一種基于大規(guī)模多天線系統(tǒng)的單一信號(hào)到達(dá)角估計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于大規(guī)模多天線系統(tǒng)信道估計(jì)的信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一 種基于大規(guī)模多天線系統(tǒng)的單一信號(hào)到達(dá)角估計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目標(biāo)信號(hào)入射到接收天線陣列的角度被稱為到達(dá)角。通過(guò)到達(dá)角估計(jì)可以獲得目 標(biāo)方位參數(shù)，是信道估計(jì)中非常關(guān)鍵的一部分，也是近年來(lái)研宄的一個(gè)熱點(diǎn)。
[0003] 在早期的陣列信號(hào)到達(dá)角估計(jì)中比較有代表性的算法是波束形成算法，但該算法 具有一定的限制性，只有在陣列孔徑的倒數(shù)小于信源距離的時(shí)候才能夠?qū)π盘?hào)源的方位進(jìn) 行較為有效的估計(jì)。上個(gè)世紀(jì)80年代，出現(xiàn)了以多重信號(hào)分類（MUSIC)算法和旋轉(zhuǎn)不變子 空間（ESPRIT)算法為代表的子空間類信號(hào)到達(dá)角估計(jì)算法，其中MUSIC算法是到達(dá)角估計(jì) 算法研宄的里程碑，而ESPRIT算法在MUSIC算法的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，避開(kāi)了 MUSIC算法的 不足，無(wú)需進(jìn)行譜峰搜索。在ESPRIT算法中，信號(hào)相關(guān)參數(shù)的估計(jì)通過(guò)兩個(gè)相同子空間之 間的旋轉(zhuǎn)不變性得到，但是需要大量采樣樣本，并且隨著天線數(shù)目的增加，其估計(jì)精度迅速 降低，因此不適用于大規(guī)模多天線系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供一種基于大規(guī)模多天線系統(tǒng)的 單一信號(hào)到達(dá)角估計(jì)方法，利用壓縮感知稀疏性原理實(shí)現(xiàn)，可在少量采樣樣本的條件下實(shí) 現(xiàn)大規(guī)模多天線系統(tǒng)中的單一信號(hào)到達(dá)角估計(jì)，精度高并且可提高頻譜利用效率。
[0005] 本發(fā)明提供一種基于大規(guī)模多天線的單一信號(hào)到達(dá)角估計(jì)方法，包括以下步驟：
[0006] 步驟1發(fā)射信號(hào)矩陣為酉矩陣X，則接收信號(hào)矩陣為Y = HX+N，其中，H為信道矩 陣，N為噪聲矩陣；通過(guò)矩陣相乘可得到信道矩陣的預(yù)估矩陣S=YX，:為所述發(fā) 射信號(hào)矩陣X的共軛轉(zhuǎn)置；
[0007] 步驟2對(duì)所述預(yù)估矩陣實(shí)行稀疏變換，得到具有稀疏特性的稀疏矩陣G =Φ_Η， 其中，Φ為根據(jù)接收天線相關(guān)性構(gòu)造的稀疏變換矩陣；
[0008] 步驟3根據(jù)所述稀疏矩陣的稀疏度進(jìn)行非零元素估計(jì)，同時(shí)將其它元素置零；
[0009] 步驟4在第一精度和第一范圍以及第二精度和第二范圍的兩個(gè)條件下分兩步進(jìn) 行搜索，依次用所有角度作為到達(dá)角計(jì)算所述稀疏矩陣的稀疏度，使所述稀疏矩陣的稀疏 度最小的角度即為單一到達(dá)角Θ的估計(jì)值。
[0010] 總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效 果：
[0011] 時(shí)域信道預(yù)估只需一個(gè)信號(hào)樣本即可得到，降低了導(dǎo)頻開(kāi)銷，提高了頻譜利用 率；
[0012] 分步搜索逐步提高搜索精度，提高信號(hào)到達(dá)角估計(jì)精度并降低估計(jì)復(fù)雜度；
