大規(guī)模mimo中基于波束空間轉換的散射信源定位方法
【專利摘要】大規(guī)模多入多出(MIMO)系統(tǒng)中，基于波束空間轉換的散射信源定位方法的操作步驟如下：(1)信號預處理階段：用波束形成向量把接收到的用戶信號向量轉換為較低維度的向量，即波束空間轉換，并計算轉換后向量的樣本協(xié)方差矩陣。(2)估計階段：由樣本協(xié)方差矩陣獲得信號子空間和噪聲子空間，利用信號子空間各部分之間的線性關系以及陣列流形和噪聲子空間之間的正交關系估計用戶位置。本發(fā)明利用大規(guī)模MIMO信號的波束空間轉換的信息損失少的特點，降低信號向量維度后獲得用戶位置信息。本發(fā)明方法能夠在提高用戶位置信息估計精度的前提下，降低估計的復雜度。
【專利說明】大規(guī)模MIMO中基于波束空間轉換的散射信源定位方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于大規(guī)模MIMO中的散射信源定位方法，確切地說，是一種估計散射信源的中心波達角(DOA)和角度擴展的方法，屬于無線通信【技術領域】。
【背景技術】
[0002]在蜂窩移動通信系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟛粩嘣鲩L，增加天線數(shù)量可以有效提高系統(tǒng)的頻譜效率。最近，人們發(fā)現(xiàn)大規(guī)模MMO系統(tǒng)可以提供極高的頻譜效率。在大規(guī)模多用戶MIMO系統(tǒng)中，基站配置了一百或者幾百根天線，同時服務幾十個用戶。當陣列的天線間距較小或者信號的角度擴展較小時，基站天線的接收信號間存在相關性。此時，可以采用波束形成技術獲得方向性天線增益。波束形成技術需要用戶的位置信息，即用戶信號的DOA估計。散射信源的信號經(jīng)過多徑反射到達基站。因為每條徑的DOA各不相同，且一般服從高斯分布，所以定位散射信源就是估計DOA分布的均值和方差，對應的就是散射信源的中心DOA和角度擴展。在大規(guī)模MMO系統(tǒng)中，因為基站計算負擔很重且現(xiàn)有方法計算復雜度高，所以降低定位方法的計算復雜度才能使其工程應用。
[0003]在大規(guī)模MMO系統(tǒng)中，計算復雜度是一個至關重要的實現(xiàn)問題?，F(xiàn)有的估計方法中，最大似然(ML)、近似最大似然(AML)和協(xié)方差匹配估計技術(COMET)具有最優(yōu)或者漸進最優(yōu)的性能。然而，這些方法因為計算復雜度太高而難以實際采用，尤其是在大規(guī)模MMO系統(tǒng)。通過采用簡化的系統(tǒng)模型，這些基于ML和COMET方法的復雜度可以大大降低，但是這些改進方法局限于單信源場景。
[0004]另一方面，多重信號分類(MUSIC)和波束形成方法可以用于散射信源的DOA估計，并且,這些方法的計算復雜度要比基于ML和COMET方法的低。然而，這些方法還是需要搜索二維中心DOA和角度擴展來獲得它們的估計，其計算復雜度仍然很高。另一方面，借助旋轉不變技術的信號參數(shù)估計(ESPRIT)也可以用于角度參數(shù)估計，并且只需要搜索一維的中心DOA以獲得相應的估計。因此，這個方法的計算復雜度比上述其它方法的計算復雜度低。然而，其計算復雜度仍然和基站天線數(shù)的立方成正比。
