CN106788628B - Mimo系统的信道估计方法及装置、基站 - Google Patents

Mimo系统的信道估计方法及装置、基站 Download PDF

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Abstract

MIMO系统的信道估计方法及装置、基站,所述方法包括:基于接收信号矩阵和对应的训练序列,采用最小二乘法计算得到发射端离开中心角/接收端到达中心角;基于所述计算得到的发射端离开中心角/接收端到达中心角、接收信号矩阵、对应的训练序列、预设的噪声功率、预设的最大角度扩展值,计算得到对应的预估角度扩展值;基于接收信号矩阵、所述训练序列、计算得到的发射端离开中心角/接收端到达中心角和所述预估角度扩展值,采用斯莱皮恩扩展计算得到对应的信道矩阵。上述的方案,可以提高MIMO系统的信道估计的准确性。

Description

MIMO系统的信道估计方法及装置、基站
技术领域
本发明涉及通信技术领域,特别是涉及一种MIMO系统的信道估计方法及装置、基站。
背景技术
正交频分复用(OFDM)信号,在高速通信系统中倍受青睐,由于其具有较高的频带利用率,能有效抵抗多径衰落的时域扩散,克服符号间的干扰,被广泛应用于有线和无线通信中。据研究表明,多输入多输出(MIMO,Multiple-Input Multiple-Output)可以显著增加系统容量。但是在宽带频选信道中,MIMO系统需要复杂的信道均衡技术以消除符号间的干扰。为此,将OFDM技术应用于MIMO系统中,可以显著提高传输性能。因此,在应用OFDM技术的MIMO系统中,需要了解每对发送、接收信道的频率响应才能准确地进行数据恢复。
现有技术中,在基站中配备有在空间中密集分布的天线均匀线性阵列(UniformLinear Array,ULA)的MIMO系统中,一般采用最小均方误差(Minimum Mean Square Error,MMSE)实现高精度的信道估计。
但是,采用MMSE进行MIMO系统的信道估计,需要首先得到对应的协方差矩阵或者在协方差矩阵未知的情况下采用最小二乘(Least Square,LS)进行信道估计,存在着信道估计准确性低的问题。
发明内容
本发明实施例解决的是如何提高MIMO系统的信道估计的效率。
为解决上述问题,本发明实施例提供了一种MIMO系统的信道估计方法,所述方法,包括:基于接收信号矩阵和对应的训练序列,采用最小二乘法计算得到发射端离开中心角/接收端到达中心角;基于所述计算得到的中心到达角或者中心发射角、接收信号矩阵、对应的训练序列、预设的噪声功率、预设的最大角度扩展值,计算得到对应的预估角度扩展值;基于接收信号矩阵、所述训练序列、计算得到的发射端离开中心角/接收端到达中心角和所述预估角度扩展值,采用斯莱皮恩扩展计算得到对应的信道矩阵。
可选地,所述基于接收信号矩阵和对应的训练序列,采用最小二乘法计算得到发射端离开中心角/接收端到达中心角,包括:根据所述接收信号矩阵和所述训练序列,计算得到所述信道矩阵的最小二乘估计值;基于所述信道矩阵的最小二乘估计值,计算得到对应的散射函数;在预设角度的预设范围内,计算得到所述散射函数的模值的最大值,作为所述发射端离开中心角/接收端到达中心角。
可选地,所述根据所述接收信号矩阵和所述训练序列,计算得到所述信道矩阵的最小二乘估计值,包括:
Figure BDA0001037081280000021
其中,
Figure BDA0001037081280000022
表示所述信道矩阵的最小二乘估计值,Y表示所述接收信号矩阵,s表示所述训练序列。
可选地,所述基于所述信道矩阵的最小二乘估计值,计算得到对应的散射函数,包括:
Figure BDA0001037081280000023
其中,
Figure BDA0001037081280000024
表示所述散射函数,M表示所述MIMO系统中基站的ULA中的天线数量,θ表示所述预设角度。
可选地,所述在预设角度的预设范围内,计算得到所述散射函数的模值的最大值,作为所述发射端离开中心角/接收端到达中心角,包括:
Figure BDA0001037081280000025
其中,
Figure BDA0001037081280000026
表示所述发射端离开中心角/接收端到达中心角,
Figure BDA0001037081280000027
表示模值的最大值。
可选地,所述基于所述计算得到的中心到达角/中心发射角、接收信号矩阵、对应的训练序列、预设的噪声功率、预设的最大角度扩展值,计算得到对应的预估角度扩展值,包括:采用所述发射端离开中心角/接收端到达中心角,构建对应的方形对角矩阵;将预设的角度扩展参数的值设置为所述最大角度扩展值,计算得到近似信号空间维度;将所述角度扩展参数设置为所述最大角度扩展值,构建对应的斯莱皮恩扩展矩阵;对所述斯莱皮恩扩展矩阵进行特征分解,得到对角元素为有序特征值的对角矩阵和包括相关特征向量的酉矩阵;基于所述对角矩阵的有序特征值和所述酉矩阵的相关特征向量,构建对应的近似斯莱皮恩扩展矩阵;采用所述方形对角矩阵、所述近似斯莱皮恩扩展矩阵、预设的噪音功率和M*M的单位矩阵,计算得到所述信道矩阵的第一估计值;基于计算得到的所述信道矩阵的第一估计值,计算得到对应的散射函数;基于计算得到的散射函数和所述发射端离开中心角或接收端到达中心角,确定对应的轴移散射函数;基于所确定的轴移散射函数,计算得到所述散射函数的最大值;基于所述散射函数和所述轴移散射函数的最大值,计算得到所述预设角度的最大值和最小值;基于所述预设角度的最大值和最小值,计算得到所述预估角度扩展值。
可选地,所述采用所述发射端离开中心角/接收端到达中心角,构建对应的方形对角矩阵,包括:
Figure BDA0001037081280000031
其中,
Figure BDA0001037081280000032
表示所述方形对角矩阵,j表示旋转因子。
可选地,所述将预设的角度扩展参数的值设置为所述最大角度扩展值,计算得到近似信号空间维度,包括:
Figure BDA0001037081280000034
其中,D表示近似信号空间维度,δ表示所述角度扩展参数,l为预设的经验值,Z+表示正整数集。
可选地,所述将所述角度扩展参数设置为所述最大角度扩展值,构建对应的斯莱皮恩扩展矩阵,包括:
Figure BDA0001037081280000033
其中,C表示所述斯莱皮恩扩展矩阵,[C]p,q表示所述第p根天线和第q根天线之间的斯莱皮恩扩展系数,p表示所述ULA中的第p根天线,q表示所述ULA中的第q根天线。
可选地,所述对所述斯莱皮恩扩展矩阵进行特征分解,得到对角元素为有序特征值的对角矩阵和包括相关特征向量的酉矩阵,包括:C=UΛUH;其中,U表示所述包括相关特征向量λ0~λM-1的酉矩阵,且λ0≥λ1≥...≥λM-1,UH表示所述酉矩阵的共轭转置矩阵,Λ表示所述对角元素为有序特征值μ0~μM-1的方形对角矩阵。
可选地,所述基于所述对角矩阵的有序特征值和所述酉矩阵的相关特征向量,构建对应的近似斯莱皮恩扩展矩阵,包括:
Figure BDA0001037081280000041
其中,
Figure BDA0001037081280000042
表示所述近似斯莱皮恩扩展矩阵,λi表示第i个相关特征向量,μi表示第i个有序特征值,μi H表示第i个有序特征值的共轭转置矩阵,且i取0~D-1的整数。
可选地,所述采用所述方形对角矩阵、所述近似斯莱皮恩扩展矩阵、预设的噪音功率和M*M的单位矩阵,计算得到所述信道矩阵的第一估计值,包括:
Figure BDA0001037081280000043
其中,
Figure BDA0001037081280000044
表示第n个接收天线的信道估计参数,
Figure BDA0001037081280000045
表示预设的噪音功率值。
可选地,所述基于计算得到的所述信道矩阵的第一估计值,计算得到对应的散射函数,包括:
Figure BDA0001037081280000046
其中,
Figure BDA0001037081280000047
表示所述散射函数,
Figure BDA0001037081280000048
表示所述信道矩阵的第一估计值。
可选地,所述基于计算得到的散射函数和所述发射端离开中心角或接收端到达中心角,确定对应的轴移散射函数,包括:
Figure BDA0001037081280000049
其中,
Figure BDA00010370812800000410
表示所述轴移散射函数。
可选地,所述基于所确定的轴移散射函数,计算得到所述散射函数的最大值,包括:
Figure BDA00010370812800000411
其中,
Figure BDA00010370812800000412
表示所述散射函数的最大值,max(.)表示取最大值运算。
