本發(fā)明涉及無(wú)線通信領(lǐng)域，更具體地，涉及一種大規(guī)模MIMO系統(tǒng)多用戶信道估計(jì)與跟蹤方法。
背景技術(shù)：
：在無(wú)線通信系統(tǒng)中，由發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的調(diào)制信號(hào)可通過許多不同的傳播路徑到達(dá)特定的接收機(jī)，其特征會(huì)因?yàn)槎嗦窂胶退p現(xiàn)象隨著時(shí)間而改變。此外，傳播信道的特征基于傳播頻率的不同或改變，為了補(bǔ)償傳播效應(yīng)的因時(shí)間變化的頻率選擇特性，提高在無(wú)線通信系統(tǒng)內(nèi)的有效編碼和調(diào)制，無(wú)線通信系統(tǒng)的每個(gè)接收機(jī)可周期性地為每個(gè)頻率信道收集信道狀態(tài)信息。當(dāng)確定多個(gè)信道的狀態(tài)信息時(shí)，接收機(jī)可將該狀態(tài)信息發(fā)送回發(fā)射機(jī)，使其可以預(yù)先處理該信道傳輸?shù)男盘?hào)，以便補(bǔ)償每個(gè)信道變化的傳播效應(yīng)。隨著基于多輸入多輸出天線無(wú)線通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展成熟，大規(guī)模MIMO(MassiveMIMO)通信技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。大規(guī)模MIMO采用數(shù)百根甚至上千根價(jià)格低廉的天線，以相同的頻率同時(shí)服務(wù)于數(shù)十甚至上百個(gè)天線終端?；诖笠?guī)模陣列天線的通信系統(tǒng)憑借其強(qiáng)大的功率和能量利用效率，成為了未來(lái)5G通信系統(tǒng)最具潛力的傳輸技術(shù)。由于大規(guī)模MIMO系統(tǒng)基于大數(shù)量的天線實(shí)現(xiàn)通信，隨著天線數(shù)量的增多，通信系統(tǒng)展現(xiàn)出許多新的性能，大規(guī)模MIMO基站與用戶間的信道向量趨于正交。在已知信道狀態(tài)信息的情況下，基站通過簡(jiǎn)單的線性預(yù)編碼即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無(wú)干擾傳輸。信道信息獲取是大規(guī)模MIMO研究的一個(gè)關(guān)鍵問題，信道參數(shù)的準(zhǔn)確度、反饋開銷和時(shí)延是影響增益的重要因素。在實(shí)際的通信過程中，信道信息由信道估計(jì)獲得，基站通過向用戶發(fā)送訓(xùn)練序列獲取信道的估計(jì)值。然而，在大規(guī)模MIMO通信系統(tǒng)中，基站天線數(shù)量多，受時(shí)間資源和頻率資源的限制，在信道估計(jì)過程中，相同的導(dǎo)頻序列需要重復(fù)使用來(lái)實(shí)現(xiàn)信道估計(jì)，非正交的導(dǎo)頻使用會(huì)帶來(lái)信道估計(jì)誤差，即導(dǎo)頻污染問題。進(jìn)一步，導(dǎo)頻污染嚴(yán)重影響了大規(guī)模MIMO系統(tǒng)性能的發(fā)揮；從而，如何有效利用導(dǎo)頻資源、降低導(dǎo)頻污染成為大規(guī)模MIMO信道估計(jì)中的一個(gè)重要問題。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明提供一種克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)多用戶信道估計(jì)與跟蹤方法。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，包括：部署大規(guī)模天線陣列的基站和多個(gè)單天線用戶，基站大規(guī)模天線陣列與用戶間的信道向量是稀疏的。其中，多個(gè)單天線用戶在小區(qū)內(nèi)隨機(jī)分布，所述信道采用多徑窄角入射模型。