在多用户大规模MIMO系统中进行信道估计的方法和设备

摘要

本发明提供了一种在多用户大规模多输入多输出系统中进行信道估计的方法。基于每个用户设备的空间相关矩阵，为每个用户设备选择候选导频。通过确定不同用户设备之间的空间相关矩阵的相似性，可以得出它们之间共享的导频，并且基站可以发送导频的并集以进行信道估计。本发明能够提供高信道估计精度并且能够减少训练信号资源。

说明书

技术领域

本发明总体上涉及大规模多输入多输出(MIMO)通信系统。特别地，本发 明涉及在多用户(MU)大规模MIMO系统中进行信道估计的方法和设备。

背景技术

由于各种优点，例如，大的波束成形增益和空间复用增益以及高空间分辨率， 大规模MIMO通信在下一代蜂窝系统的将来部署中已经引起了极大的兴趣。在大 规模MIMO系统中，发射器具有大量发射天线，例如，多于100个。大规模MIMO 系统可以提供低维数的有效信道、空间维数减少的信道估计(CE)以及最佳的训 练信号。

对于具有许多用户设备(UE)的频分双工(FDD)大规模MIMO系统的下 行链路的信道估计来说，当使用LTE标准给出的小区专用参考信号(CRS)时， 训练信号的数量与天线的数量大致相同。当使用每个UE的专用导频执行信道估 计时，训练信号的数量与UE的数量大致相同。上述两种方法都将消耗大量的资 源来训练信号。

US8837621涉及一种将离散导频插入到正交频分复用(OFDM)系统的发射 信号中以在离散导频的基础上估计信道性能的方法、多天线OFDM系统和OFDM 接收器。该发明使用传统的MIMO信道估计(CE)方法，包括：仅在天线的子 集上发射导频参考信号以减少开销，以及进行空间内插以获得其他天线的信道估 计。然而，当空间相关性不足够高时，估计误差大。

US20150016379涉及一种MIMO传输方法，包括：基于与预定的特定组相关 矩阵和之间的信道空间相关性以及预定阈值，对用户进行分组；以及使用特定组 相关矩阵的本征向量作为导频来为分组用户执行信道估计。然而，每个组的导频 可能不能覆盖每个分组用户的所有空间方向，从而降低了信道估计的精度。

US20130163544公开了一种用于波束成形和信息反馈的方法。该发明使用预 定的波束成形向量，例如，DFT列。为每个UE选择具有最高增益的单个波束成 形向量作为数据传输的预编码器。由于不需要进行信道估计，所以节省了许多计 算。然而，如果不能获得瞬时信道状态信息，就不能完全实现波束成形增益和空 间复用增益。

本领域需要一种高精度并且对训练信号资源的需求减少的用于估计大规模 MIMO信道的方法。该方法在下行链路信道估计期间存在很多UE的情况下特别 有用。

发明内容

因此，本发明提供了一种在多用户(MU)大规模多输入多输出(MIMO) 系统中进行信道估计的方法。本发明还提供了利用这种信道估计方法的基 站(BS)。

根据本发明的实施例，一种用于在多用户(MU)MIMO系统中进行 信道估计的方法，包括：由基站(BS)获得或者生成多个候选导频，其 中，每个候选导频被分配有索引以便识别；获得每个UE的空间相关矩阵； 从单个UE的空间相关矩阵获得所述单个UE的主导空间相关矩阵；基于 所述单个UE的主导空间相关矩阵，计算所述单个UE的对应于单个候选 导频的平均接收信号强度；为所述单个UE选择用于信道估计的候选导频 的子集，其中，如果对应于所述单个候选导频的所述平均接收信号强度高 于阈值，则将所述单个候选导频确定为位于所述子集中；将用于信道估计 的所述候选导频的子集进行组合以形成用于UE的导频的并集；将属于所 述导频的并集的候选导频的索引广播至UE；将导频的并集从所述BS发 送到UE；以及基于接收的导频的并集和广播的候选导频的索引，在UE 执行信道估计。

根据本发明的实施例，一种用于与多用户(MU)大规模多输入多输 出(MIMO)系统的多个用户设备(UE)通信的基站(BS)，该BS包括 射频(RF)发生器和被配置为执行信道估计进程的一个或多个处理器， 其中所述信道估计进程包括：获得或者生成多个候选导频，其中，每个候 选导频被分配有索引以便识别；通过单个UE的空间相关矩阵确定所述单 个UE的主导空间相关矩阵；基于所述单个UE的主导空间相关矩阵，计 算所述单个UE的对应于单个候选导频的平均接收信号强度；为所述单个 UE选择用于信道估计的候选导频的子集，其中，如果对应于所述单个候 选导频的所述平均接收信号强度高于阈值，则将所述单个候选导频确定为 位于所述子集中；将用于信道估计的所述候选导频的子集进行组合以形成 用于UE的导频的并集；将RF发生器配置成将属于所述导频的并集的候 选导频的索引广播至UE；将所述RF发生器配置成将导频的并集发送到 UE，从而可以基于接收的导频的并集和广播的候选导频的索引在UE实 现信道估计。

