大規(guī)模mimo系統(tǒng)中基于tls-esprtt算法的2d doa估計的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明主要涉及未來移動通信技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 未來移動數(shù)據(jù)業(yè)務量將呈指數(shù)增長，傳統(tǒng)的MMO技術(shù)并不能滿足這樣的需求。 2010年底，貝爾實驗室科學家ThomasL.Marzetta提出了大規(guī)模MIM0(LargeScaleMIM0)， 也叫MassiveMMO的概念。大規(guī)模MMO作為一種未來無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，在基站 端配置數(shù)目龐大的天線，以深度挖掘利用空間維度無限資源，提升系統(tǒng)頻譜效率和功率。大 規(guī)模MIMO系統(tǒng)通常在基站端采用面陣，圓柱形陣或異形陣。在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，由于基 站的多天線配置，導致基站獲取信道狀態(tài)信息（ChannelStateInformation，CSI)十分困 難，傳統(tǒng)基站預編碼完全依賴于信道反饋已不再適用。2DDOA估計為信道預編碼提供了精 確的空域信息，使得最優(yōu)下行預編碼的實現(xiàn)成本額大幅度降低。
[0003] 在眾多大規(guī)模MMO基站天線配置中，URA相對簡單，同時能夠充分利用水平維度 和垂直維度所提供的空間信息，因此，更適合在大規(guī)模MMO系統(tǒng)中應用。在URA配置下，接 收信號同時包含垂直維度和水平維度信息，2D波達方向估計就是要實現(xiàn)來波信號水平維的 方位角和垂直維的仰角估計。
[0004] 波達方向估計作為陣列信號處理的重要研宄內(nèi)容之一，在聲納，雷達，無線通 信系統(tǒng)等領(lǐng)域具有重要的應用價值。目前，現(xiàn)有的IDDOA估計理論已經(jīng)發(fā)展得相對成 熟，IDDOA估計方法如多重信號分類（MultipleSignalClassification,MUSIC)算法， 方定車專不變子空間算法（EstimatingSignalParameterviaRotationalInvariance Techniques,ESPRIT)算法應用比較廣泛，但是在二維估計中難以得到實際應用。同IDDOA 相比，2DDOA能夠更好地表述信號空間位置，因此研宄2DDOA更具有實際意義。利用經(jīng) 典MUSIC算法進行二維估計時，需要進行譜峰搜索，運算量大，且消耗大量的時間。二維 ESPRIT算法較好地解決了這一問題，但是需要對最終的結(jié)果進行配對才能得到有效的角度 估計。一方面，由于天線數(shù)的增多以及2DDOA估計中參數(shù)維數(shù)的增加，導致估計過程中計 算復雜度的增加。如果依然采用傳統(tǒng)的子空間類算法如2DMUSIC，2DESPRIT算法估計角 度，將會面臨算法復雜、計算量大以及角度配對等問題，使其不能用于實際測向系統(tǒng)；另一 方面，由于噪聲的干擾，采樣信號本身存在誤差?，F(xiàn)有的大多數(shù)DOA估計算法直接將采樣信 號作為信號本身進行運算，不符合實際測向環(huán)境。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對目前2DDOA估計方法存在的不足，提出了大規(guī)模MMO系統(tǒng)中基于 TLS-ESPRIT算法的2DDOA估計方法，采用TLS-ESPRIT算法的思想有效地解決大規(guī)模MMO 系統(tǒng)中二維DOA估計問題，不但能夠自動實現(xiàn)方位角和仰角配對，而且計算復雜度相對較 低。
[0006] 本發(fā)明是在基站端采用URA，以接收不同方向來波。根據(jù)大規(guī)模MMO系統(tǒng)的接收 信號模型，首先將面陣分割為兩個部分重疊的子陣，使其滿足ESPRIT算法要求的陣列移不 變性；然后根據(jù)IDESPRIT算法計算子陣列的信號子空間；再利用TLS準則，在噪聲擾動條 件下，估計精確的仰角信息；最后通過其中一子陣的方向矩陣來完成方位角估計，并自動與 仰角配對。
[0007] 本發(fā)明包括如下步驟：
[0008] 步驟一：基站采用MXN維URA，考慮面陣位于XOZ平面，假設(shè)有K個信源入射到此 陣列，陣列接收信號模型如下所示：