根據(jù)本申請(qǐng)的另一方面，提供一種大規(guī)模MIMO系統(tǒng)密集用戶信道估計(jì)與跟蹤方法，所述方法包括：步驟1，通過下行序言幀導(dǎo)頻序列，獲得下行用戶空間信道信息和空間角度信息；步驟2，根據(jù)下行用戶的空間信道信息和空間角度信息，對(duì)下行用戶進(jìn)行分組；步驟3，根據(jù)下行信道用戶分組情況，進(jìn)行信道估計(jì)和反饋。其中，所述方法還包括：步驟4，根據(jù)下行信道估計(jì)獲得的用戶到達(dá)角和有效波束集對(duì)所有上行用戶進(jìn)行分組，以使同一小組內(nèi)的波束不重合；步驟5，根據(jù)用戶分組情況，對(duì)所有用戶進(jìn)行上行信道估計(jì)；步驟6，基于上行信道基站接收數(shù)據(jù)分析，獲得實(shí)時(shí)的空間波束信息。其中，步驟1進(jìn)一步包括：在信道使用初期通過下行序言幀獲得用戶的空間角度域信息；根據(jù)正交導(dǎo)頻數(shù)量的不同，通過基于足夠正交導(dǎo)頻資源的最小二乘方法、基于非足夠正交導(dǎo)頻資源的基站導(dǎo)頻分段傳輸方法或者基于非正交導(dǎo)頻的壓縮感知方法獲取空間角度域信息。其中，所述步驟1進(jìn)一步包括：通過信道DFT變換域分析，獲得用戶的空間角度域信息，利用少量的參數(shù)表示高維的信道，利用陣列信號(hào)處理技術(shù)的空間旋轉(zhuǎn)運(yùn)算減少信道參數(shù)的表征個(gè)數(shù)。其中，所述步驟2進(jìn)一步包括：具有相同空間角度特征的分在同一簇，然后將不同簇進(jìn)行分組，以使不同分組之間存在保護(hù)間隔；將具有相鄰空間角度域信息的用戶分為一組。其中，所述步驟3進(jìn)一步包括：具體某一分組，基站根據(jù)角度域信息發(fā)送導(dǎo)頻矩陣，用戶接收到正交導(dǎo)頻矩陣后，基于導(dǎo)頻信息利用最小二乘方法計(jì)算出各個(gè)用戶的信道值，并將信道信息反饋至基站。其中，所述步驟4進(jìn)一步包括：不同分組使用相互正交的導(dǎo)頻資源，同一分組使用相同的導(dǎo)頻資源。其中，所述步驟5進(jìn)一步包括：基站接收到導(dǎo)頻后，基于最小二乘算法和同一小組信道空間角度域信息不重疊特性實(shí)現(xiàn)信道估計(jì)。其中，所述步驟6進(jìn)一步包括：在上行信道用戶數(shù)據(jù)傳輸階段，基站通過對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行DFT變換域特征分析獲得小區(qū)內(nèi)用戶的波束角度觀測(cè)信息；其中，通過卡爾曼濾波獲得時(shí)變信道空間波束的角度最小方差估計(jì)值，更新用戶的空間角度信息。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：本申請(qǐng)的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的多用戶信道估計(jì)與跟蹤方法無(wú)需用戶間同步，且可以服務(wù)于更多的用戶終端。另外，無(wú)需獲知信道的統(tǒng)計(jì)特性，使用少量的參數(shù)進(jìn)行信道表示，有效降低了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度和時(shí)間、能量開銷。本申請(qǐng)的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的多用戶信道估計(jì)與跟蹤方法基于下行信道獲得用戶的空間信息，降低了下行訓(xùn)練導(dǎo)頻開銷，推動(dòng)了FDD在大規(guī)模MIMO通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。另外，通過變換域分析將高維度的信道跟蹤問題轉(zhuǎn)換為角度跟蹤問題，有效降低了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度、提高了時(shí)變情況下信道估計(jì)的精度。