[0013] 較強(qiáng)的實(shí)用性使得本發(fā)明可應(yīng)用于具有稀疏特性的各種系統(tǒng)參數(shù)的估計(jì)。
【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1為本發(fā)明基于大規(guī)模多天線的單一信號(hào)到達(dá)角估計(jì)方法的流程圖；
[0015] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例一的線性天線陣列模型的示意圖；
[0016] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例一及ESPRIT方法對(duì)信號(hào)到達(dá)角估計(jì)均方誤差與信噪比的關(guān) 系曲線圖；
[0017] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例二的平面天線陣列模型的示意圖；
[0018] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例二及ESPRIT方法對(duì)信號(hào)到達(dá)角估計(jì)均方誤差與信噪比的關(guān) 系曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0020] 圖1所示為本發(fā)明基于大規(guī)模多天線的單一信號(hào)到達(dá)角估計(jì)方法的流程圖，具體 包括以下步驟：
[0021] 步驟1信道預(yù)估：
[0022] 在本發(fā)明實(shí)施例中，發(fā)射信號(hào)矩陣為酉矩陣X，則接收信號(hào)矩陣為Y = HX+N，其中 H為信道矩陣，N為噪聲矩陣。根據(jù)酉矩陣的特性，通過(guò)矩陣相乘可得到信道矩陣的預(yù)估值 H = YXt，其中Xt為X的共軛轉(zhuǎn)置。由于受到噪聲影響，預(yù)估矩陣的估計(jì)精度較低，且不具 備稀疏特性。
[0023] 步驟2稀疏變換：
[0024] 根據(jù)大規(guī)模多天線系統(tǒng)中接收天線之間的相關(guān)性構(gòu)造一個(gè)稀疏變換矩陣，對(duì)預(yù)估 矩陣H劣行稀疏變換，得到稀疏矩陣G =Φ·Η，其具有稀疏特性，其中Φ為根據(jù)天線相關(guān) 性構(gòu)造的稀疏變換矩陣。
[0025] 步驟3稀疏估計(jì)：
[0026] 稀疏估計(jì)是指在已知一個(gè)稀疏矩陣的稀疏度（非零元素個(gè)數(shù)）的情況下估計(jì)出矩 陣的非零元素，同時(shí)其它元素置零即可估計(jì)出整個(gè)稀疏矩陣。稀疏估計(jì)的目標(biāo)是準(zhǔn)確估計(jì) 稀疏矩陣G中的非零元素，將稀疏矩陣G中其它元素歸零。
[0027] 步驟4到達(dá)角估計(jì)：
[0028] 根據(jù)壓縮感知原理和分步搜索的思想，通過(guò)非零元素估計(jì)出信號(hào)到達(dá)角Θ。實(shí)現(xiàn) 方式主要是遍歷可能的到達(dá)角，以稀疏矩陣的最小非零元素個(gè)數(shù)為依據(jù)，利用分步搜索的 思想估計(jì)出信號(hào)到達(dá)角。其中，分步搜索是指搜索分幾步進(jìn)行，每一步搜索都根據(jù)上一步的 搜索結(jié)果減小搜索范圍，提高搜索精度，以提高信號(hào)到達(dá)角的估計(jì)精度并降低估計(jì)復(fù)雜度。
[0029] 實(shí)施例一：
[0030]圖2所示為本發(fā)明實(shí)施例一的線性天線陣列模型的示意圖，將本發(fā)明基于大規(guī)模 多天線系統(tǒng)的單一信號(hào)到達(dá)角估計(jì)方法用于接收天線陣列為線性天線陣列的大規(guī)模多天 線系統(tǒng)中，具體包括以下步驟：
[0031] 步驟1在本發(fā)明實(shí)施例的線性天線陣列中，單一到達(dá)角為60度，接收天線陣列為 16根天線組成的線性陣列。根據(jù)酉矩陣的特性，通過(guò)簡(jiǎn)單的矩陣相乘可得到時(shí)域信道矩陣 的預(yù)估值= YX_:_，其中Xt為發(fā)射信號(hào)矩陣X的共軛轉(zhuǎn)置，Y = HX+N為接收信號(hào)矩陣；
