CN109245803B - 一种快速信道估计与混合预编码方法及系统 - Google Patents

一种快速信道估计与混合预编码方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种快速通道估计与混合编码方法，移动台全向发射第一导频序列信号；位于第一导频序列信号传播范围内的基站接收所第一述导频序列信号，并估计第一导频序列信号的每个波达方向，并根据每个波达方向生成第一波达方向集合；基站根据第一波达方向集合发射第二导频序列信号，移动台接收第二导频序列信号并估计第二导频序列信号的每个波达方向，生成第二波达方向集合；移动台根据第二波达方向集合生成波束传输路径；本发明联合设计射频预编码与基带预编码矩阵，利用射频移相器构造预编码矩阵在方位角方向构造码本，利用基带预编码矩阵在俯仰角进行DoA估计，仅需要一维搜索即可完成二维DoA的估计，大大加快了信道估计过程。

Description

一种快速信道估计与混合预编码方法及系统
【技术领域】
本发明属于第五代移动通信系统技术领域，特别涉及一种快速信道估计与混合预编码方法及系统。
【背景技术】
随着电子器件与计算机技术的快速发展，对于无线传输速率的要求越来越高。5G移动通信系统商用化速度加快，毫米波通信，大规模输入输出阵列，微小区布设等都是5G系统的关键技术。为了获得更好的性能，天线阵列数往往较大，而射频链路数量受制于成本功耗等因素往往数量显著少于天线阵列数。大规模天线阵列与射频链路之间有两种连接方法，一种是全连接方式，即通过移相器将每个天线单元连接到每个射频链路；一种是部分连接方式，即天线单元与射频链路之间通过移相器部分连接。此时，4G及之前的信道估计及预编码算法基本无法直接应用。
传统的MIMO信道往往假定收发信机之间的散射体很多、信道矩阵假定为满秩。但是基于毫米波的5G系统其信道矩阵是稀疏的，收发信机之间往往仅有一条或者两条传播路径，从而，毫米波信道可以用有限个波达角(DoA)信息来刻画。因此，毫米波信道估计需要完成DoA信息获取。毫米波信道估计一般与波束成型算法相结合，通过波束成型可以克服传播路径损耗，提高信噪比及覆盖。由于毫米波信道仅有有限的几个DoA分量，现有文献提出了一些低复杂度的搜索算法。然而，这些基于穷举法的算法由于开销过大大多无法在实际系统中应用。同时，目前已有的算法大多都没有考虑信号的空间结构特性，导致信道估计速度慢，训练过程长，系统开销大。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种快速信道估计与混合预编码方法及系统，结合了信号的空间结构特性，提高了信道估计速度。
本发明采用以下技术方案：一种快速通道估计与混合编码方法，包括以下步骤：
移动台全向发射第一导频序列信号；
位于第一导频序列信号传播范围内的基站接收所第一述导频序列信号，并估计第一导频序列信号的每个波达方向，并根据每个波达方向生成第一波达方向集合；
基站根据第一波达方向集合发射第二导频序列信号，移动台接收第二导频序列信号并估计第二导频序列信号的每个波达方向，生成第二波达方向集合；
移动台根据第二波达方向集合生成波束传输路径。
进一步的，估计第一导频序列信号的每个波达方向，并根据每个波达方向生成第一波达方向集合的具体方法为：
基站在方位角构造码本，量化后的码本为：
Figure BDA0001868765410000021
其中，
Figure BDA0001868765410000022
为方位角码本，G为方位角码本的数量，G为正整数，i∈G；
在每个方位角码本基础上，通过
Figure BDA0001868765410000023
估计俯仰角
Figure BDA0001868765410000024
其中，y为接收到的第一导频序列信号，αi为基站接收到的对应波达方向上的功率值，
Figure BDA0001868765410000025
为基站的天线阵列预编码矩阵；
选取αi＞K的波达方向为第一导频序列信号的波达方向，并保存为第一波达方向集合，其中，K为预设阈值。
进一步的，移动台估计第二导频序列信号的每个波达方向生成第二波达方向集合的具体方法与基站估计第一导频序列信号的每个波达方向并根据每个波达方向生成第一波达方向集合的具体方法相同。
本发明的第二种技术方案：一种快速通道估计与混合编码系统，该系统用于实现上述的一种快速通道估计与混合编码方法，包括有天线阵列，天线阵列包括N*N个天线，每个天线均连接有射频移相器，天线阵列中对应的每一行的射频移相器均通过同一射频链路连接至同一基带移相器，每个射频移相器均用于控制对应天线所发出/接收信号的方向角，每个基带移相器均用于控制其对应每一行天线所发出/接收信号的俯仰角，N为正整数。
进一步的，天线阵列的射频预编码矩阵为Frf，
Figure BDA0001868765410000031
其中，frf为Frf矩阵中每一行的值，
Figure BDA0001868765410000032
Figure BDA0001868765410000033
为天线阵列每一行中的射频移相器的增量值；fbb为天线阵列的基带预编码向量，
Figure BDA0001868765410000034
φ为基带移相器的增量值。
