CN116488969A - 信道均衡方法、装置、设备和存储介质 - Google Patents

信道均衡方法、装置、设备和存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明涉及通信技术领域，提供一种信道均衡方法、装置、设备和存储介质，方法包括：获取信道传输矩阵和接收到的信号的频域数据；基于信道传输矩阵和接收到的信号的频域数据，构建发射信号的目标优化函数；对目标优化函数的第一梯度下降方向和目标优化函数的第一梯度下降步长进行迭代计算，得到迭代终止时发射信号的第一估计值；将迭代终止时发射信号的第一估计值确定为发射信号的目标估计值。本发明通过构建发射信号的目标优化函数，对其第一梯度下降方向和第一下降步长进行迭代计算，使得估计值快速收敛，实现对接收到的信号的均衡处理，避免了对大规模信道估计协方差矩阵求逆的过程，减少运算量，从而降低信号均衡处理的复杂度，缩短时延。

Description

信道均衡方法、装置、设备和存储介质
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种信道均衡方法、装置、设备和存储介质。
背景技术
在通信系统中，为了能够充分利用信道的带宽，可以采用频分复用的方法。正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）方法的主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输，然后在接收端采用相关技术来区分正交信号，以减少子信道之间的相互干扰。因每个子信道上的信号带宽小于信道的信号带宽，故每个子信道上可以看成平坦性衰落，从而可以消除码间串扰（Inter Symbol Interference，ISI），而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。
现有技术中，目前OFDM系统下的信道均衡方案以线性均衡为主，其中又以最小均方误差（Minimum Mean Square Error，MMSE）均衡以及迫零（Zero-Forcing，ZF）均衡为代表。但无论是考虑了无线信道加性噪声的最小均方误差(MMSE)均衡还是忽略噪声的迫零(ZF)均衡，都需要对信道估计的协方差矩阵进行求逆，在实际应用中，一般需要对信道估计的协方差矩阵进行分解处理（如分解为对角阵，或者上三角阵/下三角阵）后，再进行矩阵求逆来降低运算复杂度。当矩阵规模增加时，尤其是随着大规模输入输出(Multiple-InputMultiple-Output，MIMO)在OFDM通信系统中的广泛应用，矩阵求逆的运算量也会随之而显著增加，导致接收端均衡处理过程复杂度升高，时延增大。
发明内容
本发明提供一种信道均衡方法、装置、设备和存储介质，用以解决现有技术中接收端均衡处理过程复杂度升高、时延增大的缺陷，实现降低接收端信号均衡处理的复杂度，缩短时延。
第一方面，本发明提供一种信道均衡方法，包括：
获取信道传输矩阵和接收到的信号的频域数据；
基于信道传输矩阵和接收到的信号的频域数据，构建发射信号的目标优化函数；
对目标优化函数的第一梯度下降方向和目标优化函数的第一梯度下降步长进行迭代计算，得到迭代终止时发射信号的第一估计值；
将迭代终止时发射信号的第一估计值确定为发射信号的目标估计值。
可选地，对目标优化函数的第一梯度下降方向和目标优化函数的第一梯度下降步长进行迭代计算，包括：
对目标优化函数的第一梯度下降方向和第一梯度下降步长进行迭代计算，并基于迭代计算过程中得到的第二梯度下降方向、第二梯度下降步长以及迭代终止条件，得到迭代终止时发射信号的第一估计值。
可选地，获取信道传输矩阵和接收到的信号的频域数据之前，还包括：
接收发送端发送的数据包；数据包用于承载配置信息；配置信息至少包括发送端的发送端口数量；
基于配置信息、接收端的接收天线数量设置迭代终止条件包括的参数；迭代终止条件包括的参数包括以下至少一项：信道估计协方差矩阵、等效频域数据、发射信号的第二估计值、第二梯度下降方向。
可选地，基于信道传输矩阵和接收到的信号的频域数据，构建发射信号的目标优化函数，包括：
基于信道传输矩阵、信道估计协方差矩阵以及接收到的信号的频域数据确定目标优化函数；
其中，信道估计协方差矩阵基于以下至少一项确定：信道传输矩阵、噪声方差和单位阵；单位阵表示矩阵维度为发送端的发送端口数量乘以发送端的发送端口数量的单位阵。
可选地，基于信道传输矩阵、信道估计协方差矩阵以及接收到的信号的频域数据联合确定目标优化函数，包括：
对信道传输矩阵的厄米特型和接收到的信号的频域数据进行相乘，得到等效频域数据；
基于信道估计协方差矩阵和等效频域数据，构建目标优化函数。
可选地，对目标优化函数的第一梯度下降方向和第一梯度下降步长进行迭代计算，包括：
基于发射信号的初始估计值、信道估计协方差矩阵以及等效频域数据确定初始梯度下降方向；
基于初始梯度下降方向、第一梯度下降方向以及信道估计协方差矩阵确定第一梯度下降步长；
基于第一梯度下降方向和第一梯度下降步长确定发射信号的第二估计值；
基于第一梯度下降方向和信道估计协方差矩阵，确定第二梯度下降步长；
