[发明专利]三维大规模天线系统基于导频的波达波离角联合估计方法

权利要求书

1.一种三维大规模天线系统下基于导频的波达角与波离角的联合估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，移动端在每根发射天线源源不断地发送已知的导频符号S，基站端获得接收信号Y并记录不同路径的信号衰落损耗大小排序，根据最小二乘估计算法H＝Y(S^HS)^-1S^H，估计整个系统的等效信道增益H；

步骤2，基站端对等效信道增益H进行奇异值分解得到奇异值λ₁,λ₂,...,λ_P和奇异值矩阵Σ_H＝Diag{λ₁,...,λ_P}，且λ₁≥λ₂,...,≥λ_P；

步骤3，根据步骤1中不同路径的信号衰落损耗大小排序序号，在奇异值序列中找到该序号对应的奇异值，即若第l条路径在衰落损耗中排序第q，则选择第q个奇异值λ_q，q∈[1,P],该值即为第l条路径的衰落系数，所有的路径的衰落系数形成信道衰落系数矩阵D；

步骤4，基站端针对每条路径两次运用ESPRIT算法估计均匀平面天线阵列的波达角，即两次分别估计第l条路径的俯仰角θ_r,l和方位角从而获得每条路径的天线阵列响应a_r,l：

其中，u_r,l＝(2πd_r/λ_c)cosθ_r,l，M为水平阵元数目，N为竖直阵元数目，d_r为阵元间距，λ_c为载波波长，l∈[1，P]；

进而根据如下公式得到接收端均匀平面天线阵列的响应A：

A＝[a_r,1,...,a_r,P]；

步骤5，基站端根据等效信道增益H，信道衰落系数D和步骤4得到的A，根据公式H＝ADB^T获得均匀线性阵列响应矩阵B，然后根据如下公式计算得到发射均匀线性天线阵列的波离角θ_t,l：

B＝[a_t,1,...,a_t,P]；

其中，v_t,l＝(2πd_t/λ_c)cosθ_t,l；d_t为天线距离，N_t为发送天线数目。

2.根据权利要求1所述的一种三维大规模天线系统下基于导频的波达角与波离角的联合估计方法，其特征在于：步骤1所述每条路径的信号衰落损耗通过该条路径信号的功率表征。

3.根据权利要求1或2所述的一种三维大规模天线系统下基于导频的波达角与波离角的联合估计方法，其特征在于，步骤4所述的基站端针对每条路径两次运用ESPRIT算法估计均匀平面天线阵列的波达角的过程如下：

1.1对接收信号Y的协方差矩阵进行特征值分解获得信号子空间

U_s；协方差函数为R_r＝E(YY^H)；

1.2对于竖直方向阵列响应a(v_r,l)：

1.2.1根据公式U_s,1＝J'_v,1U_s和U_s,2＝J'_v,2U_s得到信号子空间U_s的两个子空间U_s,1和U_s,2，其中J_v,1＝[I_N-1,0],J_v,2＝[0,I_N-1]；

1.2.2利用最小二乘估计获得旋转矩阵

1.2.3对Ψ_LS进行特征值分解，得到Ψ_LS的特征值λ_l，l∈[1,P]；

根据得到v_r,l；

1.3对于水平方向阵列响应a(u_r,l)：

1.3.1根据公式U_s,1＝J'_u,1U_s和U_s,2＝J'_u,2U_s得到信号子空间U_s的两个子空间U_s,1和U_s,2，其中J_u,1＝[I_M-1,0],J_u,2＝[0,I_M-1]；

1.3.2利用最小二乘估计获得旋转矩阵

1.3.3对Ψ_LS进行特征值分解，得到Ψ_LS的特征值λ_l，l∈[1,P]；

1.3.4根据得到u_r,l；

1.4根据u_r,l＝(2πd_r/λ_c)cosθ_r,l，获得DOA估计，即θ_r,l＝arccos(u_r,lλ_c/2πd_r)，