一种对抗相移器不理想性的信道估计和混合波束成形方法与流程

本发明属于未来5g毫米波大规模天线阵列通信技术领域，具体涉及对抗相移器不理想性的信道估计和混合波束成形的方法。

背景技术：

未来5g通信需要更大的带宽，更高的数据速率和频谱效率。毫米波频段拥有巨大的未授权频谱资源，被认为是5g通信中很有前景的选择；同时大规模天线阵列技术可以通过获得更高的天线增益来抵抗路损；另外，为了节省硬件成本和功率损耗，混合波束成型技术得到广泛关注。混合波束成形技术分为模拟域波束成形和数字域波束成形。模拟域波束成形多数情况通过相移器网络进行实现。但由于工艺水平限制，相移器的设置可能存在误差，比如相移误差或者增益误差，使得波束成形效果变差，用户可达速率降低。

针对多用户情况，前人提出很多混合波束成形方法，其中包括：《电气和电子工程师协会无线通信学报》(2016年12月出版15卷11期7258–7271页)提出的通过压缩感知技术估计信道信息，并对于信道矩阵进行奇异值(svd)分解获得预编码矩阵的方法；以及《电气和电子工程师协会通信选域期刊》(2017年6月出版35卷7期1576-1590页)文章提出的通过波束训练，来获得模拟域预编码矩阵的方法。但是这些方法均存在训练开销较大，计算复杂度较高的缺点，所以多是利用信道互易性，在上行完成复杂的信道估计或者波束训练过程，再以此设计下行波束成形。但是实际上，由于同相正交失衡等多种因素的存在，射频链在上下行是不满足互易性的，所以如果能够通过一种低复杂度，低训练开销的下行信道估计方法，进行下行混合波束成形的设计，同时解决由于相移器不完美带来的性能降低问题，是解决这方面问题的具有使用前景的很有意义的研究方向。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种应用于毫米波通信的对抗相移器不理想性的信道估计和混合波束成形方法，通过比较低的训练开销和计算复杂度来提高用户的可达速率，并且对抗相移器不理想性。

本发明应用于毫米波通信的对抗相移器不理想性的信道估计和混合波束成形方法，其应用场景为：一个基站与k个用户同时进行下行通信；基站的天线有nbs根，射频链数为k，用户侧设备天线有nue根，射频链数为一条；基站端具有k×1的原始信号s要向用户发送，混合预编码矩阵为：f＝frffbb，其中frf为nbs×k维模拟域预编码矩阵，fbb为k×k维数字域预编码矩阵；模拟域预编码矩阵由相移器网络构成，元素满足幅度限制，预编码矩阵各元素表示为相移器存在相移误差δ和增益误差α；其特征在于包括以下步骤：

第一步、通过离散傅里叶变换(dft)插值雅克布森算法进行下行离开角估计：

基站端发送导频矩阵模拟域预编码矩阵为：其中，uk×k是k×k维dft矩阵；第k个用户信道矩阵采用莱斯信道模型其中为直视径信道，为散射径信道；每个用户只用一根全向天线进行接收，则第k个用户接收到的信号为：

在用户端，用dft插值法进行下行信道直视径离开角估计：在yk中找出模值最大的并找到其两个临近值和利用雅克布森算法进行直视路径的离开角估计，估计值为：

第二步、反馈下行离开角，进行模拟域预编码设计：

将各个用户估计得到的直视路径的离开角反馈到基站端，基站端设计对应第k个用户的模拟域预编码向量为：其中q(·)是对于括号中角度的量化；在接收端采用波束训练的方式设计模拟域波束成形矢量；

第三步、估计下行等效信道：

再次由基站向用户发送导频并采用第二步中设计好的模拟域预编码矩阵，在用户端对于等效信道进行估计，得到估计等效信道

第四步、反馈下行等效信道，进行数字域预编码矩阵设计：

将估计得到的估计等效信道反馈到基站端，设计数字域预编码矩阵：

由此得到混合预编码矩阵f＝frffbb。

上述本发明技术方法中，采用的离散傅里叶变换dft插值雅克布森算法，在信道多径数较少、直视径能量远比散射径强时性能较好；

当多径数增多时，可以采用一种性能和训练开销进行折中的信道估计方法，即提高dft插值算法中的dft序列长度，此时，可以采用p次训练周期，采用的总的模拟域预编码矩阵为：在第p个训练周期中，采用frf,p的第(p-1)k+1到第pk列作为模拟域预编码矩阵，最后的dft序列长度为pk。这种做法可以在多径数较多时显著提升性能。

与已有技术相比，由于本发明方法是直接用dft插值算法得到下行信道直视径的离开角，并以此设计模拟域预编码矩阵，采用本发明方法既不需要进行复杂度很高的完整信道信息估计，也避免了波束训练的高训练开销，其有益技术效果体现在：

