一種對2×2tdd-mimo系統信道的互易性喪失補償方法

2023-06-23 23:35:51

專利名稱：：一種對2×2tdd-mimo系統信道的互易性喪失補償方法
技術領域：
：本發明屬於通信
技術領域：
，涉及鏈路補償，具體地說是針對2X2TDD-MIMO系統中由I/Q不平衡所引起的信道互易性喪失這一問題的補償方法，應用於存在I/Q不平衡的2X2TDD-MIMO移動通信系統中。
背景技術：
：基於直接轉換結構的收發信機在近年來受到了廣泛的關注。與傳統的超外差結構相比，直接轉換結構省略了中頻處理的環節，直接實現基帶信號和射頻信號的相互轉換，這樣就在體積、功耗以及集成度方面有了顯著改進，因此成為通信設備設計的一個發展方向。但直接轉換結構也存在一些問題，其中一個問題就是I/Q不平衡。由於發射機的正交上變頻和接收機的正交下變頻都在模擬域進行，因此模擬器件的非理想性所引起的I/Q不平衡存在於上變頻過程和下變頻過程中。I/Q不平衡會引起附加直流偏置、I/Q兩路幅度增益不等以及相位不正交等問題，導致系統性能下降。I/Q不平衡對系統性能的影響在單入單出SISO系統中表現得並不明顯，然而隨著現代無線通信系統中多天線、發送預編碼及正交頻分復用OFDM等新技術的使用，I/Q不平衡的影響表現得越來越嚴重，已經成為制約系統性能的一個不可忽視的因素。為了支持高速無線數據傳輸，多入多出MIMO技術已經被廣泛研究並成為未來無線通信系統中所採用的基本技術。假設MIMO系統有N根發射天線和M根接收天線，則能獲得的空間復用增益為min{Ν,Μ}，可以大幅提高數據傳輸速率。在實際中，奇異值分解SVD傳輸成為一種非常直觀的MIMO傳輸結構。通過奇異值分解，MIMO信道被分解成為多個增益不等的並行子信道。發端可以通過注水算法進行功率分配從而實現系統容量的最大化。結合注水功率分配的SVD傳輸可以看作是一種MIMO信道最佳預編碼方法。系統進行結合注水功率分配的SVD傳輸時，收發兩端需要知道通信鏈路的信道狀態信息CSI。收端可以通過對接收訓練序列進行檢測而獲得CSI，但發端獲取CSI的過程往往不能如此簡單。在FDD系統中，上下行鏈路工作於不同頻點，基站BS需要移動臺MS的反饋才能獲知下行鏈路信道狀態信息DL-CSI，這種反饋需要專門的反饋鏈路，增加了系統開銷。而TDD系統的上下行信道具有互易性，BS可以通過對上行鏈路的檢測而獲得上行鏈路信道狀態信息UL-CSI，根據互易性，此時的UL-CSI也就等同於DL-CSI，因此BS可據此UL-CSI進行發送預處理以獲得最大系統容量。該過程利用信道互易性避免使用專門的反饋信道，節省了系統開銷，因此信道互易性也成為TDD系統的一個固有優勢。然而當系統存在I/Q不平衡時，信號受到實際的無線信道和I/Q不平衡的共同影響。此時雖然實際的無線信道仍然互易，但上下行鏈路的I/Q不平衡狀況不一定對稱，因此實際檢測到的上下行信道就不一定是互易的。如果I/Q不平衡已經導致了上下行信道互易性的喪失，但BS仍舊根據檢測到的UL-CSI來進行下行發送預處理，則由於上下行互易性的喪失，預編碼操作出現偏差，導致獲得的系統容量大大降低。在這種情況下，I/Q不平衡的影響必須仔細考慮並進行補償。否則系統性能將嚴重受損，使得信道互易性這一TDD系統的固有優勢不但無法利用，甚至成為制約系統性能的不利因素。目前在高速無線通信領域對I/Q不平衡影響的研究基本上局限於OFDM系統的接收端，僅對由其引起的OFDM子載波間的正交性喪失進行補償，而無法對發送端和接收端都存在I/Q不平衡的TDD-MIMO系統的互易性喪失進行補償，這樣會導致在TDD-MIMO系統中，由於上下行信道互易性的喪失，預編碼操作出現偏差，使得系統的容量大大降低。同時在僅考慮接收端的I/Q不平衡的情況下，對於MS來說，進行I/Q不平衡的補償需要執行和BS相同的處理過程，這將增加MS的系統複雜度。
