一种基于局部校准的大规模MIMO互易性校准方法

摘要

本发明提出了一种时分双工模式下的基于局部校准的大规模MIMO互易性校准方法，本方法适用于集中式天线场景和分布式天线场景，通过将基站相邻的天线划分为不同的天线组，对不同的天线组进行组内局部校准和组间校准，最终实现整体的校准，该算法的优点在于：无需来自用户端的反馈；将LS校准涉及到的天线数目限制在一定的范围内。在校准精度损失很小的情况下，可以保证校准复杂度大大降低。

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种基于局部校准的大规模MIMO互易性校准方法。

背景技术

由于具有射频链路模块成本低、抗衰落、容量大等特性，大规模MIMO技术的应用日益广泛，它已经成为未来蜂窝网络、5G通信的备选技术。在实际通信中，大规模MIMO系统往往需要获得下行信道信息(CSI)，以进行预编码，实现系统功能。

在时分双工(TDD)模式中，发送和接收信道搭载到相同的载波频率上，用保护时间间隔来实现上下行信道的分离。在整体TDD系统中，基站和用户之间的信道采用相同的载波频率，因此上下行链路信道特性相同，可以将上行信道估计到的信道增益直接用于下行信道预编码。

虽然物理信道具有互易性，但是在实际通信中，信道发射和接收过程都需要经过射频链路模块，每根天线接收和发送的射频链路是由不同的电路来分别完成，发射和接收电路的特性很难做到一致。另外，由于发射和接收电路所处的环境温度与湿度等特性不同，两套电路的特性不能做到完全相同，使得信道互易性受损，在实际通信中需要进行信道的互易性校准。

已知的互易性校准算法均采用了全局校准方案，它们将所有的天线视为一个整体。随着天线数目越来越大，全局校准方案的处理开销往往将是很大的。

但是采用更为简单的校准技术时，虽然复杂度有了很大的下降，但是校准精度损失很大。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于局部校准的大规模MIMO互易性校准方法，其精度损失小，复杂度低，适用于时分双工的大规模MIMO系统，它可以应用的场景为：(1)集中式天线场景；(2)分布式天线场景。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于局部校准的大规模MIMO互易性校准方法，适用于时分双工的大规模MIMO系统，包括如下步骤：

步骤A，将所有基站天线分为不同的组，对每组基站天线利用LS算法进行校准，获得各组基站天线的局部校准系数；

步骤B，对不同的组，选择若干根基站天线作为参考天线，获得不同组的组间校准系数；

步骤C，利用步骤A和B中得到的局部校准系数和组间校准系数，计算得到全局校准系数c＝(c₁,c₂,...,c_M)^T，c_i＝r_i/t_i(i＝1,2,....,M)，M为基站天线的总数，t_i是基站天线i的射频发射模块的等效基带增益，r_i是基站天线i的射频接收模块的等效基带增益；

步骤D，利用全局校准系数，对基站天线的发射接收模块进行调整，实现相对校准过程。

步骤A中，将基站天线尽可能平均地等分为m组，同时设置阈值d₀，保证每组内部天线之间的距离小于d₀。

步骤A中，利用LS算法进行校准的步骤如下：

步骤1，在天线组内，任意两根基站天线之间相互发送导频，测量出任意两根基站天线之间的信道增益

步骤2，利用任意两根基站天线之间的信道增益构造矩阵W：

步骤3，对矩阵W进行特征值分解，求出其最小特征值所对应的特征向量，即为局部校准系数其中i和j为基站天线的序号，m为天线组的序号，M_m为第m组天线的数目。

步骤B中，针对天线组m₁和天线组m₂组间校准时，假设一共选取n根天线作为参考天线，则从天线组m₁中选取距离天线组m₂最近的n/2根天线，从天线组m₂中选取距离天线组m₁最近的n/2根天线，组成一个新的天线组

步骤B中，利用相邻天线组递推校准时，仅从相邻天线的天线组中选取若干根基站天线组成一个新的新的天线组对新天线组进行权利要求3所述LS校准，获得不同天线组的组间校准系数

