联合信道表示和波束设计的毫米波MIMO信道估计方法技术

本发明专利技术涉及毫米波多输入多输出系统信道估计的领域，公开联合信道表示和导频波束设计的低复杂度信道估计方法，包括：步骤1，分别通过NR和NT点离散傅里叶变换基线性表示接收端天线阵的响应矩阵和发送端天线阵的导引矩阵得到

A millimeter wave MIMO channel estimation method based on joint channel representation and beam design

The present invention relates to a millimeter wave multi input multi output system channel estimation field, a joint public channel representation and pilot beam design of low complexity channel estimation method, which comprises the following steps: 1, NR and NT respectively by discrete Fourier transform of the receiver antenna baseline response guidance matrix and transmit antenna array get

【技术实现步骤摘要】
联合信道表示和波束设计的毫米波MIMO信道估计方法
本专利技术涉及毫米波多输入多输出(multiple-inputmultiple-output，MIMO)系统的信道估计的领域，具体地，涉及联合信道表示和导频波束设计的低复杂度信道估计方法。
技术介绍
随着数字广播和射频识别等无线电业务的增多，社会各行业对无线电频谱资源的需求是日趋上升，有限的低频段频谱资源显得日益稀缺，未被充分利用的毫米波频段(30GHz和300GHz之间)受到了研究者的广泛关注。毫米波频段的波长短，从而大规模天线阵列所占的物理空间极小。基站和用户侧能通过大规模天线阵列所提供的波束增益补偿毫米波频段上相对较高的传播损耗。因此，结合大规模天线阵列和波束成形的毫米波MIMO是未来5G通信系统中一项核心支撑技术。信道状态信息(ChannelStateInformation,CSI)在现代宽带无线通信中扮演着极其重要的角色，发送端通常利用CSI，自适应地调整传输参数，如调制方式、发射功率、编码方式等。为了获得准确的CSI信息，需要对无线信道的状态信息进行估计。现有挖据信道稀疏特性的一类信道估计方法是依据信道的射线追踪模型，信道的脉冲响应可由传输路径的发射角、到达角和路径增益等参数确定。一种直观和简单的估计主要路径发射角和到达角方法就是分别调整发射端和接收端的波束方向，按照特定的次序在角度域中进行扫描，并记录各种角度组合的接收信号强度，通过比较各种组合方向上信号强度的大小，估计出发射角和到达角。一种分层扫描训练波束的方案可避免穷举式扫描，其中在每一层中，发射角和接收角的扫描区域均被划分成K个不重叠的子区域。接收端的K个波束方向与发送端的K个波束方向一一配对，存在K2种组合。比较这些组合下接收信号的强度，从而可以估计出可用路径的发射角和接收角位于哪些子区域中。继而在下一层中，被选中的子区域又进一步被划分成K个子区域，并采用同样的方式选取最有可能存在主要路径的子区域。在该方案中，随着层数的增加，扫描区域越来越小。最终，当子区域的精度满足系统要求之后，停止扫描。与利用训练波束在角度域上进行扫描不同，另一类基于信道空间稀疏特性的毫米波信道估计方法，直接利用压缩感知原理估计网格角度上的信道系数。网格角度可以看作角度域的量化，即用G个角度去量化发射角和接收角区间，从而G个量化发射角和G个量化接收角共有G2个角度组合，其中每一个角度组合都对应了一条路径的方向。以上两类信道估计方法充分挖掘了毫米波信道具有稀疏性的先验信息，能有效地减少导频符号的长度，但算法的计算复杂度仍然很高，例如，分层扫描方案需要多次迭代，压缩信道感知方案需要计算矩阵的Kronecker积及矩阵求逆运算。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种低复杂度毫米波MIMO系统信道估计方法，该方法克服了现有毫米波MIMO系统压缩信道感知方法由于角度量化误差导致的估计性能不高，以及需要矩阵Kronecker积运算和矩阵求逆运算导致算法复杂度过高的问题。为了实现上述目的，本专利技术提供联合信道表示和导频波束设计的低复杂度信道估计方法，该低复杂度信道估计方法包括：步骤1，分别通过NR和NT点离散傅里叶变换基线性表示接收端天线阵的响应矩阵和发送端天线阵的导引矩阵得到矩阵和逆矩阵；其中NR和NT分别表示接收端和发送端天线数；步骤2，联合信道表示和导频波束设计，在能够有发送端的导频预编码矩阵右乘逆矩阵为单位矩阵，且能够有接收端导频合并矩阵的共轭转置矩阵左乘矩阵为单位矩阵的情况下，执行步骤3；步骤3，将接收导频信号左右分别与矩阵和逆矩阵相乘估计出信道矩阵。优选地，在步骤1中，分别通过NR和NT点离散傅里叶变换基线性表示接收端天线阵的响应矩阵和发送端天线阵的导引矩阵得到矩阵和逆矩阵的方法包括：参数信道模型中发送端天线阵的导引矩阵和接收端天线阵的响应矩阵表示为：其中，AT在ULA天线阵时为AT＝AULA,T＝[aT(θt,1),…,aT(θt,L)]，AT在UPA天线阵时为θt,l和分别表示方位角和仰角，L表示无线传输路径的数目，发送端天线的导引矢量aT(θt,l)和在天线元素间隔为半个波长时可分别表示为这里假定UPA天线阵安装在yz平面上，z轴方向有V根天线，y轴方向有U根天线，发送端天线数为NT；AR、aR(θr,l)和分别具有与AT、aT(θt,l)和相似的表达式，AT,DFT和AR,DFT分别为NT×NT和NR×NR维的DFT矩阵。优选地，在步骤2中，联合表示信道的DFT基设计导频波束预编码矩阵和合并矩阵的方法包括：预设采用混合预编码结构的毫米波MIMO系统；发送端天线数为NT，接收端天线数为NR，可同时发送和接收NS路数据流；NT×NS维混合预编码器FT由NT×NRF维模拟预编码器FRF和NRF×NS维数字基带预编码器FBB串联构成，即FT＝FRFFBB，NS≤NRF≤min(NT,NR)，FRF由模拟移相器实现；接收端NR×NS维合并器WR具有与发送端FT相似的结构，即WR＝WRFWBB，NR×NRF维矩阵WRF为模拟合并器部分，NRF×NS维矩阵WBB为数字基带合并器部分；在窄带慢衰落场景里，若合并器采用第j个波束wj，预编码器采用第i个波束fi，则此时接收信号可表示为其中，si表示导频信号，且P表示导频信号功率；NR×1维噪声ni中元素服从均值为0、方差为的复高斯分布，H表示信道矩阵，且参数化无线信道矩阵H可表示为(以ULA天线阵为列)其中，αl表示第l条路径的复数增益；接收端和发送端采用UPA天线阵时的信道矩阵具有与ULA相同表达形式，仅需用和分别替换aR(θr,l)和aT(θt,l)；在发送导频训练序列阶段，假若接收端共采用个波束wj，发送端共采用个波束fi，且和均是NS的整数倍，即和从而，接收的导频训练信号可表示为Y＝WHHFS+WHN，其中，和接收的导频训练信号可进一步表示为其中，从而可运用和是DFT矩阵的这一先验信息去设计波束合并矩阵W和波束预编码矩阵F使得即优选地，在步骤3中，将输入的接收导频信号左右分别与矩阵和逆矩阵相乘估计出信道矩阵的方法包括，步骤31，输入接收导频信号Y；步骤32，通过如下公式计算估计出信道矩阵：通过上述技术方案，本专利技术提供的联合信道表示和导频波束设计的毫米波MIMO系统信道估计方法，计算复杂度低，不需要矩阵求逆运算，且能够消除估计性能受限于角度量化误差的问题。本专利技术的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。附图说明附图是用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本专利技术，但并不构成对本专利技术的限制。在附图中：图1是说明本专利技术的一种毫米波MIMO系统联合信道表示和导频波束设计的低复杂度信道估计方法的流程图；图2是说明本专利技术的ULA天线阵场景应用本专利技术提供的信道估计方法与最小二乘信道估计方法和基于OMP的压缩信道感知方法的归一化均方误差对比图；图3是说明本专利技术的信道估计方法及基于OMP的压缩信道感知方法应用于ULA和UPA天线阵时的归一化均方误差曲线图；具体实施方式以下结合附图对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限制本专利技术。本专利技术提供一种毫米波MI本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种毫米波MIMO系统联合信道表示和导频波束设计的低复杂度信道估计方法，其特征在于，该低复杂度信道估计方法包括：步骤1，分别通过NR和NT点离散傅里叶变换基线性表示接收端天线阵的响应矩阵和发送端天线阵的导引矩阵得到

