[发明专利]大规模MIMO高速移动场景下角度域信道追踪方法

权利要求书

1.一种大规模MIMO高速移动场景下角度域信道追踪方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：获取初始信道状态信息；

步骤2：获取用户位置：通过初始信道状态信息和离散傅里叶变换进行波束对准，获获取最优波束旋转角和最强波束序号，从而计算用户初始到达角，通过计算不同用户的位置信息，获得角度波束成形矩阵；

步骤3：获取角度相关时间：定义角度相关时间为用户移动过程中角度变化不超过分辨率的持续时间，根据初始位置信息、相干时间以及基站天线分辨率计算角度相关时间；

步骤4：用户分组与导频复用：利用用户位置信息计算用户的活跃波束集，定义活跃波束集为包含至少95％信道能量的波束集合，根据用户的活跃波束集进行分组，分组的方法为同一组内的任意两个用户的活跃波束集的交集为空集，为不同的组分配正交导频序列，同一组内用户复用同一导频；

步骤5：角度域信道追踪：对信道进行离散傅里叶变换并追踪用户最强波束的波束增益，利用相邻时刻的时间相关性建立相邻时间间隔内信道追踪的状态空间，通过相邻时间间隔内信道追踪的状态空间和角度波束成形矩阵构建角度域信道状态空间，对当前时刻信道增益进行预测或修正，实现角度域信道追踪；

首先确定相邻时刻时间相关系数ρ₀；根据杰克模型，ρ₀＝J₀(2πf_DT₀)；为使相邻时刻信道具有高相关性，设置追踪间隔为T₀，f_D为最大多普勒频移，J₀(·)为第一类零阶贝塞尔函数；

其次，建立相邻追踪间隔内信道的状态方程；利用ρ₀建立预测方程，根据接收导频信号建立测量方程；预测方程与测量方程构成信道追踪的状态空间；在此基础上，利用步骤2中计算的角度波束成形矩阵将两个方程转化为角度域方程，从而构建角度域信道状态空间；

最后利用角度域状态空间获取5个角度域卡尔曼方程，即当前时刻信道增益的预测式和最优估计、当前时刻估计误差的预测式和最优估计、卡尔曼因子；利用获取的角度域信道增益最优估计，重构全维信道。

2.根据权利要求1所述的大规模MIMO高速移动场景下角度域信道追踪方法，其特征在于：所述的步骤5中所述的构建角度域信道状态空间包括以下步骤:

n时刻第k个用户，(1≤k≤K)，与基站的信道模型为:

其中L表示散射路径数,α_k,l,n表示阵列响应增益,a(θ_k,l,n)为第l条散射路径阵列响应：

其中θ_k,l,n为n时刻第k个用户的第l条散射路径到达角，j为虚部，d为天线间隔，λ为载波波长，M为基站天线数；

相邻时刻的时间相关性性由时间相关系数ρ₀表示，根据杰克模型，ρ₀＝J₀(2πf_DT₀)，其中T₀为追踪间隔，f_D为最大多普勒频移，J₀(·)为第一类零阶贝塞尔函数，当前n+1时刻的阵列响应增益与n时刻的关系为：

其中β_k,l,n是与α_k,l,n独立同分布的复高斯随机变量，将公式(3)代入信道模型中得到当前n+1时刻第k个用户和基站间的信道为：

其中表示信号到达角的变化，为n时刻第k个用户和基站间第l条散射路径信道，c_k,l,n+1＝β_k,l,n+1T_k,l,na(θ_k,l,n+1)，由于在角度相关时间内，用户位置信息不发生改变，因此T_k,l,n简化为单位阵，当前n+1时刻第k个用户和基站间的信道简化为：

其中所述公式(5)的表达式为当前n+1时刻信道的预测方程；

当用户发送导频时，基站接收到的导频信号为：

其中表示为第k个用户发送的导频序列，n_k,n表示高斯噪声，所述公式(6)变形得到：

其中τ为导频序列长度，p_τ为导频符号功率，所述公式(7)为当前n+1时刻信道的测量方程，预测方程和测量方程构成全维度信道的状态空间，即相邻时间间隔内信道追踪的状态空间；

计算角度波束成形矩阵，由步骤2得到n时刻信道的最优旋转角为最强波束增益为对应的最强波束序号为i_k，则角度波束成形矩阵为：

其中为空间旋转矩阵，1≤k≤K，为第k个用户的最强波束，即归一化DFT矩阵第i_k列波束；

将预测方程与测量方程的等号两侧同乘可得

其中为当前n+1时刻第k个用户的最强波束增益,即第k个用户的角度域信道，为波束噪声，所述公式(9)和公式(10)构成角度域信道状态空间。

3.根据权利要求1所述的大规模MIMO高速移动场景下角度域信道追踪方法，其特征在于：所述的步骤5中所述的对当前时刻信道增益进行预测或修正包括以下步骤:

通过角度域信道状态空间获取5个卡尔曼方程：

p_k,n+1|n+1＝(1-kgτp_τ)p_k,n+1|n 公式(15)；

其中公式(11)中的为当前n+1时刻角度域信道的预测,为上一时刻角度域信道的最优估计；公式(12)中的p_k,n+1|n为当前n+1时刻角度域信道均方误差的预测，p_k,n|n为上一时刻角度域信道均方误差的最优估计，R_k,n为上一时刻全维信道的协方差矩阵；公式(13)中为当前n+1时刻角度域信道的最优估计；公式(14)中的kg为卡尔曼因子，为噪声方差；公式(15)中的p_k,n+1|n+1为当前n+1时刻角度域信道均方误差的最优估计；

角度域信道追踪的步骤为：

(a)初始化：定义为角度域估计误差；V_t,a为估计误差门限，V_r,a为信噪比跳变门限，由步骤3得到的当前的角度相关时间包括CT_m个追踪间隔T₀；

(b)计算公式(11)和公式(12)，对当前n+1时刻的CT_n+1,0≤n≤M-1进行信道预测，若累计误差p_k,n+1|n≤V_t,a，且瞬时信噪比跳变量Δη_k,n+1≤V_r,a，则将当前n+1时刻的信道预测值视为最优估计值，即

执行步骤(d)，否则，视为信道发生突变，执行步骤(c)；

(c)设ρ₁＝J₀(2πf_dT₁)为修正时间相关系数，其中为相干时间，λ为载波波长，v为用户移动速度，将ρ₁代入公式(11)和公式(12)，根据导频信号计算公式(13)，获取信道的最优估计值

(d)对下一时刻进行预测。