[发明专利]大规模MIMO中基于线性搜索的混合到达角估计

说明书

本发明提供了大规模MIMO系统中基于线性搜索的混合结构下的到达角估计方法，本发明将模拟波束成形与数字波束成形相结合，利用相移网络进行模拟波束成形设计，采用相位对齐技术设计模拟和数字波束成形向量，从而将波束调至使得接收功率最大的方向，估计来波信号的到达角。随着天线阵列越来越趋向于大规模发展，相比于数字波束成形中每副天线都需配备一条专有的射频(radio frequency,RF)链路，混合波束成形能显著降低RF链路数，进而带来硬件成本代价的巨幅降低。同时相较于模拟波束成形，混合波束成形引入数字波束成形将带来显著的性能提升。本发明的混合波束成形算法能有效地实现系统性能与硬件成本的折衷，且有效估计来波信号到达角，并且减少了角度估计的复杂性。

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别涉及大规模MIMO系统中基于线性搜索的混合结构下到达角估计方法。

背景技术

由于具有很高的频谱效率和空间谱估计精度，大规模MIMO系统引起了学术界和工业界的广泛注意。同时，由于到达角应用范围非常广泛，包括物联网、方向调制、无人机网络、智能交通、无线传感网络等领域，而大规模MIMO能够提供较高的空间谱估计精度，使得在到达角估计中应用大规模MIMO能够大幅的提高定位精度，保证定位的准确性。

无线定位问题具有悠久的历史，可以追溯到无线通信的开端，而在未来，到达角估计问题将涉及物联网、方向调制系统、无人机、智能交通、无线传感网络等领域，从而具有广阔的市场需求。Capon首先提出了以最大化信噪比为目的的功率最大似然估计算法。Schmidt在80年代提出了基于特征值分解的高精度MUSIC算法。为减少MUSIC算法的复杂度，Ren提出了一种能够得到到达角估计解析解的根值MUSIC算法。

在到达角估计中应用大规模MIMO系统所带来的硬件资源损耗也就成为了不可忽视的问题，于是Zhang首次提出混合波束成形结构以达到算法性能和成本的平衡。作为一项新兴的波束成形技术，混合波束成形在毫米波通信领域得到了国内外学者的广泛关注和研究。传统的数字波束成形方法需对天线阵列中的每副天线都配备一条专有的RF链路进行单独的数据处理。当天线阵列趋向于大规模发展，硬件成本代价将会巨幅增加。同时考虑到大规模天线阵列的高维度接收数据，传统的数字波束形成方法计算复杂度高，难以满足实际应用高实时性的要求。而模拟波束成形可仅采用一条RF链路处理接收信号，然而其性能往往难以与数字波束成形相比拟。混合波束成形通常采用远小于天线数的RF链路以降低系统开销，同时采用大量的相移器增加天线阵列的增益，能够实现系统性能与硬件成本的折衷，从而成为了5G毫米波通信系统的主要技术之一。

考虑到现有的移相器精度普遍较高，采用线性搜索改变移相器的相移，以使得接收来波信号功率最大是恰当的到达角估计方法。

发明内容

发明目的：在大规模天线系统中，混合波束成形器能有效地实现系统性能与硬件成本的折衷。通过利用混合波束成形器的优势，本发明提供大规模MIMO系统中基于线性搜索的混合结构下到达角估计方法，能有效提高定位精度，同时降低定位算法的复杂度。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于线性搜索混合波束成形方法，具体过程包括：

(1)天线阵列划分子阵：

考虑由N个全向阵元组成的线性均匀天线阵列，且该天线阵列位于信号源的远场范围。将阵列均匀地分为K个子阵，子阵天线数目均为M，即N＝KM。天线阵列的导向向量表示为：

第k个子阵的相移矢量为则第k个子阵形成的波束方向图表示为

其中，v_A,k,m表示第k个子阵中第m个阵元的相移因子。整个天线阵列所形成的波束方向图可表示为