基于发射信号的第二估计值、信道估计协方差矩阵以及等效频域数据更新第一梯度下降方向，确定第二梯度下降方向。
可选地，基于迭代计算过程中得到的第二梯度下降方向、第二梯度下降步长以及迭代终止条件，得到迭代终止时发射信号的第一估计值，包括：
基于第二梯度下降方向、第二梯度下降步长以及迭代终止条件，对发射信号的第二估计值进行迭代计算，得到迭代终止时发射信号的第二估计值；
将发射信号的第二估计值，确定为迭代终止时发射信号的第一估计值。
第二方面，本发明还提供一种信道均衡装置，包括：
获取模块，用于获取信道传输矩阵和接收到的信号的频域数据；
处理模块，用于基于信道传输矩阵和接收到的信号的频域数据，构建发射信号的目标优化函数；
对目标优化函数的第一梯度下降方向和目标优化函数的第一梯度下降步长进行迭代计算，得到迭代终止时发射信号的第一估计值；
将迭代终止时发射信号的第一估计值确定为发射信号的目标估计值。
第三方面，本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述信道均衡方法。
第四方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述信道均衡方法。
本发明提供的一种信道均衡方法、装置、设备和存储介质，该方法包括：通过基于获取到的信道传输矩阵和接收到的信号的频域数据，构建发射信号估计值的目标优化函数，然后对目标优化函数的第一梯度下降方向和目标优化函数的第一梯度下降步长进行迭代计算，得到迭代终止时发射信号的第一估计值，将迭代终止时发射信号的第一估计值确定为发射信号的目标估计值。本发明提供的方法对接收到的信号进行均衡处理，通过构建发射信号的目标优化函数，对其第一梯度下降方向和第一下降步长进行迭代计算，使得发射信号估计值快速收敛，避免了现有技术中对大规模信道估计协方差矩阵求逆的运算过程，大幅减少了运算量，从而降低接收端信号均衡处理的复杂度，缩短时延。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的信道均衡方法的流程示意图之一；
图2是本发明提供的信道均衡方法的流程示意图之二；
图3是本发明提供的信道均衡装置的结构示意图；
图4是本发明提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
为了便于更加清晰地理解本申请各实施例，对本发明实施例提供的信道均衡方法所应用的场景进行介绍。
在实际的无线信道中，由于存在多径影响而导致的码间干扰( Inter SymbolInterference，ISI)以及子载波间正交性不能精确保证时的子载波间干扰( inter-carrier-interference，ICI)，此外由于大规模输入输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)引入了信道空间多层传输，经过无线信道后会存在层间干扰以及加性噪声，因此需要在接收端通过均衡恢复出被传输的信号。简而言之，在移动通信系统中，多输入多输出系统 (Multiple-Input Multiple-Output， MIMO) 是用来描述多天线无线通信系统的抽象数学模型，在多天线无线通信系统中，发送端利用多个端口各自独立地发送信号，而在接收端则利用多个天线接收信号并恢复原始信息，这个过程称之为信道均衡。
考虑到实际应用的可行性，目前正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，OFDM)系统下的信道均衡方案是以线性均衡为主，其中又以最小均方误差(MMSE)均衡以及迫零(ZF)均衡为代表，目前的信道均衡方案主要是先建立信道传输矩阵以及信道传输矩阵的协方差矩阵，然后求信道估计的协方差矩阵的逆矩阵，通常情况下，首先需要对信道估计的协方差矩阵进行分解处理，如分解为对角阵，或者上三角阵/下三角阵)后，然后再进行矩阵求逆来降低运算复杂度。但目前的信道均衡方案存在以下不足：
使用此类信道均衡方法处理，当信道传输矩阵规模增加时，矩阵求逆的运算量也会随之而显著增加。尤其是随着大规模输入输出(MIMO)在OFDM通信系统中的广泛应用，使得信道估计的协方差矩阵的规模越来越大，矩阵求逆运算非常复杂，导致造成接收端均衡处理过程复杂度升高，时延增大，产品成本提升等问题。
基于上述不足，本发明提出一种避免对大规模信道估计协方差矩阵求逆的运算过程，降低接收端信号均衡处理的复杂度的信道均衡处理方法。
下面结合图1-图4以具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
图1是本发明实施例提供的信道均衡方法的流程示意图之一，如图1所示，该信道均衡方法包括以下步骤：
步骤101、获取信道传输矩阵和接收到的信号的频域数据；
可以理解的是，该方法的执行主体包括但不限于接收端能够被配置为执行本发明实施例提供的该方法的电子设备中的至少一种。换而言之，所述信道均衡方法可以由安装在接收终端设备的软件或硬件来执行，此实施例不对此进行限定。