附圖說(shuō)明圖1為根據(jù)本申請(qǐng)的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的信道模型示意圖；圖2為根據(jù)本申請(qǐng)的信道估計(jì)和跟蹤方法的流程圖；圖3是根據(jù)本申請(qǐng)的信道估計(jì)方法的時(shí)序圖；圖4和圖5為根據(jù)本申請(qǐng)的信道估計(jì)的誤差曲線圖；圖6為根據(jù)本申請(qǐng)的空間特征集角度跟蹤曲線圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。可以理解，大規(guī)模MIMO信道的兩個(gè)基本特性：1、當(dāng)天線數(shù)目不斷增加時(shí)，不同用戶間的信道趨于正交，接收數(shù)據(jù)向量具有一個(gè)特殊的空間結(jié)構(gòu)；2、當(dāng)多徑信號(hào)傳播至MIMO陣列時(shí)，存在有較小的角度擴(kuò)散，信道協(xié)方差矩陣呈現(xiàn)低秩特性。基于上述特性，本申請(qǐng)?zhí)岢隽艘环N基于下行序言幀空間角度域信息獲取和空間正交基展開的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)及多用戶信道估計(jì)與跟蹤方法，該方法充分利用大規(guī)模多輸入多輸出系統(tǒng)信道空間的稀疏特性，降低信道估計(jì)的復(fù)雜度，推動(dòng)了大規(guī)模多輸入多輸出系統(tǒng)的發(fā)展和在第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)的應(yīng)用。圖1示出根據(jù)本申請(qǐng)的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的信道模型示意圖，如圖1所示，本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，其中，系統(tǒng)包括部署大規(guī)模天線陣列的基站，多個(gè)單天線用戶，基站大規(guī)模天線陣列與用戶間的信道向量是稀疏的。圖中標(biāo)號(hào)，1表示基站ULA線性陣列，2和3表示單天線用戶，4表示用戶周圍散射體。進(jìn)一步，基站配置了大規(guī)模天線陣列1，以大規(guī)模等距線陣為例(本發(fā)明同樣適用于大規(guī)模面陣)，天線陣元數(shù)量為M，小區(qū)內(nèi)隨機(jī)均勻地分布著K個(gè)單天線用戶，信道采用多徑窄角入射模型。小區(qū)內(nèi)可使用的正交訓(xùn)練序列的數(shù)量為τ，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，受相干周期的限制，正交訓(xùn)練序列數(shù)量有限、遠(yuǎn)小于天線的振元數(shù)M。其中，用戶終端的散射體形成了半徑為Rk的圓環(huán)，Dk為基站與用戶終端間的距離。用戶發(fā)送信號(hào)的多徑分量到達(dá)基站時(shí)形成了很小的窄角擴(kuò)展，總的角度擴(kuò)展為2Δθk，其中Δθk滿足Δθk≈arctan(Rk/Dk)。若在用戶入射的窄角范圍內(nèi)入射徑數(shù)量很多時(shí)，可以認(rèn)為到達(dá)角在[θk-Δθk，θk+Δθk]范圍內(nèi)服從均勻分布，且此時(shí)信道的多徑傳播模型為：hk=1PΣp=1Pαkpa(θkp)---(1)]]>式中，hk為基站與用戶k之間的信道向量；P為入射徑的數(shù)量；θkp為第p徑的到達(dá)角；αkp為第p徑的DOA和信道復(fù)增益，其服從為大規(guī)模ULA的導(dǎo)向矢量，其定義為：a(θkp)=[1,ej2πdλsinθkp,...,ej2πdλ(M-1)sinθkp]T---(2)]]>式中d為線性陣列陣元之間的間隔，λ為傳輸信號(hào)載波波長(zhǎng)。在該模型的假設(shè)下，隨著基站天線數(shù)量的增多，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的信道向量在FFT變換之后是漸進(jìn)稀疏的，且基于陣列信號(hào)處理技術(shù)可以對(duì)時(shí)域信道進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使得信道能量更加集中，進(jìn)一步增強(qiáng)的稀疏特性。