[发明专利]一种基于码本辅助的大规模MIMO DOA估计方法有效

专利信息
申请号: 201811605453.1 申请日: 2018-12-26
公开(公告)号: CN109951216B 公开(公告)日: 2020-10-20
发明(设计)人: 李树锋;吴洪达;金立标 申请(专利权)人: 中国传媒大学
主分类号: H04B7/0417 分类号: H04B7/0417;H04B7/06;H04L5/00;G01S3/14
代理公司: 北京思海天达知识产权代理有限公司 11203 代理人: 沈波
地址: 100024 *** 国省代码: 北京;11
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摘要: 发明公开了一种基于码本辅助的大规模MIMO DOA估计方法,由于大规模多输入多输出(MIMO)系统中的天线规模极大,传统的波达方向(DOA)估计算法应用于大规模MIMO时的计算复杂度极高。本发明提出了一种用于下行链路传输的新型帧结构。基于该帧结构,将码本辅助算法引入到DOA估计中。具体来说,本发明将码本信道反馈于传统MUSIC算法和凸优化算法相结合,以解决由大规模MIMO系统中DOA估计由于阵列数量增加而引起的计算复杂性。在码本反馈机制下,可以充分利用先验信息获得定向角度范围,从而可以显着降低DOA估计的计算复杂度,仿真结果验证了算法的有效性。
搜索关键词: 一种 基于 辅助 大规模 mimo doa 估计 方法
【主权项】:
1.一种基于码本辅助的大规模MIMODOA估计方法,Α是一个矩阵,a是一个向量;AT和AH分别代表对矩阵的转置和共轭转置,||A||γ表示矩阵的γ范数;是对变量求期望;IN是维数为N×N的单位阵;tr(A)表示矩阵Α的迹,vec(A)表示对Α进行向量化操作;表示Α为半正定矩阵;其特征在于,该方法的具体实现过程如下,在单小区FDD大规模MIMO下行链路中,基站端天线数量为NT,间隔为d;基站与K个终端UE进行通信;只考虑多径中的主路径,即有K个独立可分辨的窄带源信号入射到均匀线性阵列ULAs上,NT>>K;则接收信号表示为x(t)=gkA(φk)s(t)+n(t)              (1)第k条路径的信道矢量表示为:hk=gka(φk)                  (2)其中,gk是第k个终端的路径增益,A(φk)=[a(φ1),a(φ2),…,a(φK)]为方向矢量矩阵,阵列响应向量表示为s(t)=[s1(t),s2(t),…sK(t)]T是理想的信源向量,该信源向量符合φk为第k条路径的角度;n(t)为加性复高斯白噪声,其满足为噪声方差;将下行传输的每一帧平均分为两个部分,其中前半帧包括角度估计阶段I以及许多传输时隙,每个传输时隙中包括路径增益估计和数据传输阶段;后半帧与前半帧的区别在于,通过角度估计阶段II进行角度估计,而后半帧的传输时隙设计与前半帧是相同的;对于该传输帧的设计,做出以下假设:假设1.在每个传输帧内,路径角度的缓慢变化甚至不变;由于路径角度的变化取决于散射环境,属于大尺度衰落,因此该假设是合理的;理论分析见附录A;对于每个传输帧,通过利用角度变化特性,需进行两次角度估计,而这两次角度估计是有差别的;在前半帧中,因为没有先验信息,因此角度估计的目标范围需设定为全局范围Φ,对于均匀线性阵列而言,Φ的取值范围为[‑π/2,π/2];由上述假设得知,在每一帧传输间隔内,角度的变化是缓慢的,在一个传输帧期间仍然存在角度扰动;但由于角度扰动小,因此,对于后半帧传输,在确定性的角度范围下进行角度估计;时分双工中通信中,发射端利用信道互易性获取下行传输的信道状态信息;而在频分双工系统中,为了获得块衰落信道的状态信息,并且由于反馈链路上的带宽约束,发射机获取信道状态信息需通过下行信道估计以及有限位数的反馈比特实现,而这需要借助码本实现;假设反馈比特理想的传输到发送端,发射端即可在预编码矩阵W中选择出预编码向量w;w和W在码本信道反馈机制中分别叫做码字和码本;在隐式反馈机制下,先验信息生成最强的信号子空间,即阵列信号处理中的主信道空间方向;在本方法中,通过码本反馈获得角度方向矩阵,这有助于获得一个确定性的角度范围而后半帧中的角度估计在该范围内实现;使用经典的MUSIC算法来实现DOA估计;接收信号x(t)的协方差矩阵Rx表示为信号协方差矩阵Us和噪声协方差矩阵Un;同时,协方差矩阵的Rx特征值Λ满足根据特征值能够判断出信号源的数量以及特征值相应的特征子空间;由于两个子空间之间的正交性,因此通过空间谱搜索获得DOA估计;其中,Φ是空间谱搜索的范围;对于FDD大规模MIMO系统中,通过前半帧的角度估计阶段I得到角度信息,进而得到信道状态的估计值通过码本W=[wk,i,i∈{1,2,…,2B}]以及码字wk,i完成信道量化,码字随码本的变化而变化;用于码本信道反馈的码本索引Qk通过式(5)计算得到:上式中,是信道方向,wk,i是与第K条路径信道信息最为匹配的码字;wk,i通过使用B比特信息反馈给发射端;当发射端接收到这些反馈信息,码本索引Qk;发射端生成反馈信道向量前半帧中获得的包含了阵列响应矢量a(φk),而a(φk)完全是由路径角度φk确定;因此,在后半帧传输中,由于角度扰动相对较小,在码本的辅助下,在一个特点的角度范围内去进行路径角度估计;对于后半帧的角度估计,由于搜索范围的变化MUSIC算法的复杂度大大降低;通过凸优化的方式解决上述角度估计问题;假设能够通过过方程(5)得到反馈索引Qk,并进一步得到角度估计范围无噪声信号的协方差矩阵Rss是一个低秩矩阵,协方差矩阵Rss的秩满足rank(Rss)=K<<NT;DOA估计问题建模为DOA估计问题建模中,引入l1范数以及与Rx相关的误差常数ξ;为了增强矩阵补全的稳定性,引入了弹性正则化项其中,τ作为||Rss||1之间的平衡正则化因子,根据半正定矩阵的性质,||Rss||1转换为tr(Rss);最后;引入辅助优化变量则约束条件变为因此,上DOA估计问题建模转化为:方程(7)中的约束条件进一步重写为:将凸优化问题转化为标准的半定规划SDP问题,该半定规划SDP问题使用常规的内点法求解,其计算复杂度为多项式时间复杂度;J是NT(NT‑1)×NT2的选择矩阵;MUSIC算法的计算成本主要取决于频谱搜索;对于均匀线性阵列,MUSIC算法的计算复杂度为其中λ是MUSIC算法中的搜索步长。
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