一种模数混合天线阵列的角度估计方法技术

本申请公开了一种模数混合天线阵列的角度估计方法，通过在一个符号周期内，每个射频链路与其连接的阵元依次连接，获得所有阵元的输出信号；对各个分组的接收信号进行平均处理，获得等效的接收信号矩阵；对等效接收信号矩阵的相邻行向量进行逐元素相除操作，估计各等效阵元相对第一等效阵元的幅度与相位偏差初始估计值、以及来波角度初始估计值；用阵元幅度与相位偏差的初始估计值校准接收信号；构造具有最大重合度的两个等效子阵，利用信号子空间与噪声子空间的正交性，估计来波角度。

ANGLE ESTIMATION METHOD FOR ANNUAL-DIGITAL MIXED ANTENNA ARRAY

【技术实现步骤摘要】
一种模数混合天线阵列的角度估计方法
本专利技术涉及宽带无线通信技术的多天线
，特别地，涉及一种模数混合天线阵列的角度估计方法。
技术介绍
毫米波频段有丰富的频谱资源，可实现Gbps级别的无线传输速率，因而成为下一代宽带移动通信的关键技术之一。毫米波的波长短，可在很小的物理尺寸集成非常多的天线阵元，通过使用相干接收、波束赋形、零陷等技术，获得很高的阵列增益以弥补毫米波频段上的严重路损。相干接收、波束赋形、零陷等技术需要精确的来波角度信息，因此角度估计成为毫米波通信的前提和基础。由于工艺水平的限制，实际的天线阵列普遍存在较大的通道校准偏差，导致天线阵元的实际幅度、相位与标称值存在较大偏差。这些实际的非理想因素大大降低了天线阵列增益。此外，由于天线阵列的物理尺寸限制以及硬件成本约束，天线阵列的射频链路数远少于天线阵元数，通常采用相控阵形式的模拟天线阵列或者模数混合的天线阵列。由于接收信号首先在模拟域进行合并、再通过射频链路在数字域进行处理，经典的空间超分辨率方法无法直接应用。为了解决阵元校准偏差对角度估计性能的影响，近年来许多的专家学者做了大量的研究工作。从各自着重点的不同，可以分为两个研究方向：一是寻找对阵列误差不敏感或敏感度极小的算法，从而降低阵列对角度估计的影响。但是，这一类算法通常以增加算法的复杂度且损失算法性能为代价；二是设计算法对阵列误差进行估计并校准。现有的方法在天线阵元存在较大的幅度与相位校准误差时，来波角度估计性能急剧下降。在上述第二个研究方向中，阵列误差校准研究的方法有以下：1、有源校准法。有源校准法的核心思想是引入辅助定位源，借助此辅助定位源的精确到达角信息求解阵列误差，然后通过求得的误差值进行阵列误差校准，最后采用常规的到达角估计算法进行到达角估计。论文“章宏,周希朗,陈荆花.阵元位置误差和通道不一致性的校准方法[J].上海交通大学学报,2011,(01):118-122.”提出了一种旋转阵有源校准算法，利用旋转阵特有的结构特性求解误差，实现阵列误差校准。论文“贾永康,保铮,吴洹.一种阵列天线阵元位置、幅度及相位误差的有源校准方法[J].电子学报,1996,(03):47-52.”提出了一种适用于不同阵列形式误差的有源校准算法，当信号源到达角已知时，采用最小均方误差准则求解阵列校准误差。论文“张铭,朱兆达.无需准确已知校准源方向的阵列通道不一致的单源校准法[J].电子科学学刊,2009,(01):20-25.”提出了一种利用已知信源构造代价函数、通过代价函数最小实现幅相误差校准的算法，该算法不受阵列形式影响。专利“孙奕髦,王立,樊荣,刘洋,胡泽鹏,邹麟,殷吉昊,万群.一种校准源位置未知的天线阵列幅相误差动中校方法.CN201610865202.1”利用外部环境中存在的信号源作为校准源，在校准源位置未知的情况下，利用天线阵列在空间位置精确已知的网格中重复测量校准源信号从而确定校准天线阵元幅相误差。这类基于辅助定位源的方法通常需要精确的辅助定位源位置或者接收阵列位置，同时已知位置的细微偏差会引起到达角估计性能的显著下降。因此，有源校准算法要达到较好的性能，对制作工艺或施工技术等提出了较高要求，在实际工程中难以推广应用。2、阵列自校准算法。阵列自校准算法无需辅助定位源条件下完成天线阵列来波方向的到达角估计，但是阵列误差严重影响目标到达角估计，由于破坏了阵列流形的特性规律，使得到达角估计算法无法唯一辨识阵列误差信息和到达角信息。另外，联合估计方法通常对到达角、阵列误差的初始值敏感，导致算法性能不稳定。论文‘B.FriedlanderandA.J.Weiss,Eigenstructuremethodsfordirectionfindingwithsensorgainandphaseuncertainties[C],ICASSP-88.,InternationalConferenceonAcoustics,Speech,andSignalProcessing,NewYork,NY,1998,pp.2681-2684vol.5.’