CN116015372B

CN116015372B - 大规模mimo数字信息传输方法、系统、设备及介质

Info

Publication number: CN116015372B
Application number: CN202211703357.7A
Authority: CN
Inventors: 王宇弘; 彭静怡; 张婷婷; 石将凡; 尹大力
Original assignee: China Asean Information Harbor Co ltd; China Industrial Control Systems Cyber Emergency Response Team
Current assignee: China Asean Information Harbor Co ltd; China Industrial Control Systems Cyber Emergency Response Team
Priority date: 2022-12-29
Filing date: 2022-12-29
Publication date: 2023-09-12
Anticipated expiration: 2042-12-29
Also published as: CN116015372A

Abstract

本发明涉及一种大规模MIMO的数字信息传输方法、系统、设备及介质，包括：接收用户发送的导频信号；基于分数傅里叶变换估计导频信号对应信道参数；通过估计的信道参数恢复完整信道，并基于恢复后的完整信道进行数字信息传输。本发明通过参数估计和信道恢复实现对大规模MIMO近场信道的精确估计，有效地解决大规模MIMO近场信道无法精确估计的问题。

Description

大规模MIMO数字信息传输方法、系统、设备及介质

技术领域

本发明是关于一种大规模MIMO数字信息传输方法、系统、设备及介质，涉及无线移动通信技术领域。

背景技术

为满足日益增长的业务需求，使用毫米波(30GHz-300GHz，5G标准采纳)、太赫兹(0.1THz-10THz)等高频段提供的极高带宽进行移动通信将成为未来移动通信网络的重要技术手段。然而，在频谱资源丰富的毫米波、太赫兹等频段，无线传播存在严重的路径损耗，以0.16THz频段的太赫兹信号为例，其传播过程将会经历高达80dB/km的严重路损。

大规模多输入多输出(multi-input multi-output，MIMO)技术被公认为是攻克这一挑战的关键技术之一。通过配置超大规模天线阵列(比如256根天线)，大规模MIMO技术形成具有极高阵列增益的方向性波束，能够补偿高频段的路径损耗，同时提高系统的频谱效率。

目前大规模MIMO技术已经成为了学术界与工业界的研究热点，在最新的3GPP R15标准中正式采纳为5G的物理层技术。得益于高频段信号的高路径衰减，在高频通信系统中，多径数量通常较少，这为信道估计提供了极大的方便，将接收信号通过傅里叶变换变换到角度域，可以提取出各径的角度参数，为信道估计提供了极大的方便。然而为了抵偿高频段信号的严重路径衰减问题，基站端通常采用大规模天线阵列来获得大的能量增益，随着天线规模的不断增大，大规模MIMO通信系统中的用户将很有可能位于天线的近场范围内，这将导致传统的基于傅里叶变换的信道估计方法性能下降，其原因在于：传统的基于傅里叶变换的信道估计方法采用了平面波假设，即假设用户位于基站天线的远场，电磁波近似为平面波传输。然而，当用户位于近场时，已有研究表明，电磁波无法近似为平面波传输，而是以球面波形式传输，这将导致傅里叶变换对应的角度域稀疏性不复存在，如果采用传统的基于傅里叶变换的信道估计将会造成严重的信道估计精度损失。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，针对上述问题，本发明的目的是提供一种大规模MIMO数字信息传输方法、系统、设备及介质，能够提取近场信道稀疏性来估计大规模MIMO信道，从而解决大规模MIMO近场信道估计不准确的问题。

