基于壓縮感知的mimo-ofdm系統(tǒng)信道估計(jì)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提出一種基于壓縮感知的MIMO-OFDM系統(tǒng)信道估計(jì)方法，主要適用于接收端配備二維天線(xiàn)陣列時(shí)的信道估計(jì)。本發(fā)明依次估計(jì)出空間信道每個(gè)路徑的延時(shí)、入射角度和增益，能有效提高信道估計(jì)精度，具體流程為：1、利用最小二乘準(zhǔn)則獲得每個(gè)導(dǎo)頻子載波上信道頻域響應(yīng)向量的初始估計(jì)值；2、利用信道頻域響應(yīng)向量在時(shí)延域的稀疏性，基于壓縮感知理論估計(jì)信道每個(gè)路徑的延時(shí)和每個(gè)路徑的信道時(shí)域響應(yīng)向量的估計(jì)值；3、利用信道時(shí)域響應(yīng)向量在二維角度域的稀疏性，基于壓縮感知理論估計(jì)信道每個(gè)路徑的入射角；4、采用最小二乘準(zhǔn)則估計(jì)信道每個(gè)路徑的增益系數(shù)；5、獲得所有子載波和天線(xiàn)上的信道頻域響應(yīng)的估計(jì)值。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于壓縮感知的MIMO-OFDM系統(tǒng)信道估計(jì)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及接收端配備二維天線(xiàn)陣列的MM0-0FDM無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，特別涉及基于 壓縮感知理論的MIM0-0FDM系統(tǒng)信道估計(jì)問(wèn)題。

【背景技術(shù)】
[0002] 多輸入多輸出（ΜΜ0)技術(shù)在發(fā)射端和接收端配置多副天線(xiàn)，通過(guò)與復(fù)用技術(shù)或 分集技術(shù)等的結(jié)合，充分利用散射信道的多徑特性，在空間傳輸多路獨(dú)立、并行的數(shù)據(jù)流， 在不增加系統(tǒng)帶寬的情況下，成倍地提高無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)容量和鏈路可靠性，提高了系統(tǒng)的 傳輸速率。因此，ΜΜ0技術(shù)受到廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)通信的一個(gè)重大突破和未來(lái) 無(wú)線(xiàn)通信必然采用的關(guān)鍵技術(shù)之一。為了滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的用戶(hù)數(shù)據(jù)需求，天線(xiàn)配置數(shù)目不 斷增加，如大規(guī)模ΜΜ0系統(tǒng)，而二維天線(xiàn)陣列將是該系統(tǒng)天線(xiàn)配置的合理選擇。
[0003] 正交頻分復(fù)用（0FDM)是一種正交多載波調(diào)制技術(shù)，具有高效的頻譜利用率。隨著 無(wú)線(xiàn)通信的發(fā)展，為了滿(mǎn)足人們對(duì)高速率業(yè)務(wù)日益增長(zhǎng)的需求，系統(tǒng)帶寬不斷增加，信道的 頻率選擇性愈發(fā)突出，傳統(tǒng)的均衡技術(shù)不僅復(fù)雜度高，而且難以完全消除多徑衰落信道所 引起的碼間干擾。0FDM系統(tǒng)將寬帶頻率選擇性衰落信道轉(zhuǎn)換成一系列窄帶平坦衰落信道， 有效的解決碼間串?dāng)_的問(wèn)題，在實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫婢哂歇?dú)特的優(yōu)勢(shì)。因此，基于ΜΜ0 和0FDM的系統(tǒng)構(gòu)架應(yīng)運(yùn)而生。
[0004] 壓縮感知，又稱(chēng)壓縮采樣，是一個(gè)新的采樣理論，通過(guò)開(kāi)發(fā)信號(hào)的稀疏特性，在遠(yuǎn) 小于Nyquist采樣率的條件下，用隨機(jī)采樣獲取信號(hào)的離散樣本，然后通過(guò)非線(xiàn)性重建算 法完美的重建信號(hào)。由于在實(shí)際的散射環(huán)境中，對(duì)于寬帶信號(hào)，無(wú)線(xiàn)信道往往由幾條主要的 路徑構(gòu)成，因此可以將無(wú)線(xiàn)信道視為一個(gè)時(shí)延域稀疏信道，利用壓縮感知理論可以以較少 的導(dǎo)頻數(shù)目估計(jì)出信道響應(yīng)。同時(shí)，由于用戶(hù)到基站端天線(xiàn)陣列的入射角度個(gè)數(shù)是有限的， 所以開(kāi)發(fā)信道在角度域的稀疏性，同樣可以利用壓縮感知理論來(lái)獲得信道的估計(jì)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 技術(shù)問(wèn)題：本發(fā)明提供一種有效地減少導(dǎo)頻數(shù)目，具有更高估計(jì)分辨率的基于壓 縮感知的MIM0-0FDM系統(tǒng)信道估計(jì)方法。
