三维大规模天线系统基于导频的波达波离角联合估计方法技术方案

本发明专利技术涉及一种三维大规模天线系统下基于导频的波达角与波离角的联合估计方法，属于无线通信技术领域。本发明专利技术移动端为均匀线性天线阵列在每根发射天线不断地发送已知的导频信号，基站端为均匀矩形天线阵列根据接收信号记录不同路径的衰落损耗，根据最小二乘估计算法估计整个系统的等效信道增益H；基站端对H进行奇异值分解获得奇异值；基站端根据不同路径衰落损耗顺序重新对奇异值排序，则重新排序后的奇异值即为不同路径的信道衰落系数D；基站端根据ESPRIT算法估计接收天线的波达角得到接收天线阵列响应A；基站端根据已经获得的H，D和A，再由公式H＝ADBT获得发射天线阵列的波离角即发射天线阵列响应B。对比现有技术，本发明专利技术方法复杂度低，节约时间和资源。

【技术实现步骤摘要】
三维大规模天线系统基于导频的波达波离角联合估计方法
：本专利技术涉及一种基于导频的波离角与波达角的联合估计的方法，特别涉及一种三维大规模多天线系统下(3DmassiveMIMO)针对发送端是均匀线性阵列(Uniformlineararray，ULA)，接收端是均匀平面阵列(Uniformplanararray，UPA)的波离角和波达角的联合估计方法(JointDODandDOAestimation)，属于通信

技术介绍
随着通信技术的不断发展，通信数据的传输速率将越来越快，信道环境越来越复杂，人们对有限的空间频谱资源的需求不断提高。大规模多天线技术可以在不增加带宽以及发送功率的情况下，提高系统的信道容量，因而成为无线通信领域中研究的最广泛的技术之一。现有的大规模多天线技术大多只考虑水平天线模式，而忽略了垂直天线模式的影响，这并不符合实际的无线信道。3DmassiveMIMO由于其更大的自由度，实现了信道和天线模型的三维化，更加贴切地反映了实际的MIMO信道，因而成为未来无线通信系统的候选技术之一。大规模天线系统经常使用均匀平面阵列，因为该阵列采用平面摆放天线，大大减小了天线的空间占用面积。随着智能手机的普及以及无线多媒体应用的快速增长，无线数据的需求也大幅增加。而智能天线技术则为解决这些问题带来了新的方法，并且成为第四代移动通信系统的研究热点之一。波离角和波达角的联合估计技术作为智能天线技术中的一个重要部分，也受到了业界的极大关注。智能天线通过采用波离角和波达角估计技术对用户的空间信息进行估计，能够有选择性地接收或发射位于同一信道中的多路信号，降低了信号之间的干扰，增加了通信容量，提高了通信质量。经典的MUSIC(MultipleSignalClassification，多重信号分类)算法和ESPRIT(EstimatingSignalParametersViaRotationalInvarianceTechniques，借助旋转不变技术估计信号参数算法)都是一维参数(方位角)的DOA(DirectionofArrival)估计方法，且算法的计算量比较大。而在实际应用中，对于信号波达角的多维参数(方位角、俯仰角、频率及时延等)的估计更有应用价值。而如果直接将MUSIC算法应用于波达角的二维参数(方位角、俯仰角)估计则需要进行二维的谱峰搜索,将会使得算法的计算量非常大，而且对于波离角估计还需要再一次运用MUSIC算法或者ESPRIT算法，运算量将会大大增加。针对大规模天线系统，需要估计的波离角和波达角的参数更多，所以对该系统的联合波离角和波达角估计算法的研究具有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是为解决3DmassiveMIMO中的联合DOD和DOA估计问题，提出了一种三维大规模天线系统下基于导频的发送端是均匀线性阵列，接收端是均匀平面阵列的联合波离角和波达角的估计方法。应用该方法，使得在这种复杂系统中的联合DOD和DOA估计问题得以解决。本专利技术方法的目标是在满足一定准确率的情况下，解决复杂系统的联合DOD和DOA估计的问题。