提出一种基于子空间的自校准算法，该方法设置一个优化函数并给出一个幅相误差初始值，通过循环迭代得到幅相误差与到达角的联合估计。其估计性能受初始值影响很大，性能不稳定。论文‘H.Liu,L.Zhao,Y.Li,X.JingandT.K.Truong,"ASparse-BasedApproachforDOAEstimationandArrayCalibrationinUniformLinearArray,"inIEEESensorsJournal,vol.16,no.15,pp.6018-6027,Aug.1,2016.’提出了一种可以解决阵列存在互耦效应、阵元位置偏差和阵元幅相误差的到达角估计算法，利用阵列矩阵的稀疏性进行凸优化搜索求解，当阵列的校准误差较大时性能差。专利“张弓，刘帅.基于遗传算法的MIMO雷达阵列位置误差自校准方法.CN200910264135.8”提出一种基于遗传算法的MIMO雷达阵列位置误差自校准方法。该专利技术构造一个对不同方向空间谱值进行加权求和的自适应权函数，再结合MUSIC方法，构建个体适应度函数，基于遗传算法，实现了阵元位置误差与DOA的联合在线估计。算法需要较为准确的初始估计值，因此适用于具有较小校准误差的天线阵列。专利“曹祥.用于传感器阵列的信号波达方向自校准方法.CN201611243005.2”提出一种用于传感器阵列的信号波达方向自校准方法。初始化传感器阵列的阵列误差，由噪声子空间矩阵用MUSIC算法估计信号来波方向的初始值；通过拉格朗日乘子法最小化构造的Hermitian正定矩阵得到阵列误差的估计；再用MUSIC算法估计信号波达方向；重复迭代上述步骤直到满足迭代停止条件。该方法性能受限于初始估计值，且当阵列校准误差较大时估计性能恶化。从现有的各类自校准算法来看，主要存在以下几类问题：1)天线阵元的幅度与相位偏差较大时，来波角度估计精度急剧下降。2)来波角度估计性能受限于来波角度初始值的估计精度，性能不稳定。3)为了在模数混合阵列下使用空间超分辨率方法，仅利用部分阵元，不能充分利用天线口径来提高来波角度估计性能。因此，天线阵列通道不一致引起的幅度与相位偏差的自校准技术、以及来波角度估计技术的研究重点是：获得较为精确的来波角度、以及幅度、相位偏差初始估计值，提高来波角度估计方法的适用性与健壮性。
技术实现思路
本专利技术提供了一种模数混合天线阵列的角度估计方法，以提高来波角度估计得精确性。本专利技术提供的一种模数混合天线阵列的角度估计方法，所述天线按照射频链路数进行分组，每个分组包含的阵元来自不同的射频链路；该方法包括，在一个符号周期内，每个射频链路与其连接的阵元依次连接，获得所有阵元的输出信号，从所述输出信号中消除导频信号，得到各个分组的接收信号；对各个分组的接收信号进行平均，并进行第一相消处理，得到所有阵元的等效接收信号矩阵；将所述等效接收信号矩阵分成两个具有最大重合度的子阵，将所述两个子阵的每行对应元素分别进行第二相消处理，得到最大重合子阵；对最大重合子阵相邻行向量进行第三相消处理，得到各分组的等效阵元相对于第一等效阵元的幅度偏差初本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模数混合天线阵列的角度估计方法，其特征在于，所述天线按照射频链路数进行分组，每个分组包含的阵元来自不同的射频链路；该方法包括，在一个符号周期内，每个射频链路与其连接的阵元依次连接，获得所有阵元的输出信号，从所述输出信号中消除导频信号，得到各个分组的接收信号；对各个分组的接收信号进行平均，并进行第一相消处理，得到所有阵元的等效接收信号矩阵；将所述等效接收信号矩阵分成两个具有最大重合度的子阵，将所述两个子阵的每行对应元素分别进行第二相消处理，得到最大重合子阵；对最大重合子阵相邻行向量进行第三相消处理，得到各分组的等效阵元相对于第一等效阵元的幅度偏差初始估计值、随机相位偏差初始估计值、以及来波方向的到达角初始估计值；对每个符号周期内所有分组的接收信号进行平均，并进行第四相消处理，基于阵元的幅度与随机相位偏差构成的对角矩阵，用等效阵元的幅度偏差初始估计值、随机相位偏差初始估计值构造所述对角矩阵的逆矩阵；通过构造的逆矩阵从第四相消处理后的接收信号中校准阵元的幅相偏差，得到一个符号周期内接收信号矢量；将所有符号周期的接收信号‑矢量拼接为接收信号矩阵，得到拼接后的接收信号矩阵；对所述拼接后的接收信号矩阵的协方差矩阵进行奇异值分解，得到信号子空间特征向量矩阵、和噪声子空间特征向量矩阵；按照所分成的两个具有最大重合度的子阵，对信号子空间特征向量矩阵的结构进行分解，得到两个信号子空间特征向量子矩阵；根据所述两个信号子空间特征向量子矩阵以及其内在关系，求解各信号源来波方向到达角估计值。...

