CN107070820A - 多径信道下的逐径信道估计方法及码本构造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了无线通信中多径信道下的信道估计方法和码本构造方法。该方法包括：一种新的逐一减除已估计径对信道估计影响的信道估计方案，所述方案会根据已估计径信息对码本进行更新或改进以达到接收端不再接收经由已估计径所传播能量的目的。一种新型多级码本设计方案，所述码本中的码字均由一个或若干窄波束相加而成，该码本改造方便，适用于所述逐一减除已估计径影响的方案。此外，所述码本会根据天线增益在角度域中的特性，在不同角度区域使用不同最优码本以达到全局最优的效果。

Description

多径信道下的逐径信道估计方法及码本构造方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种适用于多径信道下的逐径信道估计方法及码本设计构造方法。

背景技术

MIMO技术能提高无线信道容量，即在不增加带宽和天线发送功率的情况下显著提高频谱利用率。但是，传统的MIMO技术依然不能满足当代呈指数上涨的无线传输速率的需求。在2010年，贝尔实验室提出了大规模MIMO的概念。与传统MIMO系统相比，大规模MIMO系统使用数以百计的天线，同时对用户提供服务，这不仅继承了MIMO系统的所有优点，而且使通信更加稳健、更加安全、更加有效。

在大规模MIMO系统中，接收端信道的均衡和检测都需要精确的信道状态信息。但是，当基站天线数目和用户数目都非常大时，信道矩阵的维度变得非常大，信道估计问题也变得非常复杂，因此信道估计已成为近年来的研究热点。

毫米波信道因其波长特性而适用于大规模天线系统。毫米波信道具有稀疏特性，利用稀疏特性可以有效地降低信道估计时间，因此人们提出一种基于压缩感知的信道估计算法，该方法只需估计信道中径的信息就可还原出原始信道状态信息。较传统估计方法，该方法可节约大量估计时间，因此被广泛研究。

在信道估计中，因信道中存在多径效应，所以在对每一条径进行估计时，需减除之前已估计径对接收能量的影响。已有的方法是在估计时通过投影矩阵，计算得到已估计径对接收能量的贡献，在接收端将该贡献减除达到去掉已估计径影响的目的。但一方面因为获得的已估计径信息并不是完全准确的，所以在减除时会有一定能量剩余，这部分能量将在一定程度上影响估计结果。另一方面，进行投影需要移动端获取基站端的天线排布信息，在实际中这部分信息是很难获取的。

另外，在码本设计中，由于电磁波的特性，波束可能在天线阵列某些特定角度范围内产生一定的形变，如线阵产生的波束会在0度和180度附近变宽，不再保持为窄波束。这样的性质会导致一些码本设计在某些特定的角度范围不再适用。

综上所述，现有方法存在以下问题：因已估计径能量剩余而造成的估计偏差，移动端需要获取基站端的天线排布信息，忽视天线阵列在各角度特性不同而对全角度域使用相同的码本。

发明内容

为了对这些技术和实施例有一个基本的理解，下面给出了一个或多个实施例的简单概括。该概括部分不是对所有预期实施例的详尽概述，其既不是要确定所有实施例的关键或重要组成元素也不是描绘任何或所有实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一个或多个实施例的一些概念，以此作为后面的详细说明的前奏。

在一个方面,一种适用于多径信道下的逐径信道估计方法，如图1所示，包括：

S1:初始化l＝1,生成多级码本集合F_l＝{F_l,s|s＝1,…,S}，该码本包含S级码字，且随着级数的增加，每一级码字对应更高精度的角度范围。

S2:估计第l条径，获取该径的角度信息θ(l)。

S3:对F_l中的每级码字进行修改，删除每级码字中对准θ(l)方向的波束赋形矢量分量，得到用于估计剩余径的新码本集合F_l+1。

S4:l＝l+1,重复S2-S3直至估计出所有信道径信息。

该方法只需在基站端或移动端中任意一端进行码本改造就可达到去除已估计径影响的目的，一般设置为在基站端改造码本。因如此做，使用该种方法进行逐径估计时，移动端无需获取基站端的天线排布信息。

