CN111983556B - 一种到达角估计的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种到达角估计装置和方法，该装置至少包括：多个信号转换模块：用于将混合天线阵列模块接收到的模拟信号波束成型并转换为数字信号；到达角估计模块：用于将多个信号转换模块输出进行信号处理估计来波到达角；信号转换模块至少包括：模拟相移器，用于调节阵子接收信号相位，其相移值在每个符号周期内的设置在进行到达角估计前确定；到达角估计模块至少包括：相邻子阵相位差计算子模块，用于对所有空间相邻的信号转换模块的输出信号进行互相关运算，以计算相邻子阵相位差；IDFT计算子模块：用于将相邻子阵相位差计算子模块131输出的结果进行IDFT计算；到达角计算子模块：用于对IDFT计算子模块相邻的输出信号进行互相关运算，输出来波到达角估计。

Description

一种到达角估计的装置及方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种到达角估计的装置及方法。

背景技术

混合天线阵列可以使通信系统的性能和成本获得很好的平衡，因此该技术被认为是一种应用于毫米波通信系统非常有前途的技术。通常混合天线阵列包含多个模拟子阵列，每个模拟子阵列由多个具有移相器的天线构成。根据子阵在阵列中的拓扑结构，混合阵列分为localized array和interleaved array。由于localized array更适合于在馈电网络中构建由多个模块组成的大阵列，因此其更适合于硬件实现。

另一方面，视线传播是毫米波信号传播的主要方式，因此来波到达角的信息对于接收机解调非常重要。通过采用localized array对毫米波到达角进行快速和准确的估计是未来通信系统的一项关键技术。目前，在采用localized array进行到达角估计时，常采用差分波束搜索方法，该方法主要包括以下步骤：

步骤一：对所有相邻子阵输出的信号进行相关运算得到辐角估计；

步骤二：利用辐角信息设定多个初始波束搜索方向，依次对所有相移器和数字波束成型的加权系数进行设置；

步骤三：分别计算波束成型输出功率，确定最大功率对应的波束为备选波束；

步骤四：在备选波束的方向估计到达角。

由于相位模糊度问题，步骤二中需要设定多个初始波束搜索方向，并在步骤三中计算所有潜在波束成型方向输出功率。这就导致需要一个长的扫描周期，周期的长度随着扫描子帧长度和子阵的天线个数线性增加。随着大规模天线阵列在未来毫米波移动通信系统的应用，信号到达角的快速获取是提高系统性能的重要前提。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种快速估计到达角并提高估计精度的装置及方法。

为达到上述目的，本发明实施例的技术方案具体是这样实现的：

一种到达角估计装置，该装置包括：

多个信号转换模块：用于将各个子阵列天线接收到的模拟信号波束成型，并转换为数字信号；

到达角估计模块：用于将多个信号转换模块输出进行信号处理估计来波到达角。

其中，所述信号转换模块至少包括：

模拟相移器，用于调节阵子接收信号相位，其相移值在每个符号周期内的设置在进行到达角估计前确定；

模拟信号合并器用于合并相移器输出；

转换子模块，用于将模拟合并器输出信号转换到数字基带信号；

到达角估计模块至少包括：

相邻子阵相位差计算子模块，用于对所有空间相邻的信号转换模块的输出信号进行互相关运算，以计算相邻子阵相位差；

IDFT计算子模块：用于将相邻子阵相位差计算子模块131输出的结果进行IDFT计算；

到达角计算子模块：用于对IDFT计算子模块相邻的输出信号进行互相关运算，输出来波到达角估计。

本发明还公开了一种到达角估计方法，该方法至少包括以下步骤：

步骤S21：在多个符号周期内按预先设定的相移进行设置，即，对每个相移器的相移值进行设置,其取值为

其中，

表示在第t(t＝0,…,T-1)个训练符号周期时，第m(m＝0,…,M-1)个子阵列的第n(n＝0,…,N-1)个相移器的相移值,α_m(t)＝-2π(m/M+t/L)；M和N分别表示子阵121的数量和每个子阵中阵子122的数量，令M的取值为偶数，N/M的取值为整数；T表示训练符号的数量，L＝TM表示系统中采用不同相移的总数；

步骤S22：获取每个信号转换模块输出的数字基带信号，该数字基带信号为每个相移器输出模拟信号合并后经数字化产生的波束成型；

步骤S23：计算每个符号周期所有相邻信号转换模块输出的互相关

m＝0,…,M-2，s_m(t)表示在第t个符号周期中第m个信号转换模块11的输出信号；

步骤S24：对ρ_m(t)的符号进行校正；其中，在每个符号周期分别找到具有最大幅值|ρ_m(t)|所对应的子阵索引m′＝argmax_{m＝0,…,M-1}{|ρ_m(t)|}，对ρ_m(t)的符号按照下式(2)进行校正，得到

