本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種信道估計(jì)方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

毫米波通信自由路損的急劇增加，早期關(guān)于毫米波通信的研究大多集中于室內(nèi)場(chǎng)景。然而，得益于毫米等級(jí)的波長(zhǎng)，大規(guī)模的毫米波通信系統(tǒng)天線陣列可以密集排列在較小體積的印制電路板上，因此基于大規(guī)模天線陣列的波束成形技術(shù)被廣泛應(yīng)用于實(shí)際的毫米波通信系統(tǒng)以對(duì)抗劇烈的路徑損耗。紐約理工大學(xué)根據(jù)曼哈頓地區(qū)的室外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)指出，結(jié)合波束成形技術(shù)，毫米波通信系統(tǒng)中單個(gè)微基站的覆蓋范圍最高可達(dá)200米，與當(dāng)前微小區(qū)在相同功耗條件下的覆蓋范圍相當(dāng)。然而，在毫米波多天線系統(tǒng)中，高效的混合模擬數(shù)字波束成形設(shè)計(jì)是以準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息(channelstateinformation，csi)為前提的。即若csi未知，則混合波束成形的設(shè)計(jì)需要分兩個(gè)步驟：首先確定模擬域的波束旋轉(zhuǎn)方向，再完成基帶部分的設(shè)計(jì)。相反地，若給定csi，則可通過矩陣分解同時(shí)實(shí)現(xiàn)模擬和基帶部分的波束成形設(shè)計(jì)，使用較少的頻譜資源獲得更高的天線陣列增益。因此，要設(shè)計(jì)新的毫米波無線通信系統(tǒng)，信道估計(jì)是首要解決的問題。然而，僅基于導(dǎo)頻實(shí)現(xiàn)信道估計(jì)需要在傳輸信號(hào)中插入大量的訓(xùn)練符號(hào)，產(chǎn)生大量的導(dǎo)頻訓(xùn)練負(fù)載，嚴(yán)重降低了系統(tǒng)的頻譜效率。基于傳輸信號(hào)的信道估計(jì)能夠有效解決這個(gè)問題，大幅提高系統(tǒng)平鋪效率。而另一方面，由于信號(hào)檢測(cè)性能的好壞將直接影響到信道估計(jì)的精度，甚至整個(gè)多入多出(multiple-inputmultiple-output，mimo)系統(tǒng)性能的好壞，設(shè)計(jì)高性能的mimo信號(hào)檢測(cè)算法已成為mimo通信中一項(xiàng)具有重大意義的關(guān)鍵技術(shù)。

對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行檢索發(fā)現(xiàn)，pejoskislavche等在2015年ieeewirelesscommunicationsletters上發(fā)表的estimationofsparsetimedispersivechannelsinpilotaidedofdmusingatomicnorm(基于原子范數(shù)的導(dǎo)頻輔助正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的稀疏時(shí)間彌散信道估計(jì))和zhangpeng等在2015年的ieeeinternationalconferenceoncommunications上發(fā)表的atomicnormdenoising-basedchannelestimationformassivemultiusermimosystems(基于原子范數(shù)解噪的大規(guī)模多用戶多入多出系統(tǒng)的信道估計(jì))中基于導(dǎo)頻序列，采用一維原子范數(shù)最小化方法分別在[0,2π)和[-π/2,π/2]區(qū)間內(nèi)逼近信道發(fā)射或者接收角度，估計(jì)信道信息矩陣。eunchulyoon在2017年的ieeecommunicationsletters中發(fā)表的maximumlikelihooddetectionwithaclosed-formsolutionforthesquareqamconstellation中基于子集分割等手段簡(jiǎn)化了最大似然檢測(cè)算法，提出檢測(cè)信號(hào)關(guān)于接收信號(hào)和估計(jì)的信道信息的解析表達(dá)式。

