[發明專利]三維大規模天線系統基于導頻的波達波離角聯合估計方法

有效

• 申請號: 201510363207.X
• 申請日: 2015-06-26
• 公開（公告）號: CN104994041B
• 公開（公告）日: 2017-08-11
• 發明（設計）人: 邢成文;周園;閆心格;費澤松
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: H04L25/02
• 分類號: H04L25/02;H04B17/391;H04B7/06
• 代理公司: 北京理工正陽知識產權代理事務所(普通合伙)11639
• 代理人: 王民盛

技術領域：

本發明涉及一種基于導頻的波離角與波達角的聯合估計的方法，特別涉及一種三維大規模多天線系統下(3D massive MIMO)針對發送端是均勻線性陣列(Uniform linear array，ULA)，接收端是均勻平面陣列(Uniform planar array，UPA)的波離角和波達角的聯合估計方法(Joint DOD and DOA estimation)，屬于通信技術領域。

背景技術

隨著通信技術的不斷發展，通信數據的傳輸速率將越來越快，信道環境越來越復雜，人們對有限的空間頻譜資源的需求不斷提高。大規模多天線技術可以在不增加帶寬以及發送功率的情況下，提高系統的信道容量，因而成為無線通信領域中研究的最廣泛的技術之一。現有的大規模多天線技術大多只考慮水平天線模式，而忽略了垂直天線模式的影響，這并不符合實際的無線信道。3D massive MIMO由于其更大的自由度，實現了信道和天線模型的三維化，更加貼切地反映了實際的MIMO信道，因而成為未來無線通信系統的候選技術之一。大規模天線系統經常使用均勻平面陣列，因為該陣列采用平面擺放天線，大大減小了天線的空間占用面積。

隨著智能手機的普及以及無線多媒體應用的快速增長，無線數據的需求也大幅增加。而智能天線技術則為解決這些問題帶來了新的方法，并且成為第四代移動通信系統的研究熱點之一。波離角和波達角的聯合估計技術作為智能天線技術中的一個重要部分，也受到了業界的極大關注。智能天線通過采用波離角和波達角估計技術對用戶的空間信息進行估計，能夠有選擇性地接收或發射位于同一信道中的多路信號，降低了信號之間的干擾，增加了通信容量，提高了通信質量。

經典的MUSIC(Multiple Signal Classification，多重信號分類)算法和ESPRIT(Estimating Signal Parameters Via Rotational Invariance Techniques，借助旋轉不變技術估計信號參數算法)都是一維參數(方位角)的DOA(Direction of Arrival)估計方法，且算法的計算量比較大。而在實際應用中，對于信號波達角的多維參數(方位角、俯仰角、頻率及時延等)的估計更有應用價值。而如果直接將MUSIC算法應用于波達角的二維參數(方位角、俯仰角)估計則需要進行二維的譜峰搜索,將會使得算法的計算量非常大，而且對于波離角估計還需要再一次運用MUSIC算法或者ESPRIT算法，運算量將會大大增加。針對大規模天線系統，需要估計的波離角和波達角的參數更多，所以對該系統的聯合波離角和波達角估計算法的研究具有重要的意義。

發明內容

本發明的目的是為解決3D massive MIMO中的聯合DOD和DOA估計問題，提出了一種三維大規模天線系統下基于導頻的發送端是均勻線性陣列，接收端是均勻平面陣列的聯合波離角和波達角的估計方法。應用該方法，使得在這種復雜系統中的聯合DOD和DOA估計問題得以解決。

本發明方法的目標是在滿足一定準確率的情況下，解決復雜系統的聯合DOD和DOA估計的問題。思想是發送端源源不斷發送導頻符號，然后根據導頻處的信道模型，利用奇異值分解，將聯合DOD和DOA估計的問題轉化為求矩陣的奇異值分解的問題，最后提出了基于導頻的聯合DOD和DOA估計方法以達到降低估計復雜度的目的。

本發明是建立在以下基礎上進行的：基站端為均勻平面天線陣列(Uniform planar array，UPA)，水平方向有M個陣元，豎直方向有N個陣元，故該平面陣列接收天線數N_r＝M×N，移動端為配置N_t個發送天線的均勻線陣(Uniform Linear Array，ULA)，大規模天線系統中，M×N和N_t都很大。在UPA端考慮俯仰角度的影響，信道為3D信道。

本發明方法是通過如下技術方案實現的：

一種三維大規模天線系統下基于導頻的波達角與波離角的聯合估計方法，包括以下步驟：

步驟1，移動端在每根發射天線源源不斷地發送已知的導頻符號S，基站端獲得接收信號Y并記錄不同路徑的信號衰落損耗大小排序，根據最小二乘估計算法H＝Y(S^HS)^-1S^H，估計整個系統的等效信道增益H；作為優選，所述每條路徑的信號衰落損耗可以使用該條路徑信號的功率表征；