思想是发送端源源不断发送导频符号，然后根据导频处的信道模型，利用奇异值分解，将联合DOD和DOA估计的问题转化为求矩阵的奇异值分解的问题，最后提出了基于导频的联合DOD和DOA估计方法以达到降低估计复杂度的目的。本专利技术是建立在以下基础上进行的：基站端为均匀平面天线阵列(Uniformplanararray，UPA)，水平方向有M个阵元，竖直方向有N个阵元，故该平面阵列接收天线数Nr＝M×N，移动端为配置Nt个发送天线的均匀线阵(UniformLinearArray，ULA)，大规模天线系统中，M×N和Nt都很大。在UPA端考虑俯仰角度的影响，信道为3D信道。本专利技术方法是通过如下技术方案实现的：一种三维大规模天线系统下基于导频的波达角与波离角的联合估计方法，包括以下步骤：步骤1，移动端在每根发射天线源源不断地发送已知的导频符号S，基站端获得接收信号Y并记录不同路径的信号衰落损耗大小排序，根据最小二乘估计算法H＝Y(SHS)-1SH，估计整个系统的等效信道增益H；作为优选，所述每条路径的信号衰落损耗可以使用该条路径信号的功率表征；步骤2，基站端对等效信道增益H进行奇异值分解得到奇异值SingularValueDecomposition，SVD)λ1,λ2,...,λP和奇异值矩阵ΣH＝Diag{λ1,...,λP}，且λ1≥λ2,...,≥λP；步骤3，根据步骤1中不同路径的信号衰落损耗大小排序序号，在奇异值序列中找到该序号对应的奇异值，即若第l条路径在衰落损耗中排序第q，则选择第q个奇异值λq(q∈[1,P]),该值即为第l条路径的衰落系数，所有的路径(1到P)的衰落系数形成信道衰落系数矩阵D；步骤4，基站端针对每条路径两次运用ESPRIT算法估计均匀平面天线阵列的波达角，即两次分别估计第l条路径(共P条路径)的俯仰角θr,l和方位角从而获得每条路径的天线阵列响应ar,l：其中，ur,l＝(2πdr/λc)cosθr,l，M为水平阵元数目，N为竖直阵元数目，dr为阵元间距，λc为载波波长；进而根据如下公式得到均匀平面天线阵列矩阵A：A＝[ar,1,...,ar,P]；步骤5，基站端根据等效信道增益H，信道衰落系数D和接收天线阵列的响应A，根据公式H＝ADBT获得均匀线性阵列响应矩阵B，然后根据如下公式计算得到发射均匀线性天线阵列的波离角θ：B＝[at,1,...,at,P]；其中，vt,l＝(2πdt/λc)cosθt,l。有益效果对比现有技术，本专利技术的有益之处在于，针对复杂的3DMassiveMIMO系统，面对大量的待估计的参数，本专利技术方法比传统的算法复杂度低，节约时间和资源。由于发送端和接收端都是大规模系统，通过大数定理，将联合估计问题简化为矩阵奇异值分解问题，再利用导频和ESPRIT算法获得所有待估计的参数。附图说明图1为本专利技术实施例选用的三维大规模网络上行传输模型示意图。图2为本专利技术实施例波离角与波达角的联合估计方法流程示意图。图3为本专利技术实施例的信号传输流程示意图。图4为实施本专利技术实施例得到的不同天线阵列模型的方位角均方估计误差和俯仰角均方估计误差曲线示意图。图5为实施本专利技术实施例得到的不同快拍数下联合波离角和波达角估计的均方误差(MSE)与信噪比的关系曲线示意图。具体实施方式为使专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合附图对本专利技术的实施例进行详细描述。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细实施方式和具体操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。实施例如附图1所示为本实施例选用的三维大规模网络上行传输模型示意图，图中dr和dt分别表示接收天线和发射天线阵元的阵元间距，hm和h分别表示移动端天线和基站天线到地面水平面的高度。