一种无线通信链路自适应方法及上下行链路自适应方法

摘要

本发明公开了一种无线通信链路自适应方法及上下行链路自适应方法，下行传输时在每个用户处，根据各用户的统计信道信息，分别采用确定性等同方法计算对应该用户传输的自适应传输参数，然后通过反馈信道将自适应传输参数送至基站侧作为下行自适应传输的参数；上行传输时，在基站侧根据统计信道信息，采用确定性等同方法计算对应于每个用户的自适应传输参数，然后通过反馈信道将每个用户的最佳编码调制方式传送至各用户处，作为上行自适应传输参数。本发明能够极大地降低大规模天线下链路自适应参数计算的复杂度，并且性能损失较低，具有较好的鲁棒性。

说明书

技术领域

本发明涉及大规模阵列天线通信领域，特别是涉及一种无线通信链路自适应方法及上下行链路自适应方法。

背景技术

大规模阵列天线通信系统技术要求在基站侧配置大规模天线，用于同时服务大量的终端。在大规模阵列天线通信系统中，同样需要链路自适应技术来提高传输效率---使传输适用于不同的信道条件。

LTE中的链路自适应方案包括典型的闭环空分复用模型，通过在接收端计算三个参数：RI(Rank Indicator)、PMI(Precoding Matrix Indicator)和CQI(Channel QualityIndicator)。在已知预编码方式之后，CQI的选择成了链路自适应中最核心的参数。传统的CQI计算方法主要包括等效信噪比映射(ESM，Effective SINR Mapping),其中最主要的是指数等效信噪比映射(EESM，Exponential Effective SINR Mapping)---即在每个资源粒子上对相应的接收机计算信噪比，然后对所有资源块上得到的信噪比利用指数映射的方法，得到一个代表整个资源块上信噪比平均水平的等效信噪比，然后利用查表法确定CQI作为最终的自适应反馈参数。

在大规模阵列天线通信系统中，上述自适应方案整体上仍然可用，但是由于基站侧天线数目和服务的终端数量的急剧增加，采用原有的求资源块上等效信噪比的方式实现复杂度急剧增加，因此需要研究采用新的适应于大规模天线场景下的自适应参数计算方法。

因此，本发明中提出了基于随机矩阵中的确定性等同算法来计算自适应参数的技术，能够极大地降低大规模天线下链路自适应参数计算的复杂度，同时，相对于复杂度更高的蒙特卡罗遍历算法，性能上的损失很小。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种能够解决现有技术中存在的缺陷的无线通信链路自适应方法及上下行链路自适应方法。

技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的无线通信链路自适应方法，包括上行链路自适应过程和下行链路自适应过程，其中：

上行链路自适应过程包括以下步骤：

S1.1：基站根据各用户的上行信道估计得到对应的信道能量耦合阵；

S1.2：基站根据各用户信道能量耦合阵得到各用户收、发端的相关阵的函数表达；

S1.3：基站将各用户收、发端的相关阵的函数表达代入迭代方程进行迭代求解，利用迭代方程的解求出各用户可达速率下界的确定性等同近似；

S1.4：基站根据误码字率-速率表，利用各用户可达速率下界的确定性等同近似求出对应的信道质量指示，然后将信道质量指示反馈给用户，用于指示本周期内的传输方式，本周期结束后，返回步骤S1.1进行下一个周期传输参数的计算；

下行链路自适应过程包括以下步骤：

S1.5：基站在波束域进行用户调度和波束选择，确定用户集和对应的波束集；

S1.6：在调度的用户集和波束集的基础上，计算各用户在最小均方误差接收机下在所有资源块上的平均可达速率的确定性等同；

S1.7：根据平均可达速率，通过查找误码字率-速率表，得到用户对应的信道质量指示，根据信道质量指示确定用户本周期内的下行链路传输的编码调制方式，本周期结束后，返回步骤S1.5进行下一传输周期的传输参数的计算。

本发明所述的无线通信上行链路自适应方法，包括以下步骤：

S2.1：基站根据各用户的上行信道估计得到对应的信道能量耦合阵；

S2.2：基站根据各用户信道能量耦合阵得到各用户收、发端的相关阵的函数表达；

S2.3：基站将各用户收、发端的相关阵的函数表达代入迭代方程进行迭代求解，利用迭代方程的解求出各用户可达速率下界的确定性等同近似；

S2.4：基站根据误码字率-速率表，利用各用户可达速率下界的确定性等同近似求出对应的信道质量指示，然后将信道质量指示反馈给用户，用于指示下一个周期内的传输方式，下一个周期结束后，返回步骤S2.1。

