CN114285705B - 一种信道估计方法、装置及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种信道估计方法、装置及电子设备。在本申请中,当需要进行信道估计时,由基站侧基于使发射信号与单位导频信号相同的原则确定用于进行混合预编码的相关矩阵参数,进而使经过混合预编码获得的发射信号与导频信号等价。在此基础上,由于导频信号可以基于基站与终端间采用的通讯协议确定,因此利用预编码获得的发射信号与导频信号等价的特性克服了常规的信道估计方法中接受侧设备无法获取经信道传输前的发射信号的缺陷,从而结合接收到的由上述发射信号经信道传输后产生的接收信号,实现了对于信道的估计。
Description
技术领域
本申请涉及通信技术,特别涉及一种信道估计方法、装置及电子设备。
背景技术
毫米波通信在传输信道模型、衰落特性、散射特性、稀疏特性等方面区别于传播的无线通信系统,其在具备速率高、延迟低、带宽高等优势的同时,也存在着衰减明显、穿透深度低、覆盖范围小等问题,导致毫米波难以直接应用于大范围覆盖的移动通信场景,需要进行多进多出(MIMO:Multiple-In Multiple-Out)预编码以补偿毫米波频段上相对较高的传播损耗。
目前,基站侧为平衡成本与效果广泛采用了混合预编码结构,即将预编码分为数字预编码和模拟预编码两个部分实现,以取代需要更多射频链路、硬件成本更高的全数字预编码结构。
然而,在毫米波通信过程中需要确定信道的状态信息,且目前常规的信道估计算法存在着无法获取混合预编码结构下基站信号发送天线到终端设备接收天线间完整的信道估计矩阵的问题,从而难以在此基础上进行预编码。
发明内容
本申请实施例提供了一种信道估计方法、装置及电子设备,通过对导频信号进行模拟域和数字域的预编码后作为发射信号使用,以结合该发射信号经过信道传输后得到的接收信号实现对信道的估计。
第一方面,本申请实施例提供了一种信道估计方法,该方法应用于具有混合预编码结构的基站,上述方法包括:
在一可能的实现方式中,上述根据发射信号与单位导频信号相同的原则,确定是否存在满足条件的模拟预编码矩阵和数字预编码矩阵,包括:
在一可能的实现方式中,上述数字预编码矩阵通过下式表示:
在一可能的实现方式中,上述模拟预编码矩阵通过下式表示:
按照下式确定信道估计矩阵:
第二方面,本申请实施例提供了一种信道估计装置,该装置应用于具有混合预编码结构的基站,上述装置包括:
信道确定单元,在确定存在满足条件的模拟预编码矩阵和数字预编码矩阵时,依据满足条件的模拟预编码矩阵和数字预编码矩阵向终端发送发射信号以使终端根据接收到的来自上述基站的接收信号和流数为上述的导频信号确定信道估计矩阵。
在一可能的实现方式中,上述矩阵确定单元中上述根据发射信号与单位导频信号相同的原则,确定是否存在满足条件的模拟预编码矩阵和数字预编码矩阵,包括:
在一可能的实现方式中,上述矩阵确定单元中上述数字预编码矩阵通过下式表示:
在一可能的实现方式中,上述矩阵确定单元中上述模拟预编码矩阵通过下式表示:
按照下式确定信道估计矩阵:
第三方面,本申请实施例还提供了一种电子设备,该电子设备包括:处理器和机器可读存储介质;
上述机器可读存储介质存储有能够被上述处理器执行的机器可执行指令;
上述处理器用于执行机器可执行指令,以实现上述公开的方法的步骤。
第四方面,一种机器可读存储介质,上述机器可读存储介质存储有机器可读指令,上述机器可读指令在被处理器调用和执行时,上述机器可读指令促使上述处理器实现上述公开的方法的步骤。
由以上技术方案可以看出,当需要进行信道估计时,由基站侧基于使发射信号与单位导频信号相同的原则确定用于进行混合预编码的相关矩阵参数,进而使经过混合预编码获得的发射信号与导频信号等价。在此基础上,由于导频信号可以基于基站与终端间采用的通讯协议确定,因此利用预编码获得的发射信号与导频信号等价的特性克服了常规的信道估计方法中接受侧设备无法获取经信道传输前的发射信号的缺陷,从而结合接收到的由上述发射信号经信道传输后产生的接收信号,实现了对于信道的估计。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分,示出了符合本公开的实施例,并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1为本申请实施例提供的一种基站架构示意图;
图2为本申请实施例提供的方法流程图;
图3为本申请实施例提供的装置结构图;