以基站天线所在平面为参考平面，基站与移动端第l条路径的连线在参考平面的投影为jl，则定义jl与x轴的夹角为该传输路径波达角的方位角，基站与移动端第l条路径的连线与z轴反方向的夹角θr,l为该传输路径波达角的俯仰角，称为第l条路径的波达角；同理，对移动端本身建立和基站类似的坐标系，由于发射天线是线阵而不是阵列本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维大规模天线系统下基于导频的波达角与波离角的联合估计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，移动端在每根发射天线源源不断地发送已知的导频符号S，基站端获得接收信号Y并记录不同路径的信号衰落损耗大小排序，根据最小二乘估计算法H＝Y(SHS)‑1SH，估计整个系统的等效信道增益H；步骤2，基站端对等效信道增益H进行奇异值分解得到奇异值λ1,λ2,...,λP和奇异值矩阵ΣH＝Diag{λ1,...,λP}，且λ1≥λ2,...,≥λP；步骤3，根据步骤1中不同路径的信号衰落损耗大小排序序号，在奇异值序列中找到该序号对应的奇异值，即若第l条路径在衰落损耗中排序第q，则选择第q个奇异值λq(q∈[1,P]),该值即为第l条路径的衰落系数，所有的路径(1到P)的衰落系数形成信道衰落系数矩阵D；步骤4，基站端针对每条路径两次运用ESPRIT算法估计均匀平面天线阵列的波达角，即两次分别估计第l条路径的俯仰角θr,l和方位角从而获得每条路径的天线阵列响应ar,l：ar,l=a(ur,l)⊗a(vr,l)={1/M[1,ejur,l,...,ej(M-1)ur,l]T}⊗{1/N[1,ejvr,l]T}∈cMN×1;]]>其中，ur,l＝(2πdr/λc)cosθr,l，vM为水平阵元数目，N为竖直阵元数目，dr为阵元间距，λc为载波波长，l∈[1，P]；进而根据如下公式得到均匀平面天线阵列矩阵A：A＝[ar,1,...,ar,P]；步骤5，基站端根据等效信道增益H，信道衰落系数D和接收天线阵列的响应A，根据公式H＝ADBT获得均匀线性阵列响应矩阵B，然后根据如下公式计算得到发射均匀线性天线阵列的波离角θ：B＝[at,1,...,at,P]；其中，at,l(vt,l)=1/Nt[1,ejvt,l,...,ej(Nt-1)vt,l]T,]]>vt,l＝(2πdt/λc)cosθt,l。...

【技术特征摘要】
1.一种三维大规模天线系统下基于导频的波达角与波离角的联合估计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，移动端在每根发射天线源源不断地发送已知的导频符号S，基站端获得接收信号Y并记录不同路径的信号衰落损耗大小排序，根据最小二乘估计算法H＝Y(SHS)-1SH，估计整个系统的等效信道增益H；步骤2，基站端对等效信道增益H进行奇异值分解得到奇异值λ1,λ2,...,λP和奇异值矩阵ΣH＝Diag{λ1,...,λP}，且λ1≥λ2,...,≥λP；步骤3，根据步骤1中不同路径的信号衰落损耗大小排序序号，在奇异值序列中找到该序号对应的奇异值，即若第l条路径在衰落损耗中排序第q，则选择第q个奇异值λq，q∈[1,P],该值即为第l条路径的衰落系数，所有的路径的衰落系数形成信道衰落系数矩阵D；步骤4，基站端针对每条路径两次运用ESPRIT算法估计均匀平面天线阵列的波达角，即两次分别估计第l条路径的俯仰角θr,l和方位角从而获得每条路径的天线阵列响应ar,l：其中，ur,l＝(2πdr/λc)cosθr,l，M为水平阵元数目，N为竖直阵元数目，dr为阵元间距，λc为载波波长，l∈[1，P]；进而根据如下公式得到接收端均匀平面天线阵列的响应A：A＝[ar,1,...,ar,P]；步骤5，基站端根据等效信道增益H，信道衰落系数D和步骤4得到的A，根据公式H＝ADBT获得均匀线性阵列响应矩阵B，然后根据如下公式计算得到发射均匀线性天线阵列的波离角θt,l：B＝[at,1,...,at,P]；其中，vt,l＝(2πdt/λc)cos...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢成文，周园，闫心格，费泽松，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11