CN109474549A - 一种基于三维波束图案的三维信道估计方法 - Google Patents

一种基于三维波束图案的三维信道估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于三维波束图案的三维信道估计方法，适用于MIMO通信系统，MIMO通信系统包括多个天线单元；其中，三维信道估计方法包括以下步骤：步骤S1，获取每个天线单元的空间位置，并根据空间位置建立天线矩阵；步骤S2，对天线矩阵中的每个天线单元产生天线极化；步骤S3，将产生天线极化后的天线单元进行处理以得到三维波束图案；步骤S4，根据三维波束图案计算得到信道脉冲响应；步骤S5，根据信道脉冲响应结合相关函数处理得到MIMO通信系统的信道系数。本发明的有益效果在于通过建立天线阵列和极化天线以及结合相关函数实现二维信道估计转化为三维信道估计，从而快速实现衰落信道的估计，进而提高接收三维信道的数据速率和准确性。

Description

一种基于三维波束图案的三维信道估计方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于三维波束图案的三维信道估计方法。
背景技术
随着波束图案的发展和大规模MIMO天线系统的快速发展，相应的数据规模逐渐增长接收数据量越来越大，有限信道容量与接收准确信号需求之间的矛盾日益突出，给当前系统中接收空间相关性带来了很大困难，因此信道估计在OFDM(Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing-即正交频分复用技术)起着非常重要的作用，由此可见如何提高信道估计的准确性越发重要。
然而现有技术中信道估计的第三维仅基于一个使用了二维或者非常近方位方向的水平角，因此上述技术方案不能显著提高在三维空间的信道估计的准确性。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种旨在通过建立天线阵列和极化天线以及结合相关函数实现二维信道估计转化为三维信道估计，从而快速实现衰落信道的估计，并提高系统效率与容量，进而提高接收三维信道的数据速率和准确性的基于三维波束图案的三维信道估计方法。
具体技术方案如下：一种基于三维波束图案的三维信道估计方法，适用于MIMO通信系统，MIMO通信系统包括多个天线单元；其中，三维信道估计方法包括以下步骤：
步骤S1，获取每个天线单元的空间位置，并根据空间位置建立天线矩阵；
步骤S2，对天线矩阵中的每个天线单元产生天线极化；
步骤S3，将产生天线极化后的天线单元进行处理以得到三维波束图案；
步骤S4，根据三维波束图案计算得到信道脉冲响应；
步骤S5，根据信道脉冲响应结合相关函数处理得到MIMO通信系统的信道系数。
优选的，基于三维波束图案的三维信道估计方法，其中，步骤S1具体包括获取每个天线单元的空间位置，并将空间位置结合接收天线偏振算法建立天线矩阵。
优选的，基于三维波束图案的三维信道估计方法，其中，天线矩阵为接收矩阵；
根据接收天线偏振算法计算得到所有接收单元的接收阵列；
三维笛卡尔坐标系ρm'n'具有点Ymn的球坐标，该点表述为：
Ym,n＝(xm′n′,ym′n′,zm′n′)；
其中，
其中，AAoA用于表示入射方位角度；
EAoA用于表示仰角入射角度。
优选的，基于三维波束图案的三维信道估计方法，其中，步骤S3中的三维波束图案为每个天线单元在天线单元的发射单元的增益值坐标轴的横轴和纵轴上形成的组合图案。
优选的，基于三维波束图案的三维信道估计方法，其中，步骤S3中的三维波束图案包括幅度和天线相位。
优选的，基于三维波束图案的三维信道估计方法，其中，步骤S4中根据三维波束图案分别通过以下公式计算得到幅度和天线相位信道脉冲响应：
其中，
α用于表示幅度；
β用于表示天线相位；
用于表示垂直和水平域极化中天线元件的功率角度扩展；
用于表示天线单元的方位角；
用于表示天线单元的仰角；
dUE用于两个天线单元之间的距离；
用于表示天线接收元素。