發明內容本發明的目的在於避免上述已有技術的缺點，提供一種針對由I/Q不平衡所導致的2X2TDD-MIM0系統信道互易性喪失的補償方法，避免預編碼操作的偏差，提高系統容量，同時使BS仍可根據上行檢測到的UL-CSI直接進行下行發送預編碼，而不需要專門的反饋鏈路，節省系統開銷，保持TDD系統的固有優勢。本發明的目的是這樣實現的BS和MS在正式通信之前，測量出各自接收方向上的信道矩陣，然後將測量結果匯總至BS處，由BS求解兩個校準矩陣，然後BS和MS在正式通信時分別用所求校準矩陣進行發送預處理從而實現對I/Q不平衡所致信道互易性喪失的補償，其步驟包括如下(1)正式通信前基站BS向移動臺MS發送下行信道訓練序列，MS接收後估計出下行鏈路信道狀態矩陣Hd;(2)MS向BS發送上行信道訓練序列，BS接收後估計出上行鏈路信道狀態矩陣Hu；(3)MS將估計出的Hd發送給BS；(4)將系統的復基帶發送接收模型進行變換，得出I/Q兩路分離的等效發送接收系統模型，在此等效系統模型的基礎上分別定義用於BS的校準矩陣Kb和用於MS的校準矩陣Km如下aB、bE、cE、dB、eB、fB*KB中的有效校準元素，效校準元素；(5)對Kb和Km分別進行列向量化，即vec(Kb)=SBd},vec(KM)=SM^M，其中dB=[aBbBcBd%f,3]dM=[aMbM"MdMΘμfIt丄Μ」推導得出(6)BS根據Ηυ、Hd、dB、dM、Sb及Sm構造互易性保持函數其中，下標F表示Frobenius範數，符號表示Kronecker積，I表示單位矩陣，對互易性喪失進行補償的最終目標就是使互易性保持函數取得最小值(7)求解矩陣W、的最小特徵值對應的特徵向量χ並進行單位化處理得到的矢量即為滿足補償目標的矢量，進而可得到校準矩陣Kb的值和Km的值；(8)BS保留KB，並將Km發送給MS；(9)正式通信過程開始，BS用預校準矩陣Kb對待發信號進行預處理後發送給MS,MS用預校準矩陣Km對待發信號進行預處理後發送給BS，以保持上行鏈路和下行鏈路的互易性。本發明具有以下優點1)本發明中BS用預校準矩陣Kb對待發信號進行預處理後發送給MS，MS用預校準矩陣Km對待發信號進行預處理後發送給BS，保持了上行鏈路和下行鏈路的互易性，提高了系統容量；2)本發明對互易性的補償只需在正式通信開始前執行一次，因此增加的系統開銷極為有限，這種有限的開銷換來了TDD-MIMO系統互易性的繼續保持，從而避免使用專門的反饋鏈路，節省了大量系統開銷，使TDD系統的固有優勢得到保持；3)本發明對發射機和接收機都存在I/Q不平衡的情況進行聯合考慮並對由此導致的信道互易性進行補償，避免了僅對接收機端I/Q不平衡進行補償的局限性；4)本發明由於通過求解發送校準矩陣Kb和Km並將其應用到發射機端，因而在發射機端和接收機端都存在I/Q不平衡的情況下，僅在發射機端進行處理即可補償由I/Q不平衡引起的信道互易性喪失，降低了複雜度；5)本發明中對校準矩陣Kb和Km的求解放在BS進行，而MS僅執行發送預校準，因此可降低對MS的複雜度要求。