1、可以对抗由于相移器不完美带来的性能损失：在需要进行信道估计，并对信道进行奇异值分解得到预编码矩阵的现有技术方法里，由于缺少对于相移器不完美信息的估计和校准，会产生很大的性能损失；而在本发明方法中，由于采取对于包含射频链在内的等效信道进行估计，通过在数字域预编码中对于相移器不完美性进行补偿，从而保持性能不降；

2、可以降低训练开销：在波束训练方法中，模拟域预编码码本数需要与天线数基本持平，而训练开销等于码本数；而本发明方法中，在信道直视径较强的情况下，只需要用户数个训练时隙，大大降低了训练开销；由于训练开销低，计算复杂度低，采用本发明方法可以实现下行信道估计，由此避免了信道互易性不满足而带来的性能损失，也避免了校准信道互易性所需的额外硬件资源。

附图说明

图1为在不同信道多径数和莱斯系数下，采用本发明方法与采用压缩感知技术估计信道信息，对于信道矩阵进行奇异值(svd)分解获得预编码矩阵的方法；以及通过波束训练，来获得模拟域预编码矩阵的方法的效果对比。

具体实施方式

实施例1：

本实施例应用于毫米波通信的对抗相移器不理想性的信道估计和混合波束成形方法，包括如下过程：基站端向用户发送训练序列，在用户侧应用离散傅里叶变换插值法进行下行离开角角度估计。之后基站根据反馈回来的离开角角度设计模拟域预编码。采用设计好的模拟域预编码矩阵，基站端再次向用户发送导频，用户端估计等效信道。最后，基站端基于用户反馈的等效信道信息设计迫零数字域预编码。

本发明应用于毫米波通信的对抗相移器不理想性的信道估计和混合波束成形方法的一个具体实施例按如下步骤进行：

一个基站与k个用户同时进行下行通信；基站的天线有nbs根，射频链数为k，用户侧设备天线有nue根，射频链数为一条；基站端具有k×1的原始信号s要向用户发送，混合预编码矩阵为：f＝frffbb，其中frf为nbs×k维模拟域预编码矩阵，fbb为k×k维数字域预编码矩阵；模拟域预编码矩阵由相移器网络构成，元素满足幅度限制，预编码矩阵各元素表示为相移器存在相移误差δ和增益误差α；包括以下操作步骤：

第一步、通过离散傅里叶变换(dft)插值雅克布森算法进行下行离开角估计：

基站端发送导频矩阵模拟域预编码矩阵为：其中，uk×k是k×k维dft矩阵；第k个用户信道矩阵采用莱斯信道模型其中为直视径信道，为散射径信道；每个用户只用一根全向天线进行接收，则第k个用户接收到的信号为：

在用户端，用dft插值法进行下行信道直视径离开角估计：在yk中找出模值最大的并找到其两个临近值和利用雅克布森算法进行直视路径的离开角估计，估计值为：

第二步、反馈下行离开角，进行模拟域预编码设计：

将各个用户估计得到的直视路径的离开角反馈到基站端，基站端设计对应第k个用户的模拟域预编码向量为：其中q(·)是对于括号中角度的量化；在接收端采用波束训练的方式设计模拟域波束成形矢量；

第三步、估计下行等效信道：

再次由基站向用户发送导频并采用第二步中设计好的模拟域预编码矩阵，在用户端对于等效信道进行估计，得到估计等效信道

第四步、反馈下行等效信道，进行数字域预编码矩阵设计：

将估计得到的估计等效信道反馈到基站端，设计数字域预编码矩阵：

由此得到混合预编码矩阵f＝frffbb。

上述本发明的混合波束成形方法可以达到的系统总可达速率的可以由仿真图1表现出来。其中关于仿真参数的设置：nbs＝128,nue＝4,k＝16，信噪比固定在15db，每个用户的信道多径数固定为4条。仿真图中引入了三种不同的模拟域预编码的对比：在基站端采用完美的信道信息，进行信道矩阵奇异值分解，对于最大奇异值对应的奇异值向量进行相位提取和量化，来设计模拟域预编码矩阵；对于每个用户进行上行波束训练，在码本集中选取最优的向量组合成模拟域预编码矩阵；以及本发明提出的模拟域预编码方法，包括采用2个，8个训练周期。数字域均采用基于等效信道的迫零预编码，只是，基于信道奇异值分解的方法中由于信道信息已知，可以直接在基站端求得等效信道，不需进行估计，而其他两方法均需进行等效信道估计。以完美相移器和信道信息情况下的最优预编码方法作为性能衡量标准。图1横坐标为信道莱斯系数(单位为db)，纵坐标为总的可达速率，表示了采用本发明方法在不同信道多径数和莱斯系数下的性能仿真图，以及与其他方法的对比，其中固定相移误差的均方根值为0.1rad，增益误差的均方根值为1db。从图1中可以看出，基于信道奇异值分解，不对等效信道进行估计的方法性能最差；本发明提出的方法与每用户波束训练的方法相比，在使用2个训练周期时性能持平，使用8个训练周期后性能更优；本发明提出的方法仅使用1/4的训练开销即可达到与每用户波束训练方法持平的性能。