上述中，由于毫米波信道模型中收發(fā)天線陣列響應(yīng)與現(xiàn)有方法中單天線陣列響應(yīng)矩陣表示形式的差異，現(xiàn)有基于一維原子范數(shù)最小化的信道估計(jì)方法無法直接擴(kuò)展到同時(shí)具有收發(fā)雙天線陣列響應(yīng)的毫米波信道信息估計(jì)中。而且，上述信道估計(jì)方法都僅限于基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)機(jī)制，會(huì)產(chǎn)生大量的導(dǎo)頻訓(xùn)練負(fù)載，嚴(yán)重降低了系統(tǒng)的頻譜效率。此外，現(xiàn)有的信號(hào)檢測(cè)算法沒有考慮利用實(shí)際無線通信系統(tǒng)中檢測(cè)誤差較小的特性，導(dǎo)致信號(hào)檢測(cè)誤差較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種信道估計(jì)方法及系統(tǒng)，旨在至少在一定程度上解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述技術(shù)問題之一。

為了解決上述問題，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：

一種信道估計(jì)方法，包括以下步驟：

步驟a：給定第0個(gè)時(shí)間塊的導(dǎo)頻序列；

步驟b：在第t個(gè)時(shí)間塊中，基于t-1個(gè)時(shí)間塊的傳輸信號(hào)，采用稀疏信道估計(jì)算法估計(jì)出所述第t個(gè)時(shí)間塊的信道信息；其中，1≤t≤t，t為所述時(shí)間塊總數(shù)；且當(dāng)t＝1時(shí)，所述上一個(gè)時(shí)間塊的傳輸信號(hào)為第0個(gè)時(shí)間塊的導(dǎo)頻序列；

步驟c：基于所述第t個(gè)時(shí)間塊的信道信息，采用最大似然信號(hào)檢測(cè)器檢測(cè)出第t個(gè)時(shí)間塊的傳輸信號(hào)；

步驟d：迭代執(zhí)行步驟b和步驟c，直到完成t個(gè)時(shí)間塊的信道信息估計(jì)和傳輸信號(hào)檢測(cè)。

本發(fā)明實(shí)施例采取的技術(shù)方案還包括：所述步驟a前還包括：將毫米波參數(shù)信道信息模型轉(zhuǎn)換為符合構(gòu)造二維原子范式表達(dá)的形式；所述二維原子范式表示為：

上述公式中，為第t個(gè)時(shí)間塊的信道信息的二維原子范式表示，inf為取下確界操作，表示復(fù)數(shù)域，|·|表示取模操作。

本發(fā)明實(shí)施例采取的技術(shù)方案還包括：在所述步驟b中，所述采用稀疏信道估計(jì)算法估計(jì)出第t個(gè)時(shí)間塊的信道信息具體為：

基于原子范數(shù)最小化的稀疏信道重構(gòu)模型為：

上述公式中，為權(quán)重因子；將上述公式轉(zhuǎn)化為半正定規(guī)劃的標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)形式：

上述公式中，tr(·)表示求矩陣的跡操作，vt,g＝[vt,g(-nt+1),vt,g(-nt+2),...,vt,g(nt-1)]^t，是一個(gè)塊托普利茲矩陣，將上述公式改寫成適用于交替方向乘子法的表達(dá)形式：

將上述公式改寫成增廣拉格朗日的形式：

上述公式中，是對(duì)偶變量，ρ＞0是罰參數(shù)，η∞(·)是指示函數(shù)，當(dāng)括號(hào)中的條件為真時(shí)，取值為0；否則為無窮；通過上述公式對(duì)未知參數(shù)求導(dǎo)。

本發(fā)明實(shí)施例采取的技術(shù)方案還包括：所述步驟d后還包括：采用歸一化均方誤差和誤比特率標(biāo)準(zhǔn)分別對(duì)所述信道信息估計(jì)和傳輸信號(hào)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。

本發(fā)明實(shí)施例采取的技術(shù)方案還包括：所述歸一化均方誤差標(biāo)準(zhǔn)定義為：

上述公式中，||·||f為范數(shù)操作；

所述誤比特率標(biāo)準(zhǔn)定義為：

上述公式中，為取均值操作，||·||0為范數(shù)操作。

本發(fā)明實(shí)施例采取的另一技術(shù)方案為：一種信道估計(jì)系統(tǒng)，包括：

導(dǎo)頻序列設(shè)定模塊：用于給定第0個(gè)時(shí)間塊的導(dǎo)頻序列；

信道信息估計(jì)模塊：用于在第t個(gè)時(shí)間塊中，基于t-1個(gè)時(shí)間塊的傳輸信號(hào)，采用稀疏信道估計(jì)算法估計(jì)出所述第t個(gè)時(shí)間塊的信道信息；其中，1≤t≤t，t為所述時(shí)間塊總數(shù)；且當(dāng)t＝1時(shí)，所述上一個(gè)時(shí)間塊的傳輸信號(hào)為第0個(gè)時(shí)間塊的導(dǎo)頻序列；