圖1是現有存在I/Q不平衡的單天線系統的發送端示意圖；圖2是現有存在I/Q不平衡的單天線系統的接收端示意圖；圖3是本發明對發射機和接收機進行I/Q不平衡校準的過程示意圖；圖4是基站BS應用校準矩陣對I/Q不平衡進行校準的過程示意圖；圖5是移動臺MS應用校準矩陣對I/Q不平衡進行校準的過程示意圖；圖6是I/Q不平衡校準前後系統的平均容量對比示意圖。具體實施例方式參照圖3，本發明對發射機和接收機進行I/Q不平衡校準，包括如下步驟步驟1，基站BS向移動臺MS發送下行鏈路信道訓練序列，MS接收後估計出下行鏈路信道狀態矩陣Hd。矩陣氏步驟2，MS向BS發送上行鏈路信道訓練序列，BS接收後估計出上行鏈路信道狀態步驟3，MS將自身估計出來的矩陣Hd發送給BS。步驟4，BS定義分別用於自身和用於MS的預校準矩陣Kb和Km。[4a]理想2X2MIM0系統的復基帶發送接收模型本發明使用校準矩陣Kb和Km對I/Q不平衡進行校準，這兩個校準矩陣的定義是求解的基礎。因為本發明是對系統的I路信號和Q路信號分開進行補償處理的，因此確定Kb和Km形式的時候，要基於I/Q分離的等效發送接收系統模型。因此需要將原始的復基帶發送接收模型轉化為I/Q相互分離的形式。理想2X2MIM0系統的復基帶發送接收模型為其中Xl和x2分別表示發射機第1根和第2根天線發送的等效基帶覆信號，yi和y2分別表示接收機第1根和第2根天線接收的等效基帶覆信號，hu(i，j=1,2)表示第j根發射天線到第i根接收天線間的等效基帶覆信道係數，h和n2分別表示接收機第1根和第2根天線處的等效基帶復噪聲。將復基帶發送接收模型的I路分量和Q路分量分開表示，得到等效的發送接收模型為其中Xl和x2分別表示發射機第1根和第2根天線發送的等效基帶覆信號，和y2分別表示接收機第1根和第2根天線接收的等效基帶覆信號，hu(i，j=1,2)表示第j根發射天線到第i根接收天線間的等效基帶覆信道係數，h和n2分別表示接收機第1根和第2根天線處的等效基帶復噪聲；xn和x2I分別表示發射機第1根和第2根天線發送的等效基帶覆信號的I路分量，x1Q和x2Q分別發射機第1根和第2根天線發送的等效基帶覆信號的Q路分量，yn和y2I分別表示接收機第1根和第2根天線接收的等效基帶覆信號的I路分量，y1Q和y2Q分別表示接收機第1根和第2根天線接收的等效基帶覆信號的Q路分量，hUI(i，j=1,2)表示第j根發射天線到第i根接收天線間的等效基帶覆信道係數的I路分量，hijQ(i，j=1,2)表示第j根發射天線到第i根接收天線間的等效基帶覆信道係數的Q路分量，nn和n2I分別表示接收機第1根和第2根天線處的等效基帶復噪聲的I路分量，n1Q和n2Q分別表示接收機第1根和第2根天線處的等效基帶復噪聲的Q路分量。這樣就為無I/Q不平衡影響的理想MIM0系統建立了I/Q分離的等效基帶發送接收模型。[4b]非理想單天線系統的復基帶發送接收模型參照圖1所示的存在I/Q不平衡的單天線發送系統，在此系統中，I路和Q路的載波幅度比值為1+εt，相位差為Φ」at為上變頻系統對發射信號的功率保持因子，以保證上變頻前後信號功率不變。該系統中發送天線處的信號為=可見，系統受到I/Q不平衡影響後，相當於在理想單天線發送系統中發送的I路信號為X'工，而發送的Q路信號為X'Q，其中因此，存在I/Q不平衡的發送端可以等效為一個無I/Q不平衡的理想發送端，其發送的I路信號和Q路信號是將原始發送信號按照式4)進行變換後得到的。參照圖2所示的存在I/Q不平衡的接收系統，假設接收天線處信號為yp(t)=y'Icos(23ifct)-y'Qsin(2πf。