根据本发明的实施例，一种用于全维度(FD)多输入多输出(MIMO) 系统的信道估计方法，所述系统具有基站(BS)和多个用户设备(UE)， 该BS具有天线阵列，所述天线阵列具有代表仰角的多个行和代表方位的多 个列，所述方法包括：由所述BS获得或者生成候选导频的第一集合和第 二集合，其中，每个候选导频被分配有索引以便识别；获得每个UE的垂 直信道相关矩阵；从单个UE的垂直信道相关矩阵获得所述单个UE的第 一主导空间相关矩阵；基于所述单个UE的第一主导空间相关矩阵，计算 所述单个UE的对应于第一候选导频集合中的单个候选导频的第一平均 接收信号强度；从所述第一候选导频集合中为所述单个UE选择用于信道 估计的候选导频的第一子集，其中，如果对应于前述的单个候选导频的所 述第一平均接收信号强度高于阈值，则将所述第一候选导频集合中的所述 单个候选导频确定为位于第一子集中；将用于信道估计的所述候选导频的 第一子集进行组合以形成用于UE的导频的第一并集；将属于所述导频的 第一并集的候选导频的索引广播至UE；获得每个UE的水平信道相关矩 阵；从单个UE的水平信道相关矩阵获得所述单个UE的第二主导空间相 关矩阵；基于所述单个UE的第二主导空间相关矩阵，计算所述单个UE 的对应于第二候选导频集合中的单个候选导频的第二平均接收信号强度； 从所述第二候选导频集合中为所述单个UE选择用于信道估计的候选导 频的第二子集，其中，如果对应于前述的单个候选导频的所述第二平均接 收信号强度高于阈值，则将所述第二候选导频集合中的所述单个候选导频 确定为位于第二子集中；将用于信道估计的候选导频的第二子集进行组合 以形成用于UE的导频的第二并集；将属于所述导频的第二并集的候选导 频的索引广播至UE；由所述BS基于导频的所述第一并集和第二并集获 得所述天线阵列的导频；将所述天线阵列的导频从所述BS发送到UE； 以及基于接收的导频和广播的属于所述第一并集和第二并集中的每一个 的候选导频的索引，在UE执行信道估计。

本发明的方法能够提供高信道估计精度并且能够降低对训练信号资 源的需求。

附图说明

下面参考附图详细描述本发明的实施例，其中：

图1是示出根据本发明的实施例的在MU大规模MIMO系统中进行信道估 计的方法的流程图；

图2示出了根据本发明的实施例的将导频发送到多个UE的BS；

图3A描述了根据本发明的实施例的将导频发送到三个UE的BS；

图3B是示出对应于根据图3A的设置的三个UE的不同候选导频的平均信号 强度值的曲线图；

图4示出了根据本发明的实施例的将导频的并集发送到三个UE的BS；

图5是描述根据本发明的实施例的MU大规模MIMO系统的流程图；及

图6描述了根据本发明的实施例的全维度MIMO系统。

具体实施方式

在下面的描述中，以优选实例的方式阐述了在MU大规模MIMO系统中进行 信道估计的方法及相应的设备。对本领域技术人员来说是显而易见的是，在不背 离本发明的范围和精神的情况下，可以做出包括增加和/或替换在内的修改。为了 不混淆本发明，某些具体细节可能被忽略；然而，撰写本公开是为了使本领域技 术人员能够在无须过度实验的情况下实施本教导。

