双稀疏多径信道模型及基于此模型的信道估计方法技术

本发明专利技术公开了一种双稀疏多径信道模型，利用时域和角域均稀疏的特性构建时域和角度域均稀疏的信道模型，并且，根据时域和角度域的稀疏性，设计了基于压缩感知的双稀疏多径信道的估计方法，结果显示，与传统稀疏多径信道的估计性能相比，双稀疏多径信道的估计性能往往更好，即使在稀疏度未知的情况下，双稀疏多径信道的估计性能也表现较好，能够高概率的恢复出原始信道。

【技术实现步骤摘要】
双稀疏多径信道模型及基于此模型的信道估计方法
本专利技术涉及无线通信
，具体涉及一种时域角度域双稀疏多径信道模型，还涉及一种基于压缩感知的双稀疏多径信道估计方法。
技术介绍
随着1G、2G、3G、4G的发展，传输频率越来越高。而频率越高，频段越宽，传输速率也就越快。5G预计可支持的频率范围将从400MHZ到100GHZ，以30GHZ为例，其波长为10mm。即5G主要在毫米波段通信，毫米波通信技术的最大特点是波长极短和带宽极大。同时，因为毫米波波长短、主要以直射路径为主，所以传播稳定性高。且毫米波千倍于LTE的超带宽，为5G系统的超高速率和超连接数量提供了保证，若加上空分、时分、正交极化或其他复用技术，5G中万物互联所需的多址问题，也是可以轻易解决的。另外，毫米波通信技术也是相当成熟的。毫米波技术在通信领域的应用主要是毫米波波导通信、毫米波无线地面通信和毫米波卫星通信，且以无线地面通信和卫星通信为主。显然，毫米波通信频率高、波长短，遇到阻挡就被反射或被阻断，以直射方式传播，波束窄，具有良好的方向性。与传统的无线信道相比，毫米波传输不仅在时域具有更强的稀疏性，在角度域也会表现出较强的稀疏性。时域稀疏是指信号在多个时间空间分布路径上传播，是传统无线信道的显著特征；角度域稀疏是指信号在多个角度域空间分布的路径上传播，是下一代无线信道的重要特点。两者均涉及大量的传播参数，且大量研究表明毫米波技术能够满足5G的传输需求，因此建立统计信道模型和设计信道的估计方法就显得尤为重要。另一方面，根据天线特性，天线长度与波长成正比，天线长度大约在波长的1/10---1/4之间。即频率越高，波长越短，天线也就跟着变短了。也就是说，毫米波通信中，天线也就变成了毫米级。因此，LTE时代的MIMO(Multiple-InputMultiple-Output)在5G时代变成了加强版的MassiveMIMO(大规模多输入多输出)。因此，5G时代，一般都为天线阵列。在MassiveMIMO系统中，若利用只考虑时域稀疏的传统信道模型进行信道估计，导频开销巨大且信道估计的复杂度将大大增加，此外由于天线数量大，传输过程中引入的噪音也多，从而会降低信道的估计性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种双稀疏多径信道模型，解决了传统稀疏多径信道的估计性能较低的技术问题。为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种双稀疏多径信道模型，其特征是，此双稀疏是指时域稀疏和角域稀疏，时域角域双稀疏的多径信道模型为：Ha＝[Ha(0),Ha(1),Ha(2),...,Ha(L-1)](17)其中，L为信道长度，Ha是时延为L的时域角域的双稀疏信道模型，Ha(τ)即为τ时刻角域的信道矩阵，m为时域的稀疏度，τj为第j条路径的时延，而其中其中，σi表示第i条路径的衰减，nt表示发射天线数量，nr表示接收天线数量，di表示第一副发射天线到第一副接收天线的第i条路径的长度，λc为载波波长，n代表信道路径数量，Ur,Ut为空间正交基，er(·)、et(·)为单位空间特征图，将式15代入式18得：本专利技术还提供了一种基于双稀疏多径信道模型的信道估计方法，其特征是，包括以下步骤：步骤S1，假设MIMO信道的角域表示矩阵，并引入时间波动；步骤S2，基于压缩感知的时域稀疏的估计:由公式得到时域信道表示，并用压缩感知理论高概率恢复时域信道步骤S3，基于压缩感知的角度域稀疏的估计:将向量化，再利用压缩感知理论高概率恢复出角域表示的MIMO信道步骤S4，测量双稀疏多径信道模型估计的精确度。优选的，步骤2中，基于压缩感知的时域稀疏的估计的具体过程为：将假设的角域表示转化成信道的时域表示，并将时域表示向量化；针对单个信道利用压缩感知理论高概率恢复时域信道，其它信道同理，加入循环即可。优选的，利用压缩感知理论高概率恢复时域信道的具体步骤：1)时域到频域的转换对于第k副发送天线到第g副接收天线信道hgk，时域有ygk＝hgk(t)*xk(τ-t)+w，0≤t≤L，ygk为第g副接收天线接收到的信号，*表示卷积，xk为第k个发送天线的发送数据，w为传输过程中的噪音，L为信道长度；将其转换到频域即：Ygk＝XkHgk+W(21)2)在MIMO-OFDM系统中放导频在子载波个数为N的OFDM系统中，假设OFDM符号的循环前缀长度不小于信道长度L；OFDM中第i个发送数据为x(i),i＝1,2,3,...N-1；为避免干扰，发送天线之间的导频位置正交，在OFDM符号的N个子载波中，有p个用于放置导频，Ψ＝(es1,es2,......esp)为p×N的导频选择矩阵，si,i＝1,2,3,...p，表示第i个导频的位置，esi是长度为N的列向量，它的第si个元素为1，其它元素全为0，则式(21)中，Ygk＝[Ygk(0),Ygk(1)......Ygk(N-1)]，Xk＝[xk(0),xk(1)......xk(N-1)]Hgk＝FN×Lhgk为信道频域响应采样值，其中FN×L为部分DFT变换矩阵，由N维DFT变换矩阵的前L列构成。W是一个方差为σ2的N维加性复高斯白噪声向量，将导频选择矩阵Ψ作用于(21)式两端，可得：Ygk_p＝Xg_pFphgk+Wp(22)其中，Ygk_p＝ΨYgk,Wp＝ΨW均为p维列向量，分别为接收到的导频信号及其对应的信道噪声。Xk_p＝ΨXΨT为p×p的对角阵，对角线上的元素为发送端的p个导频。Fp＝ΨFN×L为p×L的矩阵。令T＝Xt_pFp，则式(22)可写为：Ygk_p＝Thgk+Wp(23)其中，T是p×L矩阵，hgk表示第k副发送天线到第g副接收天线的信道时域冲击响应，在无线通信中呈现稀疏性，由于Yik_p,Xi_p,Fp在发送端和接收端是已知的，因此可以利用稀疏度已知的重构算法根据Ygk_p高概率恢复hik。优选的，将假设的角域表示向量化，针对单个信道利用压缩感知理论高概率恢复角域信道，其它信道同理，加入循环即可。优选的，利用归一化的均方误差来计算信道估计的精确度。与现有技术相比，本专利技术所达到的有益效果是：本专利技术利用毫米波通信中时域和角域均稀疏的特性，对毫米波MIMO系统随时间波动的下行信道传播特性进行研究，建立了双稀疏多径信道模型。并且，根据时域和角度域的稀疏性，设计了基于压缩感知的双稀疏多径信道的估计方法，结果显示，与传统稀疏多径信道的估计性能相比，双稀疏多径信道的估计性能往往更好，即使在稀疏度未知的情况下，双稀疏多径信道的估计性能也表现较好，能够高概率的恢复出原始信道。附图说明图1为一副发射天线和nr副接收天线的SIMO视距传输信道示意图；图2为nt副发射天线和一副接收天线的MISO视距传输信道示意图；图3为包括直射路径和反射路径的MIMO物理信道图；图4为4副接收天线(Lr＝2)和4副发射天线(Lt＝2)的角域划分示意图；图5为双稀疏信道模型示意图；图6为时域离散稀疏信道模型图；图7为双稀疏多径信道模型的估计方法流程图；图8为OFDM导频形状图；图9为双稀疏信道与现有技术中只考虑时域稀疏的信道估计性能对比图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双稀疏多径信道模型，其特征是，此双稀疏是指时域稀疏和角域稀疏，时域角域双稀疏的多径信道模型为：Ha＝[Ha(0),Ha(1),Ha(2),...,Ha(L‑1)]     (17)