进一步，所述步骤S2.1中的信道能量耦合阵Ω_k按照式(1)进行计算：

式(1)中，N为子载波的总数，L为采样时间点的总数，U_r,k为接收端相关阵的特征矩阵，h_k,l,t为用户k的频域信道估计，U_t,k为发送端相关阵的特征矩阵，⊙表示矩阵hardmad乘积。

进一步，所述步骤S2.2中的接收端相关阵函数如式(2)所示：

$>{\tilde{\eta }}_k\left(\tilde{D}\right)=U_{r,k}{\tilde{\Pi }}_k\left(\tilde{D}\right)U_{r,k}^H---\left(2\right)$>

式(2)中，U_r,k为接收端相关阵的特征矩阵，为M×M阶对角矩阵，对角元素为M为发送端天线数目，Ω_k为用户k的信道能量耦合阵，如果用户为单天线，则Ω_k退化为向量，[Ω_k]_i代表向量Ω_k中第i个位置的元素，为M×M阶矩阵变量；

发送端相关阵函数η_k(D)如式(3)所示：

$>{\eta }_k\left(D\right)=U_{t,k}{\Pi }_k\left(D\right)U_{t,k}^H---\left(3\right)$>

式(3)中，U_t,k为发送端相关阵的特征矩阵，

进一步，所述步骤S2.3中的迭代方程如式(4)—(7)所示：

其中z为标量自变量，算子值柯西变换函数，中间函数变量，Φ(z)、为中间矩阵函数变量，I_M为单位阵，K为用户数，为用户k接收端相关阵函数，η_k为用户k发送端相关阵函数；

一轮迭代的过程为：设置式(7)的初始值，然后将式(7)代入式(5)中，再将式(5)代入式(4)中，最后将式(4)代入式(6)中。

本发明所述的无线通信下行链路自适应方法，包括以下步骤：

S6.1：基站在波束域进行用户调度和波束选择，确定用户集和对应的波束集；

S6.2：在调度的用户集和波束集的基础上，计算各用户在最小均方误差接收机下在所有资源块上的平均可达速率的确定性等同；

S6.3：根据平均可达速率，通过查找误码字率-速率表，得到用户对应的信道质量指示，根据信道质量指示确定用户下行链路传输的编码调制方式。

进一步，所述步骤S6.1中的用户调度和波束选择采用最大化系统和速率准则，采用贪婪算法进行用户集和波束集的搜索。

有益效果：本发明公开了一种无线通信链路自适应方法及上下行链路自适应方法，采用基于随机矩阵中的确定性等同算法来计算自适应参数，能够极大地降低大规模天线下链路自适应参数计算的复杂度，并且性能损失较低，具有较好的鲁棒性。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中的上行链路自适应方法示意图；

图2为本发明具体实施方式中的下行链路自适应方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。

本具体实施方式公开了一种无线通信上行链路自适应方法，如图1所示，假设一个包含配置M根天线的基站和K个单天线终端的Massive MIMO系统。假设M和K都很大，典型值如M＝64，K＝32等，K个单天线终端各自独立地向基站传输数据，在基站侧同时接收K个终端的数据：

$>y=\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{h}_k{x}_k+n---\left(1\right)$>

式(1)中，y为基站侧接收信号，h_k为用户k的上行信道，x_k为用户k的数据信号，n为复高斯白噪声。

采用LMMSE接收机进行联合信号检测和解码，根据LMMSE接收机的遍历可达速率表达式，求出其下界的确定性等同。计算确定性等同时，需要计算收发端相关阵通过矩阵的运算变形，将其转化为信道能量耦合阵Ω_k的函数。然后根据确定性等同的核心迭代不动点方程，求得和速率下界的确定性等同。用该和速率下界的确定性等同作为和速率的近似，并依据此值查找CWER-RATE表，得到CQI值。CQI也即信道质量指示。下面对该方法进行详细介绍：

S1.1：基站根据各用户的上行信道估计得到对应的信道能量耦合阵Ω_k，如式(1)所示：

式(1)中，N为子载波的总数，L为采样时间点的总数，U_r,k为接收端相关阵的特征矩阵，h_k,l,t为用户k的频域信道估计，U_t,k为发送端相关阵的特征矩阵，⊙表示矩阵hardmad乘积。