【技术特征摘要】
1.一种毫米波MIMO系统联合信道表示和导频波束设计的低复杂度信道估计方法，其特征在于，该低复杂度信道估计方法包括：步骤1，分别通过NR和NT点离散傅里叶变换基线性表示接收端天线阵的响应矩阵和发送端天线阵的导引矩阵得到矩阵和逆矩阵；其中NR和NT分别表示接收端和发送端天线数；步骤2，联合信道表示和导频波束设计，在能够有发送端的导频预编码矩阵右乘逆矩阵为单位矩阵，且能够有接收端导频合并矩阵的共轭转置矩阵左乘矩阵为单位矩阵的情况下，执行步骤3；步骤3，将接收导频信号左右分别与矩阵和逆矩阵相乘估计出信道矩阵。2.根据权利要求1所述的联合信道表示和导频波束设计的低复杂度信道估计方法，其特征在于，在步骤1中，分别通过NR和NT点离散傅里叶变换基线性表示接收端天线阵的响应矩阵和发送端天线阵的导引矩阵得到矩阵和逆矩阵的方法包括：参数信道模型中发送端天线阵的导引矩阵和接收端天线阵的响应矩阵表示为：其中，AT在ULA天线阵时为AT＝AULA,T＝[aT(θt,1),…,aT(θt,L)]，AT在UPA天线阵时为θt,l和分别表示方位角和仰角，L表示无线传输路径的数目，发送端天线的导引矢量aT(θt,l)和在天线元素间隔为半个波长时可分别表示为这里假定UPA天线阵安装在yz平面上，z轴方向有V根天线，y轴方向有U根天线，发送端天线数为NT；AR、aR(θr,l)和分别具有与AT、aT(θt,l)和相似的表达式，和分别为NT×NT和NR×NR维的DFT矩阵。3.根据权利要求1所述的联合信道表示和导频波束设计的低复杂度信道估计方法，其特征在于，在步骤2中，联合表示信道的傅里叶变换基(DFT)设计导频波束预编码矩阵和合并矩阵的方法包括：预设采用混合预编码结构的毫米波MIMO系统；发送端天线数为NT，接收端天线数为NR，可同时发送和接收NS路数据流；NT×NS维混合预编码器FT由NT×NRF维模拟预编码器FRF和NRF×NS维数字基...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶新荣，张爱清，谢小娟，陈卫松，
申请(专利权)人：安徽师范大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34