高低频混合组网系统的低频辅助信道估计方法技术方案

本发明专利技术属于无线通信技术领域，具体是高低频混合组网系统的低频辅助信道估计方法。本发明专利技术利用毫米波信道与微波信道的空间相关性，提出了一种利用低频段Sub‑6GHz空间信息来辅助毫米波信道估计的算法。首先建立Sub‑6GHz微波段信道模型和毫米波信道模型，并阐述了高低频系统空间相关性与低频空间信息可用的原因。接下来建立频率相关性信道，重新设计毫米波信道的发送端与接收端的字典矩阵，初步选择性能最好的毫米波信道方向。最后利用低频信息重新训练预编码与合成码本，降低算法复杂度，更准确的估计信道并减小归一化的误差。

Low frequency auxiliary channel estimation method for high and low frequency hybrid network system

The invention belongs to the field of wireless communication technology, in particular to a low frequency auxiliary channel estimation method for a high and low frequency hybrid networking system. Based on the spatial correlation between the millimeter wave channel and the microwave channel, the invention proposes an algorithm for assisting the millimeter wave channel estimation by utilizing the low frequency sub_6GHz spatial information. Firstly, the sub_6GHz microwave channel model and the millimeter wave channel model are established, and the reasons for the spatial correlation between high and low frequency systems and the availability of low frequency spatial information are explained. Then the frequency correlation channel is established, and the dictionary matrix between transmitter and receiver is redesigned to select the best channel direction. Finally, the low-frequency information is used to retrain the precoding and synthesis codebook, which reduces the complexity of the algorithm, estimates the channel more accurately and reduces the normalization error.