S1.2：基站根据各用户信道能量耦合阵得到各用户的接收端相关阵函数以及发送端相关阵函数η_k：

接收端相关函数可以写为U_r,k为接收端相关阵的特征矩阵，为M×M阶对角矩阵，对角元素为M为发送端天线数目，Ω_k为用户k的信道能量耦合阵，如果用户为单天线，则Ω_k退化为向量，[Ω_k]_i代表向量Ω_k中第i个位置的元素，为M×M阶矩阵变量。

此外，在M足够大的时候，U_r,k可以用M维的DFT矩阵来近似，即U_r,k＝F_M，F_M为DFT矩阵。

发送端相关函数可以写为其中因为终端为单天线，因此U_t,k退化为标量1，Π_k(D)也为标量。

S1.3：基站将各用户收、发端的相关阵的函数表达代入迭代方程进行迭代求解，利用迭代方程的解求出各用户可达速率下界的确定性等同近似。迭代方程如式(2)—(5)所示：

其中z为标量自变量，算子值柯西变换函数，中间函数变量，Φ(z)、为中间矩阵函数变量，I_M为单位阵，K为用户数，为用户k接收端相关阵函数，η_k为用户k发送端相关阵函数。

一轮迭代的过程为：设置式(5)的初始值，然后将式(5)代入式(3)中，再将式(3)代入式(2)中，最后将式(2)代入式(4)中。一轮迭代结束后，下一轮开始由上一轮的式(4)计算的值更新式(5)，再循环往复。迭代终止条件为K维向量前后两次迭代的相对误差小于给定值ε，说明迭代过程收敛。

S1.4：基站根据误码字率-速率表，利用各用户可达速率下界的确定性等同近似求出对应的信道质量指示，然后将信道质量指示反馈给用户，用于指示本周期内的传输方式，本周期结束后，返回步骤S1.1进行下一个周期传输参数的计算。具体过程如下：

迭代方程中式(5)收敛时的解为上行传输时用户k信号的遍历可达速率下界的确定性等同近似，其中，

实际中代入z＝-σ²。为MMSE接收机下的遍历可达速率，I_K为单位阵，σ²为噪声方差，H为信道矩阵。

为了得到CQI，需要通过信道仿真得到CWER-RATE查找表，也即码字率-速率表。具体方法为，对于每个MCS方式：

1.设置合适的SNR(信噪比)区间；

2.生成大量的信道实现样本N_h，样本数量足够大使得仿真能够涵盖所有的信道情况；

3.对每个信道样本，遍历足够多的白噪声实现样本；

4.对于每个SNR值，统计其平均的CWER_i值和对应的可达速率R_i，这样可以得到一个CWER_i～R_i曲线；

5.综合15个MCS，可以得到15组CWER_i～R_i曲线组成的图，根据CWER门限值(典型值0.1)得到对应的查找表。

利用各用户可达速率下界的确定性等同近似，在该查找表中找到满足门限值的且码率最高的MCS方式对应的CQI作为最终的反馈值。

本具体实施方式还公开了一种无线通信下行链路自适应方法，如图2所示，的自适应参数的计算也在基站侧进行，相较上行自适应，主要区别在于需要考虑下行传输时基站侧采用的预编码，利用Massive MIMO中最新的BDMA方案，即在基站侧考虑波束域预编码。在该预编码方式下，仍然在基站侧估计接收端遍历可达速率，然后根据该可达速率查找CWER-RATE表，确定下行传输的CQI。另外，考虑终端包含多天线，具体步骤如下：

S1.5：基站在波束域进行用户调度和波束选择，确定用户集和对应的波束集。这里的用户调度和波束选择采用最大化系统和速率准则，采用贪婪算法进行用户集和波束集的搜索。

S1.6：在调度的用户集和波束集的基础上，计算各用户在最小均方误差接收机下在所有资源块上的平均可达速率的确定性等同。平均可达速率采用确定性等同方法计算，依赖于统计信道信息——下行信道的信道能量耦合阵。由于信道能量耦合阵具有上下行的互易性，因此可以根据步骤S1.1得到的上行链路的信道能量耦合阵Ω_k计算下行链路的信道能量耦合阵，并根据信道能量耦合阵计算收、发端相关阵函数。接下来就可以计算平均可达速率，具体过程如下：

用户k的遍历可达速率表达式为：

式(7)中，Q为所有用户发射信号能量组成的功率分配矩阵(为一对角阵)，Q_k＝Q-Q_k，Q_k为用户k发射信号的功率矩阵。

定义为一确定性等同，定义则

的确定性等同计算表达式为：