在大规模输入输出(MIMO)的通信系统中，例如正交频分复用(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，OFDM)系统，通信信道的发送端和接收端均可以有多个端口(天线)。可以理解的是，发送端的每个端口都在独立地发送信号，信号在传输信道中传输，同时接收端的每个天线都在接收信号，接收的信号中包含发送端所有端口发送的信息，每条传输信道的输出信号中包括了所述传输信道所有发送信号的信息，既有通过本条传输信道输入端输入的信息，也有其他传输信道耦合过来的串扰信号，传输信道上发送端和接收端的信号关系可以用信道传输矩阵来描述。
示例性地,接收端的接收天线数量可以用表示，发送端的发送端口数量可以用表示，接收到的信号的信道传输矩阵则可以表示为/>, />指的是维度为接收端的接收天线数量乘以发送端的发送端口数量的信道传输矩阵。
例如，当, />时，接收到的信号的信道传输矩阵则可以表示为/>，也就是维度为/>的信道传输矩阵。
进一步地，通常对于信号的描述是以时间为自变量，表示成随时间变化的函数，在本实施例中接收到的信号的频域数据指的是对信号的描述是在频率域内进行表示，也就是说频域数据的表示形式是以频率成分为坐标的各种物理量的谱线和曲线，得到例如各种幅值谱、相位谱、功率谱和各种谱密度等。
在本步骤中，获取到传输信道矩阵和接收到的信号的频域数据后，将其作为下一个步骤（步骤102）的输入。
步骤102、基于信道传输矩阵和接收到的信号的频域数据，构建发射信号的目标优化函数；
首先，用步骤101中获取的传输矩阵，构建信道估计协方差矩阵，其中，信道估计协方差矩阵可以通过信道传输矩阵、噪声方差和单位阵联合确定或者至少其中一种元素确定，例如通过将信道传输矩阵的厄米特型与信道传输矩阵相乘，构建所述信道估计协方差矩阵；或者，考虑通信链路上叠加高斯白噪声，通过将信道传输矩阵的厄米特型与信道传输矩阵相乘的结果，再与噪声方差和单位阵相乘的结果叠加，得到构建的信道估计协方差矩阵。
然后，可以基于信道传输矩阵和接收端天线上收到的频域数据联合确定等效频域数据。
进一步地，通过上述构建的信道估计协方差矩阵和确定的等效频域数据，构建出发射信号的目标优化函数。所述构建的发射信号的目标优化函数中考虑了发送端的发送端口数量、接收端的接收天线数量、接收到的信号频域数据以及信道传输中其他影响因素例如加性噪声，所述加性噪声一般指热噪声、散弹噪声以及无线信道中的背景噪声等，它们与信号的关系是相加，不管有没有信号，噪声都存在。
示例性地，构建出的发射信号的目标优化函数为:
;
其中，所述构建的信道估计协方差矩阵为, 确定的等效频域数据为/>,/>为发射信号的目标估计值。
步骤103、对目标优化函数的第一梯度下降方向和目标优化函数的第一梯度下降步长进行迭代计算，得到迭代终止时发射信号的第一估计值；
从数学上的角度来看，梯度下降法简单来说就是一种寻找目标函数最小化的方法。梯度下降法的搜索方向顾名思义就是梯度方向，也就是当前点所在平面的最速下降方向，梯度的方向是函数增长速度最快的方向，反之就是函数减少最快的方向。
本实施例提供的方法中，在构建的发射信号的目标优化函数后，可以对目标优化函数的第一梯度下降方向和目标优化函数的第一梯度下降步长进行迭代计算，最终，可以得到迭代终止时发射信号的第一估计值。
步骤104、将迭代终止时发射信号的第一估计值确定为发射信号的目标估计值。
具体地，将上述迭代过程终止时得到的发射信号的第一估计值作为发射信号的目标估计值，即就是恢复出原始的发射信号。
本发明实施例提供的信道均衡方法，通过基于获取到的信道传输矩阵和接收到的信号的频域数据，构建发射信号估计值的目标优化函数，然后对目标优化函数的第一梯度下降方向和目标优化函数的第一梯度下降步长进行迭代计算，得到迭代终止时发射信号的第一估计值，将迭代终止时发射信号的第一估计值确定为发射信号的目标估计值。本发明提供的方法对接收到的信号的频域数据进行均衡处理，通过构建发射信号估计值的目标优化函数，对其第一梯度下降方向和第一下降步长进行迭代计算，使得发射信号估计值快速收敛，避免了现有技术中对大规模信道估计协方差矩阵求逆的运算过程，大幅减少了运算量，从而降低接收端信号均衡处理的复杂度，缩短时延。
可选地，对目标优化函数的第一梯度下降方向和目标优化函数的第一梯度下降步长进行迭代计算，可以包括：
对目标优化函数的第一梯度下降方向和第一梯度下降步长进行迭代计算，并基于迭代计算过程中得到的第二梯度下降方向、第二梯度下降步长以及迭代终止条件，得到迭代终止时发射信号的第一估计值。
具体地，在构建的发射信号的目标优化函数后，可以对目标优化函数的第一梯度下降方向和目标优化函数的第一梯度下降步长进行迭代计算，在迭代计算之前，可以初始化发射信号的目标估计值，得到发射信号的初始估计值，例如得到一个维度为发送端的端口数量，元素全为0的矩阵。
基于发射信号的初始估计值可以确定目标优化函数的初始梯度下降方向，也即第一梯度下降方向，基于第一梯度下降方向和信道估计协方差矩阵可以确定出第一梯度下降步长，基于确定的第一梯度下降步长和第一梯度下降方向可以得到发射信号的第二估计值；若判断迭代过程未达到终止条件时，则可以基于所述发射信号的第二估计值进一步确定第二梯度下降方向以及第二梯度下降步长，基于第二梯度下降方向以及第二梯度下降步长重新确定发射信号的第二估计值，依次类推，将上述过程进行迭代计算。可以理解的是，参照上述过程进行迭代，可以得到多个发射信号的第二估计值。
