[发明专利]基于混合结构的ESPRIT的到达角与信噪比估计方法

说明书

本发明提供了混合模拟与数字结构接收机中，基于旋转不变技术的混合波束成形的到达角估计与信噪比估计方法。首先将模拟波束成形的相位设为零，利用ESPRIT算法估计角度，此时由于引进混合结构将导致测角模糊问题。接着分别进行数字相位对齐与模拟相位对齐，通过最大化接收信号功率准则剔除模糊角获得最终的角度估计。在获得角度估计的基础上，再通过模拟相位消除获得信噪比的估计。本发明将到达角估计技术应用于混合模拟与数字结构的接收机中，相比于传统的全数字接收机，可以大大降低硬件电路的成本与功耗，并且在少量射频链路的情况下仍可以有效的获得角度与信噪比的估计。

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及基于混合结构的ESPRIT的到达角与信噪比估计方法。

背景技术

无线测向技术历史悠久，自诞生之日起就获得了广泛的关注，各种相关的研究增出不穷。Capon和Burg分别提出了基于最大似然与基于最大熵的角度估计算法。但是，此类算法受限于天线阵列的孔径，即所谓的瑞利限。随后，高分辨率的子空间类算法例如MUSIC与ESPRIT算法被相继提出。随着压缩感知技术的发展，将压缩感知技术应用于到达角估计使得角度估计的精度获得了进一步的提升。近期，随着机器学习的大热，一些基于深度学习的到达角估计的方法被相继提出，通过利用离线的训练数据获得角度域的特性，实时的在线估计将更加迅速有效。如今，随着一些新技术如方向调制、无人机、智能交通、5G毫米波等技术的快速发展，对到达角估计的需求将达到一个新的高度。

传统的基于到达角估计的研究主要集中于全数字接收机。在全数字结构中，每根天线需要配备专有的射频链以获得多流传输与较高的性能增益。随着大规模MIMO技术的蓬勃发展，采用大规模的天线阵列成为新的发展趋势，此时若继续采用全数字结构将不可避免的带来高昂的硬件电路成本和功耗问题，与此同时还伴随着高计算复杂度的问题。因此，采用混合模拟与数字结构的大规模MIMO结构成为一个合适的选择。混合的模拟与数字结构采用低维的数字波束成形与高维的模拟波束成形，通过采用远远小于总天线数的射频链数来降低电路成本，以此达到性能与成本间的折中。

因此，本发明考虑基于部分连接的混合结构的ESPRIT到达角估计算法，利用模拟与数字波束成形实现角度的估计，并通过模拟相位对齐与最大化接收信号功率的思想解决由于混合结构引起的测角模糊问题，在此基础上利用估计的准确角度重新设计模拟波束成形从而进行信噪比估计，从而获得有效的角度与信噪比估计值。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供基于混合结构的ESPRIT的到达角与信噪比估计方法，先初始化模拟波束成形的相位为零，然后对经过模拟波束成形的信号利用ESPRIT算法进行估角。接着利用估计的角度进行数字波束成形，由于数字波束成形中相位函数的周期性，此时估计的角度会产生测角模糊，即估计值为一组角度集合。然后利用模拟相位对齐，通过最大化输出信号功率估计出最终的角度，去除角度集合中模糊值，估计出正确的角度。最后，在获得估计角度的情况下，重新采用相位抵消的思想设计模拟波束成形以进行信噪比估计。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案包括：将子阵视为虚拟的单根天线，利用ESPRIT估计算法对虚拟阵列进行角度估计；通过数字相位对齐与模拟相位对齐，最大化接收信号功率的思想解测角模糊；利用相位抵消的思想估计信噪比。