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案为：

第一方面，本发明提供的大规模MIMO的数字信息传输方法，包括：

接收用户发送的导频信号；

基于分数傅里叶变换估计导频信号对应信道参数；

通过估计的信道参数恢复完整信道，并基于恢复后的完整信道进行数字信息传输。

本发明的一个优选实施例中，基站接收用户发送的导频信号，基站采用集中式MIMO，网络采用单载波或多载波网络，频段为毫米波或太赫兹。

本发明的一个优选实施例中，基于分数傅里叶变换估计导频信号对应信道参数，包括：

将接收的导频信号变换到分数傅里叶变换域；

选取变换域能量最大的L个点，即对应着每条径；

通过这L个点的坐标估计出每条径的信道参数。

本发明的一个优选实施例中，对于每条径，通过提取分数傅里叶变换域极大值点对应的坐标和阶数，完成对每条径的参数估计，其中：

对应角度估计值为：

对应距离估计值为：

式中，csc的运算符表示余割，和/>为分数傅里叶变换域坐标和阶数，c表示光速，f_c表示系统中心频点。

本发明的一个优选实施例中，通过估计的信道参数恢复完整信道，包括：

基于和/>估计各径对应的增益g_l；

将和g_l代入下述公式进行信息组合，恢复出该大规模MIMO通信的完整信道，其中，

式中，h表示信道，l表示第l条径，L表示总多径数，k表示波数，r_l表示阵列中心到散射体的距离，θ_l表示散射体到阵列中心的角。

本发明的一个优选实施例中，对于每条径而言，各径对应的增益g_l为：

式中，a(θ_l,r_l)为近场天线阵列响应矢量，y为接收信号，H为共轭转置。

第二方面，本发明还提供一种大规模MIMO的数字信息传输系统，包括：

信号接收单元，被配置为接收用户发送的导频信号；

信号参数估计单元，被配置为基于分数傅里叶变换估计导频信号对应信道参数；

信道恢复模块，被配置为通过估计的信道参数恢复完整信道，基于恢复后的完整信道进行数字信息传输。

本发明的一个优选实施例中，所述信号接收单元基于基站进行实现，基站采用集中式MIMO，网络采用单载波或多载波网络，频段为毫米波或太赫兹。

第三方面，本发明还提供一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行所述方法中的任一方法。

第四方面，本发明还提供一种电子设备，包括：一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行所述方法中的任一方法的指令。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下特点：

1、本发明分为参数估计和信道恢复两个阶段，在参数估计阶段，通过将信道估计阶段接收信号变换到分数傅里叶域，基于变换后信号的分数傅里叶阶次与角度估计原始多径信道每条径的角度和距离参数；在信道恢复阶段，基于先前估计的参数恢复原始信道；本发明通过参数估计和信道恢复两个阶段实现对大规模MIMO近场信道的精确估计，有效地解决大规模MIMO近场信道无法精确估计的问题。

2、本发明中分数傅里叶变换起到了关键作用，通过将接收信号变换到分数傅里叶变换域，得以重新提取大规模MIMO近场信道的稀疏性，从而估计近场信道的角度和距离参数，以此实现精确的信道预测。

综上，本发明所提供的信道估计方案相比于传统基于傅里叶变换的方法可提升信道估计精度，可以广泛应用于无线移动通信中。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例的近场信道示意图；

图2本发明实施例的大规模MIMO数字信息传输方法原理图；

图3为本发明实施例的接收信号分数傅里叶变换域示意图；

图4为本发明实施例的各径分数傅里叶变换域示意图；

图5为本发明实施例的面向大规模MIMO的信道估计框架性能图；

图6为本发明实施例的电子设备结构图。

具体实施方式

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。

由于当用户位于近场时，电磁波无法近似为平面波传输而是以球面波形式传输，这将导致傅里叶变换对应的角度域稀疏性不复存在，如果采用传统的基于傅里叶变换的信道估计方法，将会造成严重的信道估计精度损失。本发明提供的大规模MIMO数字信息传输方法、系统、设备及介质，包括：接收用户发送的导频数据；基于分数傅里叶变换估计导频数据对应的信道参数；通过估计的信道参数恢复完整信道。因此，本发明旨在用户位于天线近场范围内，传统基于傅里叶变换的信道估计方法性能下降时，仍能精确估计信道参数。本发明可以实现对近场信道的高精度预测，同时，在远场场景下，本发明也可以自然转变为传统基于傅里叶变换的信道估计方法，能够有效地解决用户位于天线近场范围带来的信道估计精度损失。

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例一：如图1所示的近场信道示意图，包括基站、散射体和用户，假定基站的天线数为N，用户数为K，每个用户的天线数为1，该多径信道可以表示为：

式中，h表示信道，l表示第l条径，L表示总多径数，g_l表示各径对应的增益，k表示波数，f_c表示中心频点，c表示光速，r_l表示阵列中心到散射体的距离，θ_l表示散射体到阵列中心的角度。

近场天线阵列响应矢量即可写为其中，/> r_l(n)表示第n个天线单元到散射体的距离，其表达式为：

式中，d表示天线间距，其取值为半波长，即在高频通信系统中，由于信号衰减较大，所以通信系统中的多径数有限，这意味着只要找到合适的表征方式，信道则可以用很少的特征值来完整表征。在传统远场信道中，通过傅里叶变换将信道转换到角度域，则只有极少的格点有值，但在近场信道中，由于r_l(n)与天线的标号n不是线性关系，所以如果直接运用傅里叶变换将近场信道变换到角度域，它无法准确描述近场信道的稀疏特性，从而无法准确估计大规模MIMO近场信道。由上面的表达式可以看出，近场信道需要角度和距离两个参数进行表示，所以需要找到一种更为普适的变换域来获得近场信道。