在另一个方面，提出一种适用于以上估计方法的码本构造方法，如图2所示。

为达到上述目的，本发明的技术方案实现如下：

首先构造一种适用于以上方法的多级码本，码本的构造将分为基础码本和上层码本两个部分。基础码本是多级码本的基础，代表着估计所需的精度，而上层码本根据一定规则由基础码本构造而来。最终的多级码本将分为S级，每一级码本的码字数量将是上一级码本码字数量的K倍，如图3所示，F_l,s代表估计第l条径时所用的码本中的第s级。

基础码本构造旨在生成对应各个方向的共K^S个满足最终精度要求的窄波束，因此基础码本集合A包含K^S个码字元素，每个码字对应的方向图为一窄波束，指向某一特定角度方向，且所有码字方向图的叠加将覆盖所有方向，可以使用传统的码本构造方法构造该基础码本。

上层码本构造旨在根据基础码本构造多级码本，根据基础码本A，上层码本的构造方式如下：

S1:初始化s＝1,集合A_0,1＝A。

S2:将A_s-1,m分为K个子集合A_s,K(m-1)+k,其中m＝1,…,K^s-1,k＝1,2…,K。每个子集合由A_s-1,m中所对应方向图波束不相邻的码字元素组成,对A_s,K(m-1)+k内所有码字求和即可得到上层码本的第s级的第K(m-1)+k个码字。

S3:s＝s+1,重复S2步骤，直至获得所有上层码本的码字。

至此，码本构建完成。

这里为了更准确清晰的描述，结合上述码本来重复说明估计过程：

首先对信道中增益最强的径进行估计，使用第一级上层码本进行训练，分别发送第一级上层码本中的波束，接收端选择接收能量最大的一个码字，记录其编号并反馈给发送端。随后，发送端根据反馈结果，发送其对应的K个第二级上层码字，接收端选择接收能量最大的一个码字并反馈，随后发送端根据反馈结果发送对应K个第三级上层码字，依次类推，直到选择出符合精度要求的码字。

对剩余径进行估计时，需要减除已估计径的影响才能准确估计信道，而上层码字均由基础码字生成，也即由窄波束集合而成。因此可通过以下步骤对码本进行改造以达到减除已估计径影响的目的：

每当估计出一条径，获取其对应的基础码字，将该码字及x个与其波束相邻的码字置为0，更新上层码本。此时，接收端将无法再接收到来自已估计径的能量，至此已估计径的影响被去除了。其中x的选取将基于基础码本的构造方法，需使该方向的径不在任何波束的大功率旁瓣上以免影响估计结果。另外，x的取值不能过大，以免删除未估计径影响性能。

在使用一般多级码本时，可根据以下原则对码本进行改造：首先选择一个包含上一条已估计径方向的波束范围，生成对应该波束范围的码字F_l。在多级码本每一级中选出包含上一条已估计径方向的波束码字，减去对应的F_l，直至每一级码本在该方向均不再发出波束，视为码本改造完毕。

在另一个方面，由于电磁波的特性，在天线阵列特定角度范围上会产生一定的波束畸变，如线阵产生的波束会在0度和180度附近有波束变宽，不再保持为窄波束的性质。这样的性能会导致一些在其余角度适用的码本设计在此范围不再适用。

因此，若天线性质导致波束在某些角度范围内出现畸变如波束在线阵0度和180度附近时，此时选用多码本模式。

多码本模式是指，在因天线排布而导致优选码本在某些角度范围内不再适用时，在该角度范围内使用可在该角度范围内获得最大性能的码本，而其余角度范围则使用优选码本，该方案可适用于包括但不限于信号传输、信道估计、波束训练等阶段。

本发明的上述技术方案具有以下优点：本发明提供了一种适用于多径信道下的逐径信道估计方法，通过改造码本以达到减除已估计径影响的目的，避免了因已估计径能量剩余而造成的估计偏差，同时也使估计时移动端无需知晓基站端天线排布信息。另一方面本发明提供了一种适用于该估计方法的码本构造方法，首先生成对应各个方向窄波束的基础码本，再从基础码本中选择相加生成各级上层码本，在上述估计方法中，该码本可较方便地进行改造。最后本发明提供了一种适用于各种天线性质下码本构造的原则，即对各个角度范围分别考虑，分别采用各自适宜的码本以达到全角度域最优的目的。