[0032] 步驟2預(yù)估矩陣本身不具備稀疏特性，因此根據(jù)大規(guī)模多天線系統(tǒng)中接收天線 之間的相關(guān)性構(gòu)造稀疏變換矩陣Φ，對(duì)預(yù)估矩陣實(shí)行稀疏變換G =Φ·Η，得稀疏度到為 1(即矩陣中非零元素個(gè)數(shù)為1)的稀疏矩陣G。在本發(fā)明實(shí)施例中，對(duì)于線性陣列或者平面 陣列，稀疏變換矩陣
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于大規(guī)模多天線系統(tǒng)的單一信號(hào)到達(dá)角估計(jì)方法，其特征在于，包括： 步驟1發(fā)射信號(hào)矩陣為酉矩陣X，則接收信號(hào)矩陣為Y = HX+N，其中，H為信道矩陣，N 為噪聲矩陣；通過(guò)矩陣相乘可得到信道矩陣的預(yù)估矩陣H = YXt,其中Xt為所述發(fā)射信號(hào) 矩陣X的共軛轉(zhuǎn)置； 步驟2對(duì)所述預(yù)估矩陣實(shí)行稀疏變換，得到具有稀疏特性的稀疏矩陣G = Φ.Η，其中， Φ為根據(jù)接收天線相關(guān)性構(gòu)造的稀疏變換矩陣； 步驟3根據(jù)所述稀疏矩陣的稀疏度進(jìn)行非零元素估計(jì)，同時(shí)將其它元素置零； 步驟4在第一精度和第一范圍以及第二精度和第二范圍的兩個(gè)條件下分兩步進(jìn)行搜 索，依次用所有角度作為到達(dá)角計(jì)算所述稀疏矩陣的稀疏度，使所述稀疏矩陣的稀疏度最 小的角度即為單一到達(dá)角Θ的估計(jì)值。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述稀疏矩陣的稀疏度為1。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，對(duì)于線性陣列或者平面陣列，所述稀疏 變換矩陣? = ，其中M為接收天線數(shù)；彡:為待估信號(hào)到達(dá)角的函數(shù)山為MXM 維次對(duì)角線矩陣。
4. 如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步驟（3)中根據(jù)壓縮感知原理進(jìn)行 非零元素估計(jì)。
5. 如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步驟（4)中所述第一精度小于所述 第二精度。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于大規(guī)模多天線系統(tǒng)的單一信號(hào)到達(dá)角估計(jì)方法，屬于大規(guī)模多天線系統(tǒng)信道估計(jì)的信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括以下步驟：(1)對(duì)信道矩陣進(jìn)行預(yù)估；(2)利用接收天線之間的相關(guān)性構(gòu)造稀疏變換矩陣，對(duì)信道預(yù)估值矩陣進(jìn)行稀疏變換，得到具有稀疏特性的矩陣；(3)根據(jù)壓縮感知原理準(zhǔn)確估計(jì)出稀疏矩陣中的非零元素；(4)采用分步搜索估計(jì)信號(hào)到達(dá)角。本發(fā)明只需一個(gè)信號(hào)樣本就可得到信號(hào)到達(dá)角估計(jì)值，精度高且能提高頻譜利用率。分步搜索逐步提高搜索精度，提高信號(hào)到達(dá)角估計(jì)精度并降低估計(jì)復(fù)雜度。較強(qiáng)的實(shí)用性使得本發(fā)明可應(yīng)用于具有稀疏特性的各種系統(tǒng)參數(shù)的估計(jì)。
【IPC分類】G01S3-02
【公開(kāi)號(hào)】CN104656055
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510019254
【發(fā)明人】彭薇, 江濤, 魏肖
【申請(qǐng)人】華中科技大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年5月27日
【申請(qǐng)日】2015年1月15日