t)，則通過存在I/Q不平衡的下變頻處理後，得到的I路信號和Q路信號為可見存在I/Q不平衡的接收端的可以看做一個理想下變頻器件級聯一個式5)所示的線性處理模塊，對理想下變頻器件輸出的理想信號y'工和7'Q按照式5)進行變換就得到了存在I/Q不平衡時的接收信號I1和yQ。使用功率縮放因子at和\是為了保證上下變頻之後信號的平均功率不變，即[4c]存在I/Q不平衡的2X2MIM0系統的復基帶發送接收模型將上述對於單天線系統的分析進行擴展到2X2MIM0系統中。用εBti、ΦΒ和aBti分別表示BS第ii=1，2)根天線發送時的幅度不平衡、相位不平衡及功率保持參數；用εBri>ΦBri和表示BS第i根天線接收時的相應參數；用εMti、φΜ和aMti表示MS第i根天線發送時的幅度不平衡、相位不平衡及功率保持參數；用εMri>Φ^和表示MS第i根天線接收時的相應參數。用xBiI、xBiQ表示輸入到與BS第i個天線相對應的上變頻器件的I路和Q路信號；用yBiI、yBiQ表示從與BS第i個天線相對應的下變頻器件輸出的I路和Q路信號；用xMiI、xMiQ表示輸入到與MS第i個天線相對應的上變頻器件的I路和Q路信號；用yMiI、yMiQ表示從與MS第i個天線相對應的下變頻器件輸出的ι路和Q路信號。則可得BS向MS發送時的系統模型為其中則xB2ixB2Q]T，分別表示MS接收到的信號和BS發送出來的信號；Nm=[nM1InM1QnM2InM2Q]T為MS的接收噪聲；Hbm是不包含I/Q不平衡影響的BS到MS間的信道狀態矩陣，表示為CBt和CM,是分別表徵BS發端和MS收端I/Q不平衡影響的矩陣，表示為同樣可得到MS到BS發送時的系統模型為其中YB、Cte、CMt和Nb同7)式中的對應矩陣類似。需要注意的是，9)式中的發送端和接收端同7)式相反，因此9)式中不含I/Q不平衡影響的信道矩陣Hmb和7)式中不含I/Q不平衡影響的信道矩陣Hbm互為轉置矩陣，即Hmb=H^m；[4d]校準矩陣Kb和Km的構造結合式7)和式9)可知，存在I/Q不平衡影響時，BS檢測到的上行信道矩陣Hu和MS檢測到的下行信道矩陣Hd分別為此時雖然不含I/Q不平衡影響的信道矩陣Hbm和Hmb仍然互易，但是由於不平衡矩陣(^、(^、(^、；的原因，信道互易性不一定能夠保持。為了重新獲取互易性，可以在BS和MS進行數據發送前，對待發數據使用校準矩陣進行處理。假設BS和MS在發射之前作用於待發送信號的校準矩陣分別為Kb和KM，而經過校準矩陣處理之後在上下行鏈路上檢測到的信道矩陣分別為Hue和Hde，則校準目標可以表示為結合式7)-10)可知，如果要滿足互易性條件，則兩個校準矩陣取值應該為根據式8)和式12)可知，校準矩陣Kb和Km定義為其中aB、bB、cB、dB、eB、fB為KB中白勺有效校準兀素，aM、bM、cM、dM、eM、fM為KM中的有效校準元素。步驟5，對Kb和Km分別進行列向量化，並得到向量SB和SM以及矩陣dB和dM。用函數vec⑴表示對矩陣X按列堆積成列向量，則對矩陣Kb和Km分別進行列向量化處理可得到vec(Kb)=SBdB14)vec(KS)二SMdM其中dB=推導得出根據式ID可知，當使用校準矩陣進行處理使互易性得到保持時，(H/y=HDKB，為了得到校準矩陣，可定義如下的互易性保持函數T=I|HdKb-(HuKm)t||F15)其中的下標F表示矩陣的F範數。由於矩陣的F範數是矩陣各元素的平方和的開方，因此式15)中的待求範數矩陣越接近全0矩陣，式15)的值越小，於是使式15)最小化的Kb和Km即為最接近理想校準矩陣的最優解。