本發(fā)明涉及毫米波(Millimeter wave)多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)通信系統(tǒng)，在分離型子陣列天線結(jié)構(gòu)下，一種通過探測(cè)空間各個(gè)方向的散射情況估計(jì)主徑方向的方法及裝置，該方法不需任何先驗(yàn)信息，復(fù)雜度較低，能夠同時(shí)估計(jì)主徑的離開角(Angle of Departure，AOD)和到達(dá)角(Angle of Arrival，AOA)；屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展及普及，低頻段頻譜資源已無法滿足高速率無線通信傳輸?shù)男枨?。然而，具有豐富的頻帶資源的毫米波可提供高速、寬帶和大容量信息傳輸服務(wù)，能滿足當(dāng)前和今后社會(huì)對(duì)信息傳輸急劇增長的需要，以較低的風(fēng)險(xiǎn)解決低頻段通信業(yè)務(wù)擁擠的問題。但是，毫米波由于較短的波長引起較高的路徑損耗，導(dǎo)致空間有效散射體的數(shù)目減少，因此毫米波信道具有稀疏特性，主要表現(xiàn)在脈沖響應(yīng)僅包含少量較大的幅度值，并且這些幅度值之間具有較大的間隔。

毫米波通信系統(tǒng)通常利用大規(guī)模天線陣列和波束成形技術(shù)來抵抗毫米波的高路徑損耗，即擴(kuò)大覆蓋范圍并增強(qiáng)傳輸性能。鑒于純數(shù)字波束成形方法帶來的功耗負(fù)擔(dān)和純模擬波束成形方法引起的性能損失，數(shù)?；旌喜ㄊ尚畏椒ㄒ殉蔀檠芯繜狳c(diǎn)。與低頻段的MIMO系統(tǒng)相比，毫米波系統(tǒng)中的多徑效應(yīng)并不明顯，視距(Line of Sight，LoS)傳輸占重要地位，主徑往往攜帶了無線空間信道的主要特征信息。毫米波具有光波的某些特性，在空間也是直線傳播的，一般而言，通信雙方在視線上無阻擋時(shí)，直達(dá)徑是主徑，視線上有障礙物時(shí)，最強(qiáng)的一條散射徑是主徑。在實(shí)際通信過程中，主徑的信息與收發(fā)端的相對(duì)位置、散射體的位置均有著密不可分的聯(lián)系，此信息可用于小區(qū)搜索、用戶調(diào)度、移動(dòng)定位等。

在傳統(tǒng)導(dǎo)頻輔助信道估計(jì)的方法中，導(dǎo)頻的插入比例需要達(dá)到奈奎斯特采樣頻率標(biāo)準(zhǔn)才能獲得較好的估計(jì)性能，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)頻譜利用率較低?；趬嚎s感知和重構(gòu)算法的稀疏信道估計(jì)技術(shù)能夠獲得完整的時(shí)頻域信道響應(yīng)，當(dāng)天線數(shù)量較多時(shí)，需要較大的系統(tǒng)開銷和計(jì)算復(fù)雜度?；诜蛛x型子陣列的數(shù)?；旌喜ㄊ尚渭軜?gòu)，綜合考慮到探測(cè)時(shí)間和計(jì)算復(fù)雜度的需求，本發(fā)明提出了一種毫米波稀疏信道的主徑估計(jì)方法及裝置，聯(lián)合使用了空間資源和時(shí)間資源。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題與不足，本發(fā)明提供一種毫米波稀疏信道的主徑估計(jì)方法及裝置，發(fā)射端和接收端聯(lián)合估計(jì)主徑的離開角和到達(dá)角，該方法的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低，探測(cè)時(shí)間短，抗干擾能力強(qiáng)。

技術(shù)方案：本發(fā)明發(fā)射端和接收端分別在一定的空間范圍區(qū)域內(nèi)對(duì)信道的散射情況進(jìn)行探測(cè)，發(fā)射端的子陣列從不同的方向發(fā)射訓(xùn)練序列，接收端的子陣列從不同的方向接收信號(hào)，通過估計(jì)射頻等效信道響應(yīng)確定主徑的大概方向。本發(fā)明提供的方案充分考慮了稀疏特性，綜合利用系統(tǒng)的空間和時(shí)間資源進(jìn)行信號(hào)探測(cè)，既節(jié)省了估計(jì)時(shí)間，又提高了算法精度，且具有較低的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和較強(qiáng)的抗干擾性能。

一種毫米波稀疏信道的主徑估計(jì)方法，具體包括如下步驟：

步驟1：令探測(cè)的總次數(shù)為τ，探測(cè)計(jì)數(shù)器的探測(cè)次數(shù)為t；令t＝1，設(shè)置發(fā)射端初始探測(cè)空間范圍為Ω^t，接收端初始探測(cè)空間范圍為Φ^t