本发明的有益效果是：本发明针对平面均匀阵(PUA)的大规模天线阵列，考虑波束成型的空间结构特性，联合设计射频预编码与基带预编码矩阵，利用射频移相器构造预编码矩阵在方位角方向构造码本，利用基带预编码矩阵在俯仰角进行DoA估计，仅需要一维搜索即可完成二维DoA的估计，大大加快了信道估计过程，在信道估计的同时进行预编码及波束成型矩阵的构造，该方法信道估计速度快，克服了训练过程长、系统开销大等缺点，可广泛应用到收发信机算法设计当中。
【附图说明】
图1为本发明实施例中一种快速信道估计与混合预编码系统的原理框图；
图2为本发明实施例中天线阵列数为64x64仿真情况图。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明公开了一种快速通道估计与混合编码方法，包括以下步骤：
移动台(MS)全向发射第一导频序列信号；
位于第一导频序列信号传播范围内的基站接收所第一述导频序列信号，并估计第一导频序列信号的每个波达方向，并根据每个波达方向生成第一波达方向集合。该方法具体为：
基站在方位角构造码本，量化后的码本为：
Figure BDA0001868765410000041
其中，
Figure BDA0001868765410000042
为方位角码本，G为方位角码本的数量，G为正整数，i∈G；
在每个方位角码本基础上，通过
Figure BDA0001868765410000043
估计俯仰角
Figure BDA0001868765410000044
其中，y为接收到的第一导频序列信号，αi为基站接收到的对应波达方向上的功率值，
Figure BDA0001868765410000045
为基站的天线阵列预编码矩阵；
选取αi＞K的波达方向为第一导频序列信号的波达方向，并保存为第一波达方向集合，其中，K为预设阈值。在实际中，有可能存在多个波达方向的功率值大于阈值，此时，需保留多个波达方向，以便后期移动台和基站之间建立多条连接路径，第一波达方向集合可保存为
Figure BDA0001868765410000046
其中，n为连接路径的数量，αn为第n条路径的接收功率，
Figure BDA0001868765410000047
为第n条路径的方位角，
Figure BDA0001868765410000048
为第n条路径的俯仰角。
基站根据第一波达方向集合发射第二导频序列信号给移动台，移动台接收第二导频序列信号并估计第二导频序列信号的每个波达方向，生成第二波达方向集合，该方法与上述基站估计第一导频序列信号的每个波达方向并根据每个波达方向生成第一波达方向集合的具体方法相同。
分集复用折中计算：根据基站和移动台之间的路径数量多少及每条路径的接收功率大小，决定是发射一个波束还是两个波束，以获得最大速率增益，即移动台根据第二波达方向集合生成波束传输路径。
如果为两个波束发射，则将Frf及fbb进行等分，等分后每个部分分别发射一个波束，拆分方法为：
Figure BDA0001868765410000051
Frf,1和fbb,1构造一个波束，Frf,2和fbb,2构造一个波束。
本发明的第二种技术方案：一种快速通道估计与混合编码系统，该系统用于实现上述的一种快速通道估计与混合编码方法。包括有天线阵列，天线阵列包括N*N个天线，即该天线阵列数为N行N列，N为正整数。
天线阵列的射频预编码矩阵为Frf，和上述
Figure BDA0001868765410000052
表达含义相同，
Figure BDA0001868765410000053
该矩阵中的每个元素为射频移相器的值，frf为Frf矩阵中每一行的值，即
Figure BDA0001868765410000054
Figure BDA0001868765410000055
Figure BDA0001868765410000056
为天线阵列每一行中的射频移相器的增量值。fbb为天线阵列的基带预编码向量，
Figure BDA0001868765410000057
φ为基带移相器的增量值。
从而，描述天线阵列方向性的阵列因子为：
Figure BDA0001868765410000058
其中，AF为阵列因子，
Figure BDA0001868765410000059
为虚数单位，n∈N，d为天线阵列中相邻两个天线之间的距离，λ为工作波长，θaz为方位角，θel为俯仰角。
在天线阵列中每个天线均连接有射频移相器，天线阵列中对应的每一行的射频移相器均通过同一射频链路连接至同一基带移相器，每个射频移相器均用于控制对应天线所发出/接收信号的方向角，每个基带移相器均用于控制其对应每一行天线所发出/接收信号的俯仰角，N为正整数。
实施例一：
本实施例中，如图1所示，基站(左)和移动台(右)均采用大规模天线阵列数量为8*8，射频链路数为8，方位角码本数量为8，基站和移动台之间建立了两条直射路径进行收发信息，第一条路径为
Figure BDA0001868765410000061
第二条路径为
Figure BDA0001868765410000062
实施例二：
该系统采用大规模天线阵列数量为64*64，射频链路数为64，方位角码本
Figure BDA0001868765410000063
数量为G＝64，令基站和移动台之间仅有一条直射路径，且方位角为150度，俯仰角为60度。
采用本发明的方法，在基站和移动台之间采用一个波束发送数据，如图2所示，为基站对DoA的估计情况，通过设置阈值可以提取出最大波达方向，由图可见，最大波达方向接近方位角150度、俯仰角60度，与预设方位角和俯仰角角度相一致，验证了本发明方法的准确性。