可选地,所述基于所述散射函数和所述轴移散射函数的最大值,计算得到所述预设角度的最大值和最小值,包括:
Figure BDA00010370812800000413
其中,θmin表示所述预设角度的最小值,θmax表示所述预设角度的最小值,max{.}表示取最大值运算,min{.}表示取最小值运算。
可选地,所述基于所述预设角度的最大值和最小值,计算得到所述预估角度扩展值,包括:
Figure BDA00010370812800000414
其中,
Figure BDA00010370812800000415
表示所述预估角度扩展值。
可选地,所述基于接收信号矩阵、所述训练序列、计算得到的发射端离开中心角/接收端到达中心角和所述预估角度扩展值,采用斯莱皮恩扩展计算得到对应的信道矩阵,包括:采用所述发射端离开中心角/接收端到达中心角,构建对应的方形对角矩阵;将预设的角度扩展参数的值设置为所述预估角度扩展值,计算得到近似信号空间维度;将所述角度扩展参数设置为所述预估角度扩展值,构建对应的斯莱皮恩扩展矩阵;对所述斯莱皮恩扩展矩阵进行特征分解,得到对角元素为有序特征值的对角矩阵和包括相关特征向量的酉矩阵;基于所述对角矩阵的有序特征值和所述酉矩阵的相关特征向量,构建对应的近似斯莱皮恩扩展矩阵;采用所述方形对角矩阵、所述近似斯莱皮恩扩展矩阵、预设的噪音功率和M*M的单位矩阵,计算得到所述信道矩阵。
可选地,所述采用所述发射端离开中心角/接收端到达中心角,构建对应的方形对角矩阵,包括:
Figure BDA0001037081280000051
其中,
Figure BDA0001037081280000052
表示所述方形对角矩阵,j表示旋转因子。
可选地,所述将预设的角度扩展参数的值设置为所述预估角度扩展值,计算得到近似信号空间维度,包括:
Figure BDA0001037081280000054
其中,D表示近似信号空间维度,δ表示所述角度扩展参数,l为预设的经验值,Z+表示正整数集。
可选地,所述将所述角度扩展参数设置为所述预估角度扩展值,构建对应的斯莱皮恩扩展矩阵,包括:
Figure BDA0001037081280000053
其中,C表示所述斯莱皮恩扩展矩阵,[C]p,q表示第p根天线和第q根天线之间的斯莱皮恩扩展系数,p表示ULA中的第p根天线,q表示所述ULA中的第q根天线。
可选地,所述对所述斯莱皮恩扩展矩阵进行特征分解,得到对角元素为有序特征值的对角矩阵和包括相关特征向量的酉矩阵,包括:C=UΛUH;其中,U表示所述包括相关特征向量λ0~λM-1的酉矩阵,且λ0≥λ1≥...≥λM-1,UH表示所述酉矩阵的共轭转置矩阵,Λ表示所述对角元素为有序特征值μ0~μM-1的方形对角矩阵。
可选地,所述基于所述对角矩阵的有序特征值和所述酉矩阵的相关特征向量,构建对应的近似斯莱皮恩扩展矩阵,包括:
Figure BDA0001037081280000061
其中,
Figure BDA0001037081280000062
表示所述近似斯莱皮恩扩展矩阵,λi表示第i个相关特征向量,μi表示第i个有序特征值,μi H表示第i个有序特征值的共轭转置矩阵,且i取0~D-1的整数。
可选地,所述采用所述方形对角矩阵、所述近似斯莱皮恩扩展矩阵、预设的噪音功率和M*M的单位矩阵,计算得到所述信道矩阵,包括:
Figure BDA0001037081280000063
其中,
Figure BDA0001037081280000064
表示第n根接收天线的信道估计参数,
Figure BDA0001037081280000065
表示预设的噪音功率值。
本发明实施例还提供了一种MIMO系统的信道估计装置,所述装置包括:最小二乘估计单元,适于基于接收信号矩阵和对应的训练序列,采用最小二乘法计算得到发射端离开中心角/接收端到达中心角;预估角度扩展值计算单元,适于基于所述计算得到的中心到达角或者中心发射角、接收信号矩阵、对应的训练序列、预设的噪声功率、预设的最大角度扩展值,计算得到对应的预估角度扩展值;信道矩阵估计单元,适于基于接收信号矩阵、所述训练序列、计算得到的发射端离开中心角/接收端到达中心角和所述预估角度扩展值,采用斯莱皮恩扩展计算得到对应的信道矩阵。
可选地,所述最小二乘估计单元适于根据所述接收信号矩阵和所述训练序列,计算得到所述信道矩阵的最小二乘估计值;基于所述信道矩阵的最小二乘估计值,计算得到对应的散射函数;在预设角度的预设范围内,计算得到所述散射函数的模值的最大值,作为所述发射端离开中心角/接收端到达中心角。
可选地,所述最小二乘估计单元适于采用如下的公式计算得到所述信道矩阵的最小二乘估计值:
Figure BDA0001037081280000066
其中,
Figure BDA0001037081280000067
表示所述信道矩阵的最小二乘估计值,Y表示所述接收信号矩阵,s表示所述训练序列。
可选地,所述最小二乘估计单元适于采用如下的公式计算得到对应的散射函数:
Figure BDA0001037081280000068
其中,
Figure BDA0001037081280000069
表示所述散射函数,M表示所述MIMO系统中基站的ULA中的天线数量,θ表示所述预设角度。
可选地,所述最小二乘估计单元适于采用如下的公式计算得到所述散射函数的模值的最大值,并作为所述发射端离开中心角/接收端到达中心角:
Figure BDA0001037081280000071
其中,
Figure BDA0001037081280000072
表示所述发射端离开中心角/接收端到达中心角,
Figure BDA0001037081280000073
表示模值的最大值。
可选地,所述预估角度扩展值计算单元适于采用所述发射端离开中心角/接收端到达中心角,构建对应的方形对角矩阵;将预设的角度扩展参数的值设置为所述最大角度扩展值,计算得到近似信号空间维度;将所述角度扩展参数设置为所述最大角度扩展值,构建对应的斯莱皮恩扩展矩阵;对所述斯莱皮恩扩展矩阵进行特征分解,得到对角元素为有序特征值的对角矩阵和包括相关特征向量的酉矩阵;基于所述对角矩阵的有序特征值和所述酉矩阵的相关特征向量,构建对应的近似斯莱皮恩扩展矩阵;采用所述方形对角矩阵、所述近似斯莱皮恩扩展矩阵、预设的噪音功率和M*M的单位矩阵,计算得到所述信道矩阵的第一估计值;基于计算得到的所述信道矩阵的第一估计值,计算得到对应的散射函数;基于计算得到的散射函数和所述发射端离开中心角/接收端到达中心角,确定对应的轴移散射函数;基于所确定的轴移散射函数,计算得到所述散射函数的最大值;基于所述散射函数和所述轴移散射函数的最大值,计算得到所述预设角度的最大值和最小值;基于所述预设角度的最大值和最小值,计算得到所述预估角度扩展值。
可选地,所述预估角度扩展值计算单元适于采用如下的公式构建对应的方形对角矩阵:
Figure BDA0001037081280000074
其中,
Figure BDA0001037081280000075
表示所述方形对角矩阵,j表示。
可选地,所述预估角度扩展值计算单元适于采用计算得到近似信号空间维度:
Figure BDA0001037081280000076
其中,D表示近似信号空间维度,δ表示所述角度扩展参数,l为预设的经验值,Z+表示正整数集。
可选地,所述预估角度扩展值计算单元适于采用构建对应的斯莱皮恩扩展矩阵:
Figure BDA0001037081280000081
其中,C表示所述斯莱皮恩扩展矩阵,[C]p,q表示第p根天线和第q根天线之间的斯莱皮恩扩展系数,p表示ULA中的第p根天线,q表示所述ULA中的第q根天线。
可选地,所述预估角度扩展值计算单元适于采用如下的公式所述斯莱皮恩扩展矩阵进行特征分解,得到对角元素为有序特征值的对角矩阵和包括相关特征向量的酉矩阵:C=UΛUH;其中,U表示所述包括相关特征向量λ0~λM-1的酉矩阵,且λ0≥λ1≥...≥λM-1,UH表示所述酉矩阵的共轭转置矩阵,Λ表示所述对角元素为有序特征值μ0~μM-1的方形对角矩阵。
可选地,所述预估角度扩展值计算单元适于采用如下的公式构建对应的近似斯莱皮恩扩展矩阵:
Figure BDA0001037081280000082
其中,
Figure BDA0001037081280000083
表示所述近似斯莱皮恩扩展矩阵,λi表示第i个相关特征向量,μi表示第i个有序特征值,μi H表示第i个有序特征值的共轭转置矩阵,且i取0~D-1的整数。
可选地,所述预估角度扩展值计算单元适于采用如下的公式计算得到所述信道矩阵的第一估计值:
Figure BDA0001037081280000084
其中,
Figure BDA0001037081280000085
表示第n个接收天线的信道估计参数,
Figure BDA0001037081280000086
表示预设的噪音功率值。
