一种基于等角紧框架理论的导频优化设计方法技术

本发明专利技术涉及一种基于等角紧框架理论的导频优化设计方法，包括以下几个步骤：步骤一：在FDD大规模MIMO系统下行链路中；步骤二：取随机高斯矩阵作为初始的导频矩阵；以矩阵互相关性最小化作为优化目标；步骤三：根据等角紧框架理论设计出一种导频矩阵优化算法；步骤四：通过发送优化后的导频进行信道估计，并且在优化算法中采用了CSM迭代算法，以进一步减小计算复杂度；本发明专利技术的有益效果是：本发明专利技术针对FDD大规模MIMO下行链路信道估计问题，通过优化导频矩阵方法提高信道估计性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于等角紧框架理论的导频优化设计方法
本专利技术属于信息与通信工程
，尤其涉及一种基于等角紧框架理论的导频优化设计方法。
技术介绍
大规模多输入多输出(MultipleInputMultipleOutput,MIMO)技术作为5G的关键技术之一，是指在基站端和用户端配置大量的天线，从而利用信号传输的多径效应来提高系统的可靠性和频谱效率。为了充分利用大规模MIMO提供的空间复用能力和阵列增益，基站端需要获得准确的信道状态信息(CSI,channelstateinformation)，只有在获得信道状态信息的基础上，基站端才能进行最优的预编码和信道均衡等操作，以此来提高系统的性能。传统的下行信道估计方法包括最小二乘(LS,leastsquare)估计和最小均方误差(MMSE,minimizedmeansquareerror)估计。但是这些估计方法会根据基站端天线数目的增加线性增加导频数目，具有很高的导频开销和计算复杂度。基于压缩感知的(CS,compressedsensing)的信道估计方法利用信道潜在的稀疏性质，可以通过很少的测量次数恢复出整个信道。有效降低了导频开销。在基于导频的信道估计技术中，一个很重要的问题是导频矩阵的设计，选择不同的导频矩阵会对重建算法的性能产生不同的影响，较优的导频矩阵不仅可以提升信道恢复的精度，而且可以减少恢复过程中出现错误的概率，这对于实现可靠的长时间通信具有重要的意义。目前的导频设计方法主要有：(1)确定导频设计方案，通过发送确定导频进行信道估计，该方案实现虽然较为简易，但是估计性能有所不足。随机导频设计方案，大多采用随机高斯矩阵，其获得了比确定导频信道估计更好的估计性能，但是依旧存在估计稳定性不足的问题，还存在进一步改进的空间。针对以上技术问题，故需对其进行改进。
技术实现思路
基于现有技术中存在的上述不足，本专利技术提供了一种基于等角紧框架理论的导频优化设计方法。为了达到以上目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种基于等角紧框架理论的导频优化设计方法，包括以下几个步骤：步骤一：在FDD大规模MIMO系统下行链路中；步骤二：取随机高斯矩阵作为初始的导频矩阵；以矩阵互相关性最小化作为优化目标；步骤三：根据等角紧框架理论设计出一种导频矩阵优化算法；步骤四：通过发送优化后的导频进行信道估计，并且在优化算法中采用了CSM迭代算法，以进一步减小计算复杂度。所述步骤一中，MIMO系统的系统模型，具体包括：在FDD大规模MIMO系统下行链路中，考虑一个基站端部署N根天线，分布U个单天线用户的MIMO系统，假设基站端共发送M次导频序列，其中M＜＜N,则对于每一个用户，其接收信号可表示为：y＝Xh+n(1)其中X∈RM*N发送端的频域导频矩阵，h∈RN为单个用户对应的频域信道向量，n∈RM为拥有单位方差的零均值加性高斯白噪声；有理论研究表明，MIMO系统信道会在角度域表现出稀疏性，设F为N维DFT矩阵，则其中为对应的稀疏度为K角度域信道向量，同样将导频矩阵表示在角度域则原系统模型可改写为：则MIMO系统信道估计问题转化为稀疏向量求解问题，根据压缩感知理论，信道估计目标函数可由以下的零范数最小化问题表示：由以上可知，信道估计中的导频矩阵设计问题既是压缩感知中的感知矩阵设计问题。