[发明专利]一种基于非对称架构的正交时频空系统的信道估计方法

权利要求书

1.一种基于非对称架构的正交时频空系统的信道估计方法，其特征在于，包括：

基于大规模均匀线性阵列，依据互质阵列的排布选择接收射频链的位置，设计上行链路的线性接收天线阵列a_UL，包括：

基站配备了一个均匀线性阵列，共A_t根天线；

设计上行链路，使得只有A_r个接收射频链链接到线性阵列，得到上行导向矢量表示为：

其中，θ_q,p表示第q个用户的第p条路径的到达角或离开角；θ_q,p在上行导向矢量中表示为到达角，在下行导向矢量中表示离开角；表示接收天线的索引，接收天线的索引是通过互质阵列确定的，表示为{L₁i|0≤i≤(L-1)/2}∪{L₂j|0≤j≤(L-1)/2}且A_t＝L₁L₂+1，A_r＝L₁+L₂-1，L₁与L₂都为质数，为虚数；

构建非对称系统的上行信道模型h^UL，包括：

上行信道模型公式表示为：

其中，h_q,p,τ_q,p,ν_q,p分别表示复信道增益、时延与多普勒频移，P为路径数，l为时延抽头索引，T_s为采样频率，p_rc表示狄拉克函数，n为时隙；

基于正交时频空调制方案，获得非对称架构中上行链路的输出信号表达式y_g，包括：

输出信号是由发送信号经历时频双选信道后获得的，因此上行链路的输出信号在时域的公式表示为：

其中，M,N表示为一个正交时频空帧沿着时延与多普勒索引方向的长度；k_p＝ν_pNT与l_p＝τ_pMΔf分别表示路径的物理频移与时延在时延多普勒域的映射；h_p,θ_p,ν_p和τ_p分别表示第p条路径的信道增益、离开角、多普勒频移和传播时延，Δf表示子载波间隔，T表示一个符号的持续时间；对于实际应用场景中的用户其起始时间已知，表示有效点的个数，c＝[c₀,c₁,...,c_G-1]^T表示服从复高斯分布的导频序列，w_g为噪声；w表示噪声向量；表示有效点的总个数，[]^T表示向量的转置；

通过所述输出信号表达式推导获得上行链路正交时频空的输入输出关系，并根据此输入输出关系，从中提取角度信息，重构虚拟的均匀线性接收天线阵列包括：

计算接收信号y_g的协方差矩阵公式表示为：

其中，σ_c表示导频信号的方差，σ_w表示噪音的方差；I_G为一个全零列向量；

从所述的协方差矩阵中提取角度信息，进行选择、重排得到虚拟的上行均匀线性阵列的观测信号，公式表示为：

其中，观测信号是维度为A_t×1的列向量，因为路径数PA，此时的角度估计问题等效于一个稀疏信号恢复问题；

设计字典矩阵为：D＝[D₁,...,D_η,D₀]

其中，表示可能的角度；

通过从字典矩阵D中选择约束问题中最小一列作为估计的角度，r为所有路径的噪声功率，λ_c为惩罚因子；

得到到达角的估计值包括：

得到到达角的估计值，采用近端梯度下降法；

令g(r)＝λ_c‖r‖₁，计算函数f(r)的下降梯度，公式表示为：

其中，(i)表示第i次迭代，μ_c表示算法每次迭代的步长；然后将z⁽ⁱ⁾代入梯度算子中，迭代更新软阈值函数得到r⁽ⁱ⁺¹⁾＝argmin_r{g(r)+1/2μ_c‖z⁽ⁱ⁾-r‖²}，直到循环收敛，于是得到角度的估计结果

基于获得的到达角估计值参数，利用信号在时延多普勒维度的稀疏性，包括：

在获得角度估计值之后，将接收信号沿数据方向堆叠，获得维度为的列向量表示为：

其中，多普勒分量与导频的时延分量分别为：和表示导频序列等同于c_G；

设计时延多普勒二维搜索网格Γ，筛选与角度相对应的匹配的路径时延l和多普勒频移并采用最小二乘法计算复信道增益包括：

创建不考虑分数时延的二维时延多普勒网格Γ，令时延方向网格精度为1，多普勒方向网格精度为Δδ，表示为：

Γ＝{(d₁,d₂),d₁＝0,1,...,l_max；d₂＝-k_max,-k_max+Δδ,...,k_max}

初始化残差y_r＝y，从Γ中依次选择网格点进行匹配筛选，计算公式为：

其中，选择最大值对应的网格点作为时延与多普勒的估计值并使用最小二乘法计算更新复信道增益，同时更新每一步的残差结果重复上述过程P次后，获得信道剩余参数的所有估计值

将所得到的上行信道参数：到达角、时延、多普勒频移与复信道增益，基于信道互易性，重构恢复出下行信道h^DL，包括：

设计下行链路，使得每根天线都链接到一个发送射频链，得到下行导向矢量表示为：

下行信道模型公式表示为：

基于信道的互易性，上行信道的信道参数可以直接用于重建下行信道，以辅助下行通信。

2.如权利要求1所述的基于非对称架构的正交时频空系统的信道估计方法，其特征在于，基于非对称架构的正交时频空系统，包括：

所述系统由一个配备了A_t根天线的基站与Q个高速移动的单天线用户组成，系统采用正交时频空调制方案，工作在时分双工模式；

发送端用户首先是将放置在时延多普勒域服从复高斯分布的导频序列，通过逆辛有限傅里叶变换将其变换到时间频率域，然后每个二维正交时频空符号经过正交频分复用技术调制后获得一维的时域信号，最后用户在不同时隙将信号发送给基站；

首先所述基站依据A_r根天线的接收信号，恢复出A_t根天线的虚拟阵列的接收信号，再从中提取角度信息，然后执行与发送端相对应的逆操作来解调信号，最后估计出到达角、时延、多普勒频移和复移信道增益参数，并重构出下行信道以辅助下行通信；

其中，Q表示几个高速移动的单天线用户，A_t表示几根天线的基站，A_r表示根天线的接收信号。