[0005]針對現(xiàn)有方法的計算復雜度問題，本發(fā)明提出了一種低復雜度的散射信源定位方法。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種在大規(guī)模MMO系統(tǒng)中利用波束空間轉換進行低復雜度定位的方法，即一種在大規(guī)模MMO系統(tǒng)中，利用波束空間轉換來估計中心DOA和角度擴展的低復雜度方法。本發(fā)明方法利用了大規(guī)模MMO信號的波束空間轉換信息損失少的特點，利用波束形成向量把接收信號向量轉換到波束空間。當接收信號轉換到波束空間后，接收信號向量的維度大大減小。因此，所提方法從根本上降低了計算的復雜度。同時，波束空間轉換帶來的誤差非常小。并且，本發(fā)明方法提出了一個估計中心方位DOA的準貝1J，提聞了估計性能。[0007]為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種大規(guī)模MMO系統(tǒng)中基于波束空間轉換的散射信源定位方法，用于下述場景:包括一個基站和多個用戶的通信系統(tǒng)，在一段時間內(nèi)所有用戶向基站發(fā)射信號；基站大規(guī)模天線陣列為均勻圓柱陣。其特征在于:所述方法包括下列兩個操作步驟:
[0008](I)信號預處理階段:用波束形成向量把接收到的用戶信號向量轉換為較低維度的向量，即波束空間轉換，并計算轉換后向量的樣本協(xié)方差矩陣。所提信號預處理方法的具體步驟如下:
[0009](11)單個圓陣接收到的信號向量與波束形成向量相乘獲得波束空間的信號向量，把不同圓陣多個這樣的向量組合來獲得圓柱陣的波束空間信號向量。
[0010](12)對不同時隙的圓柱陣的波束空間信號向量的自相關矩陣求平均，獲得圓柱陣的樣本協(xié)方差矩陣，并被作為信號協(xié)方差矩陣的估計。
[0011]基站天線數(shù)越大，波束空間轉換帶來的誤差就越小，利用波束空間向量估計角度參數(shù)的精度就越高。因此，在大規(guī)模MMO系統(tǒng)中，波束空間轉換幾乎不會帶來估計精度的損失。同時，波束空間的信號向量的維度比原信號向量的維度降低很多，從而降低了計算復雜度。具體而言，波束空間轉換的計算復雜度與基站天線數(shù)成正比，相比之下，利用波束空間信號向量估計中心DOA和角度擴展的計算復雜度幾乎可以忽略。因此，所提方法的計算復雜度僅與基站天線數(shù)成正比，從根本上降低了散射信源定位的計算復雜度。
[0012](2)估計階段:由樣本協(xié)方差矩陣獲得信號子空間和噪聲子空間，利用信號子空間各部分之間的線性關系以及陣列流形和噪聲子空間之間的正交關系估計用戶位置。所提估計方法的具體步驟如下:
[0013](21)計算圓柱陣的樣本協(xié)方差矩陣的特征值分解，獲得圓柱陣的信號子空間，并將其分解為各圓陣的信號子空間。接著，由這些信號子空間估計它們之間的線性轉換矩陣。
[0014](22)計算轉換矩陣估計的特征值分解，由特征值獲得中心俯仰角的估計。
[0015](23)從圓柱陣的樣本協(xié)方差矩陣中提取出單個圓陣的樣本協(xié)方差矩陣，計算其特征值分解，獲得噪聲子空間。接著，利用噪聲子空間與陣列流形之間的正交性獲得中心方位角的估計。然后，計算噪聲子空間對應的特征值的平均，獲得噪聲功率的估計。
[0016](24)利用單個圓陣的樣本協(xié)方差矩陣、二維中心波達角估計和噪聲功率估計，獲得二維角度擴展的估計。
[0017]由于相鄰圓陣之間是垂直平移的關系，它們對應的信號子空間之間可以線性轉換，且相應的線性轉換矩陣是中心俯仰角的函數(shù)，步驟(21)利用所有圓陣的信號子空間來估計子空間之間的線性轉換矩陣，步驟(22)利用該轉換矩陣的特征值估計中心俯仰角。由于陣列流形與噪聲子空間是正交的，所以步驟(23)就利用該正交關系獲得陣列流形對應的中心方位角的估計。并且，步驟(23)采用了所提出的估計準則，可以獲得更好的估計性能。由于噪聲子空間對應的特征值即噪聲的功率估計，步驟(23)利用這些特征值的平均作為噪聲功率的估計。單個圓陣的協(xié)方差矩陣是二維中心波達角、二維角度擴展和噪聲功率的函數(shù)，步驟(24)利用該函數(shù)關系，由現(xiàn)有的樣本協(xié)方差矩陣、二維中心波達角估計和噪聲功率估計獲得二維角度擴展的估計。
