[发明专利]一种基于信道空间稀疏特性的迭代波束成形方法

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种在无线多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)通信系统中利用信道间稀疏性降低迭代波束成形的天线训练开销的方法。

背景技术

如图1所示，在MIMO系统中，根据接收端最大化信噪比准则，获得最优波束成形矩阵的方法是特征波束成形方法。在收发双方都已知信道状态信息(Channel Statement Information，CSI)的情况下，最优的发送和接收波束成形矩阵可以通过对信道矩阵H进行奇异值分解(singular value decomposition，SVD)得到。具体原理叙述如下：

假设MIMO系统的接收天线数目为N_T，发射天线数目为N_R，信道矩阵可以进行SVD分解，表示为H＝UΛV^H，其中，(·)^H表示矩阵共轭转置，和分别是大小为N_R×N_R与N_T×N_T的酉矩阵，Λ是一个N_R×N_T对角阵，其对角元为按降序排列的H的奇异值(σ₁,σ₂,...σ_m),m＝min(N_T,N_R)。

对于N_S维的波束成形，发送端与接收端波束成形矩阵分别采用所述信道矩阵H的右奇异矩阵V和左奇异矩阵U的前m列，即F＝[v₁,v₂,...,v_m]，W＝[u₁,u₂,...,u_m]，其中，N_S≤m。

假设发送符号为x＝[x₁,x₂,...,x_m]^T，接收符号为y＝[y₁,y₂,...,y_m]^T，噪声则

可见，特征波束成形等效地将MIMO信道划分为m个并行独立的子信道，每个子信道都获得了最大化的信噪比。

通常，接收端通过估计信道矩阵H并进行SVD分解来获得收发双方的波束成形矩阵，之后接收端将发送端的波束成形矩阵F反馈至发送端。这种直接估计和反馈的方法适用于天线数目较小的情况，而在天线数目较多的MIMO系统中(例如，毫米波MIMO系统的天线数目多达几十个)，其计算复杂度和训练开销都变得无法承受。

在时分双工(Time Division Duplex，TDD)系统中，利用上行信道和下行信道的互易性，文献Yang Tang,Branka Vucetic,Yonghui Li.An Iterative Singular Vectors Estimation Scheme for Beamforming Transmission and Detection in MIMO Systems.IEEE Communications Letters,VOL.9,NO.6,June 2005.提出了一种不用估计信道参数即可获得特征向量的迭代波束成形方法，即幂迭代方法。文献Pengfei Xia,Su-Khiong Yong,Jisung Oh and Chiu Ngo.Multi-Stage Iterative Antenna Training for Millimeter Wave Communications.IEEE Globecom Conference2008.进一步将这种方法扩展到了多维的波束成形，即通过逐个阶段剥离的方式得到N_S个波束成形矢量，也就是波束成形矩阵，每个阶段都要经历一轮幂迭代。

在如图1所示的时分双工MIMO系统中，为了降低硬件的复杂度，采用模拟波束成形，射频(Radio Frequency，RF)链路数量有限，因此接收方通过一次收发不能得到每个天线阵元上的接收信号。如果要得到每个天线阵元上的接收信号(接收信号向量)，可以将同一训练序列发送N_T次，然后得到一个恰定方程组，解所述恰定方程组可以得到接收信号向量。传统幂迭代方式正是这样做的。