进一步地，可以预设迭代终止条件，当达到迭代终止条件时上述迭代计算的过程终止，可以得到一个确定的发射信号的第二估计值，将发射信号的第二估计值作为迭代终止时发射信号的第一估计值。可以理解的是，迭代终止条件为用户可以提前设置的条件，用于表示用户希望上述迭代运算在满足什么条件下停止，用户可以根据自身的需要进行定义，例如可以是与误差要求有关的参数。示例性地，所述迭代终止条件可以是第二梯度下降方向的模平方的阈值，也可以是等效频域数据和发射信号第二估计值的均方误差的阈值。
本发明实施例提供的信道均衡方法，通过对目标优化函数的第一梯度下降方向和第一梯度下降步长进行迭代计算，得到迭代计算过程中的第二梯度下降方向、第二梯度下降步长，根据迭代计算过程中的第二梯度下降方向、第二梯度下降步长以及预设的迭代终止条件，最终得到迭代终止时发射信号的第一估计值。通过提前设置迭代终止条件，使得迭代运算可以在满足误差要求时及时停止，缩短均衡处理过程的时长。
可选地，获取信道传输矩阵和接收到的信号的频域数据之前，方法还可以包括：
接收发送端发送的数据包；数据包用于承载配置信息；配置信息至少包括发送端的发送端口数量；
基于配置信息、接收端的接收天线数量设置迭代终止条件包括的参数；迭代终止条件包括的参数包括以下至少一项：信道估计协方差矩阵、等效频域数据、发射信号的第二估计值、第二梯度下降方向。
具体地，在获取信道传输矩阵和接收到的信号的频域数据之前，所述方法还可以包括：接收发送端发送的数据包，数据包指的是媒体接入控制（Media Access ControlProtocol，MAC）协议的协议数据单元 (Protocol Data Unit，PDU)，数据包长度代表协议高层发送给物理层的有效数据长度，单位字节(Byte)，其中，承载此数据包的信号的配置信息由发送端确定并指示给接收端，该配置信息至少包括发送端的发送端口数量。在接收到所述承载配置信息的数据包后，可以基于所述配置信息和接收端的接收天线数量设置迭代终止条件可能包含的参数，所述迭代终止条件包括的参数包括以下至少一项：信道估计协方差矩阵、等效频域数据、发射信号的第二估计值（指的是迭代运算过程中的发射信号的第二估计值）、第二梯度下降方向（指的是迭代运算过程中的第二梯度下降方向）。
本发明实施例提供的信道均衡方法，通过在获取信道传输矩阵和接收到的信号的频域数据之前接收发送端发送的数据包，基于所述数据包承载的配置信息 (如发送端的发送端口数量和接收端的接收天线数量)设置迭代终止条件包括的参数，进一步还可以对具体的参数进行设置，使得设置的迭代终止条件充分考虑了发送端的发送端口数量、接收端的接收天线数量、信道传输矩阵、等效频域数据等，基于此迭代终止条件进行迭代运算从而进行均衡处理，使得均衡处理的性能更加优异。
可选地，基于信道传输矩阵和接收到的信号的频域数据，构建发射信号的目标优化函数，可以包括：
基于信道传输矩阵、信道估计协方差矩阵以及接收到的信号的频域数据确定目标优化函数；
其中，所述信道估计协方差矩阵基于以下至少一项确定：信道传输矩阵、噪声方差和单位阵；单位阵表示矩阵维度为发送端的发送端口数量乘以发送端的发送端口数量的单位阵。
具体地，在本发明实施例中，可以基于信道传输矩阵、信道估计协方差矩阵以及接收到的信号的频域数据联合确定目标优化函数，其中，所述信道估计协方差矩阵可以通过信道传输矩阵、噪声方差和单位阵联合确定或者至少其中一种元素确定，例如通过将信道传输矩阵的厄米特型与信道传输矩阵相乘，构建所述信道估计协方差矩阵；或者，考虑通信链路上叠加高斯白噪声，即加性噪声，通过将信道传输矩阵的厄米特型与信道传输矩阵相乘的结果，再与噪声方差和单位阵相乘的结果叠加，得到构建的信道估计协方差矩阵。
示例性地，所述信道估计协方差矩阵为：
；
其中，表示信道传输矩阵/>的厄米特型，/>表示信道传输矩阵，/>表示通信链路上叠加的高斯白噪声的方差，/>表示矩阵维度为发送端端口数量乘以发送端端口数量的单位阵；关于单位阵，示例如下：
当，所述单位阵/>可以表示为：
；
注：高斯白噪声指的是，如果一个噪声的概率密度函数服从高斯分布，而它的功率谱密度又是均匀分布的，则称它为高斯白噪声。热噪声和散粒噪声以及无线信道中的背景噪声是典型的高斯白噪声。
本发明实施例提供的信道均衡方法，通过基于信道传输矩阵、信道估计协方差矩阵以及接收到的信号的频域数据构建目标优化函数，所述信道估计协方差矩阵基于以下至少一项确定：信道传输矩阵、噪声方差和单位阵，所述单位阵表示矩阵维度为发送端的发送端口数量乘以发送端的发送端口数量的单位阵，使得所构建的发射信号的目标优化函数中综合考虑了多种对于信号传输的干扰因素，例如码间干扰、子载波间干扰、加性噪声等，进而，对构建的目标优化函数采用梯度下降法使得目标优化函数快速收敛，快速得到发射信号的目标估计值，提供了可靠有效的均衡性能，相对于现有技术的均衡方法，有一定的性能增益。
可选地，基于信道传输矩阵、信道估计协方差矩阵以及接收到的信号的频域数据联合确定目标优化函数，可以包括：
对信道传输矩阵的厄米特型和接收到的信号的频域数据进行相乘，得到等效频域数据；
基于信道估计协方差矩阵和等效频域数据，构建目标优化函数。
