无线通信系统中估算信号到达角度的方法及装置与流程

本发明是有关于无线通信领域，尤其关于一种无线通信系统中估算信号到达角度的方法及装置。

背景技术：

毫米波(mmwave)通信是第五代(5g)新无线电(newradio，nr)无线通信系统中的关键技术。然而mmwave信道中传播耗损严重，故需要大型天线数组进行波束成形以实现可靠的通信，因此，接收端必须知道信号到达角度(angleofarrival，aoa)的信息。

在室内环境中，传送端传输的信号可能会经由多条路径传播，从而导致接收端接收的延迟时间过于接近而无法分辨，造成单一信道抽头具有多个aoa信息的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种无线通信系统中估算信号到达角度的方法及装置，可用于估算单一信道抽头上多个到达角度信息。

本发明提供一种用于估算无线通信系统中信号到达角度的方法，其特征在于，所述无线通信系统包括传送端与接收端，所述方法包含以下步骤:所述接收端接收所述传送端传送的多个信号；所述接收端从所述多个信号中提取多个导频符号；所述接收端根据所述多个导频符号，使用压缩算法估算多个时域信道脉冲响应；所述接收端根据所述多个时域信道脉冲响应还原多个空间信道脉冲响应；所述接收端根据所述多个空间信道脉冲响应，为多个信道抽头延迟中的每一个信道抽头延迟计算关联矩阵；所述接收端对所述多个信道抽头延迟中的每一个信道抽头延迟的关联矩阵进行奇异值分解；所述接收端对所述多个信道抽头延迟中的每一个信道抽头延迟判断由不同路径引起的信道脉冲响应的数量；以及所述接收端根据所述信道脉冲响应的数量以及所述关联矩阵的奇异值分解，估算所述多个信道抽头延迟中的每一个信道抽头延迟上的信号到达角度。

本发明还提供一种用于估算无线通信系统中信号到达角度的装置，其特征在于，所述装置作为接收端，所述无线通信系统还包括传送端，所述装置还包括处理器和存储器，所述存储器用于存储至少一个指令，所述处理器用于执行所述至少一个指令时实现所述用于估算无线通信系统中信号到达角度的方法。

相较于现有技术，所述无线通信系统中估算信号到达角度的方法及装置，可用于估算多条路径的多个信号到达角度。

附图说明

图1为根据本发明一实施例的用于估算信号到达角度的装置的方块图。

图2为根据本发明一实施例的装置的天线数组的示例图。

图3为根据本发明一实施例的装置的延迟分布的示例图。

图4为根据本发明一实施例的传送端的传送机制的示例图。

图5为根据本发明一实施利的用于估算信号到达角度的方法的流程图。

主要组件符号说明

具体实施方式

请参阅图1，所示为本发明一实施例中用于估算信号到达角度的装置100的方块图。装置100可以是用户装置(userequipment，ue)、基站以及无线传送/接收单元(wirelesstransmit/receiveunit，wtru)等。装置100包括处理器102、存储器104以及通信单元106。

处理器102可以是微控制器、微处理器或其他具有运算处理能力的电路，被配置为执行或处理存储在存储器104中的指令、数据以及计算机程序。

存储器104包含只读存储器(rom)、随机存取内存(ram)、磁盘存储介质装置、光存储介质装置、闪存装置、电气、光学或其他物理/有形(例如，非暂时性)等计算机可读存储介质，用于存储控制装置100运行并由处理器102执行的一个或多个计算机程序。在本实施例中，存储器104存储或编码有一个或多个计算机程序，以供处理器102执行各种实施例的估算信号到达角度(angleofarrival，aoa)的方法。

通信单元106用于执行通过无线信道传送和接收信号的功能。通信单元106包括传送滤波器、接收滤波器、放大器、混频器、振荡器、数模转换器(digital-to-analogconverter，dac)和模数转换器(analog-to-digitalconverter，adc)。通信单元106可以包括多个传送/接收路径。此外，通信单元106可以包括天线数组，该天线数组包括多个天线组件。