其中，II{·}表示指示函数；

步骤S25：利用下式(3)对T个符号周期内的

计算得到相邻子阵相位差估计；

步骤S26：利用步骤S25得到的

对所有信号转换模块输出的信号进行校正，得到校正后的信号为：

步骤S27：根据N/M取值的奇偶性，对步骤26校正后的输出信号进行IDFT计算；

其中，当N/M为偶数时，对

进行M点的IDFT计算得到

当N/M为奇数时，对

和

分别进行M/2点的IDFT计算得到

和

步骤S28：对步骤27中IDFT计算子模块132输出按照等式(5)和(6)进行计算，得到u的估计

和

N/M为奇数；(6)

从而得到到达角估计并输出

其中，d表示相邻阵子的间距；λ表示来波波长。

上述方法中，首先，对混合阵列多个信号转换模块中的相移器，在多个符号周期内按照事先设定的相移进行设置，产生波束成型；

然后，对混合阵列相邻信号转换模块输出信号进行相关运算，将多个符号周期内的相关运算结果合并后计算相位差估计；

再利用相位差估计分别对信号转换模块输出信号进行校正，并对校正后的信号进行离散傅立叶逆变换(IDFT)；

最后，将IDFT输出的相邻信号进行相关运算估计到达角。

由上述本发明提供的具体实施方案可以看出，针对相位模糊问题，由于该方法仅需要少量训练符号即可遍历全部DFT波束，无需设置一个长周期的扫描帧来对多个波束方向进行搜索，使得到达角估计时间缩短。同时，通过联合所有子阵和训练符号实现期望信号成分的相干叠加，大幅提高了估计信噪比。

附图说明

图1为本发明实施例的到达角估计的装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的到达角估计方法的步骤流程图；

图3为本发明实施例的相邻子阵相位差估计均方误差MSE性能对平均接收信噪比的关系曲线图；

图4为本发明实施例的到达角估计均方误差MSE性能对平均接收信噪比的关系曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下将参照附图并举实施例，对本发明作进一步说明。

本发明提供的第一实施例是一种到达角估计装置，该装置流程与结构如图1所示，包括：

多个信号转换模块11：用于将混合天线阵列12接收到的模拟信号波束成型并转换为数字信号；

到达角估计模块13：用于将多个信号转换模块11输出进行信号处理估计来波到达角。

进一步信号转换模块11包括：

多个用于调节阵子接收信号相位的模拟相移器111，其相移值在每个符号周期内的设置在进行到达角估计前确定；

用于合并相移器输出的模拟信号合并器112；

转换子模块113，用于将模拟合并器输出信号转换到数字基带，这里包括将射频或中频信号下变频到基带。

进一步混合天线阵列模块12包括多个子阵121,每个子阵由多个阵子122构成。按照子阵121的排列方式，模块12可以是线性阵列或平面阵列。在本实施例里假设采用线性阵列，M和N分别表示子阵数量和单个子阵中阵子的数量。

进一步到达角估计模块13包括：

相邻子阵相位差计算子模块131：用于对所有空间相邻的信号转换模块11的输出信号进行互相关运算，从而计算相邻子阵相位差；

IDFT计算子模块132：用于将相邻子阵相位差计算子模块131输出的结果进行IDFT计算；

到达角计算子模块133：用于对IDFT计算子模块132相邻的输出信号进行互相关运算，输出来波到达角估计。

本发明提供的第二实施例是一种到达角估计方法21，由到达角估计模块13执行，该方法流程如图2所示，包括：

步骤S21：对所有相移器的相移值进行设置,其取值为

其中

表示在第t(t＝0,…,T-1)个训练符号周期时，第m(m＝0,…,M-1)个子阵列的第n(n＝0,…,N-1)个相移器的相移值,α_m(t)＝-2π(m/M+t/L)；M和N分别表示子阵121的数量和每个子阵中阵子122的数量，这里我们令M的取值为偶数，N/M的取值为整数；T表示训练符号的数量，实际应用中，可根据M和N的取值进行设定；L＝TM表示系统中采用不同相移的总数。该步骤设置可以使阵列通过T个符号周期在[-π,π)范围内扫描2L个波束方向，从而保证至少2L个波束方向之一的波达角估计具有比较高的增益。

步骤S22：获取每个信号转换模块输出的数字基带信号，该数字基带信号为每个相移器输出模拟信号合并后经数字化产生的波束成型；

步骤S23：在相邻子阵相位差计算子模块131中,计算每个符号周期所有相邻信号转换模块11输出互相关

m＝0,…,M-2，这里s_m(t)表示在第t个符号周期中第m个信号转换模块11的输出信号。特别地，

步骤S24：在相邻子阵相位差计算子模块131中对ρ_m(t)的符号进行校正。其方法是在每个符号周期分别找到具有最大幅值|ρ_m(t)|所对应的子阵索引m′＝argmax_{m＝0,…,M-1}{|ρ_m(t)|}，对ρ_m(t)的符号按照等式(2)进行校正，得到

