[发明专利]一种基于波束选择的毫米波大规模MIMO系统MMSE-PCA信道估计方法

说明书

本发明提出一种基于波束选择的毫米波大规模MIMO系统MMSE‑PCA(最小均方误差‑主成分分析)信道估计方法。该方法首先在基站侧以MMSE预编码为基准的幅度最大化标准选择波束信号。其次在接收端使用PCA信道压缩方法，将信道进行压缩降维，最后使用经典的最小二乘法(LS)进行信道估计。MMSE预编码可以减小系统中信道噪声和各个用户之间的干扰，减少基站使用射频链路数目，因此可降低系统的实现成本和能量损耗。同时，PCA利用原始高维数据的相关性，将高维的数据压缩到低维。该方法在降低系统复杂度基础上，达到有效优化系统传输性能和提高能量效率的目的。

技术领域：

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种基于波束选择的毫米波大规模MIMO系统MMSE-PCA信道估计的方法。

背景技术：

随着现代电子信息技术的不断发展，我国的移动通信技术取得了卓有成效的成果，4G移动网络在我国的大力推行，极大地改善了人们的生活体验与生产方式。目前，面向2020年的第五代移动通信技术(5G)还处于起步阶段。毫米波大规模多输入多输出(MIMO)是未来5G无线通信的一项关键技术，因为它的带宽更宽和频谱效率更高，可以显著提高数据速率。然而随着移动通信用户数量及无线数据传输速率的飞速增长，现有的频谱资源变得拥挤不堪，已无法达到5G的通信指标要求，因此未被完全开发的毫米波频谱资源在未来5G通信中的应用研究得到了国内外研究学者的关注。一方面，毫米波的带宽可达10GHz，可以为通信系统提供丰富的带宽资源，另一方面，由于无线通信系统中天线尺寸与信号波长成正比，毫米波的波长使得其对应的天线尺寸大大降低，适合在发送端和接收端部署大量的天线，从而获得较高的天线阵列增益。因此，毫米波与大规模MIMO技术的完美结合，将会成为当前通信领域的研究热点。

然而，在实际应用中实现毫米波大规模MIMO并不是一项简单的工作。一个关键的挑战是，在传统的MIMO系统中的每个天线通常需要一个专用的射频(RF)链(包括数模转换器、上变频器等)。在基带部分一般采用数字预编码技术对发射信号进行预处理，经过预处理的信号可以大大降低系统中的干扰从而使系统性能得到大幅度提升。然而，在全数字预编码方案中，每根天线都要对应一条RF链路，随着基站天线数及用户数的不断增加，系统所需RF链路数也随之增多，导致系统实现成本增加，并且造成巨大的能量损耗。这导致毫米波大规模MIMO系统的硬件成本和能耗难以负担，因为天线数量变得巨大(例如，256根天线)，并且RF链的能耗很高(例如，毫米波频率下每根RF链约250mW)。

为了减少所需的RF链数量，最近提出采用透镜线形(ULA)天线阵列(一种具有能量聚焦能力的电磁透镜和一种与位于透镜焦面上的元件相匹配的天线阵)的毫米波大规模MIMO系统。通过采用ULA天线阵，通过将来自不同方向的信号集中在不同天线上，可以将空间信道转换为波束空间信道。由于毫米波频率下的散射并不丰富，因此毫米波通信中的有效路径数目十分有限，仅占用少量波束。因此，毫米波波束空间信道是稀疏的，我们可以根据稀疏的选择少量的主波束。在毫米波大规模MIMO系统中，基站端配置大量的天线阵列元，信号以利用波束成形技术将信号集中在一个块区域空间，可以使得毫米波大规模MIMO路径存在有一定的稀疏特性。利用这一特性，采用近些年研究较为广泛的压缩感知来对信道进行处理。首先依据相关的压缩感知理论的研究用混合预编码器获得毫米波系统的测量矩阵，然后毫米波系统的信道估计问题可以作为一个典型的稀疏信号恢复问题来研究。

总而言之，解决高能耗，并如何达到降低系统复杂度基础上有效提高系统性能和能量效率的目的，是目前毫米波大规模MIMO系统的信道估计研究所面临的挑战。

发明内容：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种基于波束选择的毫米波大规模MIMO系统MMSE-PCA信道估计的方法。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种基于波束选择的毫米波大规模MIMO系统MMSE-PCA信道估计方法，其特征在于，包括：