作为本专利技术的一种优选方案，所述步骤二中，MIMO系统下，导频矩阵的优化目标具体包括：传统的压缩感知感知矩阵设计问题是基于矩阵的互相关性最小化为原则，设MIMO系统中导频矩阵X的互相关矩阵R＝XTX，则一般的导频矩阵互相关性定义为：上式表示了导频矩阵不同列之间内积绝对值的最大值，通过限定矩阵的互相关性不超过某一上限，可保证导频矩阵的列之间的相关性不会出现“很坏”的情况，这避免了贪婪类算法由于感知矩阵列之间相关性过大而丢失信道信息的情况，对于提高重建算法的可靠性具有重要作用。式(4)考虑了导频矩阵列相关性的最大值，但忽略了可能存在其余的相关性依旧比较大的列的情况，在对于矩阵相关性进行全面的评价方面存在不足，可以采用以下更为普适的定义：式(5)采用取参数p来定义导频矩阵互相关性，通过取不同的参数p的值，改变了导频矩阵中被关注到的列的多少，p的值越大，则导频矩阵中被关注到的列的数目越少；可以看出，当p趋近于正无穷时，式(5)便退化为式(4)，故式(5)是式(4)的的一种推广形式。由以上知，MIMO系统信道估计中导频设计问题的目标函数为：作为本专利技术的一种优选方案，所述步骤二中，MIMO系统下，理论分析具体包括：对于大规模MIMO系统，设导频矩阵X的自相关矩阵R＝XTX,故R为实对称矩阵，又因为X为M×N维矩阵，其中M＜＜N,所以R只有M个不为零的特征值，对R进行特征值分解：其中λ1，λ2，...λM为R的M个不为零的特征值，Q为其对应的特征矩阵，其为N阶正交矩阵。X是导频矩阵，由于发送端导频具有相同的功率，设导频具有单位功率，即则矩阵R的对角线元素rii＝1,i＝1,2...N；可得：λ1+λ2+...+λM＝trace(R)＝N(8)又因为R2的特征值为所以：其中为了使矩阵X互相关性达到最小，考虑将求和项最小化，结合式(8)和式(9)，当且仅当：此时求和项达到最小值：由此可得最优优化边界：作为本专利技术的一种优选方案，所述步骤三中，基于等角紧框架理论的导频优化设计算法，该算法具体步骤如下：输入：导频数M，天线个数N,最优优化边界最优相关矩阵Ropt初始化：选择随机高斯矩阵X∈RM×N作为初始导频矩阵，并对X的列进行归一化,计算初始相对误差e＝||Ropt-XTX||F步骤：while(1)5.1.计算互相关矩阵R＝XTX5.2.根据优化规则：对互相关矩阵R进行优化,得到Rtemp5.3.对Rtemp进行特征值分解Rtemp＝QΛQT,并取其最大的M个特征值构成矩阵5.4.计算优化后的导频矩阵并对的列进行归一化处理5.5.得到优化后的互相关矩阵5.6.计算相对误差5.7.判断ifbreakelse输出：优化导频矩阵上述算法的具体说明如下：Ropt为矩阵优化可能的最优结果，每次迭代后以更新的互相关矩阵R与Ropt进行比较，来判断矩阵是否得到优化；初始化的相对误差e代表了优化矩阵与最优矩阵之间的距离。作为本专利技术的一种优选方案，所述步骤5.2优化规则依据式(12)做出判定，若R中非对角元素绝对值小于最优界限，则保持其值不变，若大于最优界限则将其绝对值修改为最优界限ropt，以达到缩小导频矩阵X互相关性的目的。作为本专利技术的一种优选方案，所述经过步骤5.2优化后的互相关矩阵虽然具有较小的非对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于等角紧框架理论的导频优化设计方法，其特征在于：包括以下几个步骤：/n步骤一：在FDD大规模MIMO系统下行链路中；/n步骤二：取随机高斯矩阵作为初始的导频矩阵；以矩阵互相关性最小化作为优化目标；/n步骤三：根据等角紧框架理论设计出一种导频矩阵优化算法；/n步骤四：通过发送优化后的导频进行信道估计，并且在优化算法中采用了CSM迭代算法，以进一步减小计算复杂度。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于等角紧框架理论的导频优化设计方法，其特征在于：包括以下几个步骤：
步骤一：在FDD大规模MIMO系统下行链路中；
步骤二：取随机高斯矩阵作为初始的导频矩阵；以矩阵互相关性最小化作为优化目标；
步骤三：根据等角紧框架理论设计出一种导频矩阵优化算法；
步骤四：通过发送优化后的导频进行信道估计，并且在优化算法中采用了CSM迭代算法，以进一步减小计算复杂度。


