三维大规模天线系统基于导频的波达波离角联合估计方法
【技术领域】：
[0001 ] 本发明涉及一种基于导频的波离角与波达角的联合估计的方法，特别涉及一种三 维大规模多天线系统下（3D massive MIM0)针对发送端是均勾线性阵列（Uniform linear array，ULA)，接收端是均勾平面阵列（Uniform planar array，UPA)的波离角和波达角的联 合估计方法（Joint DOD and DOA estimation)，属于通信技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着通信技术的不断发展，通信数据的传输速率将越来越快，信道环境越来越复 杂，人们对有限的空间频谱资源的需求不断提高。大规模多天线技术可以在不增加带宽以 及发送功率的情况下，提高系统的信道容量，因而成为无线通信领域中研宄的最广泛的技 术之一。现有的大规模多天线技术大多只考虑水平天线模式，而忽略了垂直天线模式的影 响，这并不符合实际的无线信道。3D massive MMO由于其更大的自由度，实现了信道和天 线模型的三维化，更加贴切地反映了实际的MMO信道，因而成为未来无线通信系统的候选 技术之一。大规模天线系统经常使用均匀平面阵列，因为该阵列采用平面摆放天线，大大减 小了天线的空间占用面积。
[0003] 随着智能手机的普及以及无线多媒体应用的快速增长，无线数据的需求也大幅增 加。而智能天线技术则为解决这些问题带来了新的方法，并且成为第四代移动通信系统的 研宄热点之一。波离角和波达角的联合估计技术作为智能天线技术中的一个重要部分，也 受到了业界的极大关注。智能天线通过采用波离角和波达角估计技术对用户的空间信息进 行估计，能够有选择性地接收或发射位于同一信道中的多路信号，降低了信号之间的干扰， 增加了通信容量，提高了通信质量。
[0004]经典的 MUSIC (Multiple Signal Classif ication，多重信号分类）算法和 ESPRIT (Estimating Signal Parameters Via Rotational Invariance Techniques，借助 旋转不变技术估计信号参数算法）都是一维参数（方位角）的DOA (Direction of Arrival) 估计方法，且算法的计算量比较大。而在实际应用中，对于信号波达角的多维参数（方位 角、俯仰角、频率及时延等）的估计更有应用价值。而如果直接将MUSIC算法应用于波达角 的二维参数（方位角、俯仰角）估计则需要进行二维的谱峰搜索，将会使得算法的计算量 非常大，而且对于波离角估计还需要再一次运用MUSIC算法或者ESPRIT算法，运算量将会 大大增加。针对大规模天线系统，需要估计的波离角和波达角的参数更多，所以对该系统的 联合波离角和波达角估计算法的研宄具有重要的意义。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为解决3D massive MMO中的联合DOD和DOA估计问题，提出了 一种三维大规模天线系统下基于导频的发送端是均匀线性阵列，接收端是均匀平面阵列的 联合波离角和波达角的估计方法。应用该方法，使得在这种复杂系统中的联合DOD和DOA 估计问题得以解决。
[0006] 本发明方法的目标是在满足一定准确率的情况下，解决复杂系统的联合DOD和 DOA估计的问题。思想是发送端源源不断发送导频符号，然后根据导频处的信道模型，利用 奇异值分解，将联合DOD和DOA估计的问题转化为求矩阵的奇异值分解的问题，最后提出了 基于导频的联合DOD和DOA估计方法以达到降低估计复杂度的目的。
[0007] 本发明是建立在以下基础上进行的：基站端为均勾平面天线阵列（Uniform planar array，UPA)，水平方向有M个阵元，竖直方向有N个阵元，故该平面阵列接收天线数 MXN，移动端为配置Nt个发送天线的均勾线阵（Uniform Linear Array，ULA)，大规模 天线系统中，MXN和Nt都很大。在UPA端考虑俯仰角度的影响，信道为3D信道。
[0008] 本发明方法是通过如下技术方案实现的：
[0009] -种三维大规模天线系统下基于导频的波达角与波离角的联合估计方法，包括以 下步骤：
[0010] 步骤1，移动端在每根发射天线源源不断地发送已知的导频符号S，基站端获 得接收信号Y并记录不同路径的信号衰落损耗大小排序，根据最小二乘估计算法H = Y(SHSrSH，估计整个系统的等效信道增益H ;作为优选，所述每条路径的信号衰落损耗可以 使用该条路径信号的功率表征；
[0011] 步骤2,基站端对等效信道增益H进行奇异值分解得到奇异值Singular Value Decomposition，SVD) X"A2,…，Ap和奇异值矩阵 I：H=Diag{X"…，Ap}，且 入1多入2，...，多入P;
[0012] 步骤3,根据步骤1中不同路径的信号衰落损耗大小排序序号，在奇异值序列中 找到该序号对应的奇异值，即若第1条路径在衰落损耗中排序第q，则选择第q个奇异值