请参阅图2，所示为本发明一实施例中装置100的通信单元106中天线数组200的示例图。在一实施例中，天线数组200可以是混和式天线数组，包括mγ个天线202和一个模数转换器(adc)204。装置100首先在每个天线202处对接收的信号进行相移，亦即乘以相移系数，接着相加作为adc204的输入。

请参阅图3，所示为本发明一实施例中具有mγ＝4个天线的天线数组在mimo-ofdm系统中的信道延迟分布示例。在传送端及接收端间经由波束成形配置形成的每一个信道存在着延迟分布，该延迟分布(又称为功率延迟分布)给出经由多路径信道接收的信号的强度与时间延迟的关系。时间延迟是多路径到达之间的时间差。横坐标以时间为单位，纵坐标以分贝表示。如图3所示，在抽头延迟(tapdelay)7处，有两个不同的接收信号强度，代表有两个不同的aoa，此即单一信道抽头存在多个aoa信息的问题。本发明公开了在无线通信系统中针对单一信道抽头上多个aoa估算的各种实施例。

在一实施例中，mimo-ofdm系统在传送端传送q个连续的正交频分复用(orthogonalfrequency-divisionmultiplexing，ofdm)符号作为用于信道估算的训练符号。q个连续ofdm符号的传输被称为训练块。为了解决单一信道抽头上多个aoa估算的问题，图4示出了以不同的传送波束成形向量传送训练块的传送机制示例，该传送机制使得不同的路径经历不同的传送波束成形增益。设t为每个训练块的索引值，t为训练块的总数量，则用于估算的ofdm符号的总数为t×q。如图4所示，用于传送每一个训练块的传送端的波束成形向量都是不同的，即b1，b2，但在同一个训练块传送期间，传送端的波束成形向量bt保持相同。而接收端的波束成形向量，即wq，则相应地在每个训练块内进行变化。

请参阅图5，所示为本发明一实施例中，由装置100作为接收端执行的用于估算aoa的方法。

在本实施例中，用于估算aoa的方法包括三个阶段:第一阶段是估计每个信道抽头的时域信道脉冲响应；第二阶段使用形成不同接收端波束成形向量的不同传送端波束成形向量来解离天线数组200的每个天线组件的信道响应；以及第三阶段是计算关联矩阵并使用基于子空间的算法，例如多重信号分类(multiplesignalclassification，music)算法及经由旋转不变技术估算信号参数(estimationofsignalparametersviarotationalinvariancetechniques，esprit)算法等，以估算出多个aoa信息。该方法的具体步骤流程如图5所示。

为了消除接收到的信号失真，需要估算信道的影响。在一实施例中，使用导频符号来实现信道估算。导频符号可以由传送端在特定子载波上的ofdm符号中传送，由于传送端与接收端已预先知道导频符号的值，因此，可以使用导频符号进行信道估算。

步骤s502，装置100从接收到的ofdm符号中提取导频符号。提取的p个导频符号以对角矩阵表示，矩阵大小为p×l的部分离散傅里叶变换(discretefouriertransform，dft)矩阵以表示，其中，l是循环前缀(cyclicprefix，cp)的长度。则经由装置100的天线数组在第在p个导频子载波上的无噪声频域接收信号通过在第q个接收到的ofdm符号，从p个导频子载波上接收到的无噪声频域信号可以表示为其中，hc(q)为第q个接收到的ofdm符号的信道脉冲响应(channelimpulseresponse，cir)向量，具有i(i＜＜l)个非零元素。

步骤s504，装置100基于所提取的导频符号，使用压缩算法，例如压缩感知(compressivesensing，cs)算法，来估算时域cir向量。在一实施例中，装置100使用扩展的子空间追踪算法，该算法利用hc(q)共享相同抽头延迟的特性。

步骤s506，装置100基于时域cir向量来还原空间信道响应。

在一实施例中，hc(q)可以表示为所有天线的cir的线性组合:其中，hm是第m个天线的cir。接着，收集所有hc(q)以矩阵的形式表示:

其中，w为接收波束成形矩阵。因此，h可以经由取得，其中，表示超定矩阵(over-determinedmatrix)或方阵(squarematrix)的伪逆(pseudo-inverse)，亦即w必须具有完整的行秩(q≥mγ)。

