[发明专利]利用冗余字典加强稀疏性的透镜天线阵列信道估计方法

说明书

本发明公开了一种利用冗余字典加强稀疏性的透镜天线阵列MIMO信道估计方法。在毫米波透镜天线阵列MIMO中，收发端均采用天线选择网络代替全连接‑相移网络，从而减小通信系统的硬件成本和功率消耗；在导频交互阶段，天线选择网络在每次切换均获得部分角度范围的信道探测结果；经多次切换，射频链路在连续的多个时隙内遍历连接透镜天线阵列所有的阵元，从而利用有限的硬件资源对信道进行完整的观测；接收端利用冗余字典，对原本稀疏的透镜天线阵列的信道进行进一步的稀疏表示，再采用压缩感知理论进行信道恢复。利用冗余字典，可以对抗因信道AoDs和AoAs连续分布而造成的功率泄露，使得信道表示更为稀疏，有利于后续稀疏信号恢复算法的性能。

技术领域

本发明涉及移动通信中信道估计领域，尤其涉及一种利用冗余字典加强稀疏性的毫米波透镜天线阵列MIMO信道估计方法。

背景技术

毫米波技术是一项在下一代移动通信(5G)系统中有广泛应用前景的通信技术。毫米波所提供的超大带宽和超高数据速率可以有力地支持5G中飞速增长的用户需求。为了充分利用毫米波的优势，通信收发机广泛采用基于模拟/数字混合架构的大规模MIMO(多输入多输出，Multiple-Input Multiple-Output)系统，但在混合架构中广泛使用的庞大的移相器网络会给系统带来难以承受的硬件成本和功率消耗。

为了提高通信系统的成本效益，一种全新的天线阵列形式——透镜天线阵列被应用到通信领域。通过利用透镜天线阵列的基于角度的能量聚焦特性以及毫米波信道的角度稀疏性，基于透镜天线阵列的通信系统能够通过极少数射频链路实现数据容量最佳化。然而，极少数射频链路的使用将会大大降低接收导频信号的维度，使得该系统中的信道估计问题研究更具有挑战性。

针对基于透镜天线阵列的毫米波MIMO系统，目前已有多种信道估计方法被提出。具体地，Y.Zeng等人利用透镜天线阵列的能量聚焦特性，在信道的AoDs(离开角，Angles ofDeparture)和AoAs(到达角，Angles of Arrival)落在透镜天线阵列的角度分辨范围内的假设下，将基于透镜天线的MIMO信道分解为若干个SISO(单输入单输出，Single-InputSingle-Output)信道，并使用传统的LS(最小二乘，Least square)算法分别对各SISO信道进行估计。C.Qi等人通过对基于透镜天线阵列的MIMO信道进行分析，发掘出信道在支撑集分布上所具有的“双十字形”的结构性，并以此提出了一种支撑集检测方法，对信道进行估计，其估计性能优于传统的OMP(正交匹配追踪,Orthogonal Matching Pursuit)算法。S.Jin等人提出了一种进行基于透镜天线阵列的MIMO信道估计的深度学习模型，使得利用深度学习对透镜天线阵列的MIMO信道进行估计成为可能。C.Wen等人将基于透镜天线阵列的MIMO信道视为具有可压缩性的图像信号，并利用已经相当成熟的图像恢复技术对信道进行估计。

然而，对于以上的对基于透镜天线阵列的MIMO信道进行估计的方法，一方面，在信道估计问题建模的过程中，为了保证信道的结构性不被破坏，常常假设信道的AoDs(AoAs)在发射端(接收端)处彼此间的间隔足够大。这种假设在实际系统中很难得到满足，因此前述的信道估计算法在实际中难以发挥其优势；另一方面，为了保证进行信道估计时的观测矩阵满足RIP(restricted isometry property，有限等距特性)以保证稀疏信号恢复算法的性能，前述方法大多使用复杂的全连接-移相器网络来对发送的导频信号进行随机化，辅助基于透镜天线阵列的MIMO信道估计，这与透镜天线阵列的设计初衷——通过天线选择实现空间分集，减小硬件复杂度——互相矛盾。全连接-移相器网络所需要的十分庞大的移相器数量将会给系统带来难以承受的硬件成本和功率消耗。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种利用冗余字典加强稀疏性的毫米波透镜天线阵列MIMO信道估计方法，通过使用简单的天线选择网络，解决传统信道估计方法中由庞大的移相器网络带来的硬件成本和功率消耗问题。同时，本发明首次提出在原本稀疏的透镜天线阵列的信道估计中使用冗余字典，可以有效提升信道估计的性能。