附图说明

图1为本发明提供的一种适用于多径信道下的逐径信道估计方法的步骤图。

图2为本发明提供的一种适用于该估计方法的码本构造方法的步骤图。

图3为本发明提供的码本构造结构图。

图4为本发明实用例提供的基础码本波束图。

图5为本发明实用例提供的上层码本中第一级码本的两个码字波束图。

图6为本发明实施例提供的上层码本中第二级码本的四个码字波束图。

图7为本发明实施例提供的除去第一条径影响后的上层码本中第一级码本的二个码字波束图。

图8为本发明实施例提供的AOD角度估计误差累积概率曲线。

具体实施方式

下面结合附图，对发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明提供了一种多径信道下的逐径信道估计方法，该方法包括：

S1:初始化l＝1,生成多级码本集合{F_l,s|s＝1,…,S}，该码本包含S级码字，且随着级数的增加，每一级码字对应更高精度的角度范围。

S2:估计第l条径，获知该径的AOD信息θ_t(l)。

S3:对{F_l,s}中的每级码字进行修改，删除每级码字中对准θ_t(l)方向的波束赋形矢量分量，得到用于估计剩余径的新码本集合F_l+1。

S4:l＝l+1,重复S2-S3直至估计出所有信道径信息。

这里假设在基站端进行码本改造而移动端码本不变。

如图2所示，本发明提供了一种适用于上述方法的码本构造方法，该方法包括：

S1:构造基础码本集合A，即生成对应各个方向的共K^S个窄波束。初始化使集合A_0,1＝A。

S2:将s-1级码本中的第m个码字(m＝1,2,…,K^s-1)对应的基础码字集合A_s-1,m分为K个不相容子集A_s,K(m-1)+1,A_s,K(m-1)+2,…A_s,K(m-1)+K，每个子集中元素为集合A_s-1,m中对应方向图每K个波束取一个所对应的元素。重复该过程直至s-1级码本所有码字都已生成子集。

S3：将子集A_s,K(m-1)+n中元素相加构成新一级码本中的码字F_K(m-1)+n，重复该过程直至该级码本所有码字生成完毕。

S4：重复S2-S3直至码字精度达到要求。

判断上述生成码本是否全角度域均适用。优选的，若适用则使用上层码本，若不适用则在特定角度范围内生成最优码本进行使用。

这里为了叙述方便，实用例中的天线排布以线阵为例,其天线阵列阵元数为64，天线间隔为0.5λ，并假设K＝2，S＝4。

首先生成码本，构造基础码本的实施例方法如下：

其中，F_m则表示对应于相应角度范围的波束赋形矢量，C_s是一个常数，表示对应角度的天线阵列响应向量。

上述实用例构造方法得到的是满足精度要求的指向各个方向的窄波束码字，共K^S＝16个码字。码字波束图如图4所示，指向16个方向，每一个方向波束代表一个基础码字。

欲进行信道估计，我们需要对应S级的上层码本，构造上层码本的实用例方法如下：

首先构造第一级上层码本，对基础码本集合A进行分组，应分为K＝2个不相容子集，第一个子集中的元素是集合A中对应方向图每两个波束取靠近0度方向波束所对应的元素，第二个子集中的元素是集合A中对应方向图每两个波束取靠近180度方向波束所对应的元素。分别取和，该和即为第一级上层码本中的对应上层码字，构造码字波束图如图5所示，(a)为第一级第一个码字，(b)为第一级第二个码字。

构造第s级上层码本的方法如下：取第s-1级上层码本中的第m个码字，将其对应的基础码字集合A_s-1,m分为K＝2个不相容子集，分集规则同上。对第p个子集中的元素进行加和即可得到第s级上层码本中的第K(m-1)+p个码字。遍历第s-1级码本，可得第s级码本。第二级码本波束图如图6所示，(a)为第二级第一个码字，(b)为第二级第二个码字，(c)为第二级第三个码字，(d)为第二级第四个码字。