[0018]本發(fā)明基于波束空間轉換的定位方法是一種用于大規(guī)模MMO系統(tǒng)中的用戶中心DOA和角度擴展的估計方法。其優(yōu)點是:在提高估計性能的前提下，大大地降低了計算復雜度。本發(fā)明方法的創(chuàng)新關鍵是:利用大規(guī)模MMO信號的波束空間轉換信息損失少的特點，利用波束形成向量把接收信號向量轉換到波束空間。當接收信號轉換到波束空間后，接收信號向量的維度大大減小，從而使定位的計算復雜度大大降低。本發(fā)明是一種低復雜度的估計方法，能為大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的波束形成實際應用提供精確的角度信息。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明應用場景:散射信源DOA示意圖。
[0020]圖2是本發(fā)明大規(guī)模MMO中定位方法的流程圖。
[0021]圖3是本發(fā)明實施例中，中心方位角估計均方根誤差(RMSE)與基站天線數(shù)關系的仿真圖。
[0022]圖4是本發(fā)明實施例中，方位角度擴展估計RMSE與基站天線數(shù)關系的仿真圖?！揪唧w實施方式】
[0023]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述。
[0024]參見圖1，先介紹本發(fā)明方法的應用場景:包括一個基站和多個用戶的通信系統(tǒng)，在一段時間內(nèi)所有用戶向基站發(fā)射信號；基站大規(guī)模天線陣列為均勻圓柱陣，包含L個圓
陣；§k:為第k個用戶的中心方位角，σ8κ力第k個用戶的方位角度擴展，$k:為第k個用戶
的中心俯仰角，σ#為第k個用戶的俯仰角度擴展；Rx為波束空間信號向量的樣本協(xié)方差
矩陣；第I個圓陣的信號子空間為E1, 1 = 1，2，…，L ;第I'個圓陣和第 +1個圓陣的信
號子空間之間的轉換矩陣為I'= 1,2,…，L-1iR5^dx的左上角的P' XP'的
子矩陣，其中，P'為4π /λ+2和3K+1的較大值，r為圓陣半徑，λ為信號波長，K為基站同時服務的用戶數(shù)量。
[0025]參見圖2，介紹本發(fā)明方法的下列兩個操作步驟:
[0026](I)信號預處理階段:用波束形成向量把接收到的用戶信號向量轉換為較低維度的向量，即波束空間轉換，并計算轉換后向量的樣本協(xié)方差矩陣。該步驟的操作內(nèi)容為:
[0027](11)把接收信號向量轉換到波束空間，獲得波束空間信號向量。
[0028](12)計算波束空間信號向量的樣本協(xié)方差矩陣Rx。
[0029](2)估計階段:由樣本協(xié)方差矩陣獲得信號子空間和噪聲子空間，利用信號子空間各部分之間的線性關系以及陣列流形和噪聲子空間之間的正交關系估計用戶位置。具體步驟如下: [0030](21)計算βχ的特征值分解，獲得圓柱陣信號子空間，并將其按照圓陣分解為E1, I = 1,2,…，L，接著用全局最小二乘準則估計E1, I = 1,2,…，L，之間的轉換矩陣%',? = 1,2,…，L-1。
[0031](22)計算iP1'的特征值分解，由特征值獲得中心俯仰角的估計。[0032](23)由Rx獲得其左上角的P' XP^的子矩陣βΧι，并計算其特征值分解，利用噪聲子空間估計中心力'位角，由噪聲子空間對應特征值估計噪聲功率。
[0033](24)利用和二維中心波達角估計、噪聲功率估計，估計二維角度擴展。