若用戶移動(dòng)速度有限，則可以認(rèn)為用戶終端相對(duì)于基站的位置是近似不變的，在信道使用初期獲得用戶的空間DOA信息和有效波束集合信息，在今后的幾十個(gè)相干周期內(nèi)基于信道使用初期獲得的信息實(shí)現(xiàn)信道的估計(jì)；若用戶移動(dòng)速度不可忽略，用戶的空間位置隨時(shí)間變化，信道的空間特征也隨之變化，需要進(jìn)行用戶空間信息的跟蹤，提高時(shí)變情況下信道估計(jì)的精確性。在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提出的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)密集用戶信道估計(jì)與跟蹤方法如圖2所示，包括：步驟1，通過下行序言幀導(dǎo)頻序列的傳輸獲得用戶的空間角度信息；步驟2，根據(jù)用戶的空間角度域分布情況進(jìn)行下行信道估計(jì)用戶分組，復(fù)用導(dǎo)頻資源；步驟3，根據(jù)上述下行信道用戶分組情況進(jìn)行信道估計(jì)和反饋；具體針對(duì)某一分組，基站根據(jù)角度域信息發(fā)送導(dǎo)頻矩陣，用戶接收到正交導(dǎo)頻矩陣后基于導(dǎo)頻信息利用最小二乘方法計(jì)算出各個(gè)用戶的信道值，并將信道信息反饋至基站；步驟4，將用戶下行波束域的有效波束直接用于上行信道估計(jì)的展開模型，根據(jù)下行信道估計(jì)獲得的用戶到達(dá)角和有效波束集對(duì)用戶進(jìn)行分組，使得同一小組內(nèi)的波束不重合；步驟5，根據(jù)上述用戶分組情況進(jìn)行上行信道估計(jì)；步驟6，基于上述步驟獲得的信道信息進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與信道跟蹤。其中，步驟5中，正交導(dǎo)頻的分配原則是不同分組使用相互正交的導(dǎo)頻資源，同一分組使用相同的導(dǎo)頻資源。導(dǎo)頻資源分配結(jié)束之后進(jìn)行信道估計(jì)，基于LS算法利用同一分組信道的空間角度域信息不重疊特性進(jìn)行信道估計(jì)。其中，步驟6中，當(dāng)用戶移動(dòng)速度較快時(shí)，對(duì)上行接收數(shù)據(jù)做變換域分析，通過DFT變換將空間信道與用戶DOA聯(lián)系起來(lái)，將高維度的信道跟蹤問題轉(zhuǎn)換為角度跟蹤問題，利用卡爾曼濾波遞推進(jìn)一步提高用戶空間DOA信息跟蹤的精度，利用更新的空間波速信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的信道估計(jì)，降低信道時(shí)變對(duì)信道估計(jì)的影響。具體地，在本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施例中，提供一種大規(guī)模MIMO系統(tǒng)多用戶信道估計(jì)與跟蹤方法，信道估計(jì)機(jī)制見圖3，圖中僅以一維均勻線陣為例，而本方法可以被直接擴(kuò)展至二維均勻面陣，其中，具體該方法的步驟如下所述。步驟一：基于下行信道序言幀，獲得下行用戶信道信息和角度域信息。其中，根據(jù)導(dǎo)頻資源的數(shù)量的不同，可以分為以下三種情況：第一種，當(dāng)基站具有足夠的導(dǎo)頻資源時(shí)，基站可以直接向所有用戶發(fā)送與基站天線數(shù)目相同的導(dǎo)頻，用戶基于傳統(tǒng)的最小二乘信道估計(jì)方法獲得信道值，并且用戶對(duì)信道做DFT變換域分析，獲得信道稀疏主值區(qū)間并反饋至基站；第二種，當(dāng)基站天線導(dǎo)頻資源數(shù)目有限時(shí)，可以通過基站導(dǎo)頻分段傳輸?shù)姆椒ㄟM(jìn)行訓(xùn)練，假設(shè)小區(qū)分配的訓(xùn)練序列數(shù)量為τ，在第一個(gè)時(shí)隙基站通過陣列天線的前τ個(gè)天線向小區(qū)用戶發(fā)送訓(xùn)練序列，基于最小二乘信道估計(jì)方法獲得基站前τ個(gè)天線與用戶間的信道估