可选地,所述预估角度扩展值计算单元适于采用如下的公式计算得到对应的散射函数:
Figure BDA0001037081280000087
其中,
Figure BDA0001037081280000088
表示所述散射函数,
Figure BDA0001037081280000089
表示所述信道矩阵的第一估计值。
可选地,所述预估角度扩展值计算单元适于采用如下的公式确定对应的轴移散射函数:
Figure BDA00010370812800000810
其中,
Figure BDA00010370812800000811
表示所述轴移散射函数。
可选地,所述预估角度扩展值计算单元适于采用如下的公式计算得到所述散射函数的最大值:
Figure BDA00010370812800000812
其中,
Figure BDA00010370812800000813
表示所述散射函数的最大值,max(.)表示取最大值运算。
可选地,所述预估角度扩展值计算单元适于采用如下的公式计算得到所述预设角度的最大值和最小值:
Figure BDA0001037081280000091
其中,θmin表示所述预设角度的最小值,θmax表示所述预设角度的最小值,max{.}表示取最大值运算,min{.}表示取最小值运算。
可选地,所述预估角度扩展值计算单元适于采用如下的公式计算得到所述预估角度扩展值:
Figure BDA0001037081280000092
其中,
Figure BDA0001037081280000093
表示所述预估角度扩展值。
可选地,所述信道矩阵估计单元适于采用所述发射端离开中心角/接收端到达中心角,构建对应的方形对角矩阵;将预设的角度扩展参数的值设置为所述预估角度扩展值,计算得到近似信号空间维度;将所述角度扩展参数设置为所述预估角度扩展值,构建对应的斯莱皮恩扩展矩阵;对所述斯莱皮恩扩展矩阵进行特征分解,得到对角元素为有序特征值的对角矩阵和包括相关特征向量的酉矩阵;基于所述对角矩阵的有序特征值和所述酉矩阵的相关特征向量,构建对应的近似斯莱皮恩扩展矩阵;采用所述方形对角矩阵、所述近似斯莱皮恩扩展矩阵、预设的噪音功率和M*M的单位矩阵,计算得到所述信道矩阵。
可选地,所述信道估计单元适于采用如下的公式构建对应的方形对角矩阵:
Figure BDA0001037081280000094
其中,
Figure BDA0001037081280000095
表示所述方形对角矩阵,j表示。
可选地,所述信道估计单元适于采用如下的公式计算得到近似信号空间维度:
Figure BDA0001037081280000096
其中,D表示近似信号空间维度,δ表示所述角度扩展参数,l为预设的经验值,Z+表示正整数集。
可选地,所述信道估计单元适于采用如下的公式构建对应的斯莱皮恩扩展矩阵:
Figure BDA0001037081280000097
其中,C表示所述斯莱皮恩扩展矩阵,[C]p,q表示所述第p根天线和第q根天线之间的斯莱皮恩扩展系数,p表示所述ULA中的第p根天线,q表示所述ULA中的第q根天线。
可选地,所述信道估计单元适于采用如下的公式对所述斯莱皮恩扩展矩阵进行特征分解,得到对角元素为有序特征值的对角矩阵和包括相关特征向量的酉矩阵:C=UΛUH;其中,U表示所述包括相关特征向量λ0~λM-1的酉矩阵,且λ0≥λ1≥...≥λM-1,UH表示所述酉矩阵的共轭转置矩阵,Λ表示所述对角元素为有序特征值μ0~μM-1的方形对角矩阵。
可选地,所述信道估计单元适于采用如下的公式构建对应的近似斯莱皮恩扩展矩阵:
Figure BDA0001037081280000101
其中,
Figure BDA0001037081280000102
表示所述近似斯莱皮恩扩展矩阵,λi表示第i个相关特征向量,μi表示第i个有序特征值,μi H表示第i个有序特征值的共轭转置矩阵,且i取0~D-1的整数。
可选地,所述信道估计单元适于采用如下的公式计算得到所述信道矩阵:
Figure BDA0001037081280000103
其中,
Figure BDA0001037081280000104
表示第n根接收天线的信道估计参数,
Figure BDA0001037081280000105
表示预设的噪音功率值。
本发明实施例还提供了一种基站,所述基站包括上述任一项的MIMO系统的信道估计装置。
与现有技术相比,本发明的技术方案具有以下的优点:
上述的方案,首先基于接收信号矩阵和对应的训练序列,采用最小二乘法计算得到发射端离开中心角或者接收端到达中心角,基于所述计算得到的到达中心角/离开中心角、接收信号矩阵、对应的训练序列、预设的噪声功率、预设的最大角度扩展值,计算得到对应的预估角度扩展值,并基于接收信号矩阵、所述训练序列、计算得到的发射端离开中心角/接收端到达中心角和所述预估角度扩展值,与预先得到对应的空间协方差矩阵或者采用最小二乘法进行信道估计相比,可以提高信道矩阵估计的准确性。
附图说明
图1是本发明实施例中的一种MIMO系统的信道估计方法的流程图;
图2是本发明实施例中的一种发射端离开中心角/接收端到达中心角的获取方法的流程图;
图3是本发明实施例中的一种计算预估角度扩展值的方法的流程图;
图4是本发明实施例中的一种采用斯莱皮恩扩展计算得到对应的信道矩阵的方法的流程图;
图5-图11分别是在传播场景(a)至(g)中本发明实施例中的MIMO系统的信道估计方法的用户速率的相对于现有技术中采用最小二乘法进行信道估计的用户速率的增益的仿真结果示意图;
图12是本发明实施例中的MIMO系统的信道估计装置的结构示意图。
具体实施方式
正如背景技术所言,现有技术中使用最小二乘法估计得到信道矩阵时,首先需要预先计算得到空间协方差矩阵,当接收机不知道所述空间协方差矩阵时,通常采用最小二乘法信道估计方来估计得到对应的信道矩阵。但是,上述两种方法,均存在着信道估计准确性低的问题。
为解决现有技术中存在的上述问题,本发明实施例采用的技术方案基于接收信号矩阵、所述训练序列、计算得到的发射端离开中心角或者接收端到达中心角和所述预估角度扩展值,与预先得到对应的空间协方差矩阵或者采用最小二乘法进行信道估计相比,可以提高信道矩阵估计的准确性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
图1示出了本发明实施例中的一种MIMO系统的信道估计方法的流程图。如图1所示的MIMO系统的信道估计方法,可以包括如下的步骤:
步骤S101:基于接收信号矩阵和对应的训练序列,采用最小二乘法计算得到发射端离开中心角/接收端到达中心角。
在具体实施中,接收信号矩阵为M*L的矩阵,训练序列为1*L的向量,其中,M表示基站中配置的ULA中的天线单元的数量,L表示所述训练序列的长度。
步骤S102:基于所述计算得到的发射端离开中心角/接收端到达中心角、接收信号矩阵、对应的训练序列、预设的噪声功率、预设的最大角度扩展值,计算得到对应的预估角度扩展值。
在具体实施中,预设的噪声功率和预设的最大角度扩展值均可以为先验值,可以通过预先的测量得到。
步骤S103:基于接收信号矩阵、所述训练序列、计算得到的发射端离开中心角/接收端到达中心角和所述预估角度扩展值,采用斯莱皮恩扩展计算得到对应的信道矩阵。
在具体实施中,采用斯莱皮恩扩展(Slepian Expansion)估计得到信道矩阵,并不需要预先知道对应的空间协方差矩阵(Spatial Covariance Matrix),而是通过在基站的部署过程中预先测量得到的最大角度扩展值得到对应的预估角度扩展值,可以提高信道估计的准确性,提高MIMO系统的性能。
下面将结合图2至图4对本发明实施例中的MIMO系统的信道估计方法作进一步详细的介绍。
为了便于理解,下面首先结合图2对发射端离开中心角/接收端到达中心角的获取方法做详细的介绍。
请参见图2,在具体实施中,本发明实施例中的发射端离开中心角/接收端到达中心角的获取方法可以包括如下的步骤:
步骤S201:根据所述接收信号矩阵和所述训练序列,计算得到所述信道矩阵的最小二乘估计值。
在本发明一实施例中,基于所获取的接收信号矩阵和对应的训练序列并采用如下的公式计算得到所述信道矩阵的最小二乘估计值:
Figure BDA0001037081280000121
其中,
Figure BDA0001037081280000122
表示所述信道矩阵的最小二乘估计值,Y表示所述接收信号矩阵,s表示所述训练序列。
本领域的技术人员可以理解的是,也可以采用现有技术中的其他方式根据所述接收信号矩阵和所述训练序列,计算得到所述信道矩阵的最小二乘估计值,本发明在此不做限制。
步骤S202:基于所述信道矩阵的最小二乘估计值,计算得到对应的散射函数。
在本发明一实施例中,所述基于所述信道矩阵的最小二乘估计值,计算得到对应的散射函数,包括:
Figure BDA0001037081280000131
其中,