傳輸信號(hào)檢測(cè)模塊：用于基于所述第t個(gè)時(shí)間塊的信道信息，采用最大似然信號(hào)檢測(cè)器檢測(cè)出第t個(gè)時(shí)間塊的傳輸信號(hào)；

迭代判斷模塊：用于判斷是否完成t個(gè)時(shí)間塊的信道信息估計(jì)和傳輸信號(hào)檢測(cè)，如果沒有完成t個(gè)時(shí)間塊的信道信息估計(jì)和傳輸信號(hào)檢測(cè)，通過所述信道信息估計(jì)模塊和傳輸信號(hào)檢測(cè)模塊進(jìn)行迭代，直到完成t個(gè)時(shí)間塊的信道信息估計(jì)和傳輸信號(hào)檢測(cè)。

本發(fā)明實(shí)施例采取的技術(shù)方案還包括模型轉(zhuǎn)換模塊，所述模型轉(zhuǎn)換模塊用于將毫米波參數(shù)信道信息模型轉(zhuǎn)換為符合構(gòu)造二維原子范式表達(dá)的形式；所述二維原子范式表示為：

上述公式中，為第t個(gè)時(shí)間塊的信道信息的二維原子范式表示，inf為取下確界操作，表示復(fù)數(shù)域，|·|表示取模操作。

本發(fā)明實(shí)施例采取的技術(shù)方案還包括：所述信道信息估計(jì)模塊采用稀疏信道估計(jì)算法估計(jì)出第t個(gè)時(shí)間塊的信道信息具體為：

基于原子范數(shù)最小化的稀疏信道重構(gòu)模型為：

上述公式中，為權(quán)重因子；將上述公式轉(zhuǎn)化為半正定規(guī)劃的標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)形式：

上述公式中，tr(·)表示求矩陣的跡操作，vt,g＝[vt,g(-nt+1),vt,g(-nt+2),...,vt,g(nt-1)]^t，是一個(gè)塊托普利茲矩陣，將上述公式改寫成適用于交替方向乘子法的表達(dá)形式：

將上述公式改寫成增廣拉格朗日的形式：

上述公式中，是對(duì)偶變量，ρ＞0是罰參數(shù)，η∞(·)是指示函數(shù)，當(dāng)括號(hào)中的條件為真時(shí)，取值為0；否則為無窮；通過上述公式對(duì)未知參數(shù)求導(dǎo)。

本發(fā)明實(shí)施例采取的技術(shù)方案還包括性能評(píng)價(jià)模塊，所述性能評(píng)價(jià)模塊用于采用歸一化均方誤差和誤比特率標(biāo)準(zhǔn)分別對(duì)所述信道信息估計(jì)和傳輸信號(hào)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。