具体地，可以将获取的信道传输矩阵的厄米特型和接收到的信号的频域数据进行相乘，得到等效频域数据；然后，根据信道估计协方差矩阵/>和等效频域数据/>，进一步构建发射信号的目标优化函数。
示例性地，所述等效频域数据可以表示为：
；
其中，表示获取的信道传输矩阵的厄米特型，/>表示/>个接收端天线上收到的频域数据；
进一步地，所述发射信号的目标优化函数可以表示为：
；
其中，所述构建的信道估计协方差矩阵为, 确定的等效频域数据为/>,/>为发射信号的目标估计值。
本发明实施例提供的信道均衡方法，通过对信道传输矩阵的厄米特型和接收到的信号的频域数据进行相乘，得到等效频域数据，然后基于信道估计协方差矩阵和等效频域数据，构建目标优化函数。所构建的发射信号的目标优化函数包含的参数更多，考虑的对于通信信号影响的因素较多，提供了更可靠有效的均衡性能。
可选地，对目标优化函数的第一梯度下降方向和目标优化函数的第一梯度下降步长进行迭代计算，可以包括：
基于发射信号的初始估计值确定初始梯度下降方向；
基于初始梯度下降方向、第一梯度下降方向以及信道估计协方差矩阵确定第一梯度下降步长；
基于第一梯度下降方向和第一梯度下降步长确定发射信号的第二估计值；
基于第一梯度下降方向和信道估计协方差矩阵，确定第二梯度下降步长；
基于发射信号的第二估计值、信道估计协方差矩阵以及等效频域数据更新第一梯度下降方向，确定第二梯度下降方向。
具体地，在构建完成所述目标优化函数之后，可以采用梯度下降法对所述目标优化函数进行迭代计算，迭代过程具体如下：
可选地，可以先对发射信号进行初始化，得到发射信号的初始估计值。根据发射信号的初始估计值确定初始梯度下降方向，然后基于初始梯度下降方向（也即第一梯度下降方向）以及信道估计协方差矩阵确定出第一梯度下降步长；然后基于第一梯度下降方向和第一梯度下降步长确定出发射信号的第二估计值（即当前估计值）。
判断当前迭代运算是否需要停止，当所述迭代运算未停止，也即未达到用户预设的迭代终止条件时，可以进一步基于第一梯度下降方向和信道估计协方差矩阵更新第一梯度下降步长，得到第二梯度下降步长，基于发射信号的第二估计值（即当前估计值）、信道估计协方差矩阵以及等效频域数据更新第一梯度下降方向，得到第二梯度下降方向。至此，完成对目标优化函数的第一梯度下降方向和目标优化函数的第一梯度下降步长的迭代，上述过程可以理解为一次迭代。
本发明实施例提供的信道均衡方法，通过动态计算第一梯度下降方向上的第一下降步长值，可以保证所述第一下降步长是梯度下降方向上的最大步长，从而可以使得发射信号的目标估计值快速收敛，极大地缩短信号均衡处理的时长。
可选地，基于迭代计算过程中得到的第二梯度下降方向、第二梯度下降步长以及迭代终止条件，得到迭代终止时发射信号的第一估计值，可以包括：
基于第二梯度下降方向、第二梯度下降步长以及迭代终止条件，对发射信号的第二估计值进行迭代计算，得到迭代终止时发射信号的第二估计值；
将发射信号的第二估计值，确定为迭代终止时发射信号的第一估计值。
具体地，所述迭代运算过程中除了对第一梯度下降方向、第一梯度下降步长进行迭代可以得到第二梯度下降方向、第二梯度下降步长，进一步地，基于迭代计算过程中的第二梯度下降方向、第二梯度下降步长，同样也会得到迭代运算过程中的发射信号的多个第二估计值，判断所述迭代停止时，即满足预设的迭代终止条件，可以得到迭代终止时发射信号的第二估计值。
进一步地，将所述迭代终止时发射信号的第二估计值确定为迭代终止时发射信号的第一估计值，本方法中迭代终止时发射信号的第一估计值也就是发射信号的目标估计值，也即恢复了原始发射信号的信息，完成信号均衡的处理。
本发明实施例提供的信道均衡方法，由于避免了矩阵求逆预算，大幅节省了均衡处理的运算耗时，此外，从模拟实验中误差向量幅度的对比结果中可以看出，本发明提出的信道均衡方法提供了可靠有效的均衡性能，相对于现有技术的均衡方法，有一定的性能增益。
图2是本发明实施例提供的信道均衡方法的流程示意图之二。如图2所示，该方法包括：
步骤201、获取接收到的信号的信道传输矩阵；
步骤202、构建信道估计协方差矩阵；
步骤203、基于信道传输矩阵的厄米特型和接收到的信号的频域数据确定等效频域数据；
步骤204、基于等效频域数据和信道估计协方差矩阵构造目标优化函数并初始化估计值；
步骤205、基于发射信号的初始估计值确定目标优化函数的初始梯度下降方向；
步骤206、基于初始梯度下降方向和第一梯度下降方向确定第一梯度下降步长；
步骤207、基于第一梯度下降方向、第一梯度下降步长以及初始估计值确定发射信号的第二估计值；
步骤208、判断是否达到迭代终止条件；
若判断结果为是，则：输出当前发射信号的第二估计值为发射信号的目标估计值；
若判断结果为否，则：执行下述步骤：
步骤209、基于第一梯度下降方向更新第一梯度下降步长，得到第二梯度下降步长；
步骤210、基于当前发射信号的第二估计值、信道估计协方差矩阵以及等效频域数据确定第二梯度下降方向；
步骤211、基于第二梯度下降方向和第二梯度下降步长，重新确定发射信号的第二估计值。
具体地，首先，获取接收到的信号的信道传输矩阵，基于获取的信号传输矩阵构建信道估计协方差矩阵，以及基于信道传输矩阵的厄米特型和接收到的信号的频域数据确定等效频域数据；