用符號@表示Kronecker積，用I表示單位陣，由於VeC(ACB)=A)vec(C)，於是有vec(HDKB-(HuKM)T)步驟7，BS求解矩陣W*W的最小特徵值對應的特徵向量即得到滿足互易性補償要求的矢量X，進而可以得到矢量dB和dM，最後得到校準矩陣Kb和KM。互易性保持意味著式17)的取值最小，而由於Wx是列向量，因此其F範數等於其2範數，於是問題就等效於求解使得I|Wx|I2最小的矢量。由於I|Wx||2=xYWx，因此滿足條件的矢量χ就是矩陣W、的最小特徵值所對應的特徵向量，進而可以得到矢量dB和dM，最後得到校準矩陣Kb和&。步驟8，BS保留校準矩陣KB，並將校準矩陣Km發送給MS。步驟9，正式通信過程開始，BS對待發數據用校準矩陣Kb進行處理後發送MS,MS對待發數據用校準矩陣Km進行處理後發送。參照圖4，BS進行數據發送時，首先對輸入的I/Q雙路4X1的列向量信號進行轉置得到1X4的行向量，同時對4X4的校準矩陣Kb進行轉置，然後對兩個轉置後的矩陣進行相乘得到1X4的行向量，最後對輸出的行向量進行轉置得到4X1的列向量後上變頻發送。參照圖5，MS進行數據發送時，首先對輸入的I/Q雙路4X1的列向量信號進行轉置得到1X4的行向量，同時對4X4的校準矩陣Km進行轉置，然後對兩個轉置後的矩陣進行相乘得到1X4的行向量，最後對輸出的行向量進行轉置得到4X1的列向量後上變頻發送。本發明的效果可以通過以下仿真進一步說明圖6給出了2X2MIM0系統應用本發明前後的系統容量對比。假設無線信道矩陣的各個元素的實部和虛部都服從均值為零方差為0.5的高斯分布，每個信噪比點上的容量仿真都進行IO5次信道實現以體現隨機性。假設接收端能獲知理想的CSI且CSI的傳送過程無差錯。仿真以無I/Q不平衡的理想系統的容量作為參考。在存在I/Q不平衡時，由於是2X2的MIMO系統，因此收發兩端總共存在16個體現I/Q不平衡的參數。考慮這些失真參數的取值範圍為ε<0.2和0°<Φ<10°，在此範圍內選取的不平衡參數如下εBtl=0.1，ΦΜ1=8°，εBrl=0.2，ΦΒγ1=6°，εBt2=0.2，ΦΜ2=7°，δBr2=0.15，ΦΒγ2=5°，εMtl=0.15，ΦΜ1=4°，εΜ=0·2，ΦΜγ1=5°εMt2=0，ΦΜ2=3°，ε咖=0·02，ΦΜγ2=2°，由於器件的I/Q不平衡參數依器件的不同的取值不同，因此並無嚴格的取值範圍，上述不平衡參數是在參考相關文獻中出現的不平衡參數取值範圍的條件下而設置的一組取值，具有一定的代表性。從仿真的結果來看，如果未經校準，則即使在高信噪比條件下，所獲得的系統容量也遠小於理想系統的容量，而經過校準之後，在所考察的信噪比範圍內都能很好地逼近理想容量，這充分證明了所提方法能有效提高系統的容量。權利要求一種對2×2TDD-MIMO系統信道的互易性喪失補償方法，包括如下步驟(1)正式通信前基站BS向移動臺MS發送下行信道訓練序列，MS接收後估計出下行鏈路信道狀態矩陣HD；(2)MS向BS發送上行信道訓練序列，BS接收後估計出上行鏈路信道狀態矩陣HU；(3)MS將估計出的HD發送給BS；(4)將系統的復基帶發送接收模型進行變換，得出I/Q兩路分離的等效發送接收系統模型，在此等效系統模型的基礎上分別定義用於BS的校準矩陣KB和用於MS的校準矩陣KM如下KB=aBbB000cB0000dBeB000fB,KM=aMbM000cM0000dMeM000fM,其中aB、bB、cB、dB、eB、fB為KB中的有效校準