步驟2：發(fā)射端將第t次的探測(cè)空間范圍Ω^t＝(ω^a,ω^b)平均分成N個(gè)子區(qū)域其中，和分別表示第n個(gè)子區(qū)域中角度取值的上下界，且滿足取作為各子區(qū)域的代表方向。發(fā)射端的N個(gè)子陣列分別從這N個(gè)方向進(jìn)行信道探測(cè)，其中，第n個(gè)發(fā)射子陣列把作為波束成形矢量向空間發(fā)射訓(xùn)練序列，λ表示信號(hào)波長，d_t表示同一發(fā)射子陣列內(nèi)天線之間的距離，j是虛數(shù)單位，即

步驟3：接收端將第t次的探測(cè)空間范圍Φ^t＝(φ^a,φ^b)平均分成M個(gè)子區(qū)域其中，和分別表示第m個(gè)子區(qū)域中角度取值的上下界，且滿足取作為各子區(qū)域的代表方向。接收端的M個(gè)子陣列分別從這M個(gè)方向進(jìn)行信道探測(cè)，其中，第m個(gè)接收子陣列把作為波束組合矢量從空間接收信號(hào)，d_r表示同一接收子陣列內(nèi)天線之間的距離；

步驟4：接收端根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)估計(jì)出M×N維的射頻等效信道響應(yīng)矩陣H，從N個(gè)發(fā)射子區(qū)域和M個(gè)接收子區(qū)域中選出一對(duì)響應(yīng)最強(qiáng)的子區(qū)域(m^*,n^*)，滿足其中，H_m,n是矩陣H的第m行第n列元素，并將發(fā)射子區(qū)域索引號(hào)n^*通過上行鏈路反饋給發(fā)射端；

步驟5：判斷已探測(cè)次數(shù)t是否達(dá)到最大次數(shù)τ。如果未達(dá)到，則更新探測(cè)次數(shù)t＝t+1，發(fā)射端根據(jù)反饋信息設(shè)置當(dāng)前探測(cè)的空間范圍為接收端設(shè)置當(dāng)前探測(cè)的空間范圍為返回至步驟2開始新一輪探測(cè)；如果已經(jīng)達(dá)到最大次數(shù)，估計(jì)主徑對(duì)應(yīng)的離開角為到達(dá)角為

一種用于實(shí)現(xiàn)上述毫米波稀疏信道的主徑估計(jì)方法的裝置，發(fā)射端和接收端均采用分離型數(shù)?；旌喜ㄊ尚谓Y(jié)構(gòu)，主要包括基帶信號(hào)處理、射頻鏈路以及模擬波束相位控制器等模塊。發(fā)射端配置N個(gè)子陣列，每個(gè)子陣列有P根發(fā)射天線，接收端配置M個(gè)子陣列，每個(gè)子陣列有Q根接收天線，每個(gè)子陣與一根射頻鏈路聯(lián)接，每根天線通過與一個(gè)獨(dú)立的相移器連接實(shí)現(xiàn)定向發(fā)射或接收。

有益效果：本發(fā)明提出的毫米波稀疏信道的主徑估計(jì)方法，利用發(fā)射端和接收端的子陣列從空間不同方向聯(lián)合對(duì)信道的散射情況進(jìn)行探測(cè)。與已有的基于壓縮感知的稀疏信道估計(jì)方法相比，本發(fā)明提出的估計(jì)方法具有訓(xùn)練次數(shù)少、復(fù)雜度低等優(yōu)點(diǎn)，沒有估計(jì)完整的時(shí)域或頻域信道響應(yīng)，僅給出空間最強(qiáng)路徑的方向，利用了毫米波信道的稀疏散射特性，為傳輸方案的設(shè)計(jì)提供有用信息，更具有實(shí)用價(jià)值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的方法流程圖；

圖2為本發(fā)明收發(fā)機(jī)的實(shí)現(xiàn)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中主徑估計(jì)的均方誤差與傳輸距離R關(guān)系的仿真圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。

在發(fā)射端和接收端均布置多個(gè)天線子陣列，采用分離型混合波束成形架構(gòu)，通過多次信道探測(cè)完成主徑的估計(jì)。在每次信道探測(cè)過程中，發(fā)射端的子陣列沿著不同方向從不同的空間子區(qū)域發(fā)射訓(xùn)練序列，接收端的子陣列也分別從不同的空間子區(qū)域接收數(shù)據(jù)，據(jù)此估計(jì)射頻等效信道響應(yīng)矩陣，每次發(fā)射和接收選擇不同的波束成形矢量和波束組合矢量就會(huì)有不同的響應(yīng)。等效信道的各個(gè)元素反映了空間信道在各個(gè)空間子區(qū)域的散射情況，接收端進(jìn)行分析計(jì)算，選出響應(yīng)最強(qiáng)的一對(duì)空間子區(qū)域，并將此信息反饋給發(fā)射端，作為進(jìn)一步篩選空間范圍的依據(jù)，最后聯(lián)合估計(jì)出主徑的離開角和到達(dá)角。