步骤B中，利用单参考组校准时，取天线组m_n/2作为参考天线组，从其它天线组中选取若干根基站天线与天线组m_n/2中的若干根基站天线组成天线新的天线组对新天线组进行权利要求3所述LS校准，获得不同天线组的组间校准系数

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)利用基站天线之间的信道响应即可完成校准过程，无需额外的硬件电路，无需来自用户端的反馈。

(2)通过设置局部校准区域的大小，在保证校准精度不受严重影响的前提下，校准复杂度大大降低。

附图说明

图1为根据本发明一个实施例的时分双工大规模MIMO系统结构示意图。

图2为根据本发明一个实施例的基于局部校准的线阵单参考组校准方法结构图。

图3为根据本发明一个实施例的基于局部校准的线阵相邻组递推校准方法结构。

图4为根据本发明一个实施例基于局部校准的线阵两种组间校准方案性能分析的仿真图。

图5为根据本发明一个实施例的基于局部校准面阵相邻组递推校准结构图。

图6为为根据本发明一个实施例基于局部校准的面阵全局校准方案和局部校准方案性能仿真图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

一个有M根基站天线和K根用户天线的大规模MIMO系统建模如图1所示。用H_DL表示等效基带的下行物理信道增益(从基站天线到终端天线之间)，则级联了射频收发模块之后的综合下行信道和上行信道如下：

其中T和R表示基站天线的射频发射模块和射频接收模块的等效基带增益矩阵，和表示用户天线的射频发射模块和射频接收模块的等效基带增益矩阵。

很容易可以得到

其中C_A＝RT^-1,忽略不同天线之间的耦合，T，R，都是对角阵。

T＝diag(t₁,t₂...,t_M)，

R＝diag(r₁,r₂...,r_M)

对于相对校准，仅需获得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较高的一种，它包括以下三个步骤：

(1)获得任意两根基站天线之间的双向的级联信道增益

(2)构造矩阵W，并进行特征值分解获得最小特征值所对应的特征向量，即为校准向量c＝(c₁,c₂,...,c_M)^T。其中W为：

LS算法校准复杂度太高，本发明将基站天线尽可能平均地等分为m组，然后对每组天线内部实行局部LS校准，再对m组天线进行组间校准，以m＝4为例，分组方案如图2所示。

组内的校准可以轻易地通过LS算法来实现。然而，组间的校准方案有许多种，考虑单参考组校准(如图2所示)和相邻组递推校准(如图3所示)两种方案。

对应于单参考组局部校准，分别对4个天线组B₁,B₂,B₃,B₄实行LS校准，获得局部校准向量对所有天线构成的整体进行LS校准，全局校准向量标记为c＝(c₁,c₂,c₃,c₄)^T，其中c_i(i＝1,2,3,4)表示全局校准向量中对应于天线组B_i的子向量。

记B_ij为进行B_i和B_j组间校准涉及到的参考天线集合，对B_ij也进行LS校准，相应的校准向量记为

定义B_ijk＝B_ij∩B_k,k＝i,j

记为中对应于B_ijk的子向量，为中对应于B_ijk的子向量，c_ijk为c_k中对应于B_ijk的子向量。

用LS算法获得的局部校准向量是相应的全局校准向量分量乘以一个常数值(这个常数值对不同的天线组是不一样的)。如果校准过程中没有噪声的影响，则和都是c_ijk的倍数，在有噪声的情况下，可以得到如下的表达式：

定义d_ijk＝α_ijk/β_ijk，易知对d_ijk的估计可以通过总体最小二乘(Total>为d_ijk的估计值

令为全局校准向量c的估计值，则可通过局部校准向量获得全局校准向量的估计值

对于相邻组递推校准，模式如图3所示。相应地，可以通过局部校准向量获得

图4显示了分组校准方案的MSE。单参考组校准和相邻组递推校准都能将复杂度降低到O(M³/16)。然而，由于路径损耗的减小，相邻组递推校准方案的精确度更高。

将相邻组递推校准扩展到二维面阵场景，如图5所示，采用局部递推校准后的性能如图6所示。可知，基于局部校准的相邻组递推校准精度损失很小，但复杂度降为O(M³/16)，校准速度大大提高。