Figure BDA0001037081280000132
表示所述散射函数,M表示所述MIMO系统中基站的ULA中的天线数量,θ表示所述预设角度。
本领域的技术人员可以理解的是,也可以采用现有技术中的其他方式基于所述信道矩阵的最小二乘估计值,计算得到对应的散射函数,本发明在此不做限制。
步骤S203:在预设角度的预设范围内,计算得到所述散射函数的模值的最大值,作为所述发射端离开中心角/接收端到达中心角。
在本发明一实施例中,基于所获取的预设角度的预设范围,并采用如下的公式,计算得到所述散射函数的模值的最大值:
Figure BDA0001037081280000133
其中,
Figure BDA0001037081280000134
表示所述发射端离开中心角/接收端到达中心角,
Figure BDA0001037081280000135
表示模值的最大值。
在计算得到所述散射函数的模值的最大值时,将所述散射函数的模值的最大值时作为所述发射端离开中心角/接收端到达中心角。
本领域的技术人员可以理解的是,也可以采用现有技术中的其他方式基于在预设角度的预设范围内,计算得到所述散射函数的模值的最大值,本发明在此不做限制。
在具体实施中,当计算得到所述发射端离开中心角/接收端到达中心角
Figure BDA0001037081280000136
时,可以根据计算得到所述发射端离开中心角/接收端到达中心角
Figure BDA0001037081280000137
接收信号矩阵、对应的训练序列、预设的噪声功率、预设的最大角度扩展值,计算得到预估角度扩展值,具体请参见图3。
图3示出了本发明实施例中一种计算预估角度扩展值的方法的流程图。请参见图3所示,在具体实施中,本发明实施例中的计算预估角度扩展值的方法,可以包括如下的步骤:
步骤S301:采用所述发射端离开中心角/接收端到达中心角,构建对应的方形对角矩阵。
在本发明一实施例中,基于所述采用所述发射端离开中心角/接收端到达中心角,并采用如下的公式构建对应的方形对角矩阵:
Figure BDA0001037081280000141
其中,
Figure BDA0001037081280000142
表示所述方形对角矩阵,j表示旋转因子。
本领域的技术人员可以理解的是,也可以采用现有技术中的其他方式基于所述采用所述发射端离开中心角/接收端到达中心角,构建对应的方形对角矩阵,本发明在此不做限制。
步骤S302:将预设的角度扩展参数的值设置为所述最大角度扩展值,计算得到近似信号空间维度。
在本发明一实施例中,将所述将预设的角度扩展参数的值设置为所述最大角度扩展值,并采用如下的公式计算得到近似信号空间维度:
Figure BDA0001037081280000143
其中,D表示近似信号空间维度,δ表示所述角度扩展参数,l为预设的经验值,Z+表示正整数集。
本领域的技术人员可以理解的是,也可以采用现有技术中的其他方式基于将预设的角度扩展参数的值等于所述最大角度扩展值,计算得到近似信号空间维度,本发明在此不做限制。
步骤S303:将所述角度扩展参数设置为所述最大角度扩展值,构建对应的斯莱皮恩扩展矩阵。
在本发明一实施例中,将所述角度扩展参数设置为所述最大角度扩展值,并采用如下的公式构建对应的斯莱皮恩扩展矩阵:
Figure BDA0001037081280000151
其中,C表示所述斯莱皮恩扩展矩阵,[C]p,q表示第p根天线和第q根天线之间的斯莱皮恩扩展系数,p表示ULA中的第p根天线,q表示所述ULA中的第q根天线。
本领域的技术人员可以理解的是,也可以采用现有技术中的其他方式基于将预设的角度扩展参数的值等于所述最大角度扩展值,构建对应的斯莱皮恩扩展矩阵,本发明在此不做限制。
步骤S304:对所述斯莱皮恩扩展矩阵进行特征分解,得到对角元素为有序特征值的对角矩阵和包括相关特征向量的酉矩阵。
在本发明一实施例中,采用如下的公式对所述斯莱皮恩扩展矩阵进行特征分解,得到对角元素为有序特征值的对角矩阵和包括相关特征向量的酉矩阵:
C=UΛUH (7)
其中,U表示所述包括相关特征向量λ0~λM-1的酉矩阵,且λ0≥λ1≥...≥λM-1,UH表示所述酉矩阵的共轭转置矩阵,Λ表示所述对角元素为有序特征值μ0~μM-1的方形对角矩阵。
本领域的技术人员可以理解的是,也可以采用现有技术中的其他方式对所述斯莱皮恩扩展矩阵进行特征分解,得到对角元素为有序特征值的对角矩阵和包括相关特征向量的酉矩阵,本发明在此不做限制。
步骤S305:基于所述对角矩阵的有序特征值和所述酉矩阵的相关特征向量,构建对应的近似斯莱皮恩扩展矩阵。
在本发明一实施例中,基于所述对角矩阵的有序特征值和所述酉矩阵的相关特征向量,并采用如下的公式构建对应的近似斯莱皮恩扩展矩阵:
Figure BDA0001037081280000152
其中,
Figure BDA0001037081280000153
表示所述近似斯莱皮恩扩展矩阵,λi表示第i个相关特征向量,μi表示第i个有序特征值,μi H表示第i个有序特征值的共轭转置矩阵,且i取0~D-1的整数。
本领域的技术人员可以理解的是,也可以采用现有技术中的其他方式基于所述对角矩阵的有序特征值和所述酉矩阵的相关特征向量,构建对应的近似斯莱皮恩扩展矩阵,本发明在此不做限制。
步骤S306:采用所述方形对角矩阵、所述近似斯莱皮恩扩展矩阵、预设的噪音功率和M*M的单位矩阵,计算得到所述信道矩阵的第一估计值。
在本发明一实施例中,基于所述方形对角矩阵、所述近似斯莱皮恩扩展矩阵、预设的噪音功率和M*M的单位矩阵,并采用如下的公式计算得到所述信道矩阵的第一估计值:
Figure BDA0001037081280000161
其中,
Figure BDA0001037081280000162
表示第n个接收天线的信道估计参数,
Figure BDA0001037081280000163
表示预设的噪音功率值。
本领域的技术人员可以理解的是,也可以采用现有技术中的其他方式基于所述方形对角矩阵、所述近似斯莱皮恩扩展矩阵、预设的噪音功率和M*M的单位矩阵,计算得到所述信道矩阵的第一估计值,本发明在此不做限制。
步骤S307:基于计算得到的所述信道矩阵的第一估计值,计算得到对应的散射函数。
在本发明一实施例中,基于计算得到的所述信道矩阵的第一估计值,并采用如下的公式计算得到对应的散射函数:
Figure BDA0001037081280000164
其中,
Figure BDA0001037081280000165
表示所述散射函数,
Figure BDA0001037081280000166
表示所述信道矩阵的第一估计值。
本领域的技术人员可以理解的是,也可以采用现有技术中的其他方式基于计算得到的所述信道矩阵的第一估计值,计算得到对应的散射函数,本发明在此不做限制。
步骤S308:基于计算得到的散射函数和所述发射端离开中心角或接收端到达中心角,确定对应的轴移散射函数。
在本发明一实施例中,基于计算得到的散射函数和所述发射端离开中心角或接收端到达中心角,并采用如下的公式确定对应的轴移散射函数:
Figure BDA0001037081280000171
其中,
Figure BDA0001037081280000172
表示所述轴移散射函数。
本领域的技术人员可以理解的是,也可以采用现有技术中的其他方式基于计算得到的散射函数和所述发射端离开中心角或接收端到达中心角,确定对应的轴移散射函数,本发明在此不做限制。
步骤S309:基于所确定的轴移散射函数,计算得到所述散射函数的最大值。
在本发明一实施例中,基于所确定的轴移散射函数,并采用如下的公式计算得到所述散射函数的最大值:
Figure BDA0001037081280000173
其中,
Figure BDA0001037081280000174
表示所述散射函数的最大值,max(.)表示取最大值运算。
本领域的技术人员可以理解的是,也可以采用现有技术中的其他方式基于所确定的轴移散射函数,计算得到所述散射函数的最大值,本发明在此不做限制。
步骤S310:基于所述散射函数和所述轴移散射函数的最大值,计算得到所述预设角度的最大值和最小值。
在本发明一实施例中,基于所述散射函数和所述轴移散射函数的最大值并采用如下的公式计算得到所述预设角度的最大值和最小值:
Figure BDA0001037081280000175
其中,θmin表示所述预设角度的最小值,θmax表示所述预设角度的最小值,max{.}表示取最大值运算,min{.}表示取最小值运算。
本领域的技术人员可以理解的是,也可以采用现有技术中的其他方式基于所述散射函数和所述轴移散射函数的最大值,计算得到所述预设角度的最大值和最小值,本发明在此不做限制。
步骤S311:基于所述预设角度的最大值和最小值,计算得到所述预估角度扩展值。
在本发明一实施例中,基于所述预设角度的最大值和最小值,并采用如下的公式计算得到所述预估角度扩展值:
Figure BDA0001037081280000181
其中,
Figure BDA0001037081280000182
表示所述预估角度扩展值。
本领域的技术人员可以理解的是,也可以采用现有技术中的其他方式基于所述预设角度的最大值和最小值,计算得到所述预估角度扩展值,本发明在此不做限制。
在具体实施中,当计算得到所述预估角度扩展值时,可以所述基于接收信号矩阵、所述训练序列和计算得到的发射端离开中心角/接收端到达中心角,采用斯莱皮恩扩展计算得到对应的信道矩阵,具体请参见图4所示。
请参见图4,在具体实施中,本发明实施例中的采用斯莱皮恩扩展计算得到对应的信道矩阵的方法,可以包括如下的步骤:
步骤S401:采用所述发射端离开中心角/接收端到达中心角,构建对应的方形对角矩阵。
在本发明一实施例中,基于所述发射端离开中心角/接收端到达中心角,并采用如下的公式构建对应的方形对角矩阵:
Figure BDA0001037081280000183
其中,
Figure BDA0001037081280000184
表示所述方形对角矩阵,j表示旋转因子。
本领域的技术人员可以理解的是,也可以采用现有技术中的其他方式基于所述发射端离开中心角/接收端到达中心角,构建对应的方形对角矩阵,本发明在此不做限制。
步骤S402:将预设的角度扩展参数的值设置为所述预估角度扩展值,计算得到近似信号空间维度。
在本发明一实施例中,将预设的角度扩展参数的值设置为所述预估角度扩展值,并采用如下的公式计算得到近似信号空间维度:
Figure BDA0001037081280000191
其中,D表示近似信号空间维度,δ表示所述角度扩展参数,l为预设的经验值,Z+表示正整数集。
本领域的技术人员可以理解的是,也可以采用现有技术中的其他方式基于在预设的角度扩展参数的值设置为等于所述预估角度扩展值时,计算得到近似信号空间维度,本发明在此不做限制。
步骤S403:将所述角度扩展参数设置为所述预估角度扩展值,构建对应的斯莱皮恩扩展矩阵。
在本发明一实施例中,将所述角度扩展参数设置为所述预估角度扩展值,并采用如下的公式构建对应的斯莱皮恩扩展矩阵:
Figure BDA0001037081280000192
其中,C表示所述斯莱皮恩扩展矩阵,[C]p,q表示所述第p根天线和第q根天线之间的斯莱皮恩扩展系数,p表示所述ULA中的第p根天线,q表示所述ULA中的第q根天线。
本领域的技术人员可以理解的是,也可以采用现有技术中的其他方式基于在预设的角度扩展参数的值设置为等于所述预估角度扩展值时,构建对应的斯莱皮恩扩展矩阵,本发明在此不做限制。
步骤S404:对所述斯莱皮恩扩展矩阵进行特征分解,得到对角元素为有序特征值的对角矩阵和包括相关特征向量的酉矩阵。
在本发明一实施例中,采用如下的公式对所述斯莱皮恩扩展矩阵进行特征分解,以得到对角元素为有序特征值的对角矩阵和包括相关特征向量的酉矩阵:
C=UΛUH (18)
其中,U表示所述包括相关特征向量λ0~λM-1的酉矩阵,且λ0≥λ1≥...≥λM-1,UH表示所述酉矩阵的共轭转置矩阵,Λ表示所述对角元素为有序特征值μ0~μM-1的方形对角矩阵。
本领域的技术人员可以理解的是,也可以采用现有技术中的其他方式对所述斯莱皮恩扩展矩阵进行特征分解,以得到对角元素为有序特征值的对角矩阵和包括相关特征向量的酉矩阵,本发明在此不做限制。
步骤S405:基于所述对角矩阵的有序特征值和所述酉矩阵的相关特征向量,构建对应的近似斯莱皮恩扩展矩阵。
在本发明一实施例中,基于所述对角矩阵的有序特征值和所述酉矩阵的相关特征向量,并采用如下的公式构建对应的近似斯莱皮恩扩展矩阵:
Figure BDA0001037081280000201
其中,
Figure BDA0001037081280000202
表示所述近似斯莱皮恩扩展矩阵,λi表示第i个相关特征向量,μi表示第i个有序特征值,μi H表示第i个有序特征值的共轭转置矩阵,且i取0~D-1的整数。
本领域的技术人员可以理解的是,也可以采用现有技术中的其他方式基于所述对角矩阵的有序特征值和所述酉矩阵的相关特征向量,构建对应的近似斯莱皮恩扩展矩阵,本发明在此不做限制。
步骤S406:采用所述方形对角矩阵、所述近似斯莱皮恩扩展矩阵、预设的噪音功率和M*M的单位矩阵,计算得到所述信道矩阵。
在本发明一实施例中,基于所述方形对角矩阵、所述近似斯莱皮恩扩展矩阵、预设的噪音功率和M*M的单位矩阵,并采用如下的公式计算得到所述信道矩阵:
Figure BDA0001037081280000211
其中,
Figure BDA0001037081280000212
表示第n根接收天线的信道估计参数,
Figure BDA0001037081280000213
表示预设的噪音功率值。
本领域的技术人员可以理解的是,也可以采用现有技术中的其他方式基于所述方形对角矩阵、所述近似斯莱皮恩扩展矩阵、预设的噪音功率和M*M的单位矩阵,并采用斯莱皮恩扩展计算得到所述信道矩阵,本发明在此不做限制。
上述的方案,首先基于接收信号矩阵和对应的训练序列,采用最小二乘法计算得到发射端离开中心角或者接收端到达中心角,基于所述计算得到的中心到达角或者中心发射角、接收信号矩阵、对应的训练序列、预设的噪声功率、预设的最大角度扩展值,计算得到对应的预估角度扩展值,并基于接收信号矩阵、所述训练序列、计算得到的发射端离开中心角或者接收端到达中心角和所述预估角度扩展值,与预先得到对应的空间协方差矩阵或者采用最小二乘法进行信道估计相比,可以提高信道矩阵估计的准确性。
下面将结合图5至图11对本发明实施例中的MIMO系统的信道估计方法的性能进行详细的介绍。
假定基站中配置的ULA中包括8个沿着长度方向(length-spaced)布置的半波天线单元,以与仅具有一个天线单元的用户设备(User Equipment,UE)进行上行通信,并使用一个匹配滤波检测器(match-filter detector)来对符号进行检测。因此,上行信道和上行信道矩阵可以分别表示为8*1的向量h和
Figure BDA0001037081280000214
同时,假定噪音向量的分布区间为
Figure BDA0001037081280000215
其中,I表示8*8的单位矩阵。假定训练序列中的符号s的功率为|s|2=1,则用户速率R可以采用如下的公式计算得到:
Figure BDA0001037081280000216
图5至图11分别示出了通过对500个具有快衰落信道模型的信道实现方式在不同传输场景中执行信道估计得到的仿真结果。采用现有技术中的最小二乘法进行信道估计的平均用户速率,以及本发明实施例中的MIMO系统的信道估计方法对应的用户速率,可以分别采用
Figure BDA0001037081280000221
进行表示,本发明实施例中的MIMO系统的信道估计方法相对于采用最小二乘法进行信道估计的方法的用户速率的增益,可以分别表示为:
Figure BDA0001037081280000222
其中,GCSCE-ΙΙ表示第二种MIMO系统的信道估计方法的用户速率相对于采用最小二乘法进行信道估计的方法的用户速率的增益。
其中,本发明实施例中的两种MIMO系统的信道估计方法的仿真测评结果的七种不同的传播场景中,分别为:
(a)城市宏基站(Urban macro),直射信号信道(Line Of Sight,LOS),E(σAS)=8°;
(b)城市宏基站(Urban macro),LOS,E(σAS)=15°;
(c)城市微基站(Urban micro),LOS;
(d)郊区宏基站(Suburban macro),非直射信号信道(Non Line of Sight,NLOS);
(e)城市宏基站(Urban macro),NLOS,E(σAS)=8°;
(f)城市宏基站(Urban macro),NLOS,E(σAS)=15°;
(g)城市微基站(Urban micro),NLOS。
其中,本发明实施例中的MIMO系统的信道估计方法相对于采用最小二乘法进行信道估计的方法的用户速率的增益(Gain)请参见图11。
通过图11可以看出,在低信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)范围内,当ULA中的8个天线单元高度相关时,本发明实施例中的MIMO系统的信道估计方法相对于采用最小二乘法进行信道估计的方法的用户速率的增益可以达到17%。而在中等频率的高频范围内,采用最小二乘法进行信道估计的性能则超越了本发明实施例中的MIMO系统的信道估计方法。因此,为了进一步提高MIMO系统的工作性能,可以根据当前的SNR,在采用最小二乘法进行信道估计的方法与本发明实施例中的MIMO系统的信道估计方法之间进行切换。
上面对本发明实施例中的MIMO系统的信道估计方法进行了详细的介绍,下面将结合图12对上述的方法对应的装置做进一步详细的介绍。
