，所述的接收端獲得當(dāng)前下行時(shí)隙信道狀態(tài)信息hk，然后計(jì)算 相鄰時(shí)隙信道間的差值A(chǔ)h，其實(shí)現(xiàn)過程為：
[0013] 所述的接收端通過信道估計(jì)技術(shù)獲得當(dāng)前下行時(shí)隙信道狀態(tài)信息hk，查詢所述的 接收端存儲器中存儲的上一時(shí)隙信道信息hk1;若hki為空則將h,存儲到所述的接收端存 儲器，取Ah=hk;若hki不為空則取Ah為h,和hki之間的差值，并用h,更新所述的接收 端存儲器中的hkl。
[0014] 在所述的步驟二中，所述的接收端利用壓縮感知技術(shù)將所述的相鄰時(shí)隙信道間的 差值A(chǔ)h信號進(jìn)行壓縮，并通過上行反饋信道反饋到發(fā)射端，其實(shí)現(xiàn)過程為：
[0015] 利用離散余弦變換對Ah進(jìn)行稀疏化，將其表示成稀疏信號SeGwm;利用隨機(jī)高 斯映射矩陣#e￡^#對S進(jìn)行壓縮采樣得到向量yeCwxl，將y通過反饋信道反饋到發(fā)射 端。其中映射矩陣滿足有限等距條件：
[0017] 其中：人G(〇,I)，II?I|2表示2范數(shù)，為二維離散余弦變換矩陣，N為 發(fā)射端天線數(shù)目，M為壓縮后信號的維度，且M<<N。
[0018] 在所述步驟三中，所述的發(fā)射端利用正交匹配追蹤技術(shù)對當(dāng)前所接收的反饋到本 發(fā)射端的反饋信號y進(jìn)行恢復(fù)，是指：
[0019] 發(fā)射端接收到反饋信息y，需要求解以下最優(yōu)化問題，從而將y恢復(fù)成ah的估計(jì) 值.威：
[0023] 其中，IH1表示I1范數(shù)；利用正交匹配追蹤算法求解上述最優(yōu)化問題得到Ah的估 計(jì)值A(chǔ)fi:。，
[0024] 在所述步驟四中，所述的發(fā)射端將上一時(shí)隙信道信息hki和所述的當(dāng)前接收的反 饋信號y的恢復(fù)值A(chǔ)fi進(jìn)行合并，獲得當(dāng)前下行時(shí)隙信道狀態(tài)信息，其實(shí)現(xiàn)過程為：
[0025] 查詢發(fā)射端存儲器中存儲的上一時(shí)隙信道狀態(tài)信息hk1;若hki為空則4ft為當(dāng)前 下行信道信息，將存入發(fā)射端存儲器；若hki不為空則合并hki和Ati得到當(dāng)前下行信道 信息hk，并用匕更新發(fā)射端存儲器中的hk :。
[0026]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明包括以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：
[0027] 1.本發(fā)明充分利用大規(guī)模MMO信道的空間相關(guān)性和時(shí)間相關(guān)性以降低反饋負(fù) 載，使用壓縮感知技術(shù)充分開發(fā)利用信道在多個(gè)維度的相關(guān)性。在接收端和發(fā)射端設(shè)置存 儲器存儲上一時(shí)隙的信道信息。接收端反饋信道時(shí)只需反饋當(dāng)前時(shí)隙信道和上一時(shí)隙信道 之間的差值。由于差值部分通過稀疏化得到的信號具有更低的稀疏度，所以可以利用這一 特性結(jié)合壓縮感知技術(shù)在保證反饋精度的情況下有效降低反饋負(fù)載。
[0028] 2.本發(fā)明采用離散余弦變換作為稀疏基，這種變換具有很強(qiáng)的能量集中特性，并 且不需要發(fā)射端掌握下行信道的相關(guān)矩陣。當(dāng)信號具有接近馬爾科夫過程的統(tǒng)計(jì)特性時(shí)， 該變換的去相關(guān)性接近于卡洛南-洛伊變換。
【附圖說明】
[0029] 圖1為本發(fā)明基于空時(shí)相關(guān)性的大規(guī)模MMO系統(tǒng)信道反饋方法的系統(tǒng)模型。
