CN108712243B - 一种面向载波聚合系统的多载波信道重建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向载波聚合系统的多载波信道重建方法，包括：用户设备在主载波上发送导频，基站利用接收的主载波导频，估计出A类信道状态信息和主载波的B类信道状态信息，以重建得到主载波信道；用户设备在第1至第N个上行辅载波上发送稀疏导频，基站根据接收到的各辅载波的稀疏导频以及A类信道状态信息，估计出各辅载波的B类信道状态信息；基站根据估计出的A类信道状态信息和各辅载波的B类信道状态信息，重建各辅载波信道。本发明用较少的导频实现了多载波上的信道重建，克服了大规模多输入多输出系统CSI获取开销过大的难题。

Description

一种面向载波聚合系统的多载波信道重建方法

技术领域

本发明涉及一种面向载波聚合系统的多载波信道重建方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

从第四代移动通信起，载波聚合技术成为聚合大带宽、提升频谱效率的有效手段，通过联合使用多个连续或非连续的成员载波，成倍地拓宽了移动通信传输的高速公路，保证了频谱资源的动态高效利用。在第五代移动通信标准化进展中，更是允许单个成员载波采用百兆以上频宽，通过载波聚合技术聚合多个载波，形成超大带宽，从根本上确保信道容量的千倍提升。

为满足第五代及未来移动通信系统的超高数据速率需求，大规模MIMO技术被广泛采用。通过在基站配置大规模天线阵列，无线传输的空间分辨率得到大幅提升，基站不仅能够精确对准单个用户方向，还可以利用相同的时频资源服务多个用户，成倍增加空分复用维度，提高移动通信系统吞吐量。为获取高维信道状态信息(CSI)，不同天线端口需要采用正交的导频以示区分，然而受时频资源网络以及相干时间、相关带宽的限制，无法设计大量的完全正交的导频，因此大规模MIMO系统往往采用导频复用的方式，使CSI估计精度受损。不仅如此，高维的复数信道矩阵需要耗费相当规模的时频资源进行反馈，反馈开销巨大，侵占数据传输资源，在实际系统中无法承受。若同时采用载波聚合技术，则导频和反馈开销随着载波数线性增加。因此，CSI的获取成为采用了载波聚合技术的大规模MIMO系统的难题之一。

针对单载波大规模MIMO系统的CSI获取，业界已展开广泛研究，而针对多载波大规模MIMO系统的研究较为稀缺。多载波大规模MIMO系统的CSI获取问题可以类比频分双工(FDD)单载波大规模MIMO系统的CSI获取。对于后者，目前广泛采用的策略主要分为两种：(一)对通过码本进行训练，用户设备估计并反馈CSI；(二)利用空间互易性，利用上行CSI推导下行CSI，例如获取信道相关矩阵用于下行传输，这种方法需要较大的开销，信息获取难度较大且下行传输性能不佳。另有研究结果提出上下行传播路径的增益、方向角和时延完全相等，只利用上行估计结果即可直接重建下行信道，从而无需下行训练过程，然而实际信道测量结果显示不经下行训练的下行信道重建结果误差较大，并不能满足实际系统的需求。

综上所述，针对采用载波聚合技术的大规模MIMO系统，如何以较小的系统开销获取具有较高可用性的CSI，重建多载波信道，成为第五代及未来移动通信系统亟待突破的难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种面向载波聚合系统的多载波信道重建方法，突破了载波聚合大规模MIMO系统多载波CSI获取的瓶颈，利用信道空间参数的频率无关性，以较小的导频开销和反馈开销，实现载波聚合大规模MIMO系统的多载波信道重建，同时保证了重建信道的可用性。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种面向载波聚合系统的多载波信道重建方法，包括以下步骤：

步骤1、用户设备在主载波上发送上行导频，基站利用接收到的主载波上行导频，估计出A类信道状态信息和主载波的上行B类信道状态信息，并重建主载波上行信道，及根据主载波采用的双工方式重建主载波下行信道，以重建得到主载波信道；

步骤2、用户设备在第1至第N个辅载波上发送上行稀疏导频，基站根据接收到的各辅载波的上行稀疏导频以及A类信道状态信息，估计出各辅载波的上行B类信道状态信息，及根据各辅载波采用的双工方式估计并反馈各辅载波的下行B类信道状态信息；

步骤3、基站根据估计出的A类信道状态信息和各辅载波的上行B类信道状态信息，重建各辅载波上行信道；及根据各辅载波采用的双工方式和辅载波的下行B类信道状态信息重建各辅载波下行信道，以重建得到各辅载波信道。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤1中A类信道状态信息包括每条传播路径的方向角和时延。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述方法中各B类信道状态信息包括每条传播路径的增益。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤1中主载波采用的双工方式包括时分双工TDD和频分双工FDD。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤1中根据主载波采用的双工方式重建主载波下行信道，具体为：

