一种高分辨率宽带空域非平稳信道参数估计方法技术

本发明专利技术公开了一种高分辨率宽带空域非平稳信道参数估计方法，该方法可以从信道测量数据中提取多径信息，共分为四个步骤，具体包括：1)参数初始化，初始化参数包括多径的到达角、离开角和时延；2)参数精细化，该步骤基于球面波模型对初始化参数做精细化搜索；3)多径空域生灭识别，该步骤用来识别多径在阵列域的生灭；4)多径筛选，该步骤用来剔除低信噪比的多径估计结果。本发明专利技术提出的算法采用球面波前，考虑了天线极化，并且首次在极大似然估计中引入了多径在阵列维度的生灭。信道测量数据验证表明，本算法相比传统算法可以提取出更多有效多径。此外，该算法支持任意阵列形状的参数估计，通过简化多径极化分量的估计可以支持单极化信道参数估计。化信道参数估计。化信道参数估计。

【技术实现步骤摘要】
一种高分辨率宽带空域非平稳信道参数估计方法


[0001]本专利技术属于大规模MIMO无线信道测量与参数估计领域，涉及一种高分辨率宽带空域非平稳信道参数估计方法。

技术介绍

[0002]应用驱动技术创新，随着移动通信技术的发展，出现了很多新型应用场景，例如毫米波、超大规模MIMO以及通信感知一体化等应用场景。新型应用场景带来了新的信道特性，毫米波频段信道带宽一般比较大，带来了宽带特性；超大规模MIMO由于其阵列尺寸较大，带来了球面波特性；通感一体化应用场景为了获得高分辨率的时延和角度信息，需要采用宽带超大规模MIMO阵列，因此同时具有宽带和球面波特性。为了建立一个能够准确地描述这些新的应用场景的信道模型，首先需要开展对应场景的信道测量，然后通过信道参数估计算法提取信道模型参数。
[0003]然而，新的信道特性为传统信道参数估计算法带来了挑战。传统信道参数估计算法中常用的远场假设和窄带假设在宽带超大规模MIMO测量中将不再适用。具体原因为：1)远场平面波假设表示多径离开或到达天线阵列的电磁波可以看成平面波波前。该假设在收发端距离大于瑞利距离时成立，然而随着天线数目的增加，天线阵列的孔径增大，收发端之间的距离可能小于阵列的瑞利距离，此时平面波假设将不再适用，需要采用球面波波前。在球面波假设中，散射体被抽象成一个点，多径离开或到达阵列的时延、角度需要根据散射体和阵列的几何关系计算；2)窄带假设在G/λ＜＜f
c
/B时成立，其中G表示天线孔径，λ表示传播信号的波长，f
c
表示中心频率，B表示信号带宽。当信号带宽增大时到窄带假设不满足时，多径的时延和角度不再是独立参数，无法在参数估计中分开估计；3)此外，大量信道测量结果表明，超大规模MIMO阵列在空域存在多径的生灭现象，也称为空域非平稳特性。
[0004]现有的参数估计算法可以分为三种：谱估计算法、参数子空间估计算法以及极大似然估计算法。基于谱估计的参数估计算法一般复杂度比较低，但是谱估计算法的分辨率也比较低。基于旋转不变性技术的信号参数估计(estimation of signal parameter via rotational invariance techniques,ESPRIT)和多重信号分类算法(multiple signal classification,MUSIC)是两种经典的基于参数子空间的参数估计算算法。但是这两种算法都是基于平面波假设，无法适用于超大规模MIMO场景。期望最大化(expectation maximization,EM)算法是一种经典的极大似然估计算法，该算法具有高分辨率和高复杂度的特点。为了降低EM算法的复杂度，空间交替广义期望最大化(space
‑
alternating generalized expectation
‑
maximization,SAGE)算法被提出，该算法通过将参数分为多个子集分开估计从而降低了搜索复杂度。SAGE算法由于其高分辨率和可接受的复杂度，被广泛应用于测量数据处理中。然而，尽管大量的测量发现宽带超大规模MIMO中存在空域多径生灭现象，但是目前的SAGE算法仍然没有考虑这种信道特性。这种模型与测量结果的不匹配会带来估计误差，导致算法估计出很多伪径，甚至可能导致算法无法收敛。为了弥补现有信道参数估计算法的不足，本专利技术提出了一种基于极大似然的高分辨率信道参数估计算
法，该算法考虑了球面波前以及宽带效应。此外，本专利技术在传统球面波信道模型中引入了空域非平稳因子，通过估计每条多径的空域非平稳因子，可以识别出多径在空域的生灭。