优选的，基于三维波束图案的三维信道估计方法，其中，步骤S5中的相关函数包括空间域相关函数，时域和频域相关函数。
优选的，基于三维波束图案的三维信道估计方法，其中，空间域相关函数为以下公式：
其中，
用于表示所述三维波束图案中接收方向；
||v||用于表示所述三维波束图案中的水平域的用户速度；
用于表示接收空间相关性；
AOA用于表示到达角度。
上述技术方案具有如下优点或有益效果：通过建立天线阵列和极化天线以及结合相关函数实现二维信道估计转化为三维信道估计，从而加快损耗信道估计精度的速度，并提高系统效率与容量，进而提高接收三维信道的数据速率和准确性。
附图说明
参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。
图1为本发明基于三维波束图案的三维信道估计方法实施例的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本发明包括一种基于三维波束图案的三维信道估计方法，适用于MIMO(多输入多输出技术-Multiple-InputMultiple-Output)通信系统，MIMO通信系统包括多个天线单元；其中，如图1所示，三维信道估计方法包括以下步骤：
步骤S1，获取每个天线单元的空间位置，并根据空间位置建立天线矩阵；
步骤S2，对天线矩阵中的每个天线单元产生天线极化；
步骤S3，将产生天线极化后的天线单元进行处理以得到三维波束图案；
步骤S4，根据三维波束图案计算得到信道脉冲响应；
步骤S5，根据信道脉冲响应结合相关函数处理得到MIMO通信系统的信道系数。
进一步地作为优选的实施方式，首先分析接收天线的空间相关性，以获得三维天线单元空间和天线单元的定位，即获得天线单元的空间位置，然后根据接收天线偏振算法建立模型，即建立接收端的天线矩阵；然后对天线单元产生天线极化，将产生天线极化后的天线单元进行处理得到三维波束图案，根据三维波束图案计算得到信道脉冲响应，最后根据信道脉冲响应结合各种相关函数(例如关于空间相关性的函数)，从而实现二维信道估计转化为三维信道估计，进而快速实现衰落信道的估计，并提高系统效率与容量，以及提高接收三维信道的数据速率和准确性。
进一步地，在上述实施例中，步骤S1具体包括获取每个天线单元的空间位置，并将空间位置结合接收天线偏振算法建立天线矩阵。
进一步地，在上述实施例中，天线矩阵为接收矩阵；
根据接收天线偏振算法计算得到所有接收单元的接收阵列；
三维笛卡尔坐标系ρm'n'具有点Ymn的球坐标，该点表述为：
Ym,n＝(xm′n′,ym′n′,zm′n′)；
其中，
其中，AAoA用于表示入射方位角度；
EAoA用于表示仰角入射角度。
进一步地，作为优选的实施方式，步骤S2中产生天线极化是通过获取上述天线阵列(本实施方式中指代上述接受阵列)中与z轴成角度a的偏振矢量具有天线图案的垂直和水平分量，通过在响应矢量X的和分量是天线响应中入射波的波方向上天线单元的和的极化响应。
需要说明的是，用于表示天线单元的方位角；用于表示天线单元的仰角。
进一步地，在上述实施例中，步骤S3中的三维波束图案为每个天线单元在天线单元的发射单元的增益值坐标轴的横轴和纵轴上形成的组合图案。
进一步地，作为优选的实施方式，发射单元形成的组合图案(单位dB)根据下述公式确定：
其中，
因此，发射单元的水平和垂直图案可以近似为：
上述公式中是辐射单元的增益值，假设该值在发射单元的每根天线单元上被设为7dBi，那么和是分别为发射单元在水平和垂直方向上的图案。
进一步地，在上述实施例中，步骤S3中的三维波束图案包括幅度和天线相位。
作为优选的实施方式，在计算信道脉冲响应时，接收单元的波矢量可以是载波频率的波长为λ的
其中，入射波等于它们分别是发射单元和接收单元的天线响应中的波传播方向，ω是具有l′k′th天线单元的波束重量；
仰角定义在90°和-35°之间，方位角定义在接收单元的30°和150°之间。
进一步地，在上述实施例中，步骤S4中根据三维波束图案分别通过以下公式计算得到幅度和天线相位信道脉冲响应：
