[发明专利]一种基于大规模MU‑MIMO系统的到达角估计方法

说明书

技术领域

本发明属于大规模多用户多输入多输出(MU-MIMO)系统信道估计的信号处理技术领域，更具体地，涉及一种基于大规模MU-MIMO系统的到达角估计方法。

背景技术

大规模多用户MU-MIMO系统是基站天线数目非常大(一般大于等于32)并同时服务于多个用户的系统。在大规模MU-MIMO系统中，接收端信道的均衡和检测都需要精确的信道状态信息。但是，当基站天线数目和用户数目都非常大时，信道矩阵的维度变的非常大，信道估计问题也变得非常复杂。目标信号入射到接收天线阵列的角度被称为到达角。通过到达角(本文所述到达角为基站端接收信号的仰角)估计可以获得目标方位参数，是信道估计中非常关键的一部分，因此，成为近年来研究的一个热点。

在早期的阵列信号到达角估计中比较有代表性的算法是波束形成算法，但该算法具有一定的限制性，只有在阵列孔径的倒数小于信源距离的时候才能够对信号源的方位进行较为有效的估计。上个世纪80年代，出现了以多重信号分类(MUSIC)算法和旋转不变子空间(ESPRIT)算法为代表的子空间类信号到达角估计算法，其中MUSIC算法是到达角估计算法研究的里程碑，而ESPRIT算法在MUSIC算法的基础上加以改进，避开了MUSIC算法的不足，无需进行谱峰搜索。因此该算法复杂度低，且高效稳定。但是，在大规模MU-MIMO系统中，随着用户数目和基站天线数目的增加，ESPRIT算法存在估计精度下降和计算复杂度变大的缺点。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种基于大规模MU-MIMO系统的到达角估计方法，利用信道矩阵之间的相关性实现，可在较低的计算复杂度下比较准确的实现大规模MU-MIMO系统中的到达角估计。本发明提出一种基于大规模MU-MIMO系统的到达角估计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：生成K×K的正交码矩阵X，根据X在发射端生成和发送导频信号S，在接收端得到接收信号Y(t)＝HS+W(t)；其中，H为M×K的矩阵_，表示系统的平坦衰落信道矩阵；W(t)为M×K的矩阵，表示均值为零的高斯白噪声矩阵；K为用户数目，M为基站天线数目；I_K表示K阶单位矩阵；表示矩阵X的共轭转置；

步骤2：在F个不同的时刻对接收信号Y(t)采样，通过样本值求得M×K维的均值信号

步骤3：计算各用户在接收端去掉用户间干扰后分别对应的M×K维的独立接收信号Z，

步骤4：计算各用户在各相邻接收天线上信号的相位差，第k个用户的相位差Φ_k为：z_m,k表示矩阵Z的第m行第k列元素，进而得到所有用户的相位差估计值Φ，Φ为Φ_k组成的K×1的列向量；

步骤5：计算第k个用户的到达角进而得到所有用户的到达角为组成的K×1的列向量，其中常数D表示接收端相邻天线之间的距离，常数λ表示导频信号的波长，距离和波长计量单位一致，j表示复数的虚部。

进一步的，步骤2中，所述F为大于1的整数，根据计算精度需要确定，F越大，计算精度越高。

在步骤1里，正交码矩阵X可以根据扩频码生成。令K×K的矩阵X_K表示二进制编码矩阵，其中x_K(k)表示具有K个元素的行向量，K＝2^N，N为正整数。X_K是根据X_K/2生成的：

其中是x_K/2(k)的二进制的补码，从而得到正交码矩阵X＝X_K；

在步骤2里，F根据计算精度需要选择，得到接收信号的F个样本值，根据样本值得到均值信号可以降低噪声对接收信号的影响；

在步骤3里，为避免不同用户间的干扰，利用正交导频的正交性以及接收端已知用户发送的导频信号S，可以在接收端得到各用户导频信号对应的接收信号Z，即

在步骤4里，同一用户在接收天线上的独立接收信号Z的相邻两行之间可近似认为幅值相同，只相差一个相同的相位。计算所有用户的相位差Φ，Φ为K×1的列向量，令其第k个元素Φ_k表示第k个用户的相位差，则

在步骤5里，各用户对应的相位差包含到达角的信息，利用到达角和相位差的关系，根据Φ得到到达角令其第k个元素表示第k个用户的到达角，则