当主载波采用时分双工TDD方式时，将重建主载波上行信道进行转置得到主载波下行信道；

当主载波采用频分双工FDD方式时，基站发送主载波的下行稀疏导频，通过波束赋形将导频方向调整至主载波上行所估计的每条路径的方向上；用户设备基于A类信道状态信息和主载波的下行稀疏导频，估计并反馈主载波的下行B类信道状态信息；基站根据A类信道状态信息和主载波的下行B类信道状态信息，重建主载波下行信道。

进一步的，作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤2中辅载波采用的双工方式包括时分双工TDD和频分双工FDD。

进一步的，作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤2中根据各辅载波采用的双工方式估计并反馈各辅载波的下行B类信道状态信息，具体为：

当辅载波采用时分双工TDD方式时，该辅载波的上行B类信道状态信息即为下行B类信道状态信息，无需另外估计和反馈该辅载波的下行B类信道状态信息；

当辅载波采用频分双工FDD方式时，基站发送该辅载波的下行稀疏导频，通过波束赋形将导频方向调整至主载波上行所估计的每条路径的方向上；用户设备基于A类信道状态信息和该辅载波的下行稀疏导频，估计并反馈该辅载波的下行B类信道状态信息。

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

本发明利用主载波PSC上的导频估计出信道状态信息CSI，包括一条或多条传播路径的时延、方向角，以及每条传播路径在PSC上的增益，重建PSC信道，接着在辅载波SSC上发送稀疏导频，利用PSC上所估计的每条传播路径的时延和方向角，以及SSC上的稀疏导频，估计每条传播路径在SSC上的增益，最后根据PSC上所估计的每条传播路径的时延和方向角，以及估计的每条传播路径在SSC上的增益，重建SSC信道。该发明为载波聚合系统提供了多载波信道重建方法，尤其克服了大规模多输入多输出系统CSI获取开销过大的难题。因此，本发明具备的优点如下：

1)本发明方法利用信道空间参数如传播路径的时延、方向角的频率无关性，利用PSC导频获取上述空间参数后，仅需在SSC上发送少量导频，估计每条传播路径在SSC的增益，即可进行SSC信道重建，有效降低了导频和反馈开销，解决了载波聚合大规模MIMO系统CSI获取的难题。

2)本发明方法在估计出PSC-CSI后，利用少量的SSC训练和反馈资源，修正了SSC上的增益，保证了载波聚合大规模MIMO系统多载波信道重建的正确性，大幅提升了重建信道的可用性。

附图说明

图1为本发明面向载波聚合系统的多载波信道重建方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。

如图1所示，本发明提供一种面向载波聚合系统的多载波信道重建方法，采用了载波聚合技术的无线传输系统中，在主载波PSC上估计出信道状态信息CSI并重建PSC信道后，利用A类CSI即CSI-A的频率无关性，通过在第1至第N个辅载波SSC上发送稀疏导频，估计SSC₁,…,SSC_N上的B类CSI即CSI-B，利用估计出的CSI-A,SSC₁-CSI-B,…,SSC_N-CSI-B，重建SSC₁,…,SSC_N信道。该方法的基站可以为多个用户设备重建多载波信道，具体包括以下步骤：

步骤1、在主载波PSC上发送导频，利用PSC导频估计出A类信道状态信息CSI-A和主载波的上行B类信道状态信息PSC-CSI-B，并重建PSC信道。其中，主载波PSC具体包括一个上行PSC和一个下行PSC，主载波PSC可以采用的双工方式包括时分双工TDD和频分双工FDD方式，当选择TDD方式时，上行PSC即为下行PSC，两者的载波频率相同，当选择FDD方式时，上行PSC不同于下行PSC，两者的载波频率不同。并且，A类信道状态信息CSI-A与载波频率无关，不随载波频率的变化而改变，CSI-A包括每条传播路径的方向角和时延；B类信道状态信息CSI-B与载波频率有关，随着载波频率的变化而改变，本发明中主载波的上下行B类信道状态信息CSI-B均可包括每条传播路径的增益。

该过程由用户设备在主载波PSC上发送上行导频，基站利用接收到的主载波PSC上行导频，估计出A类信道状态信息CSI-A和主载波的上行B类信道状态信息PSC-CSI-B，并重建主载波PSC上行信道，及根据主载波采用的双工方式重建主载波下行信道，以重建得到主载波PSC信道；

其中，根据主载波采用的双工方式重建主载波下行信道，具体为：

当主载波PSC采用时分双工TDD方式时，根据互易性，上行PSC-CSI-B即为下行PSC-CSI-B，此时将PSC上行信道进行转置，即可重建主载波PSC下行信道；