本發(fā)明實(shí)施例采取的技術(shù)方案還包括：所述歸一化均方誤差標(biāo)準(zhǔn)定義為：

上述公式中，||·||f為范數(shù)操作；

所述誤比特率標(biāo)準(zhǔn)定義為：

上述公式中，為取均值操作，||·||0為范數(shù)操作。

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明實(shí)施例產(chǎn)生的有益效果在于：本發(fā)明實(shí)施例的信道估計(jì)方法及系統(tǒng)通過在第0個(gè)時(shí)間塊給定接收機(jī)已知的導(dǎo)頻序列,第一個(gè)時(shí)間塊中，基于給定的導(dǎo)頻序列，采用稀疏信道估計(jì)算法估計(jì)出第一個(gè)時(shí)間塊的信道信息，并依據(jù)第一個(gè)時(shí)間塊的信道信息，采用具有解碼誤差補(bǔ)償功能的最大似然信號(hào)檢測(cè)器檢測(cè)出第一個(gè)時(shí)間塊的傳輸信號(hào)，在后續(xù)所有時(shí)間塊內(nèi)，接收機(jī)基于上一個(gè)時(shí)間塊的傳輸信號(hào)，依次交替執(zhí)行聯(lián)合信道信息估計(jì)和傳輸信號(hào)檢測(cè)策略，直到完成所有時(shí)間塊的信道信息估計(jì)和傳輸信號(hào)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)低復(fù)雜度的在線迭代快速算法，提高了算法的實(shí)時(shí)性，增強(qiáng)了算法工程實(shí)現(xiàn)的可能性。同時(shí)，為保證信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性，本發(fā)明引入解碼誤差補(bǔ)償機(jī)制，改善系統(tǒng)信道解碼誤差性能表現(xiàn)，繼而大幅提高了信道估計(jì)算法的精確度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的信道估計(jì)方法的流程圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的信道估計(jì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3(a)至圖3(d)是本發(fā)明實(shí)施例的仿真結(jié)果對(duì)比示意圖。

具體實(shí)施方式

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)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明實(shí)施例的信道估計(jì)方法及系統(tǒng)提供了一種高精度和低誤碼率的聯(lián)合信道估計(jì)和信號(hào)檢測(cè)的快速實(shí)現(xiàn)方法。在第0個(gè)時(shí)間塊給定接收機(jī)已知的導(dǎo)頻序列。在后續(xù)所有時(shí)間塊內(nèi)，接收機(jī)依次交替執(zhí)行聯(lián)合信道估計(jì)和信號(hào)檢測(cè)策略：首先，基于已知的導(dǎo)頻序列，采用稀疏信道估計(jì)算法估計(jì)出第一個(gè)時(shí)間塊的信道信息；然后，依據(jù)第一個(gè)時(shí)間塊的信道信息，采用具有解碼誤差補(bǔ)償功能的最大似然信號(hào)檢測(cè)器檢測(cè)出第一個(gè)時(shí)間塊的傳輸信號(hào)；在后續(xù)所有時(shí)間塊內(nèi)，接收機(jī)基于上一個(gè)時(shí)間塊的傳輸信號(hào)，依次交替執(zhí)行聯(lián)合信道信息估計(jì)和傳輸信號(hào)檢測(cè)策略，直到完成所有時(shí)間塊的信道信息估計(jì)和傳輸信號(hào)檢測(cè)。

具體地，請(qǐng)參閱圖1，是本發(fā)明實(shí)施例的信道估計(jì)方法的流程圖。本發(fā)明實(shí)施例的信道估計(jì)方法包括以下步驟：

步驟100：將毫米波參數(shù)信道信息模型轉(zhuǎn)換為符合構(gòu)造二維原子范式表達(dá)的形式

在步驟100中，毫米波多輸入多輸出系統(tǒng)的信號(hào)傳輸過程如下：

第t個(gè)時(shí)間塊中的第k個(gè)時(shí)隙，發(fā)射端發(fā)射傳輸信號(hào)xt,k，則接收端接收到的信號(hào)為：

yt,k＝wt^hhtftxt,k+wt^hnt,k(1)

公式(1)中，yt,k為第t個(gè)時(shí)間塊中的第k個(gè)時(shí)隙接收的傳輸信號(hào)，ht為第t個(gè)時(shí)間塊的信道信息，ft和wt分別表示發(fā)射端的預(yù)編碼矩陣和接收端的測(cè)量矩陣，nt,k是第t個(gè)時(shí)間塊中第k個(gè)時(shí)隙接收端的加性白高斯噪聲且其中，表示nr維的列向量。

假設(shè)接收機(jī)在第t個(gè)時(shí)間塊中的第k個(gè)時(shí)隙保持ft和wt不變，則拼接的第一傳輸信號(hào)矩陣yt為：

yt＝wt^hhtftxt+qt(2)

公式(2)中，xt＝[xt,1,...,xt,k]表示第t個(gè)時(shí)間塊中的第k個(gè)時(shí)隙拼接的發(fā)射信號(hào)，qt＝[wt^hnt,1,wt^hnt,2,...,wt^hnt,k]是第t個(gè)時(shí)間塊中接收端的噪聲矩陣。

