[发明专利]大规模MIMO中基于线性搜索的混合到达角估计

摘要

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。

主权项

1.一种基于线性搜索的混合结构到达角估计方法，对于大规模天线阵列能有效地实现系统性能与硬件成本的折衷，并且展现了较高的到达角估计精度。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，vA,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其中，vk表示第k个子阵的权值。对于混合结构下的波束成形，将分别设计模拟波束成形矩阵VA与数字波束成形矢量vD。(2)模拟波束成形矩阵设计：假设来波信号源为窄带信号，来波方向为θ0。设计模拟波束成形矩阵VA，可使移相器对准接收功率最大的方向。假设每个子阵的相移矢量均相同，即，其中，θ为上以Δθ为搜索步长的线性搜索角，也就是说，则N×K维的模拟波束成形矩阵VA为(3)数字波束成形向量设计：考虑到模拟波束成形矩阵设计中，每个子阵的相移均相同，于是，在数字波束成形端，我们对每一个输入进行不同的相移，即，数字波束成形向量设计为：其中，同样的，θ为上以Δθ为搜索步长的线性搜索角。设来波信号为其中，s(t)是基带信号，f_c是载波频率。信号入射至混合结构天线阵列上。考虑到模拟波束成形，第k个子阵在第b个时域块的输出为其中，αk,m为第k个子阵的第m根天线对应的模拟波束成形矩阵的相移，τk,m是由来波信号方向决定的传播时延，τ0是从发射器到阵列参考点的传播时延，c为光速，d是阵列距离。将K个子阵的输出写成向量的形式则可以得到，其中表示加性噪声矢量，经过采样与下变频，数字波束成形向量的输入为经过数字波束成形，输出信号变为根据设计完成的模拟波束成形矩阵和数字波束成形向量，输出信号转化成假设快拍数为L，我们可以得到平均接收功率当θ在内进行线性搜索时，对应的总存在一个峰值对应待估计角θ₀。当模拟波束成形矩阵和数字波束成形向量完全对齐待估计角时，