当主载波PSC采用频分双工FDD方式时，上行PSC-CSI-B不等于下行PSC-CSI-B，此时基站发送主载波PSC下行稀疏导频，通过波束赋形将导频方向调整至PSC上行所估计的每条路径的方向上，对应不同方向的导频以时分复用或者频分复用的方向进行区分，用户设备基于A类信道状态信息CSI-A和主载波PSC下行稀疏导频，估计并反馈主载波的下行B类信道状态信息PSC-CSI-B，基站根据CSI-A和主载波的下行B类信道状态信息PSC-CSI-B，重建主载波PSC下行信道。

步骤2、用户设备在第1至第N个辅载波SSC₁,…,SSC_N上发送上行稀疏导频，利用SSC₁,…,SSC_N稀疏导频以及估计出的A类信道状态信息CSI-A，估计各辅载波的上行B类信道状态信息SSC₁-CSI-B,…,SSC_N-CSI-B。其中，对于辅载波SSC_j,所述j＝1,…,N，SSC_j具体包括一个上行辅载波SSC_j和一个下行辅载波SSC_j，辅载波SSC_j可以采用的双工方式包括TDD和FDD，当选择TDD方式时，上行辅载波SSC_j即为下行辅载波SSC_j，两者的载波频率相同，当选择FDD方式时，上行辅载波SSC_j不同于下行辅载波SSC_j，两者的载波频率不同。

该过程由用户设备在第1至第N个辅载波SSC₁,…,SSC_N上发送上行稀疏导频，基站根据接收到的SSC_j上行稀疏导频以及A类信道状态信息CSI-A，估计出各辅载波的上行B类信道状态信息SSC_j-CSI-B，其中本发明中各辅波的上下行B类信道状态信息也均可包括每条传播路径的增益。并且，根据各辅载波采用的双工方式估计并反馈各辅载波的下行B类信道状态信息：当某一辅载波SSC_j采用时分双工TDD方式时，该辅载波的上行B类信道状态信息即为下行B类信道状态信息，无需另外估计和反馈该辅载波的下行B类信道状态信息。当某一辅载波SSC_j采用FDD双工方式，则基站在辅载波SSC_j上发送下行稀疏导频，通过波束赋形将导频方向调整至PSC上行所估计的每条路径的方向上，对应不同方向的导频以时分复用或者频分复用的方向进行区分，用户设备基于CSI-A和SSC_j下行稀疏导频，估计并反馈各辅载波的下行B类信道状态信息SSC_j-CSI-B。

步骤3、基站根据估计出的A类信道状态信息CSI-A和各辅载波的上行B类信道状态信息，重建各辅载波SSC_j上行信道；及根据各辅载波采用的双工方式和辅载波的下行B类信道状态信息重建各辅载波SSC_j下行信道，以重建得到各辅载波信道。

因此，利用估计出的CSI-A,各辅载波的上下行B类信道状态信息SSC₁-CSI-B,…,SSC_N-CSI-B，重建SSC₁,…,SSC_N信道。其中，对于SSC_j,j＝1,…,N，基站基于CSI-A和上行SSC_j-CSI-B，重建SSC_j上行信道，若SSC_j采用TDD双工方式，根据互易性，上行SSC_j-CSI-B即为下行SSC_j-CSI-B，此时将SSC_j上行信道进行转置，即可重建SSC_j下行信道；若SSC_j采用FDD双工方式，上行SSC_j-CSI-B不等于下行SSC_j-CSI-B，此时基站根据CSI-A和反馈得到的下行SSC_j-CSI-B，重建辅载波SSC_j下行信道，最终以重建得到各辅载波SSC₁,…,SSC_N信道。

并且，本发明的方法中，基站可以为多个用户设备重建多载波信道，不同用户设备所对应的稀疏导频的区分方式包括：(1)频分复用；(2)时分复用。

为了验证本发明的方法可以为载波聚合系统提供了多载波信道重建，下面通过具体实施例对本发明的技术方案做进一步阐述：

在载波聚合大规模MIMO系统中，基站天线数为M，量级通常为10²、10³，用户设备采用单天线配置，主载波PSC的上行和下行载频分别为

辅载波SSC_j的上行和下行载频分别为

其中j＝1,...,N，N为载波数。本实施例将对主载波PSC以及辅载波SSC_j的上行及下行信道进行重建，包括如下步骤：

步骤1：用户设备在PSC上发送上行探测信号，基站根据接收到的PSC上行探测信号，对A类信道状态信息CSI-A和主载波的上行B类信道状态信息PSC-CSI-B进行估计，其中，CSI-A包括每条传播路径的时延τ_l和方向角θ_l，其中l＝1,...,L，L为传播路径数，主载波的上行B类信道状态信息PSC-CSI-B包括每条传播路径在上行PSC上的增益