图4为本申请实施例提供的电子设备结构图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明,其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时,除非另有表示,不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反,它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的,而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式,除非上下文清楚地表示其他含义。
为了使本领域技术人员更好地理解本申请实施例提供的技术方案,并使本申请实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图对本申请实施例中技术方案作进一步详细的说明。
在毫米波通信中,为弥补毫米波频段上相对较高的传播损耗,需要通过预编码技术对毫米波信号进行补偿以提升其信号覆盖能力。其中,毫米波通常指波长为1至10毫米的电磁波,对应于30GHz至300GHz之间的信号频段;但在5G领域中,也可以将与Sub-6G(6GHz以下的频段)相对应的24GHz至300GHz之间的高频频段称为毫米波频段,本实施例中对于接受预编码的毫米波信号具体对应的信号频段不进行限定。
参见图1,图1为本申请实施例提供的一种基站混合预编码架构示意图,图中从左至右分别为基站天线、包含若干个移相器的模拟预编码模块、用于连接模拟预编码模块和数字预编码模块的射频链路(RF Chain:Radio Frequency Chain)、数字预编码模块(Digital Processing);图中表示基站的基站天线数量,表示射频链路的数量,表示后续流程中从图中右侧输入至该混合预编码架构的导频信号的流数。
传统的全数字MIMO系统通常在基站处进行全数字预编码,为使基站自由控制信号的幅度和相位,需要要求基站配置的射频链路数量和基站发射天线数量相等,导致成本很高,而采用混合预编码架构能够有效降低射频链路的数量需求,从而在性能损失可以接受的前提下降低硬件成本,例如可以采用图1中所示的混合预编码架构。
在常规的基于混合预编码结构中,由于接收设备侧无法直接获取基站侧的发射信号或模拟预编码相关数据,因此需要采用方向角对毫米波的关键路径进行估计以确定信道参数,以满足预编码及毫米波通信的数据需求;然而,该方式主要依赖于获取基站和终端设备的信号收发方向角,测量方法复杂且需要用到装备大规模的天线的特殊终端设备用于测量信号接收角度,方案实现较为复杂且无法应用于天线数量相对较少的常规终端。
对此,本申请实施例提供了一种信道估计方法。参见图2,图2为本申请实施例提供的方法流程图。该流程可应用于任意具有混合预编码结构的基站,例如图1中所示的混合预编码结构或其它混合预编码架构;且本方法中涉及的用于进行信号接收的终端可以为手机、个人电脑、导航设备、可穿戴设备等任意具备常规信号接收能力的电子设备。
如图2所示,该流程可包括以下步骤:
在本实施例中,针对混合预编码结构中的模拟预编码模块、数字预编码模块,分别配置与其对应的模拟预编码矩阵A、数字预编码矩阵D,用于后续以矩阵A、矩阵D、待处理信号对应矩阵计算该待处理信号经过上述模拟预编码模块和数字预编码模块处理后获得的信号。
在本实施例中,由于终端侧无法获取基站侧通过天线实际发送出的发射信号,因此这里可以将导频信号作为上述待处理信号,以导频信号经过模拟预编码模块和数字预编码模块后获得的信号作为发射信号。利用终端侧可以基于终端与基站间的通讯协议确定经混合预编码前的导频信号的特点,在导频信号与发射信号构成特定关系时,以可知的导频信号代替不可知的发射信号从而实现后续的信道计算方式,上述导频信号与发射信号间的特定关系可以为两种信号等效或成一定比率关系等。
作为一个可选的实施例,可基于上述混合预编码架构中的基站天线数量和射频链路数量将模拟预编码矩阵A的维度配置为,使矩阵A中个元素恰与模拟预编码模块中个移相器相匹配;此时可配置数字预编码矩阵D的维度为,使得矩阵A·D的维度为,其中P为待设置的实数,在物理意义上与导频信号的流数关联。因此,可基于对矩阵A·D的维度的需求配置矩阵A、矩阵D的维度,并以此确定导频信号的流数。
例如,在一个优选的实施例中,需要配置矩阵A、矩阵D的维度以使矩阵A·D为方阵,即矩阵A·D的维度为且,此时即可令矩阵D的维度为且,即令导频信号的流数等于上述基站的基站天线数,从而实现依据已配置的模拟预编码矩阵的维度和数字预编码矩阵的维度,确定导频信号的流数。
步骤202,根据发射信号与单位导频信号相同的原则,确定是否存在满足条件的模拟预编码矩阵和数字预编码矩阵;