在一实施例中，在传送端多次传送的情况下，可以通过在时域中获得的测量值来补偿在空间域中丢失的测量值。在本实施例中，每个信道抽头呈平坦衰落，并且w被设计为酉矩阵(unitarymatrix)或半酉矩阵(semi-unitarymatrix)以避免噪声的放大。

步骤s508，对于每个信道抽头延迟，装置100基于还原的空间信道响应计算关联矩阵。

在一实施例中，第i条路径的抽头延迟以ti表示，以及h的第ti个行以表示。为了估算第i条路径的aoa，亦即θi，装置100可以利用yi，亦即对应的信道估算向量，进行估算:

其中a(θi)是第i条路径的指向向量，根据前述公式，θi可以简单的关联算法获取，亦即:

其中，是指向向量中两个连续元素的相位差，是估算的aoa，以及(.)^*为标量(scalar)的复共轭。

在某些情况中，某些信道抽头可能包含两条路径或更多条路径的信道响应，为了解决这个问题，可以将前述公式改写为:

其中，ki用于表示与第i个信道抽头延迟上采样到的不同路径对应的信道脉冲响应的总数量，h(i)是由第i个信道抽头延迟的信道增益组成的ki×1向量。

在一实施例中，考虑到信道估算误差，可以将装置100建模为:其中，ei为信道估算误差向量，通常为非白噪声。

为解决单一信道抽头上包含多个aoa的估算问题，装置100可以通知传送端传送具有不同传送波束成形向量的多个训练块，使得不同的信道路径可以经历不同的信道增益。如图4所示，在每个训练块传送期间，传送端的传送波束成形向量皆保持相同，但接收端使用不同的接收波束成形向量接收每个训练块中的每个ofdm符号。用h(i)(t)表示第t个传输训练块中第i个信道抽头的ki×1信道增益向量，则h(i)(t)在t个训练块期间皆存在变化。装置100可以如下计算关联矩阵:

其中，为误差向量形成的矩阵，表示t≥ki。

步骤s510，装置100对关联矩阵执行奇异值分解(singularvaluedecomposition，svd)。

步骤s512，装置100判断信道抽头上是否存在由多个信号路径引起的多个信道脉冲响应。在不同实施例中，装置100针对每一个信道抽头延迟还判断由不同信号路径引起的信道脉冲响应的数量。当判断信道抽头上的信道响应的数量等于1时，装置100执行步骤s514；当判断信道抽头上的信道响应的数量大于1时，装置100执行步骤s516。

步骤s514，装置100使用线拟合或相关性分析方法估算相应于信道响应的aoa信息。

步骤s516，装置100使用诸如music或esprit等基于子空间的算法来估算相应于多个信道响应的多个aoa信息。

在一实施例中，装置100对执行svd，得到

其中，为非零对角线元素以降序排列的对角矩阵，以及是跨度与a相同列空间的矩阵，而uo是其正交补码，亦即，span(a)＝span(us)⊥span(uo)。

接着，music算法使用正交子空间uo经由寻找函数的峰值得出多个aoa信息，其中，函数定义如下:

其中，是由于存在加性误差而对正交子空间的估算。由于信道估算的信噪比远高于天线接收信号的信噪比(因为事实上p＞＞i)，因此该误差的非白特性并不明显。在本实施例中，mr应大于k使得正交子空间呈现非空。

在一实施例中，span(a)＝span(us)，因此，存在一个唯一且可逆的矩阵p，使得ap＝us。虽然p未知，但us可用于得出θi,1,…,θi,k，如下所示:

其中，(.)odd表示由矩阵的奇数行组成的子矩阵，以及(.)even表示由矩阵的偶数行组成的子矩阵。经由重新排列，可获得:

us,even＝us,oddp^-1φp，

由于mr/2≥ki,p^-1φp可经由最小二乘法或全体最小二乘法获得。一旦计算取得φ之后，就可以推导出多个

总结来说，本发明的aoa估算方法及装置，解决了混和天线数组中单一信道抽头具有多个aoa的估算问题。可以应用像是music和esprit等基于常规的子空间算法，并且可以通过该方法和设备估计的aoa数量不受天线数组中天线数量的限制。

值得注意的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。