2.根据权利要求1所示的一种基于等角紧框架理论的导频优化设计方法，其特征在于，所述步骤一中，MIMO系统的系统模型，具体包括：在FDD大规模MIMO系统下行链路中，考虑一个基站端部署N根天线，分布U个单天线用户的MIMO系统，假设基站端共发送M次导频序列，其中M＜＜N,则对于每一个用户，其接收信号可表示为：
y＝Xh+n(1)
其中X∈RM*N发送端的频域导频矩阵，h∈RN为单个用户对应的频域信道向量，
n∈RM为拥有单位方差的零均值加性高斯白噪声；有理论研究表明，MIMO系统信道会在角度域表现出稀疏性，设F为N维DFT矩阵，则其中为对应的稀疏度为K角度域信道向量，同样将导频矩阵表示在角度域则原系统模型可改写为：



则MIMO系统信道估计问题转化为稀疏向量求解问题，根据压缩感知理论，信道估计目标函数可由以下的零范数最小化问题表示：



由以上可知，信道估计中的导频矩阵设计问题既是压缩感知中的感知矩阵设计问题。


3.根据权利要求1所示的一种基于等角紧框架理论的导频优化设计方法，其特征在于，所述步骤二中，MIMO系统下，导频矩阵的优化目标具体包括：传统的压缩感知感知矩阵设计问题是基于矩阵的互相关性最小化为原则，设MIMO系统中导频矩阵X的互相关矩阵R＝XTX，则一般的导频矩阵互相关性定义为：



上式表示了导频矩阵不同列之间内积绝对值的最大值，通过限定矩阵的互相关性不超过某一上限，可保证导频矩阵的列之间的相关性不会出现“很坏”的情况，这避免了贪婪类算法由于感知矩阵列之间相关性过大而丢失信道信息的情况，对于提高重建算法的可靠性具有重要作用。
式(4)考虑了导频矩阵列相关性的最大值，但忽略了可能存在其余的相关性依旧比较大的列的情况，在对于矩阵相关性进行全面的评价方面存在不足，可以采用以下更为普适的定义：



式(5)采用取参数p来定义导频矩阵互相关性，通过取不同的参数p的值，改变了导频矩阵中被关注到的列的多少，p的值越大，则导频矩阵中被关注到的列的数目越少；可以看出，当p趋近于正无穷时，式(5)便退化为式(4)，故式(5)是式(4)的的一种推广形式。
由以上知，MIMO系统信道估计中导频设计问题的目标函数为：





4.根据权利要求3所示的一种基于等角紧框架理论的导频优化设计方法，其特征在于，所述步骤二中，MIMO系统下，理论分析具体包括：对于大规模MIMO系统，设导频矩阵X的自相关矩阵R＝XTX,故R为实对称矩阵，又因为X为M×N维矩阵，其中M＜＜N,所以R只有M个不为零的特征值，对R进行特征值分解：



其中λ1，λ2，...λM为R的M个不为零的特征值，Q为其对应的特征矩阵，其为N阶正交矩阵。X是导频矩阵，由于发送端导频具有相同的功率，设导频具有单位功率，即则矩阵R的对角线元素rii＝1,i＝1,2...N；
可得：
λ1+λ2+...+λM＝trace(R)＝N(8)
又因为R2的特征值为所以：






其中
为了使矩阵X互相关性达到最小，考虑将求和项最小化，结合式...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹海燕，叶震宇，徐好，刘仁清，许方敏，方昕，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33