然后，將yt按列拉伸為列向量形式為：

公式(3)中，vec(·)表示矩陣的按列拉伸成列向量運(yùn)算，和分別表示信道信息矩陣ht和噪聲矩陣qt按列拉伸后形成的列向量，表示克羅內(nèi)克積。

毫米波參數(shù)信道信息模型為:

公式(4)中，lt表示第t個(gè)時(shí)間塊中的路徑數(shù)，αt,l是第t個(gè)時(shí)間塊中第l條路徑的增益，和分別表示第t個(gè)時(shí)間塊中第l條路徑的nt個(gè)發(fā)射天線陣元和nr個(gè)接收天線陣元的均勻線性天線陣列響應(yīng)，其中，

公式(5)和(6)中，和分別為第t個(gè)時(shí)間塊中第l條路徑的離開角和到達(dá)角，nt和nr分別表示發(fā)射機(jī)和接收機(jī)上的天線陣元數(shù)，λ表示毫米波的波長(zhǎng)，d表示相鄰天線陣元間距。

進(jìn)一步將公式(4)轉(zhuǎn)化成緊湊的矩陣形式：

公式(7)中，是lt條路徑的增益向量，ht,j表示矩陣ht的第j列，j＝1,...,nt。收發(fā)天線陣列響應(yīng)矩陣定義為：

任何求解模型與本發(fā)明實(shí)施例中的公式(4)形式等同，例如：yt,k＝wt^hhtxt,k+wt^hnt,k或yt,k＝htxt,k+nt,k，且求解稀疏信號(hào)的參數(shù)在連續(xù)域取值，則視為同本發(fā)明方法為同一類問題。

步驟100中，信道信息的二維原子范式由以下過程推導(dǎo)而得：

將信道信息矩陣ht進(jìn)行按列拉伸運(yùn)算，得到信道信息的列向量表達(dá)形式

公式(10)中，為一個(gè)二維復(fù)正弦原子，且滿足的限制，⊙表示khatri-rao積。

定義是第l條路徑歸一化的二維復(fù)正弦原子的集合。至此，可得信道信息的二維原子范式表示為：

公式(11)中，為第t個(gè)時(shí)間塊的信道信息的二維原子范式表示，inf為取下確界操作，表示復(fù)數(shù)域，|·|表示取模操作。

步驟200：假設(shè)總共有t個(gè)時(shí)間塊，給定第0個(gè)時(shí)間塊中k個(gè)時(shí)隙的導(dǎo)頻序列

在步驟200中，第0個(gè)時(shí)間塊中k個(gè)時(shí)隙的導(dǎo)頻序列可根據(jù)不同的導(dǎo)頻設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，在本發(fā)明實(shí)施例中，將導(dǎo)頻序列設(shè)計(jì)為每列僅一個(gè)元素為1，其余元素皆為0。

步驟300：在第t(1≤t≤t)個(gè)時(shí)間塊的k個(gè)時(shí)隙中，基于上一個(gè)時(shí)間塊的傳輸信號(hào)采用稀疏信道估計(jì)算法估計(jì)出當(dāng)前時(shí)間塊的信道信息

在步驟300中，當(dāng)t＝1時(shí)，上一個(gè)時(shí)間塊的傳輸信號(hào)為步驟200中給定的導(dǎo)頻序列當(dāng)?shù)?≤t≤t時(shí)，上一個(gè)時(shí)間塊的傳輸信號(hào)為步驟400中檢測(cè)出的當(dāng)前時(shí)間塊的傳輸信號(hào)

采用稀疏信道估計(jì)算法估計(jì)出當(dāng)前時(shí)間塊的信道信息具體包括：

基于原子范數(shù)最小化的稀疏信道重構(gòu)模型為：

公式(12)中，為權(quán)重因子。為便于計(jì)算，本發(fā)明實(shí)施例將公式(12)轉(zhuǎn)化為半正定規(guī)劃的標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)形式：