【技术特征摘要】
1.一种双稀疏多径信道模型，其特征是，此双稀疏是指时域稀疏和角域稀疏，时域角域双稀疏的多径信道模型为：Ha＝[Ha(0),Ha(1),Ha(2),...,Ha(L-1)](17)其中，L为信道长度，Ha是时延为L的时域角域的双稀疏信道模型，Ha(τ)即为τ时刻角域的信道矩阵，m为时域的稀疏度，τj为第j条路径的时延，而其中其中，σi表示第i条路径的衰减，nt表示发射天线数量，nr表示接收天线数量，di表示第一副发射天线到第一副接收天线的第i条路径的长度，λc为载波波长，n代表信道路径数量，Ur,Ut为空间正交基，er(·)、et(·)为单位空间特征图，将式15代入式18得：2.一种基于权利要求1所述双稀疏多径信道模型的信道估计方法，其特征是，包括以下步骤：步骤S1，假设MIMO信道的角域表示矩阵，并引入时间波动；步骤S2，基于压缩感知的时域稀疏的估计:由公式得到时域信道表示，并用压缩感知理论高概率恢复时域信道步骤S3，基于压缩感知的角度域稀疏的估计:将向量化，再利用压缩感知理论高概率恢复出角域表示的MIMO信道步骤S4，测量双稀疏多径信道模型估计的精确度。3.根据权利要求2所述的信道估计方法，其特征是，步骤2中，基于压缩感知的时域稀疏的估计的具体过程为：将假设的角域表示转化成信道的时域表示，并将时域表示向量化；针对单个信道利用压缩感知理论高概率恢复时域信道，其它信道同理，加入循环即可。4.根据权利要求3所述的信道估计方法，其特征是，利用压缩感知理论高概率恢复时域信道的具体步骤：1)时域到频域的转换对于第k副发送天线到第g副接收天线信道hgk，时域有ygk＝hgk(t)*xk(τ-t)+w，0≤t≤L，ygk为第g副接收天线接收到的信号，*表示卷积，xk为第k副发送天线的发送数据，w为传输过程中的噪音，L为信道长度；将其转换到频域即：Ygk＝XkHgk+W(21...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯晓赟，赵水静，李冬冬，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32