其中，II{·}表示指示函数。

步骤S25：在相邻子阵相位差计算子模块131中，对T个符号周期内的

计算得到相邻子阵相位差估计

步骤S26：在IDFT计算子模块132中，利用步骤S25得到的

对所有信号转换模块11输出的信号进行校正，得到校正后的信号

步骤S27：在IDFT计算子模块132中，根据N/M取值的奇偶性，对步骤S26校正后的输出信号进行IDFT计算。当N/M为偶数时，对

进行M点的IDFT计算得到

当N/M为奇数时，对

和

分别进行M/2点的IDFT计算得到

和

步骤S28：在到达角计算子模块133中，对步骤S27中IDFT计算子模块132输出按照等式(5)和(6)进行计算，得到u的估计

和

N/M为奇数；(6)

从而得到到达角估计并输出

这里d表示相邻阵子的间距；λ表示来波波长。

为评价本发明所提出的到达角估计方案，对

和

的均方误差(MSE)性能进行了计算机仿真。在仿真中，假设

T＝16和M＝8。为了获得统计性能，随机产生的u在[-π,π]内均匀分布，训练符号服从复高斯分布，并执行50000次的独立仿真。为了评估所提方案的性能，图3和图4给出对应的渐进估计性能下界进行比较，这里渐进估计下界的获取是假设在步骤(24)中，等式(2)里ρ_m(t)的符号被完美校正。

图3为本发明提供的方案得到的

的MSE性能对每个阵子的平均接收信噪比的计算机仿真结果。从图3可以看出，当N/M的取值为1和2时，本发明的方案随着平均接收信噪比的提高，估计的MSE性能得到明显改善，与其对应的渐进估计性能下界更加接近。

图4为本发明提供的方案得到的

的MSE性能对每个阵子的平均接收信噪比的计算机仿真结果。从图4可以看出，本发明的方案随着平均接收信噪比的提高，到达角估计的性能得到明显改善，并与其对应的渐进估计性能下界趋于一致。本发明的方案在仅用16个训练符号的情况下，获得了好的估计性能。随着训练符号数量的增加，到达角估计的MSE性能能够进一步改善。

上述所提发明适用于高速数据通信，例如卫星通信和铁路通信，尤其所公开的装置适合毫米波乃至太赫兹远距离通信波达角的快速估计。

前述仅描述了本发明的一些实施例，本领域的技术人员可以在不偏离本发明的范围和精神的情况下对其进行修改和改变，所述实施例是说明性的而不是限制性的。如果这些修改和改变属于本发明权利要求及其等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些修改和改变在内。

Claims (1)

1.一种到达角估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S21：在多个符号周期内按预先设定的相移进行设置，即，对每个相移器的相移值进行设置,其取值为

=

(1)

其中，

表示在第t个训练符号周期时，其中，t=0,…,T-1中任一个，第m个子阵列的第n个相移器的相移值,其中，m=0,…,M-1中任一个，n=0,…,N-1中任一个；

；

和

分别表示子阵（121）的数量和每个子阵中阵子（122）的数量，令

的取值为偶数，

的取值为整数；

表示训练符号的数量，

表示系统中采用不同相移的总数；

步骤S22：获取每个信号转换模块输出的数字基带信号，该数字基带信号为每个相移器输出模拟信号合并后经数字化产生的波束成型；

步骤S23：计算每个符号周期所有相邻信号转换模块输出的互相关

，m=0,…,M-2，

表示在第t个符号周期中第m个信号转换模块( 11) 的输出信号；

步骤S24：对

的符号进行校正；其中，在每个符号周期分别找到具有最大幅值

所对应的子阵索引

，对

的符号按照下式（2）进行校正，得到

；

(2)

其中，

表示指示函数；

步骤S25：利用下式（3）对

个符号周期内的

计算得到相邻子阵相位差估计；

(3)

步骤S26：利用步骤S25得到的

对所有信号转换模块输出的信号进行校正，得到校正后的信号为：

(4)

步骤S27：根据

取值的奇偶性，对步骤26校正后的输出信号进行IDFT计算；

其中，当

为偶数时，对

进行

点的IDFT计算得到

; 当

为奇数时，对

和

分别进行

点的IDFT计算得到

和

；

步骤S28：对步骤27中IDFT计算子模块( 132) 输出按照等式（5）和（6）进行计算，得到

的估计

：

,

为偶数; (5)

和

,

为奇数; (6)

从而得到到达角估计并输出

(7)

其中，

表示相邻阵子的间距；

表示来波波长。

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