在本实施例中,上述单位导频信号依据已配置的单位矩阵与流数为上述的导频信号的乘积确定:例如,当时,可以定义流数为的导频信号对应的维的矩阵为,定义矩阵F为维的单位矩阵,则上述单位导频信号即为;上述发射信号即为导频信号经过混合预编码后实际通过天线发射的信号,可以依据模拟预编码矩阵A、数字预编码矩阵D、矩阵的乘积确定。
在本实施例中,后续需要依据计算确定的模拟预编码矩阵和数字预编码矩阵对应配置模拟预编码模块和数字预编码模块的相关参数,以使导频信号经过混合预编码后通过基站天线发送的发射信号与经混合预编码前的导频信号等同;因此,在步骤202中,需要先依据发射信号与单位导频信号相同的原则,判断是否存在满足条件的模拟预编码矩阵A和数字预编码矩阵D。具体的判断过程有多种方式,后续将结合具体实施例给出其中一种可选的实施方式,这里暂不赘述。
步骤203,在确定存在满足条件的模拟预编码矩阵和数字预编码矩阵时,依据满足条件的模拟预编码矩阵和数字预编码矩阵向终端发送发射信号以使终端根据接收到的来自上述基站的接收信号和流数为上述的导频信号确定信道估计矩阵。
在本实施例中,基于前述步骤202确定存在满足上述条件的矩阵A和矩阵D后,会计算确定至少一组满足条件的解,并依据该组解的具体数值对混合预编码模块中的相关参数进行配置,以使导频信号经过混合预编码后得到的发射信号与单位导频信号相同,具体的计算求解及配置方式有多种,后续将结合具体实施例给出其中一种可选的实施方式,这里暂不赘述。
在本实施例中,通过基站天线发送导频信号经混合预编码后得到的发射信号,该发射信号经信道传输后抵达终端的接收天线时即变为接收信号,本实施例所提供的方法目的即为依据发射信号和接收信号实现对于基站发射天线到终端接收天线之间的完整信道的估计,从而利用求解获得的信道参数指导后续的预编码方案设计或指导终端对于后续接收到的信号的解析,等等,本实施例对于确定信道参数后对于该参数的具体用途不进行限定。
在本实施例中,信道参数的求解过程可以在终端侧执行,例如,可以由终端接收到来自基站的上述接收信号后,依据与基站间的通讯协议确定相应的导频信号,并利用发射信号与单位导频信号相等的特点以导频信号求解信道估计矩阵,获得信道参数,从而将该信道参数传输回基站侧使用或在终端侧使用。后续将结合具体实施例给出其中一种可选的依据接收信号和导频信号求解信道估计矩阵的方式,这里暂不赘述。
至此,完成图2所示流程。
通过图2所示流程可以看出,在本实施例中当需要进行信道估计时,由基站侧基于使发射信号与单位导频信号相同的原则确定用于进行混合预编码的相关矩阵参数,进而使经过混合预编码获得的发射信号与导频信号等价。在此基础上,由于导频信号可以基于基站与终端间采用的通讯协议确定,因此利用预编码获得的发射信号与导频信号等价的特性克服了常规的信道估计方法中接受侧设备无法获取经信道传输前的发射信号的缺陷,从而结合接收到的由上述发射信号经信道传输后产生的接收信号,实现了对于信道的估计。
为了使本领域技术人员更好地理解本申请实施例提供的技术方案,下面结合具体实施例,示例性给出其中一组模拟预编码矩阵A和数字预编码矩阵D的存在性确定与求解、预编码模块配置以及信道估计矩阵求解的具体计算过程:
在信道估计方式中,需要基于以下公式1确定信道估计矩阵H:
其中,Y为终端实际接收到的接收信号;X为基站侧实际发送的发射信号;H为信道估计矩阵,用于表示信号在经信道传输时产生变化的情况;n为噪声,可通过在终端侧进行降噪处理等操作以减小噪声影响,从而使求解信道估计矩阵H的过程中噪声n可忽略。
而在混合预编码架构下的毫米波通信场景中,由于终端侧难以直接获取发射信号X,因此需要在基站侧对混合预编码模块进行相应处理,以使终端侧能够以可通过通讯协议获取的导频信号代替发射信号进行信道估计矩阵H的求解运算。
其中,A为上述模拟预编码矩阵,将其维度配置为;为上述数字预编码矩阵,将其维度配置为;为表示导频信号的矩阵,将其维度配置为;具体地,上述表示基站天线数,上述表示基站配置的RF链数,上述表示导频信号的流数。
在此基础上,结合上述公式2、公式3,可以得到以下公式4:
即对于任意可使上述公式4成立的{A,D},可以满足本实施例中后续确定信道估计矩阵H时以导频信号替换发射信号进行求解的需求;因此,可以通过确定是否存在至少一组满足公式4中条件的{A,D}以确定公式3是否能够成立。
作为一个可选的实施例,可以通过以下方式确定是否存在至少一组满足公式4中条件的{A,D}:
