基于到达角测量的3D MIMO信道估计方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于到达角测量的3D MIMO信道估计方法及系统，利用接收信号的空间特性估计信号到达角，并采用基于导频的信道估计方法联合估计信号离开角和信道增益，完整的时域信道状态信息通过信号到达角、信号离开角以及信道增益获得。本发明专利技术减少了算法整体需要考虑的参数，避免了内插导致的误差，有效提高了低信噪比下3D MIMO‑OFDM系统接收机的信道估计精度。

3D MIMO Channel Estimation Method and System Based on Angle of Arrival Measurement

The invention provides a 3D MIMO channel estimation method and system based on angle of arrival measurement. The angle of arrival of the received signal is estimated by using the spatial characteristics of the received signal, and the pilot-based channel estimation method is used to jointly estimate the signal departure angle and channel gain. The complete time-domain channel state information is obtained by the signal angle of arrival, the signal departure angle and the channel gain. The invention reduces the parameters that need to be considered in the whole algorithm, avoids the error caused by interpolation, and effectively improves the channel estimation accuracy of the receivers of the 3D MIMO OFDM system under low signal-to-noise ratio.

【技术实现步骤摘要】
基于到达角测量的3DMIMO信道估计方法及系统
本专利技术涉及通信
，具体地，涉及一种基于到达角测量的3DMIMO信道估计方法及系统。
技术介绍
在无线通信系统中，信号从发送机到接收机的传输中会受到实际信道环境的影响而产生畸变。接收机为了能够有效的恢复出原始信号，需要尽量准确的估计出信号传输中对应的信道状态信息，再利用估计出的信道状态信息对接收信号做进一步的均衡处理。因此，接收机信道估计的准确性对于无线通信信息的正确传输至关重要。随着移动宽带通信对系统容量的需求快速增长，3DMIMO系统近年来得到了领域内的广泛关注。传统的MIMO系统仅能在水平维度区分用户，导致其同时、同频可服务的用户数受限。而3DMIMO通过在基站侧布置二维天线阵列，充分利用垂直和水平维的天线自由度，能够同时、同频服务更多的用户，极大地提升系统容量和频谱效率。OFDM技术作为第四代移动通信的核心技术，与3DMIMO系统结合，有效地解决了频率选择性衰落的问题，能够提供更高地数据传输速率。由于MIMO算法对信道矩阵的敏感性，信道状态信息的准确性对评估3DMIMO-OFDM系统的性能尤为关键，因此需要在接收机端设计有效的信道估计方案。在OFDM无线通信系统中，目前广泛应用的信道估计方法是基于导频的信道估计。具体分为两个步骤，第一步是导频处对应的信道信息估计，第二步通过内插算法获得数据处对应的信道信息。导频处信道信息的获得通常采用最小二乘(LS)算法或最小均方误差(MMSE)算法，内插算法中应用最广泛的是一维线性内插。上述信道估计方法仍然适用于3DMIMO-OFDM系统，但是由于将信号传输的角度信息和信道增益视为整体进行估计，考虑的参数过多导致性能不佳，并且在线性内插时会产生误差。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于到达角测量的3DMIMO信道估计方法及系统。根据本专利技术提供的一种基于到达角测量的3DMIMO信道估计方法，包括：利用接收信号的空间特性估计信号到达角，并采用基于导频的信道估计方法联合估计信号离开角和信道增益，完整的时域信道状态信息通过信号到达角、信号离开角以及信道增益获得。较佳的，具体包括步骤：步骤1、将接收的时域数据以数据矩阵的形式储存；步骤2、通过奇异值分解数据矩阵获得接收信号的信号空间；步骤3、构造旋转不变等式，利用子空间不变性恢复接收信号到达角；步骤4、基于导频联合估计信道增益和信号离开角；步骤5、结合信号到达角、信道增益、信号离开角，联合恢复信道矩阵。较佳的，步骤1还包括：收到的时域数据按接收时间的先后排为矩阵的一行，多条接收天线的数据构成矩阵的各行。较佳的，步骤2包括：通过奇异值分解数据矩阵获得接收信号的信号空间：其中为数据矩阵，ΠN为N维交换矩阵，Us为左酉矩阵的子阵，列与大于零的奇异值对应，Un为左酉矩阵除去Us后的子阵，为右酉矩阵的子阵，行与大于零的奇异值对应，为右酉矩阵除去后的子阵，Σs为大于零的奇异值构成的对角矩阵，Nr为接收天线数，Nc为子载波总数。较佳的，步骤3包括：对于偶数根接收天线，即Nr＝2K，构造如下矩阵QK、PK，其中QK为酉矩阵：其中IK为K维单位矩阵，j为虚数单位。利用接收导向矢量的特点和子空间的一致性，得到如下关系：Kx1UsΨx＝Kx2Us其中J为Nr维单位矩阵的后Nr-1行，Us在步骤2中获得，由于Ψx与到达角产生的对角矩阵相似，即一定存在非奇异矩阵T满足：因此对Ψx矩阵进行特征值分解即得到参数ul的估计：式中，λl表示Ψx矩阵第l个特征值，进而信号到达角表示为：较佳的，步骤4包括：接收信号通过下变频及低通滤波器，再通过模数转换后去除循环前缀后，经过IFFT解调可以得到接收信号的频域信息，利用已知的导频信息以及频域信道矩阵与时域的信道矩阵的关系，得到时域信道估计的数学模型：其中，矩阵Cc中的子阵C(l)表示第l条径产生的时域信道矩阵，对于L条径的信道有C(l)＝0,L＜l≤512，子阵的数量取决于实际通信协议中导频块的数量；表示第k个导频处各发送天线的导频符号，表示第k个导频处各接收天线的频域信息，为导频k对应的子载波数，w为高斯白噪声，Nc为子载波总数；由信道矩阵与信号到达角、信号离开角、信道增益的关系，有如下表达式：Cc＝BDEt其中D为信道增益矩阵；Et是发送导向矢量构成的，由离开角决定；B是接收导向矢量构成的，由到达角决定，由步骤3中的估计结果，矩阵B的第l列估计为：在矩阵B估计的基础上，联合估计信号离开角、信道增益：其中为DEt的自相关矩阵，为噪声功率，为导频功率。较佳的，步骤5包括：由矩阵B的估计和DEt的估计，恢复完整的信道矩阵：根据本专利技术提供的一种基于到达角测量的3DMIMO信道估计系统，包括：利用接收信号的空间特性估计信号到达角，并采用基于导频的信道估计方法联合估计信号离开角和信道增益，完整的时域信道状态信息通过信号到达角、信号离开角以及信道增益获得。较佳的，具体包括：存储模块：将接收的时域数据以数据矩阵的形式储存；分解模块：通过奇异值分解数据矩阵获得接收信号的信号空间；构造模块：构造旋转不变等式，利用子空间不变性恢复接收信号到达角；估计模块：基于导频联合估计信道增益和信号离开角；恢复模块：结合信号到达角、信道增益、信号离开角，联合恢复信道矩阵。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：1、本专利技术有效利用了信号传输具有方向性的特点，先通过估计信号到达角，并在此基础上进一步对信道增益、信号离开角进行联合估计，减少了算法整体需要考虑的参数，避免了内插导致的误差，在低信噪比环境下有效提高了信道估计的准确度。2、由于本专利技术的信道估计方案与现有的信道估计方案相比，只增加了到信号达角估计环节，接收机设计成本的增加在可接受范围之内。3、由于本专利技术的信道估计方案没有对发射端架构的设计提出要求，与传统方案的导频开销一致，具有较好的兼容性。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为3DMIMO-OFDM系统数据基带传输框图；图2为本专利技术基于到达角测量的3DMIMO信道估计方法的示意图；图3为本专利技术与其他信道估计算法的性能对比示意图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。在3DMIMO-OFDM(三维多输入多输出正交频分复用)下行链路通信中，数据在发射机MIMO编码之前到接收机MIMO译码之后这一过程的基带框图如图1所示。本专利技术提供的一种基于到达角测量的3DMIMO信道估计方法，主要在接收机对数据进行去除循环前缀之后进行，方法的示意图如图2所示，包括：利用接收信号的空间特性估计信号到达角，并采用基于导频的信道估计方法联合估计信号离开角和信道增益，完整的时域信道状态信息通过信号到达角、信号离开角以及信道增益获得。具体包括步骤：步骤1、将接收的时域数据以数据矩阵的形式储存；步骤2、通过奇异值分解数据矩阵获得接收信号的信号空间；步骤3、构造旋转不变等式，利用子空间不变性恢复接本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于到达角测量的3D MIMO信道估计方法，其特征在于，包括：利用接收信号的空间特性估计信号到达角，并采用基于导频的信道估计方法联合估计信号离开角和信道增益，完整的时域信道状态信息通过信号到达角、信号离开角以及信道增益获得。