[0009] X=AS+N
[0010] 其中X為麗X1維陣列接收信號矢量，S為KX1維空間信號矢量，N為麗X1高斯 白噪聲矢量，A為MNXK維方向矩陣，具體形式如下：
【主權(quán)項】
1. 大規(guī)模MMO系統(tǒng)中基于TLS-ESPRIT算法的2D DOA估計方法，其特征在于，包括步 驟：基站端采用MXN維均勻矩形面陣（URA)，根據(jù)大規(guī)模MMO系統(tǒng)的接收信號模型，首先 將面陣劃分為兩個部分重疊的子陣，使其滿足ESPRIT算法要求的陣列移不變性；進而根據(jù) ID ESPRIT算法計算子陣列的信號子空間；然后利用TLS準則，實現(xiàn)仰角估計；最后利用其 中一子陣的方向矩陣估計對應的方位角。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的2D DOA估計方法，其特征在于，所述兩個部分重疊的子陣為 子陣1和子陣2,子陣1方向矩陣&與子陣2方向矩陣八2滿足關(guān)系=A 1O =A2，其中矩陣Φ 中包含有仰角信息。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的2D DOA估計方法，其特征在于，所述根據(jù)ID ESPRIT算法計 算子陣列的信號子空間是：根據(jù)ID ESPRIT算法，對陣列采樣數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣進行特征 值分解，得到信號子空間Es，從Es中選出與子陣1和子陣2相對應的信號子空間氣和倉2， 即：
，其中J1, J2分別表示對應選擇矩陣。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的2D DOA估計方法，其特征在于，所述利用TLS準則，實現(xiàn)仰角 估計是：根據(jù)TLS準則，估計精確的仰角信息，定夕
對EgE12進行 特征值分解得到特征矩陣E，并將E分解成KXK的子矩陣，即：
計算Ψ = -E12Ej并對Ψ進行特征值分解： ψ = ΗΩΓ1= ΤΦΤ-1 Ω中特征值λ i = 1，2. . . K對應矩陣Φ中的對角線元素 ，H = T,計算仰角估計值： Θ i = arccos {angle ( λ ) λ /2 π d} 其中d為陣元間距，λ為波速，Θ i表示第i個信號的仰角，（）η表示求取矩陣的共軛 轉(zhuǎn)置，（Γ1表示求取矩陣的逆。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的2DD0A估計方法，其特征在于，所述利用其中一子陣的方向矩 陣估計對應的方位角具體方法是：子陣1的方向矩陣可由其信號子空間與滿秩矩陣H的 乘積表示：人=?!Η，利用方向矩陣列向量的旋轉(zhuǎn)不變關(guān)系即可估計出對應的方位角Φ : Φ i = arccos (angle (b J λ / (2 π dsin Θ J) 其中
表示A1第i列前1:Μ(Ν-2)個元素， 表示第1列后N-LWN-1)個元素，d為陣元間距，λ為波速， θ i表示第i個 信號的仰角，Φ?表示第i個信號的方位角，（）+表示求取矩陣的偽逆。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中利用總體最小二乘ESPRIT算法實現(xiàn)二維波達方向估計的方法，該方法首先根據(jù)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)接收信號模型，將面陣分割為兩個部分重疊的子陣，使其滿足ESPRIT算法所要求的陣列移不變性；然后根據(jù)1D ESPRIT算法計算子陣列的信號子空間，進而根據(jù)TLS準則，估計出仰角信息；最后利用其中一子陣的方向矩陣來實現(xiàn)方位角估計，并自動與仰角配對。本發(fā)明采用TLS-ESPRIT算法的思想有效地解決了大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中二維DOA估計問題，不但能夠自動實現(xiàn)方位角和仰角配對，而且計算復雜度相對較低。<b/>
【IPC分類】G01S3-74
【公開號】CN104678350
【申請?zhí)枴緾N201510104318
【發(fā)明人】景小榮, 李寧, 張祖凡, 陳前斌
【申請人】重慶郵電大學
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年3月10日