CN106209705B - 一种毫米波稀疏信道的主径估计方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种毫米波稀疏信道的主径估计方法及装置，方法在发射端和接收端均布置多个天线子阵列，采用分离型混合波束成形架构，通过多次信道探测完成主径的估计。在每次信道探测过程中，发射端的子阵列沿着不同方向从不同的空间子区域发射训练序列，接收端的子阵列也分别从不同的空间子区域接收数据，据此估计射频等效信道响应矩阵，每次发射和接收选择不同的波束成形矢量和波束组合矢量就会有不同的响应。等效信道的各个元素反映了空间信道在各个空间子区域的散射情况，接收端进行分析计算，选出响应最强的一对空间子区域，并将此信息反馈给发射端，作为进一步筛选空间范围的依据，最后联合估计出主径的离开角和到达角。
Description
技术领域
本发明涉及毫米波(Millimeter wave)多输入多输出(Multiple Input MultipleOutput，MIMO)通信***，在分离型子阵列天线结构下，一种通过探测空间各个方向的散射情况估计主径方向的方法及装置，该方法不需任何先验信息，复杂度较低，能够同时估计主径的离开角(Angle of Departure，AOD)和到达角(Angle of Arrival，AOA)；属于无线通信技术领域。
背景技术
随着无线通信技术的发展及普及，低频段频谱资源已无法满足高速率无线通信传输的需求。然而，具有丰富的频带资源的毫米波可提供高速、宽带和大容量信息传输服务，能满足当前和今后社会对信息传输急剧增长的需要，以较低的风险解决低频段通信业务拥挤的问题。但是，毫米波由于较短的波长引起较高的路径损耗，导致空间有效散射体的数目减少，因此毫米波信道具有稀疏特性，主要表现在脉冲响应仅包含少量较大的幅度值，并且这些幅度值之间具有较大的间隔。
毫米波通信***通常利用大规模天线阵列和波束成形技术来抵抗毫米波的高路径损耗，即扩大覆盖范围并增强传输性能。鉴于纯数字波束成形方法带来的功耗负担和纯模拟波束成形方法引起的性能损失，数模混合波束成形方法已成为研究热点。与低频段的MIMO***相比，毫米波***中的多径效应并不明显，视距(Line of Sight，LoS)传输占重要地位，主径往往携带了无线空间信道的主要特征信息。毫米波具有光波的某些特性，在空间也是直线传播的，一般而言，通信双方在视线上无阻挡时，直达径是主径，视线上有障碍物时，最强的一条散射径是主径。在实际通信过程中，主径的信息与收发端的相对位置、散射体的位置均有着密不可分的联系，此信息可用于小区搜索、用户调度、移动定位等。
在传统导频辅助信道估计的方法中，导频的***比例需要达到奈奎斯特采样频率标准才能获得较好的估计性能，进而导致***频谱利用率较低。基于压缩感知和重构算法的稀疏信道估计技术能够获得完整的时频域信道响应，当天线数量较多时，需要较大的***开销和计算复杂度。基于分离型子阵列的数模混合波束成形架构，综合考虑到探测时间和计算复杂度的需求，本发明提出了一种毫米波稀疏信道的主径估计方法及装置，联合使用了空间资源和时间资源。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题与不足，本发明提供一种毫米波稀疏信道的主径估计方法及装置，发射端和接收端联合估计主径的离开角和到达角，该方法的实现复杂度低，探测时间短，抗干扰能力强。
技术方案：本发明发射端和接收端分别在一定的空间范围区域内对信道的散射情况进行探测，发射端的子阵列从不同的方向发射训练序列，接收端的子阵列从不同的方向接收信号，通过估计射频等效信道响应确定主径的大概方向。本发明提供的方案充分考虑了稀疏特性，综合利用***的空间和时间资源进行信号探测，既节省了估计时间，又提高了算法精度，且具有较低的实现复杂度和较强的抗干扰性能。
一种毫米波稀疏信道的主径估计方法，具体包括如下步骤：
步骤1：令探测的总次数为τ，探测计数器的探测次数为t；令t＝1，设置发射端初始探测空间范围为Ωt，接收端初始探测空间范围为Φt