本发明对r_l(n)的表达式进行泰勒展开，将其近似化为：

代入阵列响应矢量，可以得到：

该式的指数项是关于天线编号n的一个二次形式，这和线性调频信号Chirp信号有形式上的相似性。

具体而言，传统傅里叶变换可以将信号从时间域变换到频率域，所以对单一频率的分析有很大的帮助，但是对于线性调频信号，其在频率域会连续分布在一段频率区间，此时单从频率角度分析则无法提取信号特征，而分数傅里叶变换可以同时提取信号在时间和频率两个维度的信息，为分析这一类信号提供了强有力的支持。

分数傅里叶变换表达式如下：

式中，α为分数傅里叶变换的阶数，u是变换域坐标，t表示原函数自变量，特别的，当α＝π/2时，分数傅里叶变换将退化为传统傅里叶变换，这也说明所提方法可以同时适用于远场信道估计和近场信道估计。

如图2所示，基于上述分数傅里叶变换原理，本实施提供的大规模MIMO的数字信息传输方法，包括：

S1、基站接收用户发送的导频信号

本实施例中，基站为集中式MIMO，网络不限于单载波和多载波网络，频段为毫米波或太赫兹等高频段，可以采用任何网络和频段，在此不做限制。其中，导频信号是由用户发射的用户基站双方均已知的一段信号，其作用是用来估计信道信息。

S2、基于分数傅里叶变换估计导频信号对应信道参数，得以重新提取大规模MIMO近场信道的稀疏性，从而估计近场信道的角度和距离参数。

本实施例中，通过将基站接收的导频信号变换到分数傅里叶变换域，提取信道的稀疏特性，基于变换后信号的分数傅里叶阶次与角度估计原始多径信道每条径的角度和距离参数。

本实施例将基站接收的导频信号变换到分数傅里叶变换域，选取变换域能量最大的L个点，即对应着每条径，通过这L个点的坐标即可估计出每条径的参数。

具体而言，在信道估计时，由用户向基站上行发送导频信号，假设发送全1导频，即发送的符号均为1，则基站接收导频信号为：

式中，P为发射功率，w为加性高斯白噪声，那么，对于接收信号y，其可以建模为几个Chirp信号的叠加。

如图3所示，本实施例三条路径在分数傅里叶变换域表现为三个清晰的格点，其中，横坐标表示傅里叶变换域坐标，纵坐标表示傅里叶变换阶次，由此可见，分数傅里叶变换成功提取了近场信道的稀疏性，将不同阶次分别提取，可以得到如图4所示的各径对应的分数傅里叶变换域示意图，可以更清晰得看到，不同径均呈现出明显得稀疏性。

进一步地，对于每条径，通过提取分数傅里叶变换域极大值点对应的坐标和阶数u和α，可以完成对各条径的参数进行估计。具体而言，对于某一条径而言，设其对应的分数傅里叶变换域坐标和阶数为和/>

对应角度估计值为：

式中，csc的运算符表示余割，即1/sin。

对应的距离估计值为：

式中，c表示光速，f_c表示系统中心频点。

基于上述公式完成参数估计，本实施例通过将接收信号变换到分数傅里叶变换域，提取各径的角度和距离参数。

S3、通过估计的信道参数恢复完整信道，基于恢复后的完整信道进行数字信息传输。

本实施例中，对各径参数采用最小二乘方法恢复其对应信道，并将各径对应信道信息组合，恢复出该大规模MIMO通信系统完整信道，包括：

基于和/>估计各径对应的增益g_l；

将和g_l代入公式(1)进行信息组合，恢复出该大规模MIMO通信的完整信道。

进一步地，对于每条径而言，各径对应的增益g_l为：

至此，根据所估计的参数，恢复完整信道。

如图5所示，对本发明方法进行仿真验证发现，本发明所提出的面向大规模MIMO的信道估计方法相比传统的基于傅里叶变换的信道估计方法在近场场景下获得了近15dB的性能增益，全面提升了近场场景下的信道估计性能。

