一种用于毫米波大规模MIMO系统的信道估计方法技术方案

本发明专利技术属于无线通信技术领域，具体涉及一种用于毫米波大规模MIMO系统的信道估计方法。本发明专利技术主要是采用嵌套阵列作为基站端天线阵列结构；在嵌套阵列的每根天线后安装RF射频链路开关选择性的打开射频链路；然后将信道估计分为路径角度估计和路径增益估计，通过双时间尺度信道估计帧结构实在，在大时间尺度上，通过使用RF链路开关将嵌套阵列引入信道路径角估计，这降低了系统复杂性和功耗。通过逐渐打开部分天线并利用最小二乘算法来估计路径增益信息。仿真结果表明，当均方误差(MSE)和误码率(BER)性能与均匀天线相似时，可以节省一些天线，并减少硬件开销。并减少硬件开销。并减少硬件开销。

【技术实现步骤摘要】
一种用于毫米波大规模MIMO系统的信道估计方法


[0001]本专利技术属于无线通信
，具体涉及一种用于毫米波大规模MIMO系统的信道估计方法。

技术介绍

[0002]毫米波(mmWave)大规模多输入多输出(MIMO)系统由于其可提供更高通信数据速率和更高频谱效率的潜力而受到广泛关注。在小波长和天线尺寸的情况下，数百个天线可以安装在一个小空间中，这可以获得较大的阵列增益，以补偿毫米波波段显著的路径损耗。最近对毫米波大规模MIMO系统的研究主要包括预编码器/组合器的设计、蜂窝和无线传感器网络的低功耗设计以及信道估计方法的研究等。
[0003]在毫米波大规模MIMO系统中，如果每个天线分配一个射频(RF)链，硬件成本将非常大。为了降低相应的成本和功耗，通常使用模拟数字预编码策略，其中该架构包括量化移相器和基带预编码器/组合器，这可以显著减少RF链的数量。然而，混合预编码结构中的附加移相器增加的复杂性需要更复杂的信道估计和通信算法，高分辨率移相器的功耗也很高。
[0004]混合预编码/组合设计(包括移相器和开关)需要获取准确的信道状态信息(CSI)，这仍然是混合架构的关键挑战。由于混合架构的接收机只能通过几个RF链得到信道的低维表示，因此mmWave大规模MIMO系统的信道估计非常困难。此外，毫米波大规模MIMO的阵列几何形状也会影响系统性能。
[0005]与传统的均匀线性阵列(ULA)相比，非均匀线性阵列增加了自由度(DOF)并减少了相互耦合，因此非均匀线性阵(NLA)在阵列信号处理中得到了广泛应用。目前的几种非均匀阵列，例如嵌套阵列(NA)、超NA、互质阵列(CA)用于DoA估计。这些工作考虑在BS处用稀疏NLA代替统一均匀线性阵列进行上行链路信道估计。MRA数组具有较长的差分共数组，但对于基站多天线时，天线位置没有闭合表达式很难确定。超级NA能够减少天线间的耦合，但元件位置难以评估。与超级NA和MRA相比，NA对于任意数量的天线阵元都存在闭合表达式，这便于分析通信系统的性能。
[0006]基于天线阵列的不同设计，例如NLA和ULA，提出了几种信道估计方法，以提高不同通信场景下的信道估计精度。最小二乘(LS)和最小均方误差(MMSE)信道估计准则通常用于与ULA配置协作。由于毫米波波段可分辨散射体的数量有限，参数物理信道模型可以表示为扩展的Saleh
‑
Valenzuela模型，该模型由阵列信号处理中的到达方向(DOA)和每个散射路径的增益决定。根据该信道模型，提出了一些经典的子空间方法，例如MUSIC和ESPRIT，它们在角度估计中实现了超分辨率。此外，信道估计可以表述为稀疏信号恢复问题，并通过压缩感知(CS)技术解决。作为一个好处，导频开销大大减少。在“Y.Wang,Z.Tian,S.Feng,and P.Zhang,“A fast channel estimation approach for millimeter
‑
wave massive mimo systems,”in 2016IEEE Global Conference on Signal and Information Processing(GlobalSIP),2016,pp.1413
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1417”中，为了进一步降低复杂性和训练开销，基于CS的信道
估计被分解为两个子问题，即路径角度估计和路径增益估计。根据预定义的网格对整个角度空间进行离散化，以构建感知矩阵。因此，信道估计性能受网格分辨率的支配。
[0007]除ULA之外，NLA允许其天线元件呈现非均匀分布，从而提供了一个额外的维度来提高系统性能。在“Y.Wang,Y.Zhang,Z.Tian,G.Leus,and G.Zhang,“Super
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resolution channel estimation for arbitrary arrays in hybrid millimeter
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wave massive mimo systems,”IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing,vol.13,no.5,pp.947