公式(13)中，tr(·)表示求矩陣的跡操作，vt,g＝[vt,g(-nt+1),vt,g(-nt+2),...,vt,g(nt-1)]^t，是一個(gè)塊托普利茲矩陣，進(jìn)一步定義為：

公式(14)中，toep(·)表示托普利茲矩陣，且第一列為輸入向量，具體定義為：

針對(duì)大規(guī)模天線陣列配置場(chǎng)景，現(xiàn)有求解半正定規(guī)劃的工具sedumi和sdpt3的運(yùn)算速度過慢，不能滿足實(shí)際無線通信應(yīng)用的需求。因此，本發(fā)明實(shí)施例給出一種基于交替方向乘子法的快速稀疏信道估計(jì)策略：

首先，將公式(13)改寫成以下表達(dá)形式以適用于交替方向乘子法：

將公式(16)改寫成增廣拉格朗日的形式：

公式(17)中，是對(duì)偶變量，ρ＞0是罰參數(shù)，η∞(·)是指示函數(shù)，當(dāng)括號(hào)中的條件為真時(shí)，取值為0；否則為無窮。然后，交替方向乘子法包含以下的更新步驟：

為進(jìn)一步解釋公式(18)和(19)，本發(fā)明實(shí)施例引入如下的分割：

公式(21)和(22)中，和是nrnt×nrnt矩陣，和是nrnt維的列向量，和是常量。令以及正交補(bǔ)矩陣滿足令公式(17)分別對(duì)各個(gè)未知參數(shù)求導(dǎo)，可得各未知參數(shù)的更新方法：

公式(26)中，i1＝[1,0,0,...,0]^t，表示的伴隨矩陣。令其中以及cg＝[cg(-nt+1),...,cg(nt-1)]^t。具體地，

公式(27)中，輸出矩陣的第(g,j)個(gè)nt×nt的子矩陣a(g,j)，g＝-nr+1,...,nr-1，j＝-nt+1,...,nt-1。

而ψt^l的更新應(yīng)依據(jù)以下半正定核的投影：

可以通過將矩陣進(jìn)行特征值分解并將負(fù)的特征值置為0實(shí)現(xiàn)矩陣向半正定核的投影。

經(jīng)過按列拉伸的逆運(yùn)算即可由得到當(dāng)前時(shí)間塊的信道信息估計(jì)矩陣

步驟400：在第t(1≤t≤t)個(gè)時(shí)間塊中的k個(gè)時(shí)隙中，基于當(dāng)前時(shí)間塊的信道信息采用具有解碼誤差補(bǔ)償功能的最大似然信號(hào)檢測(cè)器，檢測(cè)出當(dāng)前時(shí)間塊的傳輸信號(hào)

在步驟400中，第t(1≤t≤t)個(gè)時(shí)間塊中，定義的最大似然信號(hào)檢測(cè)器為：

公式(29)中，表示檢測(cè)的第t個(gè)時(shí)間塊的傳輸信號(hào)xt,k，d為xt,k可能的碼本集合，為第t個(gè)時(shí)間塊估計(jì)的信道信息。

第t個(gè)時(shí)間塊中(1≤t≤t)，具有解碼誤差補(bǔ)償功能的最大似然信號(hào)檢測(cè)器由以下過程推導(dǎo)而得：

考慮采用公式(29)所述的最大似然信號(hào)檢測(cè)器檢測(cè)的信號(hào)存在誤差，定義et,k為：

則接收端拼接的第二傳輸信號(hào)矩陣yt可重新定義為：

公式(31)中，表示通過拼接k個(gè)時(shí)隙的傳輸信號(hào)得到的第t個(gè)時(shí)間塊的傳輸信號(hào)，et＝[et,1,...,et,k]表示拼接的第t個(gè)時(shí)間塊的解碼誤差矩陣。

因?yàn)閷?shí)用通信系統(tǒng)需達(dá)到較高的信號(hào)檢測(cè)精度，所以可以認(rèn)為信號(hào)檢測(cè)誤差是稀疏的，本發(fā)明實(shí)施例中采用l1范數(shù)對(duì)信號(hào)檢測(cè)誤差進(jìn)行稀疏重建。至此，得到具有解碼誤差補(bǔ)