【技术特征摘要】
1.一种基于到达角测量的3DMIMO信道估计方法，其特征在于，包括：利用接收信号的空间特性估计信号到达角，并采用基于导频的信道估计方法联合估计信号离开角和信道增益，完整的时域信道状态信息通过信号到达角、信号离开角以及信道增益获得。2.根据权利要求1所述的基于到达角测量的3DMIMO信道估计方法，其特征在于，具体包括步骤：步骤1、将接收的时域数据以数据矩阵的形式储存；步骤2、通过奇异值分解数据矩阵获得接收信号的信号空间；步骤3、构造旋转不变等式，利用子空间不变性恢复接收信号到达角；步骤4、基于导频联合估计信道增益和信号离开角；步骤5、结合信号到达角、信道增益、信号离开角，联合恢复信道矩阵。3.根据权利要求2所述的基于到达角测量的3DMIMO信道估计方法，其特征在于，步骤1还包括：收到的时域数据按接收时间的先后排为矩阵的一行，多条接收天线的数据构成矩阵的各行。4.根据权利要求2所述的基于到达角测量的3DMIMO信道估计方法，其特征在于，步骤2包括：通过奇异值分解数据矩阵获得接收信号的信号空间：其中为数据矩阵，ΠN为N维交换矩阵，Us为左酉矩阵的子阵，列与大于零的奇异值对应，Un为左酉矩阵除去Us后的子阵，为右酉矩阵的子阵，行与大于零的奇异值对应，为右酉矩阵除去后的子阵，Σs为大于零的奇异值构成的对角矩阵，Nr为接收天线数，Nc为子载波总数。5.根据权利要求2所述的基于到达角测量的3DMIMO信道估计方法，其特征在于，步骤3包括：对于偶数根接收天线，即Nr＝2K，构造如下矩阵QK、PK，其中QK为酉矩阵：其中IK为K维单位矩阵，j为虚数单位。利用接收导向矢量的特点和子空间的一致性，得到如下关系：Kx1UsΨx＝Kx2Us其中J为Nr维单位矩阵的后Nr-1行，Us在步骤2中获得，由于Ψx与到达角产生的对角矩阵相似，即一定存在非奇异矩阵T满足：因此对Ψx矩阵进行特征值分解即得到参数ul的估计：式中，λl表示Ψx矩阵第l个特征值，进而信...

【专利技术属性】
技术研发人员：张凌，秦启波，刘中令，俞晖，许刚，归琳，
申请(专利权)人：上海交通大学，联芯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31