其次，通过所述确定的信道估计协方差矩阵和等效频域数据构建发射信号的目标优化函数并初始化发射信号的目标估计值，得到发射信号的初始估计值；
然后，基于发射信号的初始估计值确定目标优化函数的初始梯度下降方向（也即第一梯度下降方向），通过初始梯度下降方向（也即第一梯度下降方向）确定第一梯度下降步长，基于第一梯度下降方向和第一梯度下降步长确定发射信号的第二估计值；
最后，判断所述迭代运算是否达到迭代终止条件：
若达到迭代终止条件，则将发射信号的第二估计值输出为发射信号的目标估计值；
若未达到迭代终止条件，则将发射信号的第二估计值重新带入目标优化函数，基于第一梯度下降方向更新第一梯度下降步长，得到第二梯度下降步长，基于当前发射信号的第二估计值、信道估计协方差矩阵以及等效频域数据确定第二梯度下降方向，然后基于第二梯度下降方向和第二梯度下降步长，重新确定发射信号的第二估计值。
该信道均衡的过程示例如下：
示例1：
1）获取接收信号的信道传输矩阵，其中，/>，/>；
2）用步骤1）中获取的信道传输矩阵，构建信道估计协方差矩阵 ,如下：
；
其中，表示信道传输矩阵/>的厄米特型，/>表示信道传输矩阵，/>表示通信链路上叠加的高斯白噪声的方差，/>表示矩阵维度为发送端端口数量乘以发送端端口数量的单位阵；此示例中单位阵/>可以表示为：/>
；
3）基于信道传输矩阵，确定等效频域数据，如下：
；
其中，表示信道传输矩阵的厄米特型，/>表示/>个接收天线上收到的频域数据，/>，/>;
4）利用信道估计协方差矩阵以及等效频域数据，构建目标优化函数，如下：
；
其中，所述构建的信道估计协方差矩阵为, 确定的等效频域数据为/>,/>为发射信号的目标估计值，初始化估计值/>，本示例中，
；
5）基于发射信号的初始化估计值确定目标优化函数的初始梯度下降方向/>，如下：
；
其中，表示信道估计协方差矩阵的厄米特型，/>表示等效频域数据，/>表示信道估计协方差矩阵。
6）a.基于第一梯度下降方向和信道估计协方差矩阵/>确定第一下降步长/>，如下：
；
其中，表示第一梯度下降方向的厄米特型，/>表示第一梯度下降方向（可以理解为当前梯度下降方向，当初始化估计值时，此时/>取值为/>），/>表示第一梯度下降步长（可以理解为当前梯度下降方向/>上得到的/>，当初始化估计值时，此时/>为初始梯度下降步长），/>表示信道估计协方差矩阵。
b.基于发射信号的初始估计值确定目标优化函数的第一梯度下降方向/>，即：
；
其中，表示信道估计协方差矩阵的厄米特型，/>表示等效频域数据，/>表示信道估计协方差矩阵，/>为发射信号的第一估计值（可以理解为当前估计值，当初始化估计值时，/>的值取为/>）；
7）基于第一梯度下降步长和第一梯度下降方向/>确定发射信号的第二估计值/>，即：
；
为发射信号的第一估计值（可以理解为迭代过程中的发射信号的目标估计值，迭代过程中重新确定发射信号的第二估计值时，/>的值取为/>）；
8）判断当前迭代运算是否满足迭代终止条件，如下：
此示例中设置等效频域数据和发射信号的第二估计值/>的均方误差作为迭代终止判定条件/>，判定/>是否小于等于迭代终止门限/>，即：
；
其中，表示等效频域数据，/>表示发射信号的第二估计值；
如果否，则跳转到步骤6），令
；
如果是，则跳转到步骤9）；
9）输出发射信号的第二估计值作为均衡处理最终输出的发射信号的目标估计值/>。
示例2：
1）获取接收信号的信道传输矩阵，其中，/>，/>；
2）用步骤1）中获取的信道传输矩阵，构建信道估计协方差矩阵 ,如下：
；
其中，表示信道传输矩阵的厄米特型，/>表示信道传输矩阵;
3）基于信道传输矩阵，确定等效频域数据，如下：
；/>
其中，表示信道传输矩阵的厄米特型，/>表示/>个接收天线上收到的频域数据；
4）利用信道估计协方差矩阵以及等效频域数据，构建目标优化函数，如下：
；
其中，所述构建的信道估计协方差矩阵为, 确定的等效频域数据为/>,/>为发射信号的目标估计值，初始化估计值/>，本示例中，
；
5）基于发射信号的初始化估计值确定目标优化函数的初始梯度下降方向/>，如下：
；
其中，表示信道估计协方差矩阵的厄米特型，/>表示等效频域数据，/>表示信道估计协方差矩阵。
6）a.基于第一梯度下降方向和信道估计协方差矩阵/>确定第一下降步长/>，如下：
；
其中，表示第一梯度下降方向的厄米特型，/>表示第一梯度下降方向（可以理解为当前梯度下降方向，当初始化估计值时，此时/>取值为/>，/>表示第一梯度下降步长（可以理解为当前梯度下降方向/>上得到的/>，当初始化估计值时，此时/>为初始梯度下降步长），/>表示信道估计协方差矩阵。
b.基于发射信号的初始估计值确定目标优化函数的第一梯度下降方向/>，即：
；
其中，表示信道估计协方差矩阵的厄米特型，/>表示等效频域数据，/>表示信道估计协方差矩阵，/>为发射信号的第一估计值（可以理解为当前估计值，当初始化估计值时，/>的值取为/>） ；
7）基于第一下降步长和第一梯度下降方向/>重新确定发射信号的第二估计值/>，即：
；
为发射信号的第一估计值（可以理解为迭代过程中的发射信号的目标估计值，当重新确定发射信号的第二估计值时，/>的值取为/>）；
8）判断当前迭代运算是否满足迭代终止条件，如下：