参见图12,在具体实施中,本发明实施例中的MIMO系统的信道估计装置1200,可以包括最小二乘估计单元1201、预估角度扩展值计算单元1202和信道矩阵估计单元1203,其中:
最小二乘估计单元1201,适于基于接收信号矩阵和对应的训练序列,采用最小二乘法计算得到发射端离开中心角/接收端到达中心角。
在具体实施中,所述最小二乘估计单元1201适于根据所述接收信号矩阵和所述训练序列,计算得到所述信道矩阵的最小二乘估计值;基于所述信道矩阵的最小二乘估计值,计算得到对应的散射函数;在预设角度的预设范围内,计算得到所述散射函数的模值的最大值,作为所述发射端离开中心角/接收端到达中心角。
在本发明一实施例中,所述最小二乘估计单元1201适于采用如下的公式计算得到所述信道矩阵的最小二乘估计值:
Figure BDA0001037081280000231
其中,
Figure BDA0001037081280000232
表示所述信道矩阵的最小二乘估计值,Y表示所述接收信号矩阵,s表示所述训练序列。
在本发明一实施例中,所述最小二乘估计单元1201适于采用如下的公式计算得到对应的散射函数:
Figure BDA0001037081280000233
其中,
Figure BDA0001037081280000234
表示所述散射函数,M表示所述MIMO系统中基站的ULA中的天线数量,θ表示所述预设角度。
在本发明一实施例中,所述最小二乘估计单元1201适于采用如下的公式计算得到所述散射函数的模值的最大值,并作为所述发射端离开中心角/接收端到达中心角:
Figure BDA0001037081280000241
其中,
Figure BDA0001037081280000242
表示所述发射端离开中心角/接收端到达中心角,
Figure BDA0001037081280000243
表示模值的最大值。
预估角度扩展值计算单元1202,适于基于所述计算得到的中心到达角或者中心发射角、接收信号矩阵、对应的训练序列、预设的噪声功率、预设的最大角度扩展值,计算得到对应的预估角度扩展值。
在具体实施中,所述预估角度扩展值计算单元1202适于采用所述发射端离开中心角/接收端到达中心角,构建对应的方形对角矩阵;将预设的角度扩展参数的值设置为所述最大角度扩展值,计算得到近似信号空间维度;将所述角度扩展参数设置为所述最大角度扩展值,构建对应的斯莱皮恩扩展矩阵;对所述斯莱皮恩扩展矩阵进行特征分解,得到对角元素为有序特征值的对角矩阵和包括相关特征向量的酉矩阵;基于所述对角矩阵的有序特征值和所述酉矩阵的相关特征向量,构建对应的近似斯莱皮恩扩展矩阵;采用所述方形对角矩阵、所述近似斯莱皮恩扩展矩阵、预设的噪音功率和M*M的单位矩阵,计算得到所述信道矩阵的第一估计值;基于计算得到的所述信道矩阵的第一估计值,计算得到对应的散射函数;基于计算得到的散射函数和所述发射端离开中心角/接收端到达中心角,确定对应的轴移散射函数;基于所确定的轴移散射函数,计算得到所述散射函数的最大值;基于所述散射函数和所述轴移散射函数的最大值,计算得到所述预设角度的最大值和最小值;基于所述预设角度的最大值和最小值,计算得到所述预估角度扩展值。
在本发明一实施例中,所述预估角度扩展值计算单元1202适于采用如下的公式构建对应的方形对角矩阵:
Figure BDA0001037081280000244
其中,
Figure BDA0001037081280000245
表示所述方形对角矩阵,j表示。
在本发明一实施例中,所述预估角度扩展值计算单元1202适于采用计算得到近似信号空间维度,包括:
Figure BDA0001037081280000246
其中,D表示近似信号空间维度,δ表示所述角度扩展参数,l为预设的经验值,Z+表示正整数集。
在本发明一实施例中,所述预估角度扩展值计算单元1202适于采用构建对应的斯莱皮恩扩展矩阵:
Figure BDA0001037081280000251
其中,C表示所述斯莱皮恩扩展矩阵,[C]p,q表示所述第p根天线和第q根天线之间的斯莱皮恩扩展系数,p表示所述ULA中的第p根天线,q表示所述ULA中的第q根天线。
在本发明一实施例中,所述信道估计单元适于采用如下的公式对所述斯莱皮恩扩展矩阵进行特征分解,得到对角元素为有序特征值的对角矩阵和包括相关特征向量的酉矩阵:C=UΛUH;其中,U表示所述包括相关特征向量λ0~λM-1的酉矩阵,且λ0≥λ1≥...≥λM-1,UH表示所述酉矩阵的共轭转置矩阵,Λ表示所述对角元素为有序特征值μ0~μM-1的方形对角矩阵。
在本发明一实施例中,所述预估角度扩展值计算单元1202适于采用如下的公式构建对应的近似斯莱皮恩扩展矩阵:
Figure BDA0001037081280000252
其中,
Figure BDA0001037081280000253
表示所述近似斯莱皮恩扩展矩阵,λi表示第i个相关特征向量,μi表示第i个有序特征值,μi H表示第i个有序特征值的共轭转置矩阵,且i取0~D-1的整数。
在本发明一实施例中,所述预估角度扩展值计算单元1202适于所述预估角度扩展值计算单元适于采用如下的公式计算得到所述信道矩阵的第一估计值:
Figure BDA0001037081280000254
其中,
Figure BDA0001037081280000255
表示第n个接收天线的信道估计参数,
Figure BDA0001037081280000256
表示预设的噪音功率值。
在本发明一实施例中,所述预估角度扩展值计算单元1202适于采用如下的公式计算得到对应的散射函数:
Figure BDA0001037081280000257
其中,
Figure BDA0001037081280000261
表示所述散射函数,
Figure BDA0001037081280000262
表示所述信道矩阵的第一估计值。
在本发明一实施例中,所述预估角度扩展值计算单元1202适于采用如下的公式确定对应的轴移散射函数:
Figure BDA0001037081280000263
其中,
Figure BDA0001037081280000264
表示所述轴移散射函数。
在本发明一实施例中,所述预估角度扩展值计算单元1202适于采用如下的公式计算得到所述散射函数的最大值:
Figure BDA0001037081280000265
其中,
Figure BDA0001037081280000266
表示所述散射函数的最大值,max(.)表示取最大值运算。
在本发明一实施例中,所述预估角度扩展值计算单元1202适于采用如下的公式计算得到所述预设角度的最大值和最小值:
Figure BDA0001037081280000267
其中,θmin表示所述预设角度的最小值,θmax表示所述预设角度的最小值,max{.}表示取最大值运算,min{.}表示取最小值运算。
在本发明一实施例中,所述预估角度扩展值计算单元1202适于采用如下的公式计算得到所述预估角度扩展值:
Figure BDA0001037081280000268
其中,
Figure BDA0001037081280000269
表示所述预估角度扩展值。
信道矩阵估计单元1203,适于基于接收信号矩阵、所述训练序列、计算得到的发射端离开中心角/接收端到达中心角和所述预估角度扩展值,采用斯莱皮恩扩展计算得到对应的信道矩阵。
在具体实施中,所述信道矩阵估计单元1203适于采用所述发射端离开中心角/接收端到达中心角,构建对应的方形对角矩阵;将预设的角度扩展参数的值设置为所述预估角度扩展值,计算得到近似信号空间维度;将所述角度扩展参数设置为所述预估角度扩展值,构建对应的斯莱皮恩扩展矩阵;对所述斯莱皮恩扩展矩阵进行特征分解,得到对角元素为有序特征值的对角矩阵和包括相关特征向量的酉矩阵;基于所述对角矩阵的有序特征值和所述酉矩阵的相关特征向量,构建对应的近似斯莱皮恩扩展矩阵;采用所述方形对角矩阵、所述近似斯莱皮恩扩展矩阵、预设的噪音功率和M*M的单位矩阵,计算得到所述信道矩阵。
在本发明一实施例中,所述信道估计单元1203适于采用如下的公式构建对应的方形对角矩阵:
Figure BDA0001037081280000271
其中,
Figure BDA0001037081280000272
表示所述方形对角矩阵,j表示。
在本发明一实施例中,所述信道估计单元适于采用如下的公式计算得到近似信号空间维度:
Figure BDA0001037081280000273
其中,D表示近似信号空间维度,δ表示所述角度扩展参数,l为预设的经验值,Z+表示正整数集。
在本发明一实施例中,所述信道估计单元1203适于采用如下的公式构建对应的斯莱皮恩扩展矩阵:
Figure BDA0001037081280000274
其中,C表示所述斯莱皮恩扩展矩阵,[C]p,q表示所述第p根天线和第q根天线之间的斯莱皮恩扩展系数,p表示所述ULA中的第p根天线,q表示所述ULA中的第q根天线。