l＝1,...,L，然后重建PSC上行信道为：

其中a(·)为基站天线阵列响应，若主载波PSC采用TDD双工方式，则根据信道互易性，重建PSC下行信道为：

若主载波PSC采用FDD双工方式，则基站发送下行稀疏导频，并通过波束赋形将导频方向调整至上行PSC所估计的每条路径的方向上，对应不同方向的导频以时分复用或者频分复用的方向进行区分，用户设备基于τ_l、θ_l和PSC下行稀疏导频，估计下行PSC-CSI-B，即

l＝1,...,L，并将其反馈至基站，然后基站重建PSC下行信道为：

步骤2：对于辅载波SSC_j，j＝1,...,N，用户设备在上行SSC_j上发送上行稀疏导频，基站根据接收到的SSC_j上行稀疏导频，估计出各辅载波的上行B类信道状态信息SSC_j-CSI-B，即

l＝1,...,L，若SSC_j采用FDD双工方式，则基站在下行SSC_j上发送下行稀疏导频，通过波束赋形将导频方向调整至上行PSC所估计的每条路径的方向上，对应不同方向的导频以时分复用或者频分复用的方向进行区分，用户设备基于CSI-A和SSC_j下行稀疏导频，估计下行SSC_j-CSI-B，即

l＝1,...,L，并将其反馈至基站；

步骤3：对于辅载波SSC_j，j＝1,...,N，重建SSC_j上行信道为：

若辅载波SSC_j采用TDD双工方式，则基站根据信道互易性，重建SSC_j下行信道为：

若辅载波SSC_j采用FDD双工方式，则基站根据CSI-A和反馈得到的

l＝1,...,L，重建SSC_j下行信道为：

因此，本发明利用信道空间参数的频率无关性，以较小的导频开销和反馈开销，利用少量的SSC训练和反馈资源，修正了SSC上的增益，保证了载波聚合大规模MIMO系统多载波信道重建的正确性，大幅提升了重建信道的可用性。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种面向载波聚合系统的多载波信道重建方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、用户设备在主载波上发送上行导频，基站利用接收到的主载波上行导频，估计出A类信道状态信息和主载波的上行B类信道状态信息，并重建主载波上行信道，及根据主载波采用的双工方式重建主载波下行信道，以重建得到主载波信道；

步骤2、用户设备在第1至第N个辅载波上发送上行稀疏导频，基站根据接收到的各辅载波的上行稀疏导频以及A类信道状态信息，估计出各辅载波的上行B类信道状态信息，及根据各辅载波采用的双工方式估计并反馈各辅载波的下行B类信道状态信息；

步骤3、基站根据估计出的A类信道状态信息和各辅载波的上行B类信道状态信息，重建各辅载波上行信道，并根据各辅载波采用的双工方式和辅载波的下行B类信道状态信息重建各辅载波下行信道，以重建得到各辅载波信道。

2.根据权利要求1所述面向载波聚合系统的多载波信道重建方法，其特征在于：所述步骤1中A类信道状态信息包括每条传播路径的方向角和时延。

3.根据权利要求1所述面向载波聚合系统的多载波信道重建方法，其特征在于：所述方法中各B类信道状态信息包括每条传播路径的增益。

4.根据权利要求1所述面向载波聚合系统的多载波信道重建方法，其特征在于：所述步骤1中主载波采用的双工方式包括时分双工TDD和频分双工FDD。

5.根据权利要求4所述面向载波聚合系统的多载波信道重建方法，其特征在于：所述步骤1中根据主载波采用的双工方式重建主载波下行信道，具体为：

当主载波采用时分双工TDD方式时，将重建主载波上行信道进行转置得到主载波下行信道；

当主载波采用频分双工FDD方式时，基站发送主载波的下行稀疏导频，通过波束赋形将导频方向调整至主载波上行所估计的每条路径的方向上；用户设备基于A类信道状态信息和主载波的下行稀疏导频，估计并反馈主载波的下行B类信道状态信息；基站根据A类信道状态信息和主载波的下行B类信道状态信息，重建主载波下行信道。

6.根据权利要求1所述面向载波聚合系统的多载波信道重建方法，其特征在于：所述步骤2中辅载波采用的双工方式包括时分双工TDD和频分双工FDD。

7.根据权利要求6所述面向载波聚合系统的多载波信道重建方法，其特征在于：所述步骤2中根据各辅载波采用的双工方式估计并反馈各辅载波的下行B类信道状态信息，具体为：

当辅载波采用时分双工TDD方式时，该辅载波的上行B类信道状态信息即为下行B类信道状态信息；

当辅载波采用频分双工FDD方式时，基站发送该辅载波的下行稀疏导频，通过波束赋形将导频方向调整至主载波上行所估计的每条路径的方向上；用户设备基于A类信道状态信息和该辅载波的下行稀疏导频，估计并反馈该辅载波的下行B类信道状态信息。

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