步骤2：发射端将第t次的探测空间范围Ωt＝(ωa,ωb)平均分成N个子区域其中，和分别表示第n个子区域中角度取值的上下界，且满足取作为各子区域的代表方向。发射端的N个子阵列分别从这N个方向进行信道探测，其中，第n个发射子阵列把作为波束成形矢量向空间发射训练序列，λ表示信号波长，dt表示同一发射子阵列内天线之间的距离，j是虚数单位，即
步骤3：接收端将第t次的探测空间范围Φt＝(φa,φb)平均分成M个子区域其中，和分别表示第m个子区域中角度取值的上下界，且满足取作为各子区域的代表方向。接收端的M个子阵列分别从这M个方向进行信道探测，其中，第m个接收子阵列把作为波束组合矢量从空间接收信号，dr表示同一接收子阵列内天线之间的距离；
步骤4：接收端根据接收到的数据估计出M×N维的射频等效信道响应矩阵H，从N个发射子区域和M个接收子区域中选出一对响应最强的子区域(m*,n*)，满足其中，Hm,n是矩阵H的第m行第n列元素，并将发射子区域索引号n*通过上行链路反馈给发射端；
步骤5：判断已探测次数t是否达到最大次数τ。如果未达到，则更新探测次数t＝t+1，发射端根据反馈信息设置当前探测的空间范围为接收端设置当前探测的空间范围为返回至步骤2开始新一轮探测；如果已经达到最大次数，估计主径对应的离开角为到达角为
一种用于实现上述毫米波稀疏信道的主径估计方法的装置，发射端和接收端均采用分离型数模混合波束成形结构，主要包括基带信号处理、射频链路以及模拟波束相位控制器等模块。发射端配置N个子阵列，每个子阵列有P根发射天线，接收端配置M个子阵列，每个子阵列有Q根接收天线，每个子阵与一根射频链路联接，每根天线通过与一个独立的相移器连接实现定向发射或接收。
有益效果：本发明提出的毫米波稀疏信道的主径估计方法，利用发射端和接收端的子阵列从空间不同方向联合对信道的散射情况进行探测。与已有的基于压缩感知的稀疏信道估计方法相比，本发明提出的估计方法具有训练次数少、复杂度低等优点，没有估计完整的时域或频域信道响应，仅给出空间最强路径的方向，利用了毫米波信道的稀疏散射特性，为传输方案的设计提供有用信息，更具有实用价值。
附图说明
图1为本发明实施例的方法流程图；
图2为本发明收发机的实现示意图；
图3为本发明实施例中主径估计的均方误差与传输距离R关系的仿真图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
在发射端和接收端均布置多个天线子阵列，采用分离型混合波束成形架构，通过多次信道探测完成主径的估计。在每次信道探测过程中，发射端的子阵列沿着不同方向从不同的空间子区域发射训练序列，接收端的子阵列也分别从不同的空间子区域接收数据，据此估计射频等效信道响应矩阵，每次发射和接收选择不同的波束成形矢量和波束组合矢量就会有不同的响应。等效信道的各个元素反映了空间信道在各个空间子区域的散射情况，接收端进行分析计算，选出响应最强的一对空间子区域，并将此信息反馈给发射端，作为进一步筛选空间范围的依据，最后联合估计出主径的离开角和到达角。
如图1所示，毫米波稀疏信道的主径估计方法，具体包括如下步骤：
步骤1：设置发射端初始探测空间范围接收端初始探测空间范围探测总次数τ＝2，当前探测次数t＝1；
步骤2：发射端将第t次的探测空间范围Ωt＝(ωa,ωb)平均分成8个子区域其中，和分别表示第n个子区域中角度取值的上下界，且满足取作为各子区域的代表方向。发射端的8个子阵列分别从这8个方向进行信道探测，其中，第n个发射子阵列把作为波束成形矢量向空间发射训练序列，λ表示信号波长，表示同一发射子阵列内天线之间的距离；
步骤3：接收端将第t次的探测空间范围Φt＝(φa,φb)平均分成8个子区域其中，和分别表示第m个子区域中角度取值的上下界，且满足取作为各子区域的代表方向。接收端的8个子阵列分别从这8个方向进行信道探测，其中，第m个接收阵列把作为波束组合矢量从空间接收信号，表示同一接收子阵列内天线之间的距离；
步骤4：接收端根据接收到的数据估计出8×8维的射频等效信道响应矩阵H，从8个发射子区域和8个接收子区域中选出一对响应最强的子区域(m*,n*)，满足并将发射子区域索引号n*通过上行链路反馈给发射端；
步骤5：判断已探测次数t是否达到最大次数τ＝2。如果未达到，则更新探测次数t＝t+1，发射端根据反馈信息设置当前探测的空间范围为接收端设置当前探测的空间范围为返回至步骤2开始新一轮探测；如果已经达到最大次数，估计主径对应的离开角为到达角为