計(jì)值，在第二個(gè)時(shí)隙，基站通過陣列天線的第[τ+1，2τ]個(gè)天線向小區(qū)用戶發(fā)送訓(xùn)練序列，基于最小二乘信道估計(jì)方法獲得基站第[τ+1，2τ]個(gè)天線與用戶間的信道估計(jì)值，同樣以此類推，直至獲得所有信道值，而后用戶對(duì)信道做DFT變換域分析，獲得信道稀疏主值區(qū)間并反饋至基站；第三種，當(dāng)基站天線導(dǎo)頻資源數(shù)目有限時(shí)，基于壓縮感知方法直接使用非正交導(dǎo)頻進(jìn)行訓(xùn)練，獲得信道的估計(jì)值，壓縮感知算法虛擬角度域信道可以表示為其中，是基站酉變換矩陣，是角度域稀疏信道表示，滿足不同用戶的有部分相同的支撐向量，即壓縮感知方法利用大規(guī)模MIMO信道的稀疏特性，通過發(fā)送M×K(K＜＜M)壓縮的非正交導(dǎo)頻序列用戶將接收到的導(dǎo)頻序列直接反饋至基站，基站通過正交匹配算法獲得用戶的信道信息和空間角度域信息，即min{hk,∀k}Σk=1K||yk-XHhk||22,subjectto∩k=1Ksupp(h~k)=Ωc---(3).]]>當(dāng)基站獲得了用戶下行信道所有的信道空間角度域信息后，即可以基于DFT展開的空間基模型對(duì)信道進(jìn)行參數(shù)化表示實(shí)現(xiàn)降維，當(dāng)用戶與基站間的信道向量相對(duì)變化緩慢時(shí)，可以認(rèn)為用戶的到達(dá)角維持不變，即在今后的幾十個(gè)相干周期內(nèi)基于下行序言幀獲得的信道空間特征進(jìn)行信道估計(jì)，當(dāng)用戶與基站間的信道向量變化不可忽略時(shí)，需要利用上行信道接收數(shù)據(jù)的DFT變化域特征進(jìn)行信道跟蹤。其中，用戶信號(hào)入射角分布在窄角區(qū)間[θk-Δθk，θk+Δθk]，其信道向量做DFT之后是漸進(jìn)稀疏的，信道能量集中在少數(shù)DFT點(diǎn)上。基于用戶波束域信道的稀疏特性，可以將信道利用波束域內(nèi)用少量的DFT點(diǎn)取值參數(shù)化信道，即：式中：為FH在集合中的列向量，為中在集合中的分量，為第q個(gè)元素，fq為FH的第q列。基向量fq，相互正交，且fq形成的陣列波束分別指向一定的方向，(3)式為信道的空間正交基展開方法(spatialBEM，SBEM)。SBEM利用少量有限的DFT點(diǎn)參數(shù)化基站與用戶間的信道。為進(jìn)一步加強(qiáng)信道的稀疏性，進(jìn)一步減少信道參數(shù)化表示的數(shù)目，可以對(duì)信道進(jìn)行空間旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)矩陣為Φ(φ)＝diag{1，ejφ，...，ej(M-1)φ}，φ分布在中，通過尋找最優(yōu)旋轉(zhuǎn)矩陣可以得到最少的信道參數(shù)化表示形式，即優(yōu)化準(zhǔn)則為：在最優(yōu)旋轉(zhuǎn)矩陣下，信道可以表示為：上式中，可以視為新的正交基向量。基站基于下行序言幀獲得信道信息，通過DFT變換獲得基站與用戶間的空間角度域信息，利用信道的空間域信息進(jìn)行實(shí)時(shí)信道估計(jì)。步驟二，根據(jù)用戶的空間角度域分布情況進(jìn)行分組，復(fù)用導(dǎo)頻資源，利用空域信息提高時(shí)頻資源利用率。其中，在分組時(shí)，首先具有相同空間角度特征的分在同一簇，然后將不同簇進(jìn)行分組，使得不同分組之間存在一定的保護(hù)間隔。為了進(jìn)一步減小總的訓(xùn)練時(shí)間、提高訓(xùn)練效率，可以繼續(xù)降低分組數(shù)目，將具有相鄰空間角度域信息的用戶分為一組，信道的有效維度為τ，充分利用現(xiàn)有的正交訓(xùn)練資源。步驟三，下行信道估計(jì)與反饋。設(shè)總的分組數(shù)目為Gdl，第g組的用戶用ug表示，g＝1，...，Gdl，根據(jù)上述下行信道用戶分組情況進(jìn)行信道估計(jì)，將Gdl組用安排在Gdl個(gè)訓(xùn)練時(shí)隙下行信道估計(jì)，針對(duì)某一分組，基站根據(jù)角度域信息發(fā)送導(dǎo)頻矩陣，用戶接收到正交導(dǎo)頻矩陣后，基于導(dǎo)頻信息利用最小二乘方法計(jì)算出各個(gè)用戶的信道值，并將信道值反饋至基站。