依次类推，直至上层码本中的码字仅指向一个方向，则上层码本生成完毕。

判断码字是否在全角度域适用，因上述码本所需精度较小，在全域波束变形不大，因此判断为适用，直接适用上述生成码本作为最终码本，至此码本生成完毕。

在多径估计中，通过已估计径传输给接收端的能量会对接下来的估计产生干扰，因此必须减除已估计径的影响，传统的方法是通过投影方法进行减除，但这种方法会因为估计误差产生能量剩余而未完全去除已知径的干扰。

对一多径信道进行估计，首先估计第一条径，分别发送第一级码本中的码字，取接收端接收能量最多的一个，并返回该码字编号。发送端根据该编号选择其对应次级码本中的K＝2个码字进行发送，重复该过程直至估计精度达到系统要求，即可得第一条径的信息，根据需要可计算得AOA，AOD，复增益等等。

因此时已估计出一条径，所以在估计之后的径时，需更新码本，将已估计径对应的基础码本中的码字及其相邻x个码字变为0，之后根据上述方案重新生成S＝4级上层码本，若如此做则在估计第二径时，第一径所在方向将不再发送能量，以达到消除已估计径影响的目的。如图7所示，为去除第一径影响之后的第一级上层码字，(a)为第一个码字，(b)为第二个码字。

x的选取将基于基础码本的构造方法，需使该方向的径不在任何波束的大功率旁瓣上以免影响估计结果。另外，x的取值不能过大，以免删除未估计径影响性能，在上述实用例中，x的取值为0。

通过上述过程，完成了码本的构建，同时也减除了已估计径的影响，因为码字的固定性，基础码本可以预先生成以降低计算复杂度。

另外，若所需精度很高，如在S＝7时，因上述实用例使用线阵，且该码本在0度和180度波束附近有较大形变，因此判断不适用于全角度域，需构造适用于特殊角度范围码本。

构造该特殊角度范围码本的实用例如下：

其中依此公式可得适用于该方向上的码本。

分别将两个码本对应适用角度范围部分的码字取出，合并在一起构成最终码本。

本发明可在较低复杂度条件下实现对多径信道的估计，在码本为7级码本时角度估计误差如图8所示。

Claims (9)

1.一种适用于多径信道下的逐径信道估计方法，其特征在于，其步骤为：

S1:生成多级码本，要求随着级数的增加，每一个码字所能确定的角度区域精度增加；

S2:估计第一径，获知第一径的信息；

S3:根据已估计径的信息改造码本，使码本中对准已估计径方向的部分不再产生波束，继续估计下一径；

S4:重复S3直至信道中径数被估计完全或达到预设值。

2.根据权利要求1中所述的估计方法，其特征在于，步骤S3中需根据已估计径的信息改造码本，是指使已估计径方向的一定范围内不再产生波束，即接收端不会接收到通过已估计径传输的能量。

3.根据权利要求1中所述的估计方法，其特征在于，步骤S3中改造码本只需改造基站端或移动端任意一端码本即可。

4.一种适用于多径信道下逐径估计方法的码本构造方法，其步骤在于：

S1:生成基础码本集合，每个基础码字波束将对应一个方向，所有基础码字叠加覆盖所有区域；

S2:根据基础码本生成上层码本，上层码本码字对应区域为多个基础码字波束所对应的区域的叠加。

5.根据权利要求4所述的码本生成方法，其特征在于由基础码本生成上层码本时，为加和形式，即生成上层码本时需在基础码本中选择复数个基础码字，对其进行相加生成上层码字。

6.根据权利要求4所述的码本生成方法,其特征在于,最后一级码本波束满足精度要求，且除最后一级码本外各级码本中的码字，所指向多个方向中的任一波束宽度同样满足精度要求。

7.一种码本构造方法，其步骤在于：

S1:根据天线性质，对不同角度区域生成不同的适用于该角度区域的码本；

S2:结合所有码本中的码字生成适用于全角度域的码本。

8.根据权利要求7所述的码本生成方法，其特征在于，某些码本可能因天线性质在特定的角度区域内表现良好而在其它角度区域内不适用，因此，对全角度域进行划分，分别构造相对应的码本以达到全局最优的效果。

9.根据权利要求7所述的天线性质，其特征在于包含但不限于线阵，面阵等天线组成形式。