【技术特征摘要】
1.一种模数混合天线阵列的角度估计方法，其特征在于，所述天线按照射频链路数进行分组，每个分组包含的阵元来自不同的射频链路；该方法包括，在一个符号周期内，每个射频链路与其连接的阵元依次连接，获得所有阵元的输出信号，从所述输出信号中消除导频信号，得到各个分组的接收信号；对各个分组的接收信号进行平均，并进行第一相消处理，得到所有阵元的等效接收信号矩阵；将所述等效接收信号矩阵分成两个具有最大重合度的子阵，将所述两个子阵的每行对应元素分别进行第二相消处理，得到最大重合子阵；对最大重合子阵相邻行向量进行第三相消处理，得到各分组的等效阵元相对于第一等效阵元的幅度偏差初始估计值、随机相位偏差初始估计值、以及来波方向的到达角初始估计值；对每个符号周期内所有分组的接收信号进行平均，并进行第四相消处理，基于阵元的幅度与随机相位偏差构成的对角矩阵，用等效阵元的幅度偏差初始估计值、随机相位偏差初始估计值构造所述对角矩阵的逆矩阵；通过构造的逆矩阵从第四相消处理后的接收信号中校准阵元的幅相偏差，得到一个符号周期内接收信号矢量；将所有符号周期的接收信号-矢量拼接为接收信号矩阵，得到拼接后的接收信号矩阵；对所述拼接后的接收信号矩阵的协方差矩阵进行奇异值分解，得到信号子空间特征向量矩阵、和噪声子空间特征向量矩阵；按照所分成的两个具有最大重合度的子阵，对信号子空间特征向量矩阵的结构进行分解，得到两个信号子空间特征向量子矩阵；根据所述两个信号子空间特征向量子矩阵以及其内在关系，求解各信号源来波方向到达角估计值。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述输出信号的接收模型为：Yi,k＝GkASi+Wi,k其中，Yi,k为第i个符号周期、第k次切换M维的接收信号，是由阵元的幅度与随机相位偏差构成的M维对角矩阵，diag(.表示对角矩阵；αk,m是第k个天线分组内与第m个射频链路连接的天线阵元的幅度偏差，服从均值为1的均匀分布；φk,m为第k个天线分组内与第m个射频链路连接的天线阵元的相位偏差；A＝[a(θ1),a(θ2),…,a(θL)]是以该天线分组的第一根天线为基准的M×L维阵列导引矩阵，其中导引矢量为信号导引矢量，θl为第l个信号源的到达角，d与λ分别是阵元间距与波长，且d＝λ/2；Si是第i个符号周期内发送的能量归一化的导频信号矩阵，不同信号源的信号相互正交；Wi,k是白噪声矢量；L为信号源数，M为射频链路数，K为天线分组数。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述从输出信号中消除导频信号，得到各个分组的接收信号包括，从每个符号周期内、K次切换的M维接收信号中按照式消除导频信号，得到M×L维的第一接收信号矩阵，其中，为第i个符号周期内、第k次切换的M维的接收信号；所述对各个分组的接收信号进行平均，并进行第一相消处理，得到所有阵元的等效接收信号矩阵，包括：从第1次切换到第K次切换，按照式求取第i个符号周期内、K次切换的接收信号平均值，由此得到每个符号周期内K个分组阵元的M×L维第一等效接收信号矩阵；对第一等效接收信号矩阵中每一行元素，逐元素除以第一行的对应元素，得到所有阵元的第二等效接收信号矩阵。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述将所述等效接收信号矩阵分成两个...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭岳星，唐灵灵，李倩，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京,11