技术实现思路

[0005]本专利技术提出了一种高分辨率宽带空域非平稳信道参数估计方法，该算法考虑了多径在空域的生灭、球面波前、大带宽以及天线极化。
[0006]本专利技术的具体技术方案如下：
[0007]步骤S1、介绍宽带空域非平稳信道模型。
[0008]步骤S2、介绍连续干扰消除法。
[0009]步骤S3、给出信道参数估计算法参数初始化具体流程。
[0010]步骤S4、给出信道参数估计算法参数精细化具体流程。
[0011]步骤S5、给出信道参数估计算法空域多径生灭识别的具体流程。
[0012]步骤S6、给出信道参数估计算法多径筛选的具体流程。
[0013]具体地，步骤S1具体包括以下几个步骤：
[0014]步骤S101、假设一个天线阵列接收端有M
r
根天线，发送端有M
t
根天线，则在窄带平面波假设下第l条多径在接收端第m根天线和发送端第n根天线的传输函数为：
[0015][0016]其中表示M
f
个传输频点，[
·
]T
表示转置运算，<
·
>表示内积运算，P
Rx
和P
Tx
分别表示接收端和发送端天线的极化，表示第l条多径在接收端P
Rx
极化和发送端P
Tx
极化的复增益，Ω
Rx,l
和Ω
Tx,l
分别表示第l条多径的到达角和离开角，和分别表示接收端第m根天线在P
R
×
极化的复增益和发送端第n根天线在P
Tx
极化的复增益。在窄带假设下，忽略频点对天线增益的影响，仅考虑中心频点处的天线增益。r
Rx,m
和r
Tx,n
分别表示接收端第m根天线和发送端第n根天线的位置矢量，τ
l
表示第l条多径的时延。
[0017]步骤S102、在宽带超大规模MIMO阵列下，窄带平面波假设不再适用，此时需要采用球面波假设，并且天线增益与频点的关系也需要考虑，此时第l条多径在第f
k
个频点的传输函数为：
[0018][0019]其中，Ω
Rx,m,l
表示第l条多径在接收端第m根天线的到达角，Ω
Tx,n,l
表示第l条多径在发送端第n根天线的离开角，表示接收端第m根天线在第k个频点和Ω
Rx,m,l
方向的复增益，表示发送端第n根天线在第k个频点和Ω
Tx,n,l
方向的复增益,τ
m,n,l
表示第l条多径从接收端第m根天线到发送端第n根天线的时延。
[0020]步骤S103、步骤S102中的宽带球面波模型可以改写成矩阵形式，具体如下：
[0021][0022]其中，表示构成第l条多径的参数集，d
T
×
,l
表示第l个首跳簇到发送端参考天线的距离，d
Rx,l
表示第l个末跳簇到接收端参考天线的距离，θ
Tx,l
和θ
Rx,l
分别表示第l条多径的俯仰离开角和俯仰到达角，φ
Tx,l
和φ
Rx,l
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高分辨率宽带空域非平稳信道参数估计方法，其特征在于，包括如下步骤：构建宽带空域非平稳信道模型；估计第l条多径的传输函数；信道参数初始化，初始化信道参数包括多径的到达角、离开角和时延；信道参数精细化，该步骤基于球面波模型对初始化信道参数做精细化搜索；多径空域生灭识别，该步骤用来识别多径在阵列域的生灭；多径筛选，该步骤用来剔除低信噪比的多径估计结果。2.根据权利要求1所述的一种高分辨率宽带空域非平稳信道参数估计方法，其特征在于，构建宽带空域非平稳信道模型的具体步骤包括：假设一个天线阵列接收端有M
r
根天线，发送端有M
t
根天线，则在窄带平面波假设下第l条多径在接收端第m根天线和发送端第n根天线的传输函数为：其中表示M
f
个传输频点，[
·
]
T
表示转置运算，<
·
>表示内积运算，P
Rx
和P
Tx
分别表示接收端和发送端天线的极化，表示第l条多径在接收端P
Rx
极化和发送端P
Tx
极化的复增益，Ω
Rx,l
和Ω
Tx,l
分别表示第l条多径的到达角和离开角，和分别表示接收端第m根天线在P
Rx
极化的复增益和发送端第n根天线在P
Tx
极化的复增益；r
Rx,m
和r
Tx,n
分别表示接收端第m根天线和发送端第n根天线的位置矢量，τ
l
表示第l条多径的时延；第l条多径在第f
k
个频点的传输函数为：其中，Ω
Rx,m,l
表示第l条多径在接收端第m根天线的到达角，Ω
Tx,n,l
表示第l条多径在发送端第n根天线的离开角，表示接收端第m根天线在第k个频点和Ω
Rx,m,l
方向的复增益，表示发送端第n根天线在第k个频点和Ω
Tx,n,l
方向的复增益,τ
m,n,l
表示第l条多径从接收端第m根天线到发送端第n根天线的时延；将宽带球面波模型改写成矩阵形式，具体如下：其中，其中，表示构成第l条多径的参数集，d
Tx,l
表示第l个首跳簇到发送端参考天线的距离，d
Rx,l
表示第l个末跳簇到接收端参考天线的距离，θ
Tx,l
和θ
Rx,l
分别表示第l条多径的俯仰离开角和俯仰到达角，φ
Tx,l
和φ
Rx,l
分别表示第l条多径的方位离开角和方位到达角，
⊙
表示矩阵对应元素相乘，Ψ
l
表示第l条多径的时延矩阵，A
l
表示第l条多径的复幅度矩阵；宽带球面波模型引入阵列生灭系数ζ
Rx
和ζ
Tx
，得到宽带空域非平稳信道传输函数：
其中，Θ
l
＝{Γ
l
,ζ
Rx,l
,ζ
Tx,l
}表示在宽带空域非平稳信道模型中构成第l条多径的参数集。ζ
Rx,l
和ζ
Tx,l
分别表示第l条多径在接收端和发送端的生灭系数；ζ
Rx,l
中第m个元素记为ζ
Rx,m,l
，表示第l条多径在接收端第m根天线的生灭系数，ζ
Rx,m,l
＝0表示第l条多径在接收端第m根天线消失，ζ
Rx,m,l
＝1表示第l条多径在接收端第m根天线存活；ζ
Tx,n,l
表示第l条多径在发送端第n根天线的生灭系数。实际测量得到的信道传输函数Y(f)为：其中，L表示多径的数目，n(f)表示噪声矢量，表示噪声的功率。3.根据权利要求1所述的一种高分辨率宽带空域非平稳信道参数估计方法，其特征在于，估计第l条多径的传输函数的具体步骤包括：基于连续干扰消除法进行多径估计，对于第1条多径传输函数，直接使用测量得到的传输函数Y(...

【专利技术属性】
技术研发人员：王承祥，周子皓，张丽，黄杰，辛立建，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：