图1是示出根据当前要求保护的发明的实施例的对MU大规模MIMO系统进 行信道估计的方法的流程图。在步骤101，BS获得或生成用于信道估计的多个候 选导频，并且每个候选导频被分配有索引以便识别。候选导频可以是一些预定的 导频，或者通过特定算法生成的导频。一般情况下，候选导频是在不需要考虑 UE的信道状态信息的情况下而获得或生成的导频。然而，本发明并不仅限于在 执行步骤101时不考虑该信息的情况。从候选导频中选择将用于每个单独UE的 信道估计的导频或训练信号。在步骤102，获得多个UE中的每个UE的空间相关 矩阵。在步骤103，从单个UE的空间相关矩阵获得单个UE的主导空间相关矩阵。 在步骤104，基于单个UE的主导空间相关矩阵，计算对应于单个UE的单个候选 导频的平均接收信号强度。在步骤105，为单个UE选择用于信道估计的候选导 频的子集。如果对应于候选导频的平均接收信号强度高于阈值，则选择候选导频。 在存在许多UE的情况下，当某些UE碰巧在地理上彼此接近时，某些候选导频 可以由不止一个UE共享，从而在对所有UE进行信道估计时降低了对训练资源 的要求。在步骤106，将用于信道估计的候选导频的所有子集进行组合以形成用 于所有UE的导频的并集。在步骤107，将属于导频的并集的候选导频的索引广 播至所有UE。在步骤108，将导频的并集从BS传输到UE。在步骤109，基于传 输的导频的并集和广播的候选导频的索引，在UE执行信道估计。

图2描绘了根据本发明的实施例的将导频信号发送到多个UE的BS。系统包 括三个UE和BS204，所述三个UE包括UE1201、UE2202和UE3203。由于 UE1201和UE2202之间的到达角彼此接近，所以一些候选导频在很大程度上位 于R1和R2的主导本征空间内，其中，R1和R2分别是UE1201和UE2202的 空间相关矩阵。位于主导本征空间内的候选导频可以由不止一个的用户设备共 享，这样可以显著减少训练开销(例如，导频的数量)。在本发明中，通过确定 多个不同UE之间的空间相关矩阵的相似性，可以得出共享导频，并且传输导频 的并集，从而减少了训练信号的总量。示例性地，通过一个UE的主导本征向量 的集合与另一个UE的主导本征向量的集合的相关度，确定UE之间的空间相关 矩阵的相似性。

下文进一步阐释了根据本发明的一些实施例的步骤101-106。

在步骤101，优选地，候选导频相互正交。在一个实施例中，候选导频由DFT 矩阵的列形成。

在步骤102，可以通过在信道测量中估计空间相关性来确定空间相关矩阵。 根据本发明的实施例，通过利用参考信号(例如，LTE中的探测参考信号(SRS)) 执行的信道探测，确定空间相关矩阵。首先，通过利用参考信号执行的信道探测， 估计上行链路空间相关矩阵，如下式所示：

R＝E[hh^H]

其中，h是信道向量。

然后，当下行链路空间相关矩阵与上行链路空间相关矩阵相匹配时，确定单 个UE的下行链路空间相关矩阵。

在步骤103，可以通过考虑空间相关矩阵的主导本征空间来确定主导空间相 关矩阵，以降低计算复杂度。例如，通过减小空间相关矩阵(R)的尺寸来计算 主导空间相关矩阵。将空间相关矩阵定义为：

R＝QΛQ^H,Λ＝diag(λ₁,…,λ_N)∈C^N×N,Q＝[q₁,…,q_N]∈C^N×N，

其中，Q表示R的本征向量，λ_i表示R的第i个最大本征值，并且q_i表示对应 于R的第i个最大本征值的本征向量。主导空间相关矩阵(R_d)由下式给出：

Λ_d＝diag(λ₁,…,λ_r)∈C^r×r,Q_d＝[q₁,…,q_r]∈C^N×r，

其中，r表示主导本征值的数量，并且Q_d由对应于r个最大本征值的r个本征 向量形成。

在步骤104，基于主导空间相关矩阵，确定对应于单个候选导频的平均接收 信号强度：

$P_i=\underset{n=1}{\overset{r}{\Sigma }}{\lambda }_n|f_i^H{q}_n{|}^2=|\left|f_i^H\left(Q_d{\Lambda }_d^{1/2}\right)\right|{|}_F^2=f_i^H{R}_d{f}_i$

其中，P_i是对应于第i个候选导频(f_i)的平均接收信号强度，并且R_d是UE 的主导空间相关矩阵。

在步骤105，用于信道估计的候选导频的子集可由下式确定：

S＝{i:P_i>β·maxP_i}

其中，S是候选导频的子集，P_i是第i个平均接收信号，并且β是阈值因子。 当平均接收信号大于阈值因子β和平均接收信号的最大值的乘积时，将相应的候 选导频添加到子集中。