其中，
α用于表示幅度；
β用于表示天线相位；
用于表示垂直和水平域极化中天线元件的功率角度扩展；
用于表示天线单元的方位角；
用于表示天线单元的仰角；
dUE用于两个天线单元之间的距离；
用于表示天线接收元素。
进一步地，在上述优选的实施方式中，先定义一个接收单元的空间相关性，该空间相关性的EAoA和AAoA的平均值根据以下公式表示：
其中，两个天线单元之间的距离为dUE；
当在非固定通道中时，EAoA、AAoA和角展度(AS)不等于0°。由于多普勒扩展，在元素角度上之间和存在时间差。因此，DoT(行进方向)变化下的天线元件之间存在相位差。这为接收天线产生了以下空间相关函数：
其中。用于表示所述三维波束图案中接收方向；
||v||用于表示所述三维波束图案中水平域的用户速度；
在垂直域中的情况下，可以将等式重新表述为：
进一步地，在优选的实施方式中，不同天线之间的信道通常是相关的，而通过分析接收空间相关性，包括基于实际多路径无线通信环境的天线极化效应，然后通过天线单元空间来识别天线单元及其相邻天线单元的位置以及不同的偏振以及上述两个天线单元之间的距离的变化，从而研究并最小化接收空间相关性。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于三维波束图案的三维信道估计方法，适用于MIMO通信系统，所述MIMO通信系统包括多个天线单元；其特征在于，所述三维信道估计方法包括以下步骤：
步骤S1，获取每个所述天线单元的空间位置，并根据所述空间位置建立天线矩阵；
步骤S2，对所述天线矩阵中的每个所述天线单元产生天线极化；
步骤S3，将产生天线极化后的天线单元进行处理以得到一三维波束图案；
步骤S4，根据所述三维波束图案计算得到一信道脉冲响应；
步骤S5，根据所述信道脉冲响应结合一相关函数处理得到所述MIMO通信系统的信道系数。
2.如权利要求1所述的基于三维波束图案的三维信道估计方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括获取每个所述天线单元的空间位置，并将所述空间位置结合一接收天线偏振算法建立天线矩阵。
3.如权利要求2所述的基于三维波束图案的三维信道估计方法，其特征在于，所述天线矩阵为接收矩阵；
根据所述接收天线偏振算法计算得到所有所述接收单元的接收阵列；
三维笛卡尔坐标系ρm'n'具有点Ymn的球坐标，该点表述为：
Ym,n＝(xm′n′,ym′n′,zm′n′)；
其中，
zm'n'＝ρm'n'cosθEAoA；
其中，AAoA用于表示入射方位角度；
EAoA用于表示仰角入射角度。
4.如权利要求1所述的基于三维波束图案的三维信道估计方法，其特征在于，所述步骤S3中的所述三维波束图案为每个天线单元在所述天线单元的发射单元的增益值坐标轴的横轴和纵轴上形成的组合图案。
5.如权利要求1所述的基于三维波束图案的三维信道估计方法，其特征在于，所述步骤S3中的所述三维波束图案包括幅度和相位天线。
6.如权利要求5所述的基于三维波束图案的三维信道估计方法，其特征在于，所述步骤S4中根据三维波束图案分别通过以下公式计算得到所述幅度和所述相位天线所述信道脉冲响应：
其中，α用于表示幅度；
β用于表示天线相位；
用于表示垂直和水平域极化中天线元件的功率角度扩展；
用于表示所述天线单元的方位角；
θ用于表示所述天线单元的仰角；
dUE用于两个所述天线单元之间的距离；
用于表示天线接收元素。
7.如权利要求1所述的基于三维波束图案的三维信道估计方法，其特征在于，所述步骤S5中的所述相关函数包括空间域相关函数，时域和频域相关函数。
8.如权利要求7所述的基于三维波束图案的三维信道估计方法，其特征在于，所述空间域相关函数为以下公式：
其中，(θ)v用于表示所述三维波束图案中接收方向；
||v||用于表示所述三维波束图案中水平域的用户速度；
用于表示接收空间相关性；
AOA用于表示到达角度。
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