如圖1所示，毫米波稀疏信道的主徑估計(jì)方法，具體包括如下步驟：

步驟1：設(shè)置發(fā)射端初始探測(cè)空間范圍接收端初始探測(cè)空間范圍探測(cè)總次數(shù)τ＝2，當(dāng)前探測(cè)次數(shù)t＝1；

步驟2：發(fā)射端將第t次的探測(cè)空間范圍Ω^t＝(ω^a,ω^b)平均分成8個(gè)子區(qū)域其中，和分別表示第n個(gè)子區(qū)域中角度取值的上下界，且滿足取作為各子區(qū)域的代表方向。發(fā)射端的8個(gè)子陣列分別從這8個(gè)方向進(jìn)行信道探測(cè)，其中，第n個(gè)發(fā)射子陣列把作為波束成形矢量向空間發(fā)射訓(xùn)練序列，λ表示信號(hào)波長，表示同一發(fā)射子陣列內(nèi)天線之間的距離；

步驟3：接收端將第t次的探測(cè)空間范圍Φ^t＝(φ^a,φ^b)平均分成8個(gè)子區(qū)域其中，和分別表示第m個(gè)子區(qū)域中角度取值的上下界，且滿足取作為各子區(qū)域的代表方向。接收端的8個(gè)子陣列分別從這8個(gè)方向進(jìn)行信道探測(cè)，其中，第m個(gè)接收陣列把作為波束組合矢量從空間接收信號(hào)，表示同一接收子陣列內(nèi)天線之間的距離；

步驟4：接收端根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)估計(jì)出8×8維的射頻等效信道響應(yīng)矩陣H，從8個(gè)發(fā)射子區(qū)域和8個(gè)接收子區(qū)域中選出一對(duì)響應(yīng)最強(qiáng)的子區(qū)域(m^*,n^*)，滿足并將發(fā)射子區(qū)域索引號(hào)n^*通過上行鏈路反饋給發(fā)射端；

步驟5：判斷已探測(cè)次數(shù)t是否達(dá)到最大次數(shù)τ＝2。如果未達(dá)到，則更新探測(cè)次數(shù)t＝t+1，發(fā)射端根據(jù)反饋信息設(shè)置當(dāng)前探測(cè)的空間范圍為接收端設(shè)置當(dāng)前探測(cè)的空間范圍為返回至步驟2開始新一輪探測(cè)；如果已經(jīng)達(dá)到最大次數(shù)，估計(jì)主徑對(duì)應(yīng)的離開角為到達(dá)角為

用于實(shí)現(xiàn)上述毫米波稀疏信道的主徑估計(jì)方法的裝置，在發(fā)射端和接收端均布置多個(gè)天線子陣列，發(fā)射端和接收端均采用分離型數(shù)?；旌喜ㄊ尚谓Y(jié)構(gòu)，主要包括基帶信號(hào)處理、射頻鏈路以及模擬波束相位控制器等模塊。如圖2所示，發(fā)射端配置8個(gè)子陣列，每個(gè)子陣列有P根發(fā)射天線，接收端配置8個(gè)子陣列，每個(gè)子陣列有Q根接收天線，每個(gè)子陣與一根射頻鏈路聯(lián)接，每根天線通過與一個(gè)獨(dú)立的相移器連接實(shí)現(xiàn)定向發(fā)射或接收。

在每次信道探測(cè)過程中，發(fā)射端的子陣列沿著不同方向從不同的空間子區(qū)域發(fā)射訓(xùn)練序列，接收端的子陣列也分別從不同的空間子區(qū)域接收數(shù)據(jù)，據(jù)此估計(jì)射頻等效信道響應(yīng)矩陣，每次發(fā)射和接收選擇不同的波束成形矢量和波束組合矢量就會(huì)有不同的響應(yīng)。等效信道的各個(gè)元素反映了空間信道在各個(gè)空間子區(qū)域的散射情況，接收端進(jìn)行分析計(jì)算，選出響應(yīng)最強(qiáng)的一對(duì)空間子區(qū)域，并將此信息反饋給發(fā)射端，作為進(jìn)一步篩選空間范圍的依據(jù)，最后聯(lián)合估計(jì)出主徑的離開角和到達(dá)角。

為了說明本發(fā)明提出的一種毫米波稀疏信道的主徑估計(jì)方法的準(zhǔn)確性和有效性，本發(fā)明實(shí)施例還提供了視距傳輸和非視距(Non Line of Sight，NLOS)傳輸兩種場(chǎng)景下對(duì)主徑方向估計(jì)的均方誤差(Mean Square Error，MSE)與傳輸距離R的關(guān)系。從仿真圖3可以看到，LOS場(chǎng)景下的估計(jì)誤差遠(yuǎn)小于NLOS場(chǎng)景，隨著傳輸距離R增大，估計(jì)誤差也在增大，但是，與隨機(jī)確定方向相比，本發(fā)明提出的方法大大改善了系統(tǒng)的性能，一般認(rèn)為傳輸距離在100米以內(nèi)時(shí)，本方法能夠把估計(jì)誤差控制在可接受的范圍之內(nèi)。