在本发明一实施例中,所述信道估计单元1203适于采用如下的公式对所述斯莱皮恩扩展矩阵进行特征分解,得到对角元素为有序特征值的对角矩阵和包括相关特征向量的酉矩阵:C=UΛUH;其中,U表示所述包括相关特征向量λ0~λM-1的酉矩阵,且λ0≥λ1≥...≥λM-1,UH表示所述酉矩阵的共轭转置矩阵,Λ表示所述对角元素为有序特征值μ0~μM-1的方形对角矩阵。
在本发明一实施例中,所述信道估计单元1203适于采用如下的公式构建对应的近似斯莱皮恩扩展矩阵:
Figure BDA0001037081280000281
其中,
Figure BDA0001037081280000282
表示所述近似斯莱皮恩扩展矩阵,λi表示第i个相关特征向量,μi表示第i个有序特征值,μi H表示第i个有序特征值的共轭转置矩阵,且i取0~D-1的整数。
在本发明一实施例中,所述信道估计单元1203适于采用如下的公式计算得到所述信道矩阵:
Figure BDA0001037081280000283
其中,
Figure BDA0001037081280000284
表示第n根接收天线的信道估计参数,
Figure BDA0001037081280000285
表示预设的噪音功率值。
本发明实施例还提供了一种基站,包括上述的MIMO系统的信道估计装置。
上述的方案,首先基于接收信号矩阵和对应的训练序列,采用最小二乘法计算得到发射端离开中心角或者接收端到达中心角,基于所述计算得到的中心到达角或者中心发射角、接收信号矩阵、对应的训练序列、预设的噪声功率、预设的最大角度扩展值,计算得到对应的预估角度扩展值,并基于接收信号矩阵、所述训练序列、计算得到的发射端离开中心角或者接收端到达中心角和所述预估角度扩展值,与预先得到对应的空间协方差矩阵或者采用最小二乘法进行信道估计相比,可以提高信道矩阵估计的准确性。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成,该程序可以存储于计算机可读存储介质中,存储介质可以包括:ROM、RAM、磁盘或光盘等。
以上对本发明实施例的方法及系统做了详细的介绍,本发明并不限于此。任何本领域技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,均可作各种更动与修改,因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (8)

1.一种MIMO系统的信道估计方法,其特征在于,包括:
基于接收信号矩阵和对应的训练序列,采用最小二乘法计算得到发射端离开中心角/接收端到达中心角,包括:根据所述接收信号矩阵和所述训练序列,采用如下公式计算得到所述信道矩阵的最小二乘估计值:
Figure FDA0002496008370000011
其中,
Figure FDA0002496008370000012
表示所述信道矩阵的最小二乘估计值,Y表示所述接收信号矩阵,s表示所述训练序列;基于所述信道矩阵的最小二乘估计值,采用如下公式计算得到对应的散射函数:
Figure FDA0002496008370000013
0∈[-0.5,0.5].;
其中,
Figure FDA0002496008370000014
表示所述散射函数,M表示所述MIMO系统中基站的ULA中的天线数量,θ表示预设角度;在预设角度的预设范围内,计算得到所述散射函数的模值的最大值,作为所述发射端离开中心角/接收端到达中心角;
基于所述计算得到的发射端离开中心角/接收端到达中心角、接收信号矩阵、对应的训练序列、预设的噪声功率、预设的最大角度扩展值,计算得到对应的预估角度扩展值,包括:采用所述发射端离开中心角/接收端到达中心角,构建对应的方形对角矩阵,包括:
Figure FDA0002496008370000015
m=0,...,M-1.;
其中,
Figure FDA0002496008370000016
表示所述方形对角矩阵,j表示旋转因子,
Figure FDA0002496008370000017
表示所述发射端离开中心角/接收端到达中心角;将预设的角度扩展参数的值设置为所述最大角度扩展值,计算得到近似信号空间维度,包括:
Figure FDA0002496008370000018
l∈Z+
其中,D表示近似信号空间维度,δ1表示所述角度扩展参数,l为预设的经验值,Z+表示正整数集;将所述角度扩展参数设置为所述最大角度扩展值,构建对应的斯莱皮恩扩展矩阵,包括:
Figure FDA0002496008370000019
p,q=0,...,M-1.;
其中,C表示所述斯莱皮恩扩展矩阵,[C]p,q表示第p根天线和第q根天线之间的斯莱皮恩扩展系数,p表示ULA中的第p根天线,q表示所述ULA中的第q根天线;对所述斯莱皮恩扩展矩阵进行特征分解,得到对角元素为有序特征值的对角矩阵和包括相关特征向量的酉矩阵;基于所述对角矩阵的有序特征值和所述酉矩阵的相关特征向量,构建对应的近似斯莱皮恩扩展矩阵,包括:
Figure FDA00024960083700000110
其中,
Figure FDA00024960083700000111
表示所述近似斯莱皮恩扩展矩阵,λi表示第i个相关特征向量,μi表示第i个有序特征值,μi H表示第i个有序特征值的共轭转置矩阵,且i取0~D-1的整数;采用所述方形对角矩阵、所述近似斯莱皮恩扩展矩阵、预设的噪音功率和M*M的单位矩阵,计算得到所述信道矩阵的第一估计值,包括:
Figure FDA0002496008370000021
其中,
Figure FDA0002496008370000022
表示所述第一估计值,
Figure FDA0002496008370000023
表示预设的噪音功率值;基于计算得到的所述信道矩阵的第一估计值,采用如下公式计算得到对应的散射函数:
Figure FDA0002496008370000024
θ∈[-0.5,0.5].;其中,
Figure FDA0002496008370000025
表示所述散射函数;基于计算得到的散射函数和所述发射端离开中心角或接收端到达中心角,确定对应的轴移散射函数,包括:
Figure FDA0002496008370000026
其中,
Figure FDA0002496008370000027
表示所述轴移散射函数;基于所确定的轴移散射函数,计算得到所述散射函数的最大值,包括:
Figure FDA0002496008370000028
其中,
Figure FDA0002496008370000029
表示所述散射函数的最大值,max(.)表示取最大值运算;基于所述散射函数和所述轴移散射函数的最大值,计算得到所述预设角度的最大值和最小值,包括:
Figure FDA00024960083700000210
其中,θmin表示所述预设角度的最小值,θmax表示所述预设角度的最小值,max{.}表示取最大值运算,min{.}表示取最小值运算,α为预设常数值;基于所述预设角度的最大值和最小值,计算得到所述预估角度扩展值,包括:
Figure FDA00024960083700000211
其中,
Figure FDA00024960083700000212
表示所述预估角度扩展值;
基于接收信号矩阵、所述训练序列、计算得到的发射端离开中心角/接收端到达中心角和所述预估角度扩展值,采用斯莱皮恩扩展计算得到对应的信道矩阵,包括:采用所述发射端离开中心角/接收端到达中心角,构建对应的方形对角矩阵为
Figure FDA00024960083700000213
m=0,...,M-1.;将预设的角度扩展参数的值设置为所述预估角度扩展值,计算得到近似信号空间维度,包括:
Figure FDA00024960083700000214
l∈Z+;其中,δ2表示所述角度扩展参数;将所述角度扩展参数设置为所述预估角度扩展值,构建对应的斯莱皮恩扩展矩阵,包括:
Figure FDA00024960083700000215
p,q=0,...,M-1.;对所述斯莱皮恩扩展矩阵进行特征分解,得到对角元素为有序特征值的对角矩阵和包括相关特征向量的酉矩阵;基于所述对角矩阵的有序特征值和所述酉矩阵的相关特征向量,构建对应的近似斯莱皮恩扩展矩阵,包括:
Figure FDA00024960083700000216
采用所述方形对角矩阵、所述近似斯莱皮恩扩展矩阵、预设的噪音功率和M*M的单位矩阵,计算得到所述信道矩阵,包括:
Figure FDA0002496008370000031
其中,
Figure FDA0002496008370000032
表示第n个接收天线的信道估计参数。
2.根据权利要求1所述的MIMO系统的信道估计方法,其特征在于,所述在预设角度的预设范围内,计算得到所述散射函数的模值的最大值,作为所述发射端离开中心角/接收端到达中心角,包括:
Figure FDA0002496008370000033
0.5,0.5].;
其中,
Figure FDA0002496008370000034
表示模值的最大值。
3.根据权利要求1所述的MIMO系统的信道估计方法,其特征在于,所述对所述斯莱皮恩扩展矩阵进行特征分解,得到对角元素为有序特征值的对角矩阵和包括相关特征向量的酉矩阵,包括:
C=UΛUH
其中,U表示所述包括相关特征向量λ0~λM-1的酉矩阵,且λ0≥λ1≥...≥λM-1,UH表示所述酉矩阵的共轭转置矩阵,Λ表示所述对角元素为有序特征值μ0~μM-1的方形对角矩阵。
4.根据权利要求1所述的MIMO系统的信道估计方法,其特征在于,所述对所述斯莱皮恩扩展矩阵进行特征分解,得到对角元素为有序特征值的对角矩阵和包括相关特征向量的酉矩阵,包括:
C=UΛUH
其中,U表示所述包括相关特征向量λ0~λM-1的酉矩阵,且λ0≥λ1≥...≥λM-1,UH表示所述酉矩阵的共轭转置矩阵,Λ表示所述对角元素为有序特征值μ0~μM-1的方形对角矩阵。
5.一种MIMO系统的信道估计装置,其特征在于,包括:
最小二乘估计单元,适于基于接收信号矩阵和对应的训练序列,采用最小二乘法计算得到发射端离开中心角/接收端到达中心角,包括:根据所述接收信号矩阵和所述训练序列,采用如下公式计算得到所述信道矩阵的最小二乘估计值:
Figure FDA0002496008370000041
其中,
Figure FDA0002496008370000042
表示所述信道矩阵的最小二乘估计值,Y表示所述接收信号矩阵,s表示所述训练序列;基于所述信道矩阵的最小二乘估计值,采用如下公式计算得到对应的散射函数:
Figure FDA0002496008370000043
θ∈[-0.5,0.5].;其中,
Figure FDA0002496008370000044
表示所述散射函数,M表示所述MIMO系统中基站的ULA中的天线数量,θ表示预设角度;在预设角度的预设范围内,计算得到所述散射函数的模值的最大值,作为所述发射端离开中心角/接收端到达中心角;
预估角度扩展值计算单元,适于基于所述计算得到的中心到达角或者中心发射角、接收信号矩阵、对应的训练序列、预设的噪声功率、预设的最大角度扩展值,计算得到对应的预估角度扩展值,包括:采用所述发射端离开中心角/接收端到达中心角,构建对应的方形对角矩阵,包括:
Figure FDA0002496008370000045
m=0,...,M-1.;其中,
Figure FDA0002496008370000046
表示所述方形对角矩阵,j表示旋转因子,
Figure FDA0002496008370000047
表示所述发射端离开中心角/接收端到达中心角;将预设的角度扩展参数的值设置为所述最大角度扩展值,计算得到近似信号空间维度,包括:
Figure FDA0002496008370000048
l∈Z+;其中,D表示近似信号空间维度,δ1表示所述角度扩展参数,l为预设的经验值,Z+表示正整数集;将所述角度扩展参数设置为所述最大角度扩展值,构建对应的斯莱皮恩扩展矩阵,包括:
Figure FDA0002496008370000049
p,q=0,...,M-1.;其中,C表示所述斯莱皮恩扩展矩阵,[C]p,q表示第p根天线和第q根天线之间的斯莱皮恩扩展系数,p表示ULA中的第p根天线,q表示所述ULA中的第q根天线;对所述斯莱皮恩扩展矩阵进行特征分解,得到对角元素为有序特征值的对角矩阵和包括相关特征向量的酉矩阵;基于所述对角矩阵的有序特征值和所述酉矩阵的相关特征向量,构建对应的近似斯莱皮恩扩展矩阵,包括:
Figure FDA00024960083700000410
其中,
Figure FDA00024960083700000411
表示所述近似斯莱皮恩扩展矩阵,λi表示第i个相关特征向量,μi表示第i个有序特征值,μi H表示第i个有序特征值的共轭转置矩阵,且i取0~D-1的整数;采用所述方形对角矩阵、所述近似斯莱皮恩扩展矩阵、预设的噪音功率和M*M的单位矩阵,计算得到所述信道矩阵的第一估计值,包括:
Figure FDA00024960083700000412
其中,
Figure FDA00024960083700000413
表示所述第一估计值,
Figure FDA00024960083700000414
表示预设的噪音功率值;基于计算得到的所述信道矩阵的第一估计值,采用如下公式计算得到对应的散射函数:
Figure FDA0002496008370000051
θ∈[-0.5,0.5].;其中,
Figure FDA0002496008370000052
表示所述散射函数;基于计算得到的散射函数和所述发射端离开中心角或接收端到达中心角,确定对应的轴移散射函数,包括:
Figure FDA0002496008370000053
其中,
Figure FDA0002496008370000054
表示所述轴移散射函数;基于所确定的轴移散射函数,计算得到所述散射函数的最大值,包括:
Figure FDA0002496008370000055
其中,
Figure FDA0002496008370000056
表示所述散射函数的最大值,max(.)表示取最大值运算;基于所述散射函数和所述轴移散射函数的最大值,计算得到所述预设角度的最大值和最小值,包括:
Figure FDA0002496008370000057
其中,θmin表示所述预设角度的最小值,θmax表示所述预设角度的最小值,max{.}表示取最大值运算,min{.}表示取最小值运算,α为预设常数值;基于所述预设角度的最大值和最小值,计算得到所述预估角度扩展值,包括:
Figure FDA0002496008370000058
其中,
Figure FDA0002496008370000059
表示所述预估角度扩展值;
信道矩阵估计单元,适于基于接收信号矩阵、所述训练序列、计算得到的发射端离开中心角/接收端到达中心角和所述预估角度扩展值,采用斯莱皮恩扩展计算得到对应的信道矩阵,包括:采用所述发射端离开中心角/接收端到达中心角,构建对应的方形对角矩阵为
Figure FDA00024960083700000510
m=0,...,M-1.;将预设的角度扩展参数的值设置为所述预估角度扩展值,计算得到近似信号空间维度,包括:
Figure FDA00024960083700000511
l∈Z+;其中,δ2表示所述角度扩展参数;将所述角度扩展参数设置为所述预估角度扩展值,构建对应的斯莱皮恩扩展矩阵,包括:
Figure FDA00024960083700000512
p,q=0,...,M-1.;对所述斯莱皮恩扩展矩阵进行特征分解,得到对角元素为有序特征值的对角矩阵和包括相关特征向量的酉矩阵;基于所述对角矩阵的有序特征值和所述酉矩阵的相关特征向量,构建对应的近似斯莱皮恩扩展矩阵,包括:
Figure FDA00024960083700000513
采用所述方形对角矩阵、所述近似斯莱皮恩扩展矩阵、预设的噪音功率和M*M的单位矩阵,计算得到所述信道矩阵,包括:
Figure FDA00024960083700000514
其中,
Figure FDA00024960083700000515
表示第n个接收天线的信道估计参数。
6.根据权利要求5所述的MIMO系统的信道估计装置,其特征在于,所述最小二乘估计单元适于采用如下的公式计算得到所述散射函数的模值的最大值,并作为所述发射端离开中心角/接收端到达中心角:
Figure FDA0002496008370000061
θ∈[-0.5,0.5].;
其中,
Figure FDA0002496008370000062
表示模值的最大值。
7.根据权利要求5所述的MIMO系统的信道估计装置,其特征在于,所述预估角度扩展值计算单元适于采用如下的公式对所述斯莱皮恩扩展矩阵进行特征分解,得到对角元素为有序特征值的对角矩阵和包括相关特征向量的酉矩阵:
C=UΛUH
其中,U表示所述包括相关特征向量λ0~λM-1的酉矩阵,且λ0≥λ1≥...≥λM-1,UH表示所述酉矩阵的共轭转置矩阵,Λ表示所述对角元素为有序特征值μ0~μM-1的方形对角矩阵。
8.根据权利要求5所述的MIMO系统的信道估计装置,其特征在于,所述信道估计单元适于采用如下的公式对所述斯莱皮恩扩展矩阵进行特征分解,
得到对角元素为有序特征值的对角矩阵和包括相关特征向量的酉矩阵:
C=UΛUH
其中,U表示所述包括相关特征向量λ0~λM-1的酉矩阵,且λ0≥λ1≥...≥λM-1,UH表示所述酉矩阵的共轭转置矩阵,Λ表示所述对角元素为有序特征值μ0~μM-1的方形对角矩阵。
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