[发明专利]一种基于混合天线子阵列的到达角估计方法

说明书

本发明公开了一种基于混合天线子阵列的到达角估计方法。该方法具体为：对各个子阵列的天线个数进行优化；在优化后的混合天线子阵列结构下，构建子阵列的输出信号模型；计算各个子阵列输出信号之间的互相关；提取互相关的相位并作取模操作；构建用于到达角估计的优化问题并求得最优解；根据优化问题的最优解转换得到来波的天顶角和方位角。本发明通过优化子阵列的天线个数避免了到达角估计的角度模糊效应，计算过程中无需矩阵分解和求逆等复杂运算。本发明适用于采用混合天线子阵列的实际通信系统，利用低功耗、低成本、低时延的数字信号处理，能够有效地实现高精度的到达角估计，为后续波束赋形、空分复用、波分多址等信号处理技术提供了前提保障。

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，具体的说，涉及一种基于混合天线子阵列的到达角估计方法。

背景技术

为了补偿高频段电磁波信号的路径损耗，通常会借助大规模天线阵列和波束赋形技术来提升目标用户的接收信噪比。需要注意的是，这种信噪比的提升是有向的，即只有当目标用户被波束对准时，它的接收信噪比才会提升。因此，为提升目标用户的信噪比，必须要通过到达角估计来获取目标用户的方向信息。

为了降低功耗与成本，大规模天线阵列往往采用混合天线子阵列结构。在该结构中，射频通道(RF chain)的数量远小于天线的数量，它们之间的连接关系如下：所有天线被划分到互不重叠的子阵列中，属于同一个子阵列的天线与一个单独的射频通道相连接。这种特殊的结构令到达角估计问题变得复杂。

传统的到达角估计方法主要包括以MUSIC和ESPRIT为代表的信号子空间方法，以及压缩感知方法，这些方法的计算复杂度很高，不适合应用在便携式无线终端上，而且这些方法会遇到角度模糊效应的问题，即到达角估计的结果不唯一，且算法本身无法从中辨识出真正的到达角。而采用低复杂度的波束扫描的到达角估计方法是，虽然可以避免角度模糊效应，但是如果要达到较高的估计精度，需要占用非常多的时域资源，这在实际的通信系统中会导致很高的延迟。

基于混合天线子阵列结构，X.Huang,Y.Jay Guo和J.D.Bunton(A hybridadaptive antenna array,”IEEE Trans.Wireless Commun.,vol.9,no.5,pp.1770-1779,2010年5月)提出了一种到达角估计方法。该方法会产生角度模糊效应。K.Wu,W.Ni,T.Su,R.P.Liu和Y.J.Guo(Robust unambiguous estimation of angle-of-arrival in hybridarray with localized analog subarrays,”IEEE Trans.Wireless Commun.,vol.17,no.5,pp.2987-3002,2018年5月)提出了一种到达角估计方法。该方法避免了角度模糊效应，但是它对各个子阵列的波束指向增加了约束，这大大限制了该方法在实际场景中的应用。

发明内容

本发明针对背景技术中的问题提出一种基于混合天线子阵列的到达角估计新方法，主要解决了如下技术问题：在对子阵列波束方向不做约束的前提下消除角度模糊效应；利用低复杂度的运算和较少的时域资源实现高精度的到达角估计。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。

一种基于混合天线子阵列的到达角估计方法，包括如下步骤：

对各个子阵列的天线个数进行优化；

在优化后的混合天线子阵列结构下，构建子阵列的输出信号模型；

计算各个子阵列输出信号之间的互相关；提取互相关的相位并作取模操作；

构建用于到达角估计的优化问题并求得最优解；

根据优化问题的最优解转换得到来波的天顶角和方位角。

具体的，本发明中，优化后的混合天线子阵列结构能消除角度模糊效应，具有如下特征：