图3A和3B举例说明了用于信道估计的预先确定的导频的子集的确定。在图 3A中，示出了三个UE以及位于原点的BS304，所述三个UE包括UE1301、 UE2302和UE3303。UE1301、UE2302和UE3303的到达角(AoA)分别为0°、 φ和2φ。当AoA间隔为4π/30时，对应于每个UE的不同候选导频的平均接收信 号与这些候选导频的索引之间的关系在图3B中示出。当对应于某些候选导频的 平均接收信号大于阈值时，选择这些候选导频。从图3B可以看出，UE2302与 UE1301和UE3303共享一些它的候选导频。

在步骤106，因为将用于信道估计的所有的候选导频的集合组合到一起以形 成用于所有UE的导频的并集，所以具有相似空间相关性的不同UE可以共享一 些导频，这样可以减少训练开销。这在图4中示出。

在图4中，示出了三个UE和BS404，所述三个UE包括UE1401、UE2402 和UE3403。UE1401对应于候选导频的第一子集，即，S1＝{2,3,4,5,6,7,8}，UE2 402对应于候选导频的第二子集，即，S2＝{6,7,8,9,10,11,12}，并且UE3403对应 于候选导频的第三子集，即，S3＝{51,52,53,54}。在将候选导频的这三个子集组 合到一起后，BS将导频的并集(即，S＝{2～12，51～54})发送到这三个UE。 由于UE1401和UE2402共享索引为6～8的候选导频，所以减少了发送到这三 个UE的导频的总数，从而降低了下行链路训练开销。

图5是描述根据本发明的实施例的MU大规模MIMO系统的流程图。BS500 包括候选导频发生器501、导频选择模块502、导频发生器503、射频发生器504 和BS天线505。UE_K506包括导频索引解调模块507、导频再生器508、信道估 计模块509和UE天线510。候选导频发生器501生成多个候选导频。导频选择 模块502根据本发明的方法的任一种实施方式选择用于信道估计的合适的候选导 频。导频发生器503生成导频，生成的导频被进一步地发送到射频发生器504， 并随后通过BS天线505经由无线电信道511传输。导频索引也通过射频发生器 504和BS天线505经由信道511广播。随后，UE_K506使用导频索引解调模块507 来获得导频索引。为了执行UE_K506的信道估计，在UE天线510通过信道511 接收导频，以产生接收的训练信号512。从导频索引解调模块507获得的导频索 引用于通过导频再生器508重新生成导频。信道估计模块509基于重新生成的导 频和接收的训练信号512，在UE_K506执行信道估计。

图6描述了根据本发明的实施例的全维度(FD)MIMO系统。该FDMIMO 系统包括具有N行(代表仰角)和M列(代表方位)的N×M天线阵列601。通 过R_v∈C^N×N获得垂直信道相关矩阵，并通过R_l∈C^M×M获得水平信道相关矩阵，这 样从BS到UE的h:MN×1向量化信道具有下述关系：

$R=E\left[{\mathrm{hh}}^H\right]=R_l\otimes R_v\in C^{MN\times MN}$

其中，表示克罗内克(Kronecker)积。

可以将在水平维度和垂直维度中对导频的选择分离。首先，利用R_v和R_l得出 每个维度的导频。然后，克罗内克积用于获得天线阵列的导频，其由f表示，如 下所示：

$f=f_l\otimes f_v$

其中，f_l的维度为M×1，其表示水平方向中的导频，并且f_v的维度为N×1， 其表示垂直方向中的导频。注意，f的维度为MN×1。

本文所公开的实施例可以使用通用或专用计算设备、计算机处理器或电子电 路来实现，所述电子电路包括但不限于数字信号处理器(DSP)、专用集成电路 (ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)以及根据本公开的教导配置或编程的其 它可编程逻辑器件。运行在通用或专用计算设备、计算机处理器或可编程逻辑器 件中的计算机指令或软件代码可以由软件或电子领域的技术人员基于本公开的 教导容易地制备。

在一些实施例中，本发明包括具有存储在其中的计算机指令或软件代码的计 算机存储介质，所述计算机指令或软件代码可用于对计算机或微处理器进行编程 以执行本发明的任意一个进程。所述存储介质可以包括但不限于：软盘、光盘、 蓝光光盘、DVD、CD-ROM和磁光盘、ROM、RAM、闪存设备或者适于存储指 令、代码和/或数据的任何类型的介质或设备。

出于举例说明和描述的目的而提供了本发明的前述说明。并不旨在穷举或者 将本发明限制到所公开的精确形式。许多修改和变化对本领域的技术从业者来说 将是显而易见的。

选择并描述实施例是为了最好地解释本发明的原理及其实际应用，从而使得 本领域技术人员能够理解本发明的各种实施例，并且能够做出适于预期的特定用 途的各种修改。本发明的范围由以下的权利要求书及其等价物限定。