[发明专利]一种毫米波大规模MIMO系统中波束空间信道估计方法

说明书

本发明公开了一种毫米波大规模MIMO系统中波束空间信道估计方法，针对基于透镜天线阵列的毫米波大规模MIMO系统，主要解决导频开销大和信道估计精度低的问题。其实现步骤为：1)建立基于透镜天线阵列的毫米波大规模MIMO系统模型；2)通信过程分为用户发送导频信号至基站，以及基站利用接收信号进行信道估计；3)将信道估计问题构建为稀疏信号恢复问题；4)设计基于块稀疏的支撑集检测稀疏重构算法完成信道估计。本发明所提出的波束空间信道估计方法在毫米波大规模MIMO系统中具有比现有方案更优的估计精度以及更低的导频开销，同时基于本发明的系统在波束选择时能达到更高的系统和速率。

技术领域

本发明涉及信号通信技术领域，更具体的说是涉及一种毫米波大规模 MIMO系统中波束空间信道估计方法。

背景技术

目前，毫米波(mmWave)大规模多输入多输出(massive MIMO)技术具有巨大的带宽资源、更高的复用增益等特点，可显著提高用户吞吐量、频谱效率、能量效率以及增加移动网络容量，已经成为第五代移动通信(5G) 的关键技术之一。

信道估计是通信系统中不可缺少的一环，在毫米波大规模MIMO系统中，如何可靠有效地获取信道状态信息(CSI)是充分利用毫米波大规模MIMO系统潜在优势的一个根本问题。近几年随着毫米波大规模MIMO的研究热度逐渐升高，毫米波系统下的信道估计算法也成为了研究热点。与传统毫米波通信以及工作在sub-6GHz以下的大规模MIMO通信相比，毫米波大规模MIMO系统中的信道估计更具挑战性，主要原因如下：(1)在毫米波大规模MIMO系统中，天线的数量非常大；(2)毫米波通信受到特殊的硬件限制；(3)毫米波通信中波束赋形前的信噪比(SNR)较低。

现有的一些基于压缩感知的先进方案来实现信道估计，关键思想是有效地利用毫米波信道在角度域中的稀疏性。然而，这些方案是为混合预编码系统设计的，其中相移网络是通过高分辨率相移器实现的，可以实现具有高设计自由度的模拟预编码器，以提高信道估计精度。相比之下，在具有透镜天线阵列的毫米波大规模MIMO系统中，虽然移相器网络可以被透镜天线阵列所取代，以进一步降低硬件成本和能耗，但等效设计的模拟预编码器仅限于离散傅里叶变换向量。从数学角度看，具有透镜天线阵列的毫米波大规模MIMO 中的模拟预编码器具有较强的约束性，因此如果直接应用在为混合预编码系统设计的信道估计方案中，其性能将不太令人满意，现有方案未能达到令人满意的估计精度。综上分析，现有的基于透镜天线阵列的毫米波大规模MIMO 系统波束空间信道估计算法存在导频开销高，算法估计精度有待提升等问题。

因此，如何提升信道估计精度、降低算法复杂度是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种毫米波大规模MIMO系统中波束空间信道估计方法，利用毫米波信道的稀疏性，使用压缩感知的方法估计信道向量，并通过改进稀疏重构算法以提升波束空间信道估计的估计精度。针对窄带波束空间信道，提出一种基于块稀疏的支撑集检测算法，通过将各传播路径的不同信道分量元素重新排列组合得到新的等效信道向量，该等效向量具有块稀疏的性质，并利用波束空间信道的特殊性质估计支撑集，从而可以将各信道分量的支撑集作为一个整体处理，以实现信道估计精度的提升和算法复杂度的降低。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种毫米波大规模MIMO系统中波束空间信道估计方法，包括以下步骤：

步骤1：建立基于透镜天线阵列的毫米波大规模MIMO系统模型；

步骤2：在毫米波大规模MIMO系统模型中用户发送导频信号至基站，基站接收所有用户的所述导频信号，根据系统模型中的导频向量、噪声向量、完整波束空间信道、每个用户的信号向量和设定的合路器矩阵获得接收信号矩阵；

步骤3：将信道估计问题构建为稀疏信号恢复问题，根据所述接收信号矩阵、合路器矩阵和噪声矩阵，采用压缩感知方法计算进行稀疏重构的用户波束空间信道向量；