[发明专利]一种基于压缩感知的多用户时变毫米波信道估计方法

摘要

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于压缩感知的多用户时变毫米波信道估计方法。本发明提出了一种在时变毫米波信道中利用信道的稀疏特性采用压缩感知降低导频开销来进行多用户信道估计的方法，利用毫米波信道的稀疏特性，采用压缩感知的方法是原本欠定的方程变得可解，大大减小了导频的开销。在整个过程中，不同用户采用不同的编码方式，使得在基站端可以进行多用户的区分。同时，利用对不同用户的测量矩阵分别采用块稀疏的方式，保留了时变信道动态变化的信息，有效提高了用户在角度估计和增益估计过程中的精确度。

主权项

1.一种基于压缩感知的多用户时变毫米波信道估计方法，定义基站端有N_R根天线，个射频链，其中用来支持N_UE个用户之间的通信，每个用户有N_T根天线和个射频链，其中令基站与第k个用户之间存在L_k个多径分量，则在第m个时刻，第k个用户的信道矩阵H_k[m]为：/n /n其中，A^H表示矩阵A的共轭转置，表示第k个用户第l条径的复信道增益，表示第k个用户第l条径的多普勒频移，T_s代表系统的采样间隔，表示第k个用户第l条径对应的AOA，表示第k个用户第l条径对应的AOA，表示第k个用户第l条径AOA对应的导向矢量，表示第k个用户第l条径AOD对应的导向矢量；/n其特征在于，所述方法包括以下步骤：/nS1、定义第k个用户在第m时刻发送信号的形式为：/n /n每个用户采用不同的预编码，其中为第k个用户在m时刻的射频预编码，为第k个用户在m时刻的基带预编码，为第k个用户在m时刻发送的数据符号；每个用户端预编码的总功率被归一化为/nS2、接收端的处理，具体如下：/nS21、令m时刻接收端的组合编码为：/n /n其中，为基站端射频组合编码，为基站端基带组合编码；基站端在m是可接收的信号经过组合编码处理后的形式为：/n /n其中，n_m为信道中混入的高斯白噪声；/nS22、利用稀疏多径信道的几何模型进行稀疏建模，将与信道关联的接收信号的估计问题表示成稀疏信号的恢复问题，定义用户端和基站端的字典矩阵分别为：/n /n /n /nG_T和G_R分别为AOD和AOA的量化格点数，和分别属于AOD和AOA的角度量化集其中φ_min＝0，φ_max＝π，θ_min＝0，θ_max＝π，属于AOA的角度量化集，将y_m变换为：/n /n其中，为第k个用户格点化后的信道矩阵，/nS3、对AOAs/AODs进行估计，具体操作如下：/nS31、估计阶段对y_m进行列向量操作为：/n /n其中Ψ_mk表示m时刻用户k的测量矩阵，1≤k≤N_UE，V_m＝(W_m)^Hn_m；/nS32、在整个信号发送阶段，接收端收到的信号表示为/n /n其中定义一个排列矩阵来分离不同用户的测量矩阵，其中1≤i≤N_UE，其中为单位矩阵I_N的第n列；由此接收端收到的信号改写为：/n /n由于是联合稀疏的，它们中非零元的个数和位置分布都是一致的，定义一个置换矩阵其中可得/n /n其中，为第k个用户进行块稀疏之后所对应的测量矩阵，并令残差r＝Y，最大内积值的初始值β＝0，空矩阵Ω＝φ，误差门限为ε；/nS33、计算出残差r和矩阵Φ每一个子矩阵Φ_g(1≤g≤N_UEG_TG_R)的内积，并从中搜索出最大内积对应的子矩阵所对应的下标，即要求计算出的用户k是之前没进行过角度估计的新用户然后取出第k个用户在测量矩阵Φ中对应的子矩阵并令/nS34、计算出残差r和矩阵Φ_k每一个子矩阵Φ_g(1≤g≤G_TG_R)的内积，并从中搜索出最大内积对应的子矩阵所对应的下标，即并计算出本次迭代所对应的AOA和AOD分别为：和令上一次最大内积的标记值为β′＝β，然后计算此次迭代过程中内积的最大值为如果|β′-β|<ε则执行S4，否则进入步骤S35；/nS35、依照下式分别计算出在第i+1次迭代过程中的/n /n /n /n /n其中η为步长，然后取并更新AOD和AOA的角度量化集Γ_T和Γ_R，更新其中然后重新计算并根据公式1更新Φ_k，其中A^*表示矩阵A的共轭；/nS36、循环执行步骤S34、S35四次，然后退出循环；/nS37、更新并更新残差其中表示矩阵A的伪逆，如果此时还有未被估计的用户，则返回执行步骤S33，否则执行下一步；/nS4、增益估计阶段，具体如下：/nS41、基站将N_UE个用户对应的AOAs/AODs分别反馈给各个用户，每个用户在发送端分别对准自己的AOD，即P_k＝a_T(φ_k)，φ_k为估计出的第k个用户LOS径的AOD，基站端在接收信号时，会同时对准所有用户的AOA，即θ_k为估计出的第k个用户LOS径的AOA，令M_p＝1，由此在m时刻，y_m以重写为以下形式：/n /n其中，和中包含了和所估计出的AOAs/AODs相对应的控制矢量，代表khatri-Rao积，其中β_m,k为第k个用户在m时刻LOS径所对应的信道增益，根据公式1得到：/n /nS42、采用S41中的方法，得到/nS43、对增益进行线性拟合，即第k个用户在第m′时刻的LOS径增益为：/n /nS5、根据估计的AOAs/AODs和LOS径的径增益重新恢复出信道矩阵：/n /n