本发明专利技术是一种多用户大规模MIMO信道估计方法与装置，针对massive MIMO多用户通信场景。本发明专利技术装置包括用户接收信号模块、接收信号协方差矩阵平滑模块、用户到达角快速估计模块、波束成形技术估计信道增益模块以及信道状态信息矩阵重构模块。本发明专利技术方法使用快速信道协方差矩阵平滑技术和快速MUSIC谱搜索法对每个用户的每条散射路径的角度进行精确估计，同时保证了极低的复杂度，然后采用波束成形技术预估每条散射路径上的信道增益，最后对状态信息矩阵进行重构。本发明专利技术在信道满秩或者低秩情况下都具有十分优异的信道估计性能，超过现今最优MMSE信道估计器，尤其适用于当下5G通信场景对时延和传输速率有很高的要求。景对时延和传输速率有很高的要求。景对时延和传输速率有很高的要求。
【技术实现步骤摘要】
一种多用户大规模MIMO信道估计方法与装置
[0001]本专利技术属于大规模天线多输入多输出(Massive multiple input multiple output,MIMO)
，具体涉及一种多用户大规模MIMO信道估计方法与装置。
技术介绍
[0002]大规模天线多输入多输出(MIMO)技术，即Massive MIMO技术，通过显著扩展覆盖区域和允许更多用户访问移动基站(mobile base-station，MBS)，是第五代无线通信系统中的一项关键性技术，它能够大量提升信道传输容量和速率，这对5G通信的三大主要应用场景来说是极为重要的。为顺利完成目标和基站之间的信息传递过程以及获取后续准确预编码设计，首要工作是估计信道状态信息(CSI，channel state information)。对于大部分具有超低时延要求的5G应用场景，信道估计的方法必须要求兼顾高精度和低时延特性。
[0003]传统的信道估计方法包括经典的最小二乘(Least Squares,LS)和最小均方误差(Minimum Mean Square Error,MMSE)方法。对于massive MIMO系统来说，LS信道估计方式复杂度很低但是估计精度不足，MMSE估计方法估计精度很高但所需复杂度极高，同时它也是传统估计方法的性能极限。因而，目前的信道估计手段都试图在LS和MMSE之间寻求复杂度和估计精度之间的平衡解，并没有突破MMSE的精度限制。
[0004]由于高计算量和通信环境变化的限制，虽然广为人知的MMSE估计器接近最优的估计精度，但是它的实现在很多对通信系统实时性要求较高时是不切实际的，一方面因为它的计算复杂度十分大，另一方面，在高度动态需求的通信环境中，所需的统计协方差信息往往不可用。而其他简化后的近似最优估计器会严重影响估计精度，并同时带来不低的计算开销。近年来，研究学者针对massive MIMO通信系统开发了各种CSI估计器，旨在降低计算的时间复杂度，或提高精度。SVP(singular value projection)算法利用了信道矩阵的低秩特性，将一个大规模的MIMO信道估计转换成奇异值分解和恢复的过程。WPEACH(weighted polynomial expansion channel)方法对MMSE估计器所涉及的矩阵求逆进行了近似计算，提出了加权多项式扩展信道估计器，降低了估计的复杂度。然而，在时变无人机环境中，权系数的更新仍然需要大量的计算开销。基于最小二乘估计和稀疏消息传递算法的LSE-SMP(least-square estimation and sparse message passing)方法通过设计良好的消息反馈机制来获得与信道相关的稀疏矩阵，利用稀疏迭代方式将毫米波信道估计问题转换为稀疏信号恢复问题，并借助消息传递算法恢复出非0元素位置，该方法可以获得方差最小的无偏估计，但可应用性极低，稀疏基的寻找将极大影响算法性能，并且该算法所需复杂度依旧十分高，消息更新所需复杂度极高。
[0005]目前，CSI估计器的主要目标是平衡计算复杂度和估计精度，这是massive MIMO系统的一个主要挑战。已有的方法可以在一定程度上降低时间复杂度，但很少有方法的估计精度能超过MMSE估计器。这些方法尽管在理论分析和实际应用，如提高信道容量方面前景广阔，但超越MMSE的CSI估计器研究仍是一个亟待解决的问题，特别是当强调低复杂度和高精度并行时。
技术实现思路
[0006]针对当前5G应用场景中对Massive MIMO的CSI估计的低时延和高可靠性需求，本专利技术提供了一种多用户大规模MIMO信道估计方法与装置，将精度和复杂度同时作为优化目标，首次突破了传统采用MMSE进行信道估计的性能极限，并同时保证了极低的计算复杂度。
[0007]本专利技术技术方案的应用场景是，对于一个大规模massive MIMO通信系统，所有用户之间发送正交的导频信号给基站端以估计当前环境下的信道，因而可以利用导频之间的正交性将各个用户的信道进行分开估计。
[0008]具体地，本专利技术提供的一种多用户大规模MIMO信道估计装置，包括：用户接收信号模块、接收信号协方差矩阵平滑模块、用户到达角快速估计模块、波束成形技术估计信道增益模块以及信道状态信息矩阵重构模块。
[0009]所述用户接收信号模块利用用户之间发送导频信号的正交性，对基站接收到的总接收信号矩阵正交处理，获取单用户的接收信号向量，设用户i的接收信号向量为y