在本实施例提供的信道估计过程中,需要模拟预编码模块与数字预编码模块间至少激活两条射频链路以完成信道估计,即上述指定值k≥2,由于具体激活的射频链路数量不会影响信道估计矩阵H的计算结果,因此下文以k=2,即以激活两条射频链路进行信道估计为例进行方法介绍,实际使用中也可以基于相同的原理激活三条或以上射频链路进行信道估计,这里不再赘述;且在以激活两条射频链路的条件下完成信道估计后,后续基站发送业务数据时可以配置更多的射频链路以进行预编码,本实施例对此不进行限定。
为验证公式9是否成立,即是否存在实数α1、α2满足上述条件,将上述公式5、公式7、公式9代入上述公式4中,则有:
即,在实数α1、α2满足上述第一限制条件的情况下,存在至少一组{A,D}可使上述公式4、公式10成立;因此,可以通过判断实数是否满足上述第一限制条件以确定是否存在可使发射信号与单位导频信号相同的模拟预编码矩阵和数字预编码矩阵。上述代表维度为的矩阵中的第i个元素。
可选地,为简化计算,可以通过令中的各元素相等以简化上述第一限制条件:由于当k=2时,矩阵如公式9所示包含、两个元素,因此不妨令,此时可将上述第一限制条件表示为;同理,对于任意k≥2,不妨令,此时可将上述第一限制条件表示为。上述表示上述中元素的模的最大值。
在此基础上,可以进一步求解上述{A,D}的参数值。
作为一个可选的实施例,为计算矩阵D的参数值,可采用以下方式:
针对公式9求最佳逼近解获得以下公式11:
将上述公式11、公式12代入上述公式6,则有:
作为一个可选的实施例,为计算矩阵A的参数值,可采用以下方式:
将上述公式7、公式9、公式12代入上述公式4,则有:
因此,基站侧可通过协议中定义的导频信号解得矩阵A中各个元素的参数值,并基于计算结果针对模拟预编码模块进行参数配置,包括依据解得的相位集合对应设置模拟预编码模块中各个移相器对通过信号的相位改变量,等等。
至此,基站侧已确定可使发射信号与单位导频信号相同的模拟预编码矩阵A和数字预编码矩阵D的存在条件,并基于可通过通讯协议确定的导频信号求解获得了至少一组满足条件的矩阵A和矩阵D;在此基础上,可以依据解得的矩阵A和矩阵D对导频信号进行混合预编码以获得发射信号X,并通过基站天线将该发射信号X向终端发送。
需要说明的是,为简化计算,上述以k=2为例的计算过程中通过假定将第一限制条件简化表示为,作为{A,D}可使公式4成立的约束条件,以及,假定以求解得到一组满足条件的{A,D};应当清楚的是,上述假定并非必要条件,同理可以分别将和取为满足的实数值,以通过其它计算过程解得若干组满足条件的{A,D},本实施例对此不进行限定。
结合前述步骤203中的描述可知,本实施例中不限定执行信道参数求解的设备,故这里以终端侧进行求解为例进行介绍,其它设备求解信道参数的方式可以同理实现:
其中,接收信号Y由终端设备通过接收设备接收获得;F为单位矩阵;导频信号可基于终端与基站间的通讯协议确定,其流数可通过接收基站发射的下行控制信息(DCI:Downlink Control Information)确定;噪声n可通过在终端侧进行降噪处理等操作以减小噪声影响,从而使其对信道估计矩阵H的计算结果影响可忽略。
至此,通过一组可选的具体实施例对模拟预编码矩阵A和数字预编码矩阵D的存在性确定与求解、预编码模块配置以及信道估计矩阵求解的计算过程进行了示例性描述。
以上对本申请实施例提供的方法进行了描述,下面对本申请实施例提供的装置进行描述:
参见图3,图3为本申请实施例提供的装置结构图。该装置对应于图2所示的方法流程,可应用于任意具有混合预编码结构的基站。
如图3所示,该装置可包括:
信道确定单元303,在确定存在满足条件的模拟预编码矩阵和数字预编码矩阵时,依据满足条件的模拟预编码矩阵和数字预编码矩阵向终端发送发射信号以使终端根据接收到的来自上述基站的接收信号和流数为上述的导频信号确定信道估计矩阵。
在一可能的实现方式中,上述矩阵确定单元302中上述根据发射信号与单位导频信号相同的原则,确定是否存在满足条件的模拟预编码矩阵和数字预编码矩阵,包括:
在一可能的实现方式中,上述矩阵确定单元302中上述数字预编码矩阵通过下式表示:
在一可能的实现方式中,上述矩阵确定单元302中上述模拟预编码矩阵通过下式表示:
按照下式确定信道估计矩阵:
至此,完成图3所示装置的结构描述。
本申请实施例还提供了图3所示装置的硬件结构。参见图4,图4为本申请实施例提供的电子设备结构图。如图4所示,该硬件结构可包括:处理器和机器可读存储介质,机器可读存储介质存储有能够被所述处理器执行的机器可执行指令;所述处理器用于执行机器可执行指令,以实现本申请上述示例公开的方法。
基于与上述方法同样的申请构思,本申请实施例还提供一种机器可读存储介质,所述机器可读存储介质上存储有若干计算机指令,所述计算机指令被处理器执行时,能够实现本申请上述示例公开的方法。