在傳統(tǒng)的信道估計(jì)中，基站發(fā)送正交導(dǎo)頻的數(shù)量不少于天線的數(shù)量，而在本申請(qǐng)的SBEM模型下，波束域的有效波束形成了一個(gè)虛擬1×τ維下行信道。針對(duì)每個(gè)用戶信道的τ個(gè)有效波束發(fā)送正交訓(xùn)練序列，大大降低了導(dǎo)頻開銷，降低了信道估計(jì)的復(fù)雜度。設(shè)用戶k的正交訓(xùn)練序列為為各用戶發(fā)送功率限制因子，滿足Pk為用戶k的最大訓(xùn)練功率，且滿足選擇波束成形矩陣為用戶k的接收信號(hào)為：式中，為服從于的噪聲向量。由最小二乘法獲得用戶k的信道，可得式中，第二項(xiàng)表示用戶信道分量中忽略有效波束集合外的信道信息引起的誤差，為用戶信道自干擾，其值與有效波束域內(nèi)信道值相比較小，可以忽略。下行信道估計(jì)結(jié)束后，將獲得的信道信息反饋給基站。步驟四：上行信道估計(jì)用戶分組：將用戶下行波束域的有效波束集直接用于上行信道估計(jì)的展開模型。由于大規(guī)模MIMO信道具有角度互易性，因此，用戶上行信道的DOA與之下行信道多徑的離開角(DOD)間保持一致，上行信道可以表示為hkH=(1PΣp=1Pαkpa(θkp))H---(8)]]>式中：表示基站到用戶k的下行信道向量。根據(jù)步驟一獲得的用戶到達(dá)角和有效波束集對(duì)用戶進(jìn)行分組，使得同一小組內(nèi)的波束不重合，即入射角度不重疊，且同一分組的不同用戶間存在足夠的保護(hù)間隔Ω，確保各用戶間信道向量的漸進(jìn)正交性，即重復(fù)上述方法，直至所有用戶完成分組。步驟五：上行信道估計(jì)：假設(shè)用戶最后被分成了Gul組，且第g組的用戶集合用ug表示，g＝1，...，Gul。為有效利用大規(guī)模MIMO信道的空間維特性、充分利用有限的正交導(dǎo)頻資源，在同一組內(nèi)使用相同的導(dǎo)頻資源，不同小組之間使用正交的導(dǎo)頻資源?；窘邮盏綄?dǎo)頻后，基于最小二乘算法和同一小組信道空間角度域信息不重疊特性實(shí)現(xiàn)信道估計(jì)。由于正交導(dǎo)頻的數(shù)目為τ，當(dāng)Gul≤τ時(shí)，即分組數(shù)小于正交導(dǎo)頻的數(shù)目時(shí)，假定第i個(gè)正交導(dǎo)頻分配至第i個(gè)分組，則基站的接收信號(hào)為：Y=Σg=1GulΣk∈UghksgH+N---(10)]]>若想獲得第g個(gè)用戶與基站間的信道信息，則利用導(dǎo)頻的正交性可得：yg=1Lσp2Ysg=1Lσp2(Σg′=1GulΣk∈Ug′hksg′T+N)sg=hk+Σl∈Ug\{k}hl+1Lσp2Nsg=hk+Σl∈Ug\{k}hl+1LρtrNg---(11)]]>式中，ρtr為信噪比，定義為由上式可知，yg不存在其他組用戶帶來(lái)的導(dǎo)頻污染、僅包含第g組用戶的有效信號(hào)。為了消除組內(nèi)導(dǎo)頻污染帶來(lái)的影響，得到用戶k的信道值，將yg旋轉(zhuǎn)相位φk并做FFT，得：y~gro=FΦ(φk)yg=FΦ(φk)hk+Σl∈Ug′\{k}FΦ(φk)hl+1LρtrFΦ(φk)ng=h~kro+Σl∈Ug\{k}FΦ(φk)hl+1LρtrFΦ(φk)ng=h~kro+Σl∈Ug\{k}FΦ(φk-φl)FHh~lro+1LρtrFΦ(φk)ng.---(12)]]>由上式可知，用戶k的有效波束集中在由于同一分組的用戶波束域不重疊，即而且存在一定的保護(hù)間隔，因此基于空間域信息可以直接得到用戶k的波束域信道估計(jì)為：用戶k的信道估計(jì)值為上式中，Φ(φk)H＝Φ(-φk)為逆相位旋轉(zhuǎn)矩陣，Jk為用戶k信道估計(jì)子。對(duì)所有分組重復(fù)(10)至(14)式，即可得到所有用戶的上行信道估計(jì)值。步驟六，數(shù)據(jù)傳輸與信道跟蹤。