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960,2019”中，提出了任意阵列，其中通过雅可比角度近似将通道阵列流型矩阵分为贝塞尔矩阵和Vandermonde矩阵。通过使用低秩结构协方差重建(LRSCR)算法获得信道协方差矩阵，并使用Vandermonde分解引理估计角度信息。但是当大多数DOA集中在某个方位角时，所提出的信道估计方法性能下降。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是提出一种用于毫米波大规模MIMO系统的信道估计方法，通过将信道估计问题分为两个子问题：路径角度估计和路径增益估计。首先，建立了基于天线选择的信道估计通信系统模型，利用嵌套阵列的稀疏阵列特性，可以节省大量硬件资源，提高信道角度估计精度。考虑到路径角度和路径增益之间的时间变化差异，设计了一种双时间尺度信道估计帧结构。在大的时间尺度上，通过转变参考阵元和矩阵重构来估计路径角度信息。在小时间尺度中，通过重置选择开关并使用最小二乘算法来估计路径增益信息。
[0009]本专利技术的技术方案是：
[0010]一种用于毫米波大规模MIMO系统的信道估计方法，所述信道估计方法包括：
[0011]S1、采用嵌套阵列作为基站端天线阵列结构；
[0012]S2、在嵌套阵列的每根天线后安装RF射频链路开关选择性的打开射频链路；
[0013]S3、将信道估计分为路径角度估计和路径增益估计，具体是：定义一个块衰落通道中，路径角度长时间保持不变，但路径增益在一个块内保持不变，块与块之间变化，基于路径角度和路径增益之间的时变差异，定义双时间尺度通道估计帧结构，包括大时间尺度和小时间尺度，其中大时间尺度表示多个完整的信号周期，小时间尺度表示一个完整的信号周期，在大时间尺度上，利用阵列信号处理相关方法得到信号协方差矩阵，从而检索出路径角度信息；在小时间尺度上，通过发送导频信号，使用最小二乘算法来估计路径增益信息。
[0014]进一步的，所述MIMO系统中，基站端部署有N根天线，单天线用户通过L条散射路径将信号发送到天线阵列，定义用户上行信道h为：
[0015][0016]其中g
l
和θ
l
分别定义为第l条散射路径的信道增益信息和信道角度信息，l＝0，1，...L，且1，...L，且是阵列流型矩阵矢量，将信道h表示成矩阵相乘的形式为：
[0017][0018]其中和
[0019]定义传输信号为s(t)，基站端的接收信号为：
[0020][0021]其中t和T分别表示第t个时刻采样点和总的采样点个数，n(t)服从加性高斯白噪声，均值为0，方差为σ2I。
[0022]进一步的，所述嵌套阵列由M1根密集均匀线性阵列天线和M2根稀疏均匀线性阵列天线组成，M1+M2＝M本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于毫米波大规模MIMO系统的信道估计方法，其特征在于，所述信道估计方法包括：S1、采用嵌套阵列作为基站端天线阵列结构；S2、在嵌套阵列的每根天线后安装RF射频链路开关选择性的打开射频链路；S3、将信道估计分为路径角度估计和路径增益估计，具体是：定义一个块衰落通道中，路径角度长时间保持不变，但路径增益在一个块内保持不变，块与块之间变化，基于路径角度和路径增益之间的时变差异，定义双时间尺度通道估计帧结构，包括大时间尺度和小时间尺度，其中大时间尺度表示多个完整的符号周期，小时间尺度表示一个完整的符号周期，在大时间尺度上，利用阵列信号处理相关方法得到信号协方差矩阵，从而检索出路径角度信息；在小时间尺度上，通过发送导频信号，使用最小二乘算法来估计路径增益信息。2.根据权利要求1所述的一种用于毫米波大规模MIMO系统的信道估计方法，其特征在于，所述MIMO系统中，基站端部署有N根天线，单天线用户通过L条散射路径将信号发送到天线阵列，定义用户上行信道h为：其中g
l
和θ
l
分别定义为第l条散射路径的信道增益信息和信道角度信息，l＝0，1，...L，且是阵列流型矩阵矢量，将信道h表示成矩阵相乘的形式为：其中和定义传输信号为s(t)，基站端的接收信号为：其中t和T分别表示第t个时刻采样点和总的采样点个数，n(t)服从加性高斯白噪声，均值为0，方差为σ2I。3.根据权利要求2所述的一种用于毫米波大规模MIMO系统的信道估计方法，其特征在于，所述嵌套阵列由M1根密集均匀线性阵列天线和M2根稀疏均匀线性阵列天线组成，M1+M2＝M，嵌套阵列的差分阵列为(M1+1)M2均匀线性阵列天线，嵌套阵列将接收信号通过RF射频链传输到后端进行信道估计。4.根据权利要求3所述的一种用于毫米波大规模MIMO系统的信道估计方法，其特征在于，S2中定义选择开关矩阵为W
Ω
，其中Ω表示选择天线的位置集合，Ω＝{Ω1,Ω2,...,Ω
M
}，M表示集合中元素的数量，经过选择矩阵W
Ω
之后，将基站端的接收信号表示为：
其中A
Ω
＝W
Ω
A，n
Ω
(t)＝W
Ω
n(t)。5.根据权利要求4所述的一种用于毫米波大规模MIMO系统的信道估计方法，其特征在于，S3中路径角度估计的具体方法是：定义在一个时间块中，路径增益信息不随时间变化，定义在P个快拍后，接收信号表示为：其中p＝0，1，...P；定义第i个阵元为参考阵元，在t时刻嵌套阵列的第m个阵元的接收信号表示为：其中λ表示波长，d
i
表示第i个阵列元素到参考阵元之间的距离，x
l
(t)表示在t时刻第l条路径上的发送信号与信道增益的乘积，w
m
(t)表示第m天线上的加性高斯白噪声，的上标i代表参考阵元的位置坐标，下标m代表该阵元所在位置坐标，i＝1,2,...,M，m＝1,2,...,M；当m＝i，m阵元上的接收数据表示为：从而获得以第i个阵元...

【专利技术属性】
技术研发人员：王艳艳，李启迪，李里，类先富，唐小虎，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：