[0006] 技術(shù)方案：本發(fā)明的基于壓縮感知的MM0-0FDM系統(tǒng)信道估計(jì)方法，包括以下步 驟：
[0007] a)利用最小二乘準(zhǔn)則，獲得每個(gè)導(dǎo)頻子載波上信道頻域響應(yīng)向量的初始估計(jì)值；
[0008] b)利用所述步驟a)中得到的信道頻域響應(yīng)向量的初始估計(jì)值在時(shí)延域的稀疏 性，基于壓縮感知理論估計(jì)信道每個(gè)路徑的延時(shí)和每個(gè)路徑的信道時(shí)域響應(yīng)向量的估計(jì) 值；
[0009] c)利用所述步驟b)中估計(jì)的信道時(shí)域響應(yīng)向量的估計(jì)值在二維角度域的稀疏 性，基于壓縮感知理論估計(jì)信道每個(gè)路徑的入射角，所述入射角包括垂直俯仰角和水平方 位角；
[0010] d)利用所述步驟a)中得到的信道頻域響應(yīng)向量的初始估計(jì)值、步驟b)中估計(jì)出 的每個(gè)路徑的延時(shí)、步驟c)估計(jì)出的每個(gè)路徑的入射角，采用最小二乘準(zhǔn)則，估計(jì)信道每 個(gè)路徑的增益系數(shù)；
[0011] e)將所述步驟b)中估計(jì)的每個(gè)路徑的延時(shí)、步驟c)估計(jì)出的每個(gè)路徑的入射角 和步驟d)中所估計(jì)的每個(gè)路徑的增益系數(shù)，代入信道頻域響應(yīng)的多徑信道模型，獲得所有 子載波、所有天線(xiàn)上的信道頻域響應(yīng)的估計(jì)值。
[0012] 本發(fā)明方法的優(yōu)選方案中，步驟b)的具體流程為：
[0013] 首先，將信道路徑延時(shí)在0到最大路徑延時(shí)之間均勻離散化，得到最小延時(shí)間隔 為Δ τ和離散后的路徑個(gè)數(shù)為\，利用信道頻域響應(yīng)和信道時(shí)域響應(yīng)的傅里葉變換關(guān)系， 將每個(gè)子載波上的信道頻域響應(yīng)向量表示為基向量與信道時(shí)域矩陣的乘積。
[0014] 其次，將所有導(dǎo)頻子載波上的信道頻域響應(yīng)向量的初始估計(jì)值按順序排列成一個(gè) 矩陣，記為信道頻域矩陣；將所有基向量按照相同的順序排列成一個(gè)矩陣，記為投影矩陣； 從而將信道頻域矩陣估計(jì)值表示為：
[0015]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于壓縮感知的MMO-OFDM系統(tǒng)信道估計(jì)方法，其特征在于，該方法包括以下 步驟： a) 利用最小二乘準(zhǔn)則，獲得每個(gè)導(dǎo)頻子載波上信道頻域響應(yīng)向量的初始估計(jì)值； b) 利用所述步驟a)中得到的信道頻域響應(yīng)向量的初始估計(jì)值在時(shí)延域的稀疏性，基 于壓縮感知理論估計(jì)信道每個(gè)路徑的延時(shí)和每個(gè)路徑的信道時(shí)域響應(yīng)向量的估計(jì)值； c) 利用所述步驟b)中估計(jì)的信道時(shí)域響應(yīng)向量的估計(jì)值在二維角度域的稀疏性，基 于壓縮感知理論估計(jì)信道每個(gè)路徑的入射角，所述入射角包括垂直俯仰角和水平方位角； d) 利用所述步驟a)中得到的信道頻域響應(yīng)向量的初始估計(jì)值、步驟b)中估計(jì)出的每 個(gè)路徑的延時(shí)、步驟c)估計(jì)出的每個(gè)路徑的入射角，采用最小二乘準(zhǔn)則，估計(jì)信道每個(gè)路 徑的增益系數(shù)； e) 將所述步驟b)中估計(jì)的每個(gè)路徑的延時(shí)、步驟c)估計(jì)出的每個(gè)路徑的入射角和步 驟d)中所估計(jì)的每個(gè)路徑的增益系數(shù)，代入信道頻域響應(yīng)的多徑信道模型，獲得所有子載 波和天線(xiàn)上的信道頻域響應(yīng)的估計(jì)值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于壓縮感知的MIM0-0FDM系統(tǒng)信道估計(jì)方法，其特征 