此示例中设置第一梯度下降方向的模平方和作为迭代终止判定条件/>，判定/>是否小于等于迭代终止门限/>，即：
；
其中表示第一梯度下降方向/>的厄米特型。
如果否，则跳转到步骤6），令
；
如果是，则跳转到步骤9）；
9）输出发射信号的第二估计值作为均衡处理最终输出的发射信号的目标估计值/>。
图3是本发明实施例提供的信道均衡装置的结构示意图，下面对本发明提供的信道均衡装置进行描述，下文描述的信道均衡装置与上文描述的信道均衡方法可相互对应参照。
获取模块310，用于获取信道传输矩阵和接收到的信号的频域数据；
处理模块320，用于基于信道传输矩阵和接收到的信号的频域数据，构建发射信号的目标优化函数；
对目标优化函数的第一梯度下降方向和目标优化函数的第一梯度下降步长进行迭代计算，得到迭代终止时发射信号的第一估计值；
将迭代终止时发射信号的第一估计值确定为发射信号的目标估计值。
本发明实施例提供的信道均衡装置，通过获取模块获取信道传输矩阵和接收到的信号的频域数据，处理模块基于信道传输矩阵和接收到的信号的频域数据，构建发射信号估计值的目标优化函数，然后对目标优化函数的第一梯度下降方向和目标优化函数的第一梯度下降步长进行迭代计算，得到迭代终止时发射信号的第一估计值，将迭代终止时发射信号的第一估计值确定为发射信号的目标估计值。本发明提供的装置对接收到的信号的频域数据进行均衡处理，通过构建发射信号估计值的目标优化函数，对其第一梯度下降方向和第一下降步长进行迭代计算，使得发射信号估计值快速收敛，避免了现有技术中对大规模信道估计协方差矩阵求逆的运算过程，大幅减少了运算量，从而降低接收端信号均衡处理的复杂度，缩短时延。
可选地，所述处理模块，具体用于：
对目标优化函数的第一梯度下降方向和第一梯度下降步长进行迭代计算，并基于迭代计算过程中得到的第二梯度下降方向、第二梯度下降步长以及迭代终止条件，得到迭代终止时发射信号的第一估计值。
可选地，所述信道均衡装置还包括接收模块和配置模块，
所述接收模块，用于接收发送端发送的数据包；数据包用于承载配置信息；配置信息至少包括发送端的发送端口数量；
所述配置模块，用于基于配置信息、接收端的接收天线数量设置迭代终止条件包括的参数；迭代终止条件包括的参数包括以下至少一项：信道估计协方差矩阵、等效频域数据、发射信号的第二估计值、第二梯度下降方向。
可选地，所述处理模块，具体用于：
基于信道传输矩阵、信道估计协方差矩阵以及接收到的信号的频域数据确定目标优化函数；
其中，信道估计协方差矩阵基于以下至少一项确定：信道传输矩阵、噪声方差和单位阵；单位阵表示矩阵维度为发送端的发送端口数量乘以发送端的发送端口数量的单位阵。
可选地，所述处理模块，具体用于：
对信道传输矩阵的厄米特型和接收到的信号的频域数据进行相乘，得到等效频域数据；
基于信道估计协方差矩阵和等效频域数据，构建目标优化函数。
可选地，所述处理模块，具体用于：
基于发射信号的初始估计值确定初始梯度下降方向；
基于初始梯度下降方向、第一梯度下降方向以及信道估计协方差矩阵确定第一梯度下降步长；
基于第一梯度下降方向和第一梯度下降步长确定发射信号的第二估计值；
基于第一梯度下降方向和信道估计协方差矩阵，确定第二梯度下降步长；
基于发射信号的第二估计值、信道估计协方差矩阵以及等效频域数据更新第一梯度下降方向，确定第二梯度下降方向。
可选地，所述处理模块，具体用于：
基于第二梯度下降方向、第二梯度下降步长以及迭代终止条件，对发射信号的第二估计值进行迭代计算，得到迭代终止时发射信号的第二估计值；
将发射信号的第二估计值，确定为迭代终止时发射信号的第一估计值。
图4示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图4所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)410、通信接口(Communications Interface)420、存储器(memory)430和通信总线440，其中，处理器410，通信接口420，存储器430通过通信总线440完成相互间的通信。处理器410可以调用存储器430中的逻辑指令，以执行信道均衡方法，该方法包括：
获取信道传输矩阵和接收到的信号的频域数据；
基于信道传输矩阵和接收到的信号的频域数据，构建发射信号的目标优化函数；
对目标优化函数的第一梯度下降方向和目标优化函数的第一梯度下降步长进行迭代计算，得到迭代终止时发射信号的第一估计值；
将迭代终止时发射信号的第一估计值确定为发射信号的目标估计值。
此外，上述的存储器430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，本发明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）执行本发明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）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法提供的信道均衡方法，该方法包括：
获取信道传输矩阵和接收到的信号的频域数据；
基于信道传输矩阵和接收到的信号的频域数据，构建发射信号的目标优化函数；