[0034]為了展示本發(fā)明方法的低復雜度，在此簡單分析一個特例的計算復雜度。當基站的圓柱陣包含2個圓陣，每個圓陣的天線數(shù)量為100，用戶數(shù)為6，最大角度擴展為1°，搜索步長為0.02°，現(xiàn)有最低復雜度的方法需要復數(shù)乘法的數(shù)量級至少為1.2X107，而本發(fā)明方法需要復數(shù)乘法的數(shù)量級為2.3X106，本發(fā)明方法的計算復雜度是現(xiàn)有最低復雜度方法的計算復雜度的19%，可見采用本發(fā)明方法可以大幅度降低計算復雜度。
[0035]為了展示本發(fā)明方法的實用性能， 申請人:進行了多次仿真實施試驗。試驗系統(tǒng)中的網(wǎng)絡配置模型為圖1所示的應用場景。仿真試驗的結果如圖3和圖4所示，分別從中心方位角的估計和方位角度擴展的估計兩個方面進行了仿真。為了直觀地體現(xiàn)本發(fā)明方法的優(yōu)越性，將本方法的仿真結果與現(xiàn)有的散射信源的定位方法進行了對比。
[0036]由圖3可以看出，本發(fā)明方法明顯地降低了中心方位角估計的RMSE，也就是說所提出的方法能夠提高中心方位角的估計精度。圖4表明，本發(fā)明方法獲得的方位角度擴展估計的RMSE低于現(xiàn)有方法的RMSE。因此，本發(fā)明方法對于中心方位角和方位角度擴展的估計精度高于現(xiàn)有其它方法。
[0037]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明保護的范圍之內(nèi)。
【權利要求】
1.大規(guī)模多入多出(MIMO)中基于波束空間轉換的散射信源定位方法，用于下述場景:包括一個基站和多個用戶的通信系統(tǒng)，在一段時間內(nèi)所有用戶向基站發(fā)射信號；基站大規(guī)模天線陣列為均勻圓柱陣。其特征在于:所述方法包括下列兩個操作步驟: (1)信號預處理階段:用波束形成向量把接收到的用戶信號向量轉換為較低維度的向量，即波束空間轉換，并計算轉換后向量的樣本協(xié)方差矩陣； (2)估計階段:由樣本協(xié)方差矩陣獲得信號子空間和噪聲子空間，利用信號子空間各部分之間的線性關系以及陣列流形和噪聲子空間之間的正交關系估計用戶位置。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于:所述步驟(1)中，信號預處理進一步包括下列操作內(nèi)容: (11)單個圓陣接收到的信號向量與波束形成向量相乘獲得波束空間的信號向量，把不同圓陣多個這樣的向量組合就獲得圓柱陣的波束空間信號向量。 (12)對不同時隙的圓柱陣的波束空間信號向量的自相關矩陣求平均，獲得圓柱陣的樣本協(xié)方差矩陣，并被作為信號協(xié)方差矩陣的估計。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于:所述步驟(2)進一步包括下列操作內(nèi)容: (21)計算圓柱陣的樣本協(xié)方差矩陣的特征值分解，獲得圓柱陣的信號子空間，并將其分解為各圓陣的信號子空間。接著，由這些信號子空間估計它們之間的線性轉換矩陣。 (22)計算轉換矩陣估計的特征值分解，由特征值獲得中心俯仰角的估計。 (23)從圓柱陣的樣本協(xié)方差矩陣中提取出單個圓陣的樣本協(xié)方差矩陣，計算其特征值分解，獲得噪聲子空間。接著，利用噪聲子空間與陣列流形之間的正交性獲得中心方位角的估計。然后，計算噪聲子空間對應的特征值的平均，獲得噪聲功率的估計。 (24)利用單個圓陣的樣本協(xié)方差矩陣、二維中心波達角估計和噪聲功率估計，獲得二維角度擴展的估計。
【文檔編號】H04W64/00GK104023395SQ201410279745
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月20日 優(yōu)先權日:2014年6月20日
【發(fā)明者】呂鐵軍, 胡安中 申請人:北京郵電大學