在于，所述步驟b)的具體流程為： 首先，將信道路徑延時(shí)在〇到最大路徑延時(shí)之間均勻離散化，得到最小延時(shí)間隔為 Δ τ和離散后的路徑個(gè)數(shù)為\，利用信道頻域響應(yīng)和信道時(shí)域響應(yīng)的傅里葉變換關(guān)系，將 每個(gè)子載波上的信道頻域響應(yīng)向量表示為基向量與信道時(shí)域矩陣的乘積； 其次，將所有導(dǎo)頻子載波上的信道頻域響應(yīng)向量的初始估計(jì)值按順序排列成一個(gè)矩 陣，記為信道頻域矩陣；將所有基向量按照相同的順序排列成一個(gè)矩陣，記為投影矩陣；從 而將信道頻域矩陣估計(jì)值表示為：
(12) 其中，?表示信道頻域矩陣估計(jì)值，Ξ為投影矩陣，Α為信道時(shí)域矩陣，W為噪聲矩陣； 最后，根據(jù)式（12)采用壓縮感知理論求解信道時(shí)域矩陣，求解出的信道時(shí)域矩陣共Ντ 行，尋找其中的非零行向量，所述非零行向量的個(gè)數(shù)L即為估計(jì)出的信道路徑總數(shù)，第1個(gè) 非零行向量即為第1個(gè)路徑的信道時(shí)域響應(yīng)向量的估計(jì)值，第1個(gè)路徑所對(duì)應(yīng)的路徑延時(shí) 為（m-1) △ τ，其中，1為非零行向量的序號(hào)，m為第1個(gè)非零行向量所在的信道時(shí)域矩陣行 數(shù)m。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于壓縮感知的MIM0-0FDM系統(tǒng)信道估計(jì)方法，其 特征在于，所述步驟c)的具體流程為： 首先，將垂直俯仰角均勻離散化，得到最小角度間隔為△ Θ，離散后的角度個(gè)數(shù)為Ne， 將水平方位角均勻離散化，得到最小角度間隔為△ Φ，離散后的角度個(gè)數(shù)為&，利用信道 時(shí)域響應(yīng)與路徑入射角之間的二維傅里葉變換關(guān)系，將每個(gè)路徑的信道時(shí)域響應(yīng)向量估計(jì) 值表示為：
(18) 其中，fi/為第1個(gè)路徑的信道時(shí)域響應(yīng)向量估計(jì)值，Ρ為投影矩陣，h為第1個(gè)路徑 的路徑復(fù)增益向量，W為噪聲向量； 然后按照以下方法分別計(jì)算每個(gè)路徑的入射角：對(duì)于第1個(gè)路徑，利用式（18)，采用 壓縮感知理論求解得到路徑復(fù)增益向量的估計(jì)值，根據(jù)路徑復(fù)增益向量中元素最大值的位 置，計(jì)算第1個(gè)路徑的入射角，所述入射角包括垂直俯仰角和水平方位角。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于壓縮感知的MIMO-OFDM系統(tǒng)信道估計(jì)方法，其特征 在于，所述步驟c)中，所述投影矩陣P中每行元素排列方式與路徑復(fù)增益向量 Yl中元素 排列方式相同，均為按照垂直俯仰角和水平方位角所對(duì)應(yīng)路徑的克羅內(nèi)克積的順序排序得 到； 計(jì)算第1個(gè)路徑的入射角的方法為：根據(jù)路徑復(fù)增益向量中元素最大值的位置s，得到 第1個(gè)路徑的垂直俯仰角為爲(wèi)水平方位角為為?其中，ηΦ = mod(s，N4?)， ηθ = (s-nJ/N^+l，mod(x, y)表示 x 對(duì) y 求余。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于壓縮感知的MIMO-OFDM系統(tǒng)信道估計(jì)方法，其特征 在于，所述步驟c)中，所述投影矩陣P中每行元素排列方式與路徑復(fù)增益向量 Yl中元素 排列方式相同，均為按照水平方位角和垂直俯仰角所對(duì)應(yīng)路徑的克羅內(nèi)克積的順序排序得 到； 計(jì)算第1個(gè)路徑的入射角的方法為：根據(jù)路徑復(fù)增益向量中元素最大值的位置s，得到 第1個(gè)路徑的垂直俯仰角為4 = ,水平方位角為4 = 沒(méi)，其中，n e = mod (s，Νθ)， ηφ = (s-n0)/N0+l。
【文檔編號(hào)】H04L25/02GK104052691SQ201410312859
【公開(kāi)日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年7月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月2日
【發(fā)明者】高西奇, 潘云強(qiáng), 孟鑫, 金石 申請(qǐng)人:東南大學(xué)