示例性的,上述机器可读存储介质可以是任何电子、磁性、光学或其它物理存储装置,可以包含或存储信息,如可执行指令、数据,等等。例如,机器可读存储介质可以是:RAM(Radom Access Memory,随机存取存储器)、易失存储器、非易失性存储器、闪存、存储驱动器(如硬盘驱动器)、固态硬盘、任何类型的存储盘(如光盘、dvd等),或者类似的存储介质,或者它们的组合。
上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元,具体可以由计算机芯片或实体实现,或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机,计算机的具体形式可以是个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件收发设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任意几种设备的组合。
为了描述的方便,描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然,在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
本领域内的技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此,本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本申请实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可以由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其它可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其它可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
而且,这些计算机程序指令也可以存储在能引导计算机或其它可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或者多个流程和/或方框图一个方框或者多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其它可编程数据处理设备上,使得在计算机或者其它可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其它可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅为本申请的实施例而已,并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种信道估计方法,其特征在于,该方法应用于具有混合预编码结构的基站,所述方法包括:
根据发射信号与单位导频信号相同的原则,确定是否存在满足该原则的模拟预编码矩
阵和数字预编码矩阵;所述单位导频信号依据已配置的单位矩阵与流数为所述 的导频
信号的乘积确定,所述发射信号根据模拟预编码矩阵、数字预编码矩阵和导频信号矩阵乘
积确定;
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述根据发射信号与单位导频信号相同的原则,确定是否存在满足条件的模拟预编码矩阵和数字预编码矩阵,包括:
7.一种信道估计装置,其特征在于,该装置应用于具有混合预编码结构的基站,所述装置包括:
矩阵确定单元,根据发射信号与单位导频信号相同的原则,确定是否存在满足该原则
的模拟预编码矩阵和数字预编码矩阵;所述单位导频信号依据已配置的单位矩阵与流数为
所述 的导频信号的乘积确定,所述发射信号根据模拟预编码矩阵、数字预编码矩阵和导
频信号矩阵乘积确定;
9.一种电子设备,其特征在于,该电子设备包括:处理器和机器可读存储介质;
所述机器可读存储介质存储有能够被所述处理器执行的机器可执行指令;
所述处理器用于执行机器可执行指令,以实现权利要求1-6任一项所述的方法步骤。
10.一种机器可读存储介质,其特征在于,所述机器可读存储介质存储有机器可读指令,所述机器可读指令在被处理器调用和执行时,所述机器可读指令促使所述处理器实现权利要求1-6任一项所述的方法步骤。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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