[发明专利]一种联合信道信息获取和波束赋形方法

权利要求书

1.一种联合信道信息获取和波束赋形方法，该方法用于下行链路通信系统，系统中基站端配置N_t个发射天线，用户端配置N_r个接收天线，基站端和用户端的RF链数量分别配置为和且满足其特征在于，包括以下步骤：

S1、建立接收信号模型：

设基站的基带产生的一个发送导频信号为通过基带数字预编码器以及模拟波束成形器处理后发送，用户端接收到信号后通过模拟波束组合器以及数字组合器处理，则第k个帧内在用户端经过模拟组合器与数字组合器处理后得到信号为：

其中，P表示系统的平均发送功率，H为信道矩阵，表示加性高斯噪声矢量，均值为0，方差为I是单位矩阵；

令将上式简化为：

令K_t和K_r分别表示发送和接收波束的配置使用数量，则对第K＝K_tK_r个接收信号矢量，得到：

其中，接收信号矩阵发送端配置矩阵接收端配置矩阵噪声矩阵取向量化运算得到：

其中，vec(H)是矩阵矢量化；且n＝vec(N)；

令表示传感矩阵，则可得接收信号模型：

S2、获取信道信息：

假设毫米波信道是窄带的几何模型信道，信道中的路径数为N_p，则相应的发送以及接收阵列响应矩阵为：

其中θ_t,l，θ_r,l分别表示第l个簇对应的偏离角和到达角，a_t(θ_t,l)和a_r(θ_r,l)分别表示第个l个簇对应的发送端以及接收端的阵列响应矢量；

毫米波波长表示为λ，令天线间间距为半波长，即d＝λ/2，则相邻天线之间的波束传输路径差值为dcos(θ_t,l)，相邻天线间的电磁波相位差为2πdcos(θ_t,l)/λ，天线阵列响应矢量为：

其中j是虚数单位；

信道矩阵改写为：

其中，是一个对角矩阵，其对角元分别表示不同路径的路径增益；

定义一个网格的量化角度参数集如下：

ψ＝{φ_n∈[0,π]:n＝1,...,G}

其中，G表示网格中角度参数的数量，φ表示波束路径与Z轴之间的夹角，满足φ∈[0,2π)，φ₁＝0和φ_G＝0，{cos(φ_n)}在[1,-1)区间范围内是非均匀分布的，取值定义为：

将所有的角度参数集合，令G_T和G_R分别表示发送和接收两端的量化角度参数集的大小，分别得到发送与接收的角度字典矩阵如下：

将发送角度字典矩阵与其共轭转置做乘法运算，得到对角矩阵

同理得到对角矩阵

其中分别表示N_t阶和N_r阶单位矩阵；

基于发送和接收角度字典矩阵，得到在量化角度空间上定义的信道矩阵：

其中，是包含N_p个非零元素的稀疏矩阵，其非零元素分别表示与N_p个路径的偏离角以及到达角有关的增益；对信道矩阵进行向量化处理，得到：

其中表示矩阵的共轭运算；表示矩阵的Kronecker积运算；

代入步骤S1得到的接收信号模型：

取稀疏字典矩阵为等效传感矩阵为Θ＝ΦΨ，则接收信号矢量改写为：

由于N_pN_t≤G_T且N_pN_r≤G_R，将的估计问题看作是基于冗余字典的稀疏信号恢复问题，令表示待估计的信道增益信息，建立估计问题为：

其中表示矩阵的2范数；表示复数辐角运算；表示约束条件；

采用ROMP算法求解待估计增益矩阵恢复出信道矩阵为：

为恢复出的信道矩阵；

S3、码本设计：

假设G_T＝G_R＝G，总相干性μ(Θ)定义为矩阵Θ的不同列的内积平方和，等效表示为矩阵Θ^HΘ的非对角元素和，则等效传感矩阵的总相干性表达式如下：

通过最小化发送端和接收端各自的总相干性，得到码本如下：

模拟波束赋形的可选码本：

其中表示单位矩阵；表示零矩阵；表示矩阵的共轭转置运算；i,j是变量；

数字波束赋形的码本：

e_i表示一组标准基中第i个元素为1的矢量，U和V表示任意的阶的酉矩阵，当给定F_BB,i时，对应的导频矢量表示为s_i＝Ve_i；

模拟组合器的码本：

数字组合器的码本：