【技术实现步骤摘要】
高低频混合组网系统的低频辅助信道估计方法
本专利技术属于无线通信
，涉及毫米波通信(millimeter-Wave(mmWave)communication),混合波束赋形，自适应信道估计，带外空间信息，多输入多输出技术(MultipleInputMultipleOutput,MIMO)，具体的说是涉及高低频混合组网系统的低频辅助信道估计方法。
技术介绍
现有毫米波系统中信道估计方案的主要思想是根据码本结构自适应地搜索每层码本，从而确定使接收信号达到最大的预编码矩阵与合成矩阵的索引值。由于码本与AoA(AngleofArrive,到达角)和AoD(AngleofDeparture,离开角)互相对应，因此可根据波束赋形矢量的索引确定AoA/AoD，从而完成信道估计。但是，由于毫米波通信链路与大规模天线阵列结合，混合波束赋形与基于分层码本的自适应信道估计会给带来很大开销。信道估计方案是在整个[0,2π]范围内，通过发送波束对来搜索使信道增益达到最大的AoA/AoD，这也增大了系统开销。另一方面，当信噪比较低时，基站通过发送波束对在整个[0,2π]范围内寻找用户，此时当实际通信距离较大且信噪比低等原因，基站发射的波束将无法覆盖到移动用户，从而造成用户无法接入。在这种情况下，采用一般的自适应信道估计算法的性能较差，会导致系统的预编码增益偏低。为了在低信噪比情况下提高信道估计的准确性，并实现波束赋形的有效覆盖从而获得高信道增益，本专利技术提出一种高低频混合组网系统的低频辅助信道估计法。
技术实现思路
本专利技术是为了辅助毫米波频段做信道估计，利用毫米波信道与微波信道的空间相关性，提出一种利用低频段Sub-6GHz空间信息来辅助毫米波信道估计的方法。本专利技术的具体方法如下：S1、建立Sub-6GHz微波段信道模型与毫米波信道模型，在Saleh-Valenzuela模型下，假设毫米波传播环境中有Lm个散射径，则毫米波信道矩阵Hm可以表示为上式中，ρm表示毫米波段的平均路径损耗，表示第lm条路径的复增益，路径幅度服从瑞利分布，即其中，表示平均功率增益。与分别表示第lm条路径的离开角与到达角，均在[0,2π]中取值。与分别表示发送端与接收端的天线阵列响应矢量，收发天线均采用均匀线性阵列ULA。同样地，在Saleh-Valenzuela模型下，假设Sub-6GHz传播环境中有Ls个散射径，且Ls>Lm，则Sub-6GHz信道矩阵Hs可以表示为：上式中，ρs表示Sub-6GHz系统的平均路径损耗，表示第ls条路径的复增益，路径幅度服从瑞利分布，即其中，表示平均功率增益。与分别表示第ls条路径的离开角与到达角，均在[0,2π]中取值。与分别表示发送端与接收端的天线阵列响应矢量，收发天线均采用均匀线性阵列ULA。因此，可将毫米波混合MIMO系统用户端的接收信号表示为：在上式中，FT、WT、s、n分别表示毫米波数模混合MIMO系统的预编码矩阵、对应接收端的合成矩阵、发射符号矢量和高斯白噪声。S2、根据频率相关性信道建模算法建立频率相关性信道，并根据Sub-6GHz空间信息设计毫米波信道发送端与接收端的字典矩阵，初步选择性能最好的毫米波信道方向。表1频率相关性信道的建立过程S3、使用带外信息辅助的毫米波数模混合MIMO系统的信道估计算法，利用低频信息重新训练预编码与合成码本，降低了算法复杂度，并在相同信噪比与量化精度下，尽可能准确地估计信道，减小归一化均方误差。本专利技术的有益效果为，本专利技术的方法能够有效降低算法复杂度，在低信噪比情况下提高信道估计的准确性，同时实现波束赋形的有效覆盖从而获得高信道增益。附图说明图1为Sub-6GHz与毫米波天线阵列图2为Sub-6GHz系统结构图3为Sub-6GHz与毫米波PAS的关系图4为Ld＝2,N＝128,K＝2分层码本结构具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述：S1、建立Sub-6GHz微波段信道模型与毫米波信道模型：如图1所示，假定Sub-6GHz系统与毫米波系统接收端天线阵列在水平方向上互相对齐，且天线的物理尺寸均一致。毫米波系统使用大型天线阵列则意味着增大了空间分辨率，波束更窄而能量更集中。因此，Sub-6GHz中被看作簇(阵列尺寸更小)的一个散射体集合，在毫米波频段可能被分解为多个散射体。与低频传输相比，毫米波在空气传播过程中会遭受严重的路径损耗，且毫米波频段的衍射效应几乎可以忽略，因而蜂窝网络中毫米波的覆盖范围通常不超过100米，其非视距分量主要来自反射信号。另一方面，因为基站与移动终端之间存在障碍物，故毫米波信号阻断比在Sub-6GHz频段更加频繁。在Saleh-Valenzuela模型下，假设毫米波传播环境中有Lm个散射径，则毫米波信道矩阵Hm可以表示为：上式中，ρm表示毫米波段的平均路径损耗，表示第lm条路径的复增益，路径幅度服从瑞利分布，即其中，表示平均功率增益。与分别表示第lm条路径的离开角与到达角，均在[0,2π]中取值。与分别表示发送端与接收端的天线阵列响应矢量，收发天线均采用均匀线性阵列(UniformLinearArray)ULA。因此，可将毫米波混合MIMO系统用户端的接收信号表示为：在上式中，FT、WT、s、n分别表示毫米波数模混合MIMO系统的预编码矩阵、对应接收端的合成矩阵、发射符号矢量和高斯白噪声。图2所示为Sub-6GHz系统结构，在该结构下，每根天线均连接一个RF(RadioFrequency，射频)链路以实现全数字预编码，其信道模型和毫米波信道模型类似。同样地，在Saleh-Valenzuela模型下，假设Sub-6GHz传播环境中有Ls个径，且Ls>Lm，则Sub-6GHz信道矩阵Hs可以表示为：上式中，ρs表示Sub-6GHz系统的平均路径损耗，αls表示第ls条路径的复增益，路径幅度服从瑞利分布，即其中，表示平均功率增益。与分别表示第ls条路径的离开角与到达角，均在[0,2π]中取值。与分别表示发送端与接收端的天线阵列响应矢量，收发天线均采用均匀线性阵列(UniformLinearArray)ULA。利用带外信息辅助毫米波链路建立的方法主要依赖于从Sub-6GHz系统提取的空间信息。我们可以从已有方法得出，在视距传输中，毫米波信道与Sub-6GHz的AoA之间存在一定的联系。在室内与室外环境下不同频段的测量结果表明，视距条件下，Sub-6GHz频段AoA与毫米波AoA之间存在±10度的偏差。另外，由于Sub-6GHz信道与毫米波信道的空间特性相似，因而借助低频段信息来粗略估计毫米波信道的方法是可行的。Sub-6GHz与毫米波的功率方位角(PowerAzimuthSpectrum，PAS)之间存在相似性，称这种相似性为“空间一致性”。如图3所示为Sub-6GHz与毫米波PAS的关系，由(a)可知，Sub-6GHz与毫米波的PAS基本一致，由于毫米波频段路径损耗严重，因而功率衰落较快，但可以根据Sub-6GHz估计的信道信息首先粗略确定毫米波的信道方向。另外，由图(b)可知，相对于毫米波蜂窝系统的大型天线阵列，Sub-6GHz系统的天线数目较少，因此波束更宽。而毫米波信道的能量主要集中在有限少个方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.高低频混合组网系统的低频辅助信道估计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立Sub‑6GHz微波段信道模型与毫米波信道模型，在Saleh‑Valenzuela模型下，假设毫米波传播环境中有Lm个散射径，则毫米波信道矩阵Hm表示为：