[0030] 圖2為本發(fā)明基于空時(shí)相關(guān)性的大規(guī)模MMO系統(tǒng)信道反饋方法的一個(gè)實(shí)施例流 程圖。
[0031] 圖3為是本發(fā)明所述方法的一個(gè)實(shí)施例與現(xiàn)有技術(shù)的基于壓縮感知的信道反饋 方法的性能對比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0033] 圖1是本發(fā)明提出的基于空時(shí)相關(guān)性的大規(guī)模MMO系統(tǒng)信道反饋方法的系統(tǒng)框 圖。本發(fā)明的原理是：發(fā)射端通過發(fā)射機(jī)將導(dǎo)頻信號發(fā)送給接收端，接收端通過接收機(jī)接 收到導(dǎo)頻信號，通過信道估計(jì)模塊估計(jì)得到下行信道狀態(tài)信息。接收端的信道存儲器存儲 上一時(shí)隙的下行信道信息。將當(dāng)前估計(jì)得到的信道信息和信道存儲器中的上一時(shí)隙的信道 信息送入信道差分器，獲得相鄰信道的差值。將此差值送入壓縮感知處理模塊。壓縮感知 處理模塊包括稀疏變換器和隨機(jī)映射器，分別使用二維離散余弦變換將信道信息進(jìn)行稀疏 化，同時(shí)使用低維隨機(jī)矩陣降低信道信息的維度。將通過壓縮感知模塊處理的信道信息通 過反饋信道反饋給發(fā)射端。發(fā)射段接收到反饋的信道信息后，首先送入信道重構(gòu)模塊，這個(gè) 模塊是壓縮感知模塊的逆過程，能夠獲得壓縮感知處理之前的信道信息，也就是前后兩個(gè) 時(shí)隙信道的差值。發(fā)射端的信道存儲器也是存儲的上一時(shí)隙的下行信道信息。將信道重構(gòu) 器輸出的信號和信道存儲器中的信號輸入信道合并器，將兩個(gè)信號進(jìn)行合并，就能夠獲得 當(dāng)前下行信道狀態(tài)信息，此信道信息可以送入發(fā)射機(jī)進(jìn)行處理。其體現(xiàn)方式如下；
[0034] (1)在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中發(fā)射端采用配置N根天線的均勻線性天線陣列，N的值 較大，即發(fā)射天線規(guī)模很大。接收端配置隊(duì)根天線，本發(fā)明配置Nr為1。大量天線的密集 排列導(dǎo)致信道具有很強(qiáng)的空間相關(guān)性，具有空間相關(guān)性的信道模型表示為：
[0035]
[0036]其中％S 為獨(dú)立同分布復(fù)零均值單位方差高斯隨機(jī)向量，Rtx表示發(fā)射端的 相關(guān)矩陣。發(fā)射端第i根天線和第j根天線間的相關(guān)系數(shù)表示為：
[0038] 其中JQ( ?)表示第一類零階貝塞爾函數(shù)，Cllj表示天線間的距離，A表示載波波 長D
[0039] (2)接收端在第k個(gè)時(shí)隙接收信號可以表示為：
[0040] yit=hfsfc
[0041] 其中hAeCvxl表示第k個(gè)時(shí)隙的信道狀態(tài)矢量，\eCivxl表示第k個(gè)時(shí)隙發(fā)射端 的發(fā)射信號，^ ^Cvxl表示高斯噪聲。
[0042] 在大規(guī)模MMO系統(tǒng)中信道具有時(shí)間相關(guān)性，采用一階高斯馬爾科夫模型表示：
[0044] 其中為隨機(jī)變量其分布服從單位方差獨(dú)立同分布復(fù)高斯過程， aG[0, 1]表示時(shí)間相關(guān)系數(shù)，定義為：
[0045] a=J0 (2Jifjs)
[0046] 其中!^表示符號時(shí)間，
表示相對于移動速度V的最大多普勒頻移，f。表示 載波頻率，c= 3X108m/s。
[0047] (3)由于天線間空間相關(guān)性的存在，使信道可以通過二維離散余弦變換表示成稀 疏的形式。壓縮感知技術(shù)能夠有效的對稀疏信號進(jìn)行壓縮并能夠以很高的精度重構(gòu)信號， 所以可以將信道的空間相關(guān)