[1，P])，该值即为第1条路径的衰落系数，所有的路径（1到P)的衰落系数形成信 道衰落系数矩阵D;
[0013] 步骤4,基站端针对每条路径两次运用ESPRIT算法估计均匀平面天线阵列的波达 角，即两次分别估计第1条路径（共P条路径）的俯仰角9 U和方位角％,，从而获得每条 路径的天线阵列响应\1:
[0015] 其中，ur，(2以,/人。)。〇80,;1，^=(2加;//LJsinlcos 仍M 为水平阵元数 目，N为竖直阵元数目，4为阵元间距，A。为载波波长；
[0016] 进而根据如下公式得到均匀平面天线阵列矩阵A:
[0017] A = [ar；1, . . . , ar；P]；
[0018] 步骤5,基站端根据等效信道增益H，信道衰落系数D和接收天线阵列的响应A，根 据公式H =ADBt获得均匀线性阵列响应矩阵B，然后根据如下公式计算得到发射均匀线性 天线阵列的波离角0 :
[0019] B = [at；1,. . . ,at；P]；
[0021] 有益效果
[0022] 对比现有技术，本发明的有益之处在于，针对复杂的3D Massive MMO系统，面对 大量的待估计的参数，本发明方法比传统的算法复杂度低，节约时间和资源。由于发送端和 接收端都是大规模系统，通过大数定理，将联合估计问题简化为矩阵奇异值分解问题，再利 用导频和ESPRIT算法获得所有待估计的参数。
【附图说明】
[0023]图1为本发明实施例选用的三维大规模网络上行传输模型示意图。
[0024] 图2为本发明实施例波离角与波达角的联合估计方法流程示意图。
[0025]图3为本发明实施例的信号传输流程示意图。
[0026] 图4为实施本发明实施例得到的不同天线阵列模型的方位角均方估计误差和俯 仰角均方估计误差曲线示意图。
[0027]图5为实施本发明实施例得到的不同快拍数下联合波离角和波达角估计的均方 误差（MSE)与信噪比的关系曲线示意图。
【具体实施方式】
[0028] 为使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合附图对本发明的实 施例进行详细描述。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细实施方式和 具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0029] 实施例
[0030] 如附图1所示为本实施例选用的三维大规模网络上行传输模型示意图，图中4和 d t分别表示接收天线和发射天线阵元的阵元间距，h m和h分别表示移动端天线和基站天线 到地面水平面的高度。以基站天线所在平面为参考平面，基站与移动端第1条路径的连线 在参考平面的投影为J 1，则定义1与X轴的夹角气;为该传输路径波达角的方位角，基站 与移动端第1条路径的连线与z轴反方向的夹角0 u为该传输路径波达角的俯仰角，称 (外./，义/)为第1条路径的波达角；同理，对移动端本身建立和基站类似的坐标系，由于发射 天线是线阵而不是阵列，故而把线阵方向定义为X轴正方向，因此基站与移动端第1条路径 的连线与移动端X轴的夹角0 u为该路径的波离角，不存在俯仰角和方位角划分。
[0031] 根据图1所示传输模型，按照下述步骤进行波离角与波达角的估计，如图2所示：
[0032] 步骤1，移动端在每根发射天线源源不断地发送已知的导频符号S，基站端获 得接收信号Y并记录不同路径的信号衰落损耗大小排序，根据最小二乘估计算法H = Y(SHSrSH，估计整个系统的等效信道增益H ;
[0033] 作为优选，所述每条路径的信号衰落损耗可以使用该条路径信号的功率表征；
[0034] 步骤2，基站端对等效信道增益H进行奇异值分解（Singular Value Decomposition，SVD)得到奇异值A A 2,…，A p和奇异值矩阵I： H= Diag { A丨，…，入p}， 目.入 1 入 2，? ? ?，^^ 入 p0
[0035] 步骤3,根据步骤1中不同路径的信号衰落损耗大小排序序号，在奇异值序列中 找到该序号对应的奇异值，即若第1条路径在衰落损耗中排序第q，则选择第q个奇异值
[1，P])，该值即为第1条路径的衰落系数，所有的路径（1到P)的衰落系数形成信 道衰落系数矩阵D ;
[0036] 在大规模天线系统中，根据大数定理，发送天线阵列B和接收天线阵列
[0037] A的不同路径之间正交，所以经过对等效信道增益矩阵的奇异值分解后得到
[0038] 的奇异值即为路径的衰落系数。
[0039] 步骤4,基站端针对每条路径两次运用ESPRIT算法估计均匀平面天线阵列的波达 角，即两次分别估计第1条路径（共P条路径）的俯仰角9 U和方位角I,，从而获得每条 路径的天线阵列响应\1:
[0041] 其中，Url= QndrAJcosO,.」，//LjsiiiLcos 奶」，M 为水平阵元数 目，N为竖直阵元数目，4为阵元间距，A。为载波波长；
[0042] 进而根据如下公式得到均匀平面天线阵列矩阵A :
[0043] A - [ar " ? ? ?，ar p] 〇
[0044] 如图3所示为本实施例的信道传输模型示意图，图中