【技术特征摘要】
1.高低频混合组网系统的低频辅助信道估计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立Sub-6GHz微波段信道模型与毫米波信道模型，在Saleh-Valenzuela模型下，假设毫米波传播环境中有Lm个散射径，则毫米波信道矩阵Hm表示为：上式中，ρm表示毫米波段的平均路径损耗，表示第lm条路径的复增益，路径幅度服从瑞利分布，即其中，表示平均功率增益，与分别表示第lm条路径的离开角与到达角，均在[0,2π]中取值，与分别表示发送端与接收端的天线阵列响应矢量，收发天线均采用均匀线性阵列ULA；同样地，在Saleh-Valenzuela模型下，假设Sub-6GHz传播环境中有Ls个散射径，且Ls>Lm，则Sub-6GHz信道矩阵Hs表示为：上式中，ρs表示Sub-6GHz系统的平均路径损耗，表示第ls条路径的复增益，路径幅度服从瑞利分布，即其中，表示平均功率增益，与分别表示第ls条路径的离开角与到达角，均在[0,2π]中取值，与分别表示发送端与接收端的天线阵列响应矢量，收发天线均采用均匀线性阵列ULA；因此，将毫米波混合MIMO系统用户端的接收信号表示为：在上式中，FT、WT、s、n分别表示毫米波数模混合MIMO系统的预编码矩阵、对应接收端的合成矩阵、发射符号矢量和高斯白噪声；S2、根据频率相关性信道建模算法建立频率相关性信道，并根据Sub-6GHz空间信息设计毫米波信道发送端与接收端的字典矩阵，初步选择性能最好的毫米波信道方向；S3、使用带外信息辅助的毫米波数模混合MIMO系统的信道估计算法，利用低频信息重新训练预编码与合成码本。2.根据权利要求1所述的高低频混合组网系统的低频辅助信道估计方法，其特征在于，步骤S2中所述根据频率相关性信道建模算法建立频率相关性信道的具体方法为：S21、生成独立径：针对毫米波信道与Sub-6GHz信道，分别产生在[0,2π]内服从均匀分布的AoA与AoD，且两个信道的径是独立生成的；S22、替换径操作：使用毫米波信道中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔鑫鑫，张忠培，仵姣，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51