元素，aM、bM、cM、dM、eM、fM為KM中的有效校準元素；(5)對KB和KM分別進行列向量化，即vec(KB)＝SBdB，其中dB＝[aBbBcBdBeBfB]T，dM＝[aMbMcMdMeMfM]T，SB和SM由KB和KM及dB和dM推導得出；(6)BS根據HU、HD、dB、dM、SB及SM構造互易性保持函數(IHDSB-(HUI)SMdBdMF=||Wx||F,其中，下標F表示Frobenius範數，符號表示Kronecker積，I表示單位矩陣，對互易性喪失進行補償的最終目標就是使互易性保持函數取得最小值；(7)求解矩陣W*W的最小特徵值對應的特徵向量並進行單位化處理，得到的特徵向量即為滿足補償目標的矢量x，進而可得校準矩陣KB的值和KM的值；(8)BS保留KB，並將KM發送給MS；(9)正式通信過程開始，BS用預校準矩陣KB對待發信號進行預處理後發送給MS，MS用預校準矩陣KM對待發信號進行預處理後發送給BS，以保持上行鏈路和下行鏈路的互易性。FSA00000185157700013.tif,FSA00000185157700015.tif,FSA00000185157700016.tif,FSA00000185157700017.tif2.根據權利要求1所述的補償方法，其中步驟(4)所述的將系統的復基帶發送接收模型進行變換，是將系統的復基帶發送接收模型寫成I路和Q路分開表示的形式，得到等效的發送接收系統模型其中X1和X2分別表示發射機第1根和第2根天線發送的等效基帶覆信號，Y1和y2分別表示接收機第1根和第2根天線接收的等效基帶覆信號，h.^i,j=1,2)表示第j根發射天線到第i根接收天線間的等效基帶覆信道係數，H1和Ii2分別表示接收機第1根和第2根天線處的等效基帶復噪聲；X11和X21分別表示發射機第1根和第2根天線發送的等效基帶覆信號的I路分量，^和x2Q分別發射機第1根和第2根天線發送的等效基帶覆信號的Q路分量，yiI和y2I分別表示接收機第1根和第2根天線接收的等效基帶覆信號的I路分量，y1Q和y2Q分別表示接收機第1根和第2根天線接收的等效基帶覆信號的Q路分量，Ilijl^j=1,2)表示第j根發射天線到第i根接收天線間的等效基帶覆信道係數的I路分量，hiJQ(i,j=1,2)表示第j根發射天線到第i根接收天線間的等效基帶覆信道係數的Q路分量，ηπ和η2Ι分別表示接收機第1根和第2根天線處的等效基帶復噪聲的I路分量，n1Q和n2Q分別表示接收機第1根和第2根天線處的等效基帶復噪聲的Q路分量。全文摘要本發明公開了一種對2×2TDD-MIMO系統信道的互易性喪失補償方法，主要解決TDD-MIMO系統中由於同相/正交I/Q不平衡而導致的信道互易性喪失問題。在該方法中，基站BS和移動臺MS首先對各自的接收方向信道進行測量得到上下行鏈路的信道狀態信息CSI；然後將兩條鏈路的CSI匯集到BS處，由BS計算出分別用於BS和MS的校準矩陣；再將MS所用的校準矩陣發送給MS；在正式數據傳輸時，BS和MS用各自的校準矩陣對待發送信號進行預處理，從而使得上下行鏈路的信道互易性得以保持。本方法簡便易行，效果良好，佔用系統開銷少，適用於補償由I/Q不平衡引起的TDD-MIMO系統信道互易性的喪失。文檔編號H04L1/00GK101873281SQ201010226219公開日2010年10月27日申請日期2010年7月15日優先權日2010年7月15日發明者劉祖軍,孫德春,易克初,王凱蓉,王映民,田紅心,肖國軍申請人:西安電子科技大學