在上述步驟中，信道估計(jì)的基礎(chǔ)是在下行序言幀用戶的空間角度域信息獲取，且假設(shè)在幾十個(gè)相干周期內(nèi)信道變化可以忽略，即用戶的到達(dá)角部分發(fā)生變化，在實(shí)際的通信過程中，若用戶的移動(dòng)迅速，上行序言幀獲得的空間角度域信息失效，在時(shí)變的情況下需要進(jìn)行信道的跟蹤。通過基于DFT空間基展開的信道模型使得用戶的到達(dá)角與信道緊密聯(lián)系起來(lái)，信道跟蹤問題轉(zhuǎn)換為角度跟蹤問題。通過對(duì)接收數(shù)據(jù)作DFT變換，通過搜索峰值可以獲得DFT變換域的最大取值點(diǎn)q0，進(jìn)而可以獲得用戶k的近似到達(dá)角為θk=arcsin(2πq0M-ψ)λ2πd---(15)]]>在實(shí)際的通信過程中，本發(fā)明的空間特征集的長(zhǎng)度取值可由精度需求獲得，因此獲得了觀測(cè)的中心角觀測(cè)值以后，即可以利用卡爾曼濾波獲得更加精確的角度估計(jì)值，基于空間角度跟蹤的卡爾曼濾波算法概括如下：步驟101，卡爾曼濾波狀態(tài)方程與量測(cè)方程的建立；其中，系統(tǒng)方程：Xk(n+1)＝AXk((n)+Wk((n)(16)式中，為系統(tǒng)矩陣,為用戶k的狀態(tài)向量，Wk((n)為系統(tǒng)噪聲。量測(cè)方程：Zk(n+1)＝HXk((n)+Vk((n)(17)式中，為觀測(cè)矩陣，Vk((n)為系統(tǒng)噪聲。步驟102，時(shí)間更新。狀態(tài)一步預(yù)測(cè)協(xié)方差一步預(yù)測(cè)103，量測(cè)更新。濾波增益計(jì)算狀態(tài)更新協(xié)方差更新通過上述卡爾曼濾波獲得了用戶空間角度信息的實(shí)時(shí)更新利用即可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的信道估計(jì)。在本發(fā)明信道估計(jì)方法下，下行信道和上行信道估計(jì)的均方誤差MSE隨信噪比SNR變化曲線如附圖4和5所示，信道空間角度跟蹤曲線如圖6所示。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本發(fā)明的信道估計(jì)方法計(jì)算復(fù)雜度低、適用性強(qiáng)，在低信噪比的情況下的性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的最小二乘信道估計(jì)方法。總的，本發(fā)明充分利用大規(guī)模MIMO的特性，提出了一種大規(guī)模MIMO系統(tǒng)多用戶信道估計(jì)與跟蹤方法。該發(fā)明在基于信道的窄角入射或者空間稀疏散射條件下，充分利用大規(guī)模MIMO在空間DFT變換域的信道稀疏特性，在導(dǎo)頻序列有限、小區(qū)用戶數(shù)目較多的情況下，利用下行序言幀獲得小區(qū)用戶的初始信道信息，基于DFT變換和陣列空間旋轉(zhuǎn)獲得信道的空間角度域信息，充分利用信道的變換域稀疏特性有效減小估計(jì)參數(shù)的數(shù)目，最終實(shí)現(xiàn)信道信息的獲取?；贒FT實(shí)現(xiàn)空間正交基展開，大大降低了上、下行信道估計(jì)的訓(xùn)練和反饋開銷，降低了大規(guī)模MIMO信道估計(jì)的復(fù)雜度。與此同時(shí)，該發(fā)明基于DFT變換有效將空間信道與用戶入射空間角(DOA)聯(lián)系起來(lái)，通過接收數(shù)據(jù)的DFT變換域特征獲得用戶角度觀測(cè)信息，建立了用戶角度變化的動(dòng)態(tài)方程，將信道跟蹤問題轉(zhuǎn)換為角度跟蹤問題，降低跟蹤的復(fù)雜度。通過卡爾曼濾波進(jìn)行空間角度信息跟蹤，有效提高時(shí)變信道情況下信道估計(jì)的精度。此外，由于大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的角度互易性，該發(fā)明同時(shí)適用于TDD和FDD通信系統(tǒng)，為大規(guī)模MIMO信道估計(jì)提供了一種嶄新的思路和方法。最后，本申請(qǐng)的方法僅為較佳的實(shí)施方案，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3