实施例二：上述实施例一提供了大规模MIMO数字信息传输方法，与之相对应地，本实施例提供一种大规模MIMO数字信息传输系统。本实施例提供的系统可以实施实施例一的大规模MIMO数字信息传输方法，该系统可以通过软件、硬件或软硬结合的方式来实现。为了描述的方便，描述本实施例时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施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。例如，该系统可以包括集成的或分开的功能模块或功能单元来执行实施例一各方法中的对应步骤。由于本实施例的系统基本相似于方法实施例，所以本实施例描述过程比较简单，相关之处可以参见实施例一的部分说明即可，本发明提供的大规模MIMO数字信息传输系统的实施例仅仅是示意性的。

具体地，本发明提供的大规模MIMO的数字信息传输系统，包括：

信号接收单元，被配置为接收用户发送的导频信号；

本实施例中，信号接收单元基于基站进行实现，基站采用集中式MIMO，网络采用单载波或多载波网络，频段为毫米波或太赫兹。

实施例三：本实施例提供一种与本实施例一所提供的大规模MIMO数字信息传输方法对应的电子设备，电子设备可以是用于客户端的电子设备，例如手机、笔记本电脑、平板电脑、台式机电脑等，以执行实施例一的方法。

如图6所示，电子设备包括处理器、存储器、通信接口和总线，处理器、存储器和通信接口通过总线连接，以完成相互间的通信。总线可以是工业标准体系结构(ISA，IndustryStandard Architecture)总线，外部设备互连(PCI，Peripheral Component)总线或扩展工业标准体系结构(EISA，Extended Industry Standard Component)总线等等。存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序时执行以执行如下上述方法，其实现原理和技术效果与实施例一类似，在此不再赘述。本领域技术人员可以理解，图6中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算设备的限定，具体的计算设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

在一个优选的实施例中，上述的存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在一个优选的实施例中，处理器可以为中央处理器(CPU)、数字信号处理器(DSP)等各种类型通用处理器，在此不做限定。

实施例四：本实施例提供一种计算机程序产品，计算机程序产品可以是包括存储在计算机可读存储介质上的计算机程序，计算机程序包括程序指令，当程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述实施例一所提供的方法，其实现原理和技术效果与实施例一类似，在此不再赘述。

在一个优选的实施例中，计算机可读存储介质可以是保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备，例如可以是但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意组合。计算机可读存储介质存储计算机程序指令，该计算机程序指令使计算机执行上述实施例一提供的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。在本说明书的描述中，参考术语“一个优选的实施例”、等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

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、嵌入式处理机或其他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他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。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他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多个流程和/或方框图一个方框或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他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他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，从而在计算机或其他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。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种大规模MIMO的数字信息传输方法，其特征在于包括：

接收用户发送的导频信号；

基于分数傅里叶变换估计导频信号对应信道参数，包括：

将接收的导频信号变换到分数傅里叶变换域；

选取变换域能量最大的L个点，即对应着每条径；

通过这L个点的坐标估计出每条径的信道参数，其中，对于每条径，通过提取分数傅里叶变换域极大值点对应的坐标和阶数，完成对每条径的参数估计，其中：

对应角度估计值为：

对应距离估计值为：

式中，csc的运算符表示余割，和/>为分数傅里叶变换域坐标和阶数，c表示光速，f_c表示系统中心频点；

2.根据权利要求1所述的大规模MIMO的数字信息传输方法，其特征在于，基站接收用户发送的导频信号，基站采用集中式MIMO，网络采用单载波或多载波网络，频段为毫米波或太赫兹。

3.根据权利要求1所述的大规模MIMO的数字信息传输方法，其特征在于，通过估计的信道参数恢复完整信道，包括：

基于和/>估计各径对应的增益g_l；

4.根据权利要求3所述的大规模MIMO的数字信息传输方法，其特征在于，对于每条径而言，各径对应的增益g_l为：

5.一种大规模MIMO的数字信息传输系统，其特征在于包括：

信号接收单元，被配置为接收用户发送的导频信号；

信号参数估计单元，被配置为基于分数傅里叶变换估计导频信号对应信道参数，包括：

将接收的导频信号变换到分数傅里叶变换域；

选取变换域能量最大的L个点，即对应着每条径；

对应角度估计值为：

对应距离估计值为：

6.根据权利要求5所述的大规模MIMO的数字信息传输系统，其特征在于，所述信号接收单元基于基站进行实现，基站采用集中式MIMO，网络采用单载波或多载波网络，频段为毫米波或太赫兹。

7.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行如权利要求1至4所述方法中的任一方法。

8.一种电子设备，其特征在于，包括：一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行如权利要求1至4所述方法中的任一方法的指令。