用于实现上述毫米波稀疏信道的主径估计方法的装置，在发射端和接收端均布置多个天线子阵列，发射端和接收端均采用分离型数模混合波束成形结构，主要包括基带信号处理、射频链路以及模拟波束相位控制器等模块。如图2所示，发射端配置8个子阵列，每个子阵列有P根发射天线，接收端配置8个子阵列，每个子阵列有Q根接收天线，每个子阵与一根射频链路联接，每根天线通过与一个独立的相移器连接实现定向发射或接收。
在每次信道探测过程中，发射端的子阵列沿着不同方向从不同的空间子区域发射训练序列，接收端的子阵列也分别从不同的空间子区域接收数据，据此估计射频等效信道响应矩阵，每次发射和接收选择不同的波束成形矢量和波束组合矢量就会有不同的响应。等效信道的各个元素反映了空间信道在各个空间子区域的散射情况，接收端进行分析计算，选出响应最强的一对空间子区域，并将此信息反馈给发射端，作为进一步筛选空间范围的依据，最后联合估计出主径的离开角和到达角。
为了说明本发明提出的一种毫米波稀疏信道的主径估计方法的准确性和有效性，本发明实施例还提供了视距传输和非视距(Non Line of Sight，NLOS)传输两种场景下对主径方向估计的均方误差(Mean Square Error，MSE)与传输距离R的关系。从仿真图3可以看到，LOS场景下的估计误差远小于NLOS场景，随着传输距离R增大，估计误差也在增大，但是，与随机确定方向相比，本发明提出的方法大大改善了***的性能，一般认为传输距离在100米以内时，本方法能够把估计误差控制在可接受的范围之内。
Claims (2)
1.一种毫米波稀疏信道的主径估计方法，其特征在于，在发射端和接收端均采用分离型混合波束成形架构，通过多次信道探测完成主径的估计，发射端配置N个子阵列，每个子阵列有P根发射天线，接收端配置M个子阵列，每个子阵列有Q根接收天线；在每次信道探测过程中，发射端的子阵列沿着不同方向从不同的空间子区域发射训练序列，接收端的子阵列也分别从不同的空间子区域接收数据，据此估计射频等效信道响应矩阵，每次发射和接收选择不同的波束成形矢量和波束组合矢量就会有不同的响应；等效信道的各个元素反映了空间信道在各个空间子区域的散射情况，接收端选出响应最强的一对空间子区域，并将此信息反馈给发射端，作为进一步筛选空间范围的依据，最后联合估计出主径的离开角和到达角；
具体为：
步骤1：令探测的总次数为τ，探测计数器的探测次数为t；令t＝1，设置发射端初始探测空间范围为Ωt，接收端初始探测空间范围为Φt；
步骤2：发射端将第t次的探测空间范围Ωt＝(ωa,ωb)平均分成N个子区域其中，和分别表示第n个子区域中角度取值的上下界，且满足取作为各子区域的代表方向；发射端的N个子阵列分别从这N个方向进行信道探测，其中，第n个发射子阵列把作为波束成形矢量向空间发射训练序列，λ表示信号波长，dt表示同一发射子阵列内天线之间的距离；
步骤3：接收端将第t次的探测空间范围Φt＝(φa,φb)平均分成M个子区域其中，和分别表示第m个子区域中角度取值的上下界，且满足φ1 a＝φa,取作为各子区域的代表方向；接收端的M个子阵列分别从这M个方向进行信道探测，其中，第m个接收子阵列把作为波束组合矢量从空间接收信号，dr表示同一接收子阵列内天线之间的距离；
步骤4：接收端根据接收到的数据估计出M×N维的射频等效信道响应矩阵H，从N个发射子区域和M个接收子区域中选出一对响应最强的子区域(m*,n*)，满足并将发射子区域索引号n*通过上行链路反馈给发射端；
步骤5：判断已探测次数t是否达到最大次数τ；如果未达到，则更新探测次数t＝t+1，发射端根据反馈信息设置当前探测的空间范围为接收端设置当前探测的空间范围为返回至步骤2开始新一轮探测；如果已经达到最大次数，估计主径对应的离开角为到达角为
2.一种用于实现如权利要求1所述的毫米波稀疏信道的主径估计方法的装置，其特征在于：发射端和接收端均采用分离型数模混合波束成形结构；发射端配置N个子阵列，每个子阵列有P根发射天线，接收端配置M个子阵列，每个子阵列有Q根接收天线，每个子阵与一根射频链路联接，每根天线通过与一个独立的相移器连接实现定向发射或接收。
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