对目标优化函数的第一梯度下降方向和目标优化函数的第一梯度下降步长进行迭代计算，得到迭代终止时发射信号的第一估计值；
将迭代终止时发射信号的第一估计值确定为发射信号的目标估计值。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，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）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
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 (10)

1.一种信道均衡方法，其特征在于，包括：
获取信道传输矩阵和接收到的信号的频域数据；
基于所述信道传输矩阵和所述接收到的信号的频域数据，构建发射信号的目标优化函数；
对所述目标优化函数的第一梯度下降方向和所述目标优化函数的第一梯度下降步长进行迭代计算，得到迭代终止时发射信号的第一估计值；
将迭代终止时所述发射信号的第一估计值确定为所述发射信号的目标估计值。
2.根据权利要求1所述的信道均衡方法，其特征在于，所述对所述目标优化函数的第一梯度下降方向和所述目标优化函数的第一梯度下降步长进行迭代计算，包括：
对所述目标优化函数的第一梯度下降方向和第一梯度下降步长进行迭代计算，并基于迭代计算过程中得到的第二梯度下降方向、第二梯度下降步长以及迭代终止条件，得到迭代终止时所述发射信号的第一估计值。
3.根据权利要求2所述的信道均衡方法，其特征在于，所述获取信道传输矩阵和接收到的信号的频域数据之前，还包括：
接收发送端发送的数据包；所述数据包用于承载配置信息；所述配置信息至少包括所述发送端的发送端口数量；
基于所述配置信息、接收端的接收天线数量设置所述迭代终止条件包括的参数；所述迭代终止条件包括的参数包括以下至少一项：信道估计协方差矩阵、等效频域数据、发射信号的第二估计值、第二梯度下降方向。
4.根据权利要求1-3任一项所述的信道均衡方法，其特征在于，所述基于所述信道传输矩阵和所述接收到的信号的频域数据，构建发射信号的目标优化函数，包括：
基于所述信道传输矩阵、所述信道估计协方差矩阵以及所述接收到的信号的频域数据确定所述目标优化函数；
其中，所述信道估计协方差矩阵基于以下至少一项确定：所述信道传输矩阵、噪声方差和单位阵；所述单位阵表示矩阵维度为发送端的发送端口数量乘以发送端的发送端口数量的单位阵。
5.根据权利要求4所述的信道均衡方法，其特征在于，所述基于所述信道传输矩阵、所述信道估计协方差矩阵以及所述接收到的信号的频域数据联合确定所述目标优化函数，包括：
对所述信道传输矩阵的厄米特型和所述接收到的信号的频域数据进行相乘，得到等效频域数据；
基于所述信道估计协方差矩阵和所述等效频域数据，构建所述目标优化函数。
6.根据权利要求3所述的信道均衡方法，其特征在于，所述对所述目标优化函数的第一梯度下降方向和第一梯度下降步长进行迭代计算，包括：
基于发射信号的初始估计值、所述信道估计协方差矩阵以及所述等效频域数据确定初始梯度下降方向；
基于所述初始梯度下降方向、所述第一梯度下降方向以及所述信道估计协方差矩阵确定所述第一梯度下降步长；
基于所述第一梯度下降方向和所述第一梯度下降步长确定发射信号的第二估计值；
基于所述第一梯度下降方向和所述信道估计协方差矩阵，得到所述第二梯度下降步长；
基于所述发射信号的第二估计值、所述信道估计协方差矩阵以及所述等效频域数据更新所述第一梯度下降方向，确定所述第二梯度下降方向。
7.根据权利要求2或3所述的信道均衡方法，其特征在于，所述基于迭代计算过程中得到的第二梯度下降方向、第二梯度下降步长以及迭代终止条件，得到迭代终止时所述发射信号的第一估计值，包括：
基于所述第二梯度下降方向、所述第二梯度下降步长以及所述迭代终止条件，对所述发射信号的第二估计值进行迭代计算，得到迭代终止时所述发射信号的第二估计值；
将所述发射信号的第二估计值，确定为所述迭代终止时所述发射信号的第一估计值。
8.一种信道均衡装置，其特征在于，所述装置包括：
获取模块，用于获取信道传输矩阵和接收到的信号的频域数据；
处理模块，用于基于所述信道传输矩阵和所述接收到的信号的频域数据，构建发射信号的目标优化函数；
对所述目标优化函数的第一梯度下降方向和所述目标优化函数的第一梯度下降步长进行迭代计算，得到迭代终止时所述发射信号的第一估计值；
将迭代终止时所述发射信号的第一估计值确定为所述发射信号的目标估计值。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任一项所述信道均衡方法。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述信道均衡方法。
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CN109245804A (zh) * 2018-08-27 2019-01-18 江南大学 基于雅可比迭代的大规模mimo信号检测方法

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