i
，i为正整数。所述接收信号协方差矩阵平滑模块采用空间平滑技术对接收信号向量y
i
进行采样重构，获得用户i的接收信号协方差矩阵R
yi
，矩阵R
yi
包含目标的到达角信息。所述用户到达角快速估计模块对矩阵R
yi
利用快速MUSIC谱估计方法分解获得信号子空间和噪声子空间，对目标的到达角度进行谱搜索，设得到包含目标用户i的所有多径的到达角度，设θ
i,j
为用户i的第j条多径的到达角。所述波束成形技术估计信道增益模块对每个用户的每个多径角度方向，采用波束成形技术计算信道增益；设用户i的第j条多径上的信道增益为g
i,j
。所述信道状态信息矩阵重构模块基于θ
i,j
和g
i,j
，借助信道模型重构用户i的信道状态信息h
i
；当所有N
t
个用户的信道状态信息都被估计出来之后，信道状态信息矩阵重构模块将其进行合并，获得基站端和所有用户之间的状态信息矩阵
[0010]相应地，本专利技术提供的一种多用户大规模MIMO信道估计方法，首先估计用户和天线之间每条路径的到达角，再采用波束成形技术估计每条路径的信道增益参数，最后基于信道模型重构基站端和用户间的信道状态信息。本专利技术方法包括如下步骤：
[0011]步骤1，基站端获得对所有用户发射的导频信号的观测矩阵Y，根据用户发送导频信号的正交性，将Y和每个用户的导频信号向量相乘，得到单用户的接收信号向量，设用户i的接收信号向量为y
i
；用户i的接收信号向量中包含用户i到基站之间所有多径的路径增益以及到达角；
[0012]步骤2，确定平滑因子L，使用y
i
的第j到j+L-1个元素重构向量y
i
(j:j+L-1)，由秩为1的向量y
i
(j:j+L-1)平滑得到用户i的接收信号协方差矩阵R
yi
，矩阵R
yi
包含目标的到达角信息；
[0013][0014]其中，L是正整数，上角标H表示共轭转置，N
r
为基站端天线数目；
[0015]步骤3，对用户i的接收信号协方差矩阵R
yi
，利用快速MUSIC谱估计方法获取用户i的所有多径的到达角度，设θ
i,j
为用户i的第j条多径的到达角；
[0016]本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种多用户大规模多输入多输出MIMO信道估计装置，布置在基站端，其特征在于，所述装置包括：用户接收信号模块、接收信号协方差矩阵平滑模块、用户到达角快速估计模块、波束成形技术估计信道增益模块以及信道状态信息矩阵重构模块；所述用户接收信号模块利用用户之间发送导频信号的正交性，对基站接收到的总接收信号矩阵正交处理，获取单用户的接收信号向量，设用户i的接收信号向量为y
i
，i为正整数；所述接收信号协方差矩阵平滑模块采用空间平滑技术对接收信号向量y
i
进行采样重构，获得用户i的接收信号协方差矩阵R
yi
，矩阵R
yi
包含目标的到达角信息；所述用户到达角快速估计模块对矩阵R
yi
利用快速MUSIC谱估计方法分解获得信号子空间和噪声子空间，对目标的到达角度进行谱搜索，设得到包含目标用户i的所有多径的到达角度，设θ
i,j
为用户i的第j条多径的到达角；所述波束成形技术估计信道增益模块对每个用户的每个多径角度方向，采用波束成形技术计算信道增益；设用户i的第j条多径上的信道增益为g
i,j
；所述信道状态信息矩阵重构模块基于θ
i,j
和g
i,j
，借助信道模型重构用户i的信道状态信息h
i
；当所有用户的信道状态信息都被估计出来之后，将其进行合并获得基站端和所有用户之间的状态信息矩阵N
t
为用户数目。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的接收信号协方差矩阵平滑模块，首先确定平滑因子L，使用y
i
的第j到j+L-1个元素重构向量y
i
(j:j+L-1)，再由秩为1的向量y
i
(j:j+L-1)平滑，得到协方差矩阵R
yi
，如下：其中，N
r
为基站端天线数目，上角标H表示共轭转置。3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述的用户到达角快速估计模块，采用的快速MUSIC谱估计方法为：首先，对协方差矩阵R
yi
的行和列进行随机采样，采样数目均为s，s＝2*L，矩阵R
yi
的行和列数均为L，得到采样后的交叉矩阵H1＝R
yi
(I,J)，I和J分别表示采样的行和列的索引构成的集合；其次，对矩阵H1求伪逆得到矩阵H2，再对矩阵H2进行奇异值分解，获取信号子空间和噪声子空间，利用信号子空间和噪声子空间的正交性对目标的到达角度进行谱搜索。4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述的信道状态信息矩阵重构模块重构用户i的信道状态信息h
i
【专利技术属性】
技术研发人员：李斌，魏子平，许方敏，赵成林，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：
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