Claims (4)

1.一种快速通道估计与混合编码方法，其特征在于，包括以下步骤：
移动台全向发射第一导频序列信号；
位于所述第一导频序列信号传播范围内的基站接收所第一述导频序列信号，并估计所述第一导频序列信号的每个波达方向，并根据所述每个波达方向生成第一波达方向集合；
估计所述第一导频序列信号的每个波达方向，并根据所述每个波达方向生成第一波达方向集合的具体方法为：
所述基站在方位角构造码本，量化后的码本为：
Figure FDA0002189440690000011
其中，
Figure FDA0002189440690000012
为方位角码本，G为方位角码本的数量，G为正整数，i∈G；
在每个所述方位角码本基础上，通过
Figure FDA0002189440690000013
估计俯仰角
Figure FDA0002189440690000014
其中，y为接收到的所述第一导频序列信号，αi为基站接收到的对应波达方向上的功率值，
Figure FDA0002189440690000015
为所述基站的天线阵列预编码矩阵；
选取αi＞K的波达方向为所述第一导频序列信号的波达方向，并保存为第一波达方向集合，其中，K为预设阈值；
所述基站根据所述第一波达方向集合发射第二导频序列信号，所述移动台接收所述第二导频序列信号并估计所述第二导频序列信号的每个波达方向，生成第二波达方向集合；
所述移动台根据所述第二波达方向集合生成波束传输路径。
2.如权利要求1所述的一种快速通道估计与混合编码方法，其特征在于，所述移动台估计所述第二导频序列信号的每个波达方向生成第二波达方向集合的具体方法与所述基站估计所述第一导频序列信号的每个波达方向并根据所述每个波达方向生成第一波达方向集合的具体方法相同。
3.一种快速通道估计与混合编码系统，其特征在于，该系统用于实现权利要求1-2任一所述的一种快速通道估计与混合编码方法，包括有天线阵列，所述天线阵列包括N*N个天线，每个所述天线均连接有射频移相器，所述天线阵列中对应的每一行的射频移相器均通过同一射频链路连接至同一基带移相器，每个所述射频移相器均用于控制对应天线所发出/接收信号的方向角，每个所述基带移相器均用于控制其对应每一行天线所发出/接收信号的俯仰角，N为正整数。
4.如权利要求3所述的一种快速通道估计与混合编码系统，其特征在于，所述天线阵列的射频预编码矩阵为Frf，
Figure FDA0002189440690000021
其中，frf为Frf矩阵中每一行的值，
Figure FDA0002189440690000022
Figure FDA0002189440690000023
为天线阵列每一行中的射频移相器的增量值；fbb为所述天线阵列的基带预编码向量，
Figure FDA0002189440690000024
φ为基带移相器的增量值。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106330271A (zh) * 2015-06-19 2017-01-11 中国移动通信集团公司 多天线多用户非正交发送方法、基站、盲检测方法、终端
WO2017005086A1 (zh) * 2015-07-03 2017-01-12 电信科学技术研究院 一种预编码方法及装置

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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CN107809275B (zh) * 2017-11-30 2020-06-23 杭州电子科技大学 一种基于毫米波mimo系统的有限反馈混合预编码方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106330271A (zh) * 2015-06-19 2017-01-11 中国移动通信集团公司 多天线多用户非正交发送方法、基站、盲检测方法、终端
WO2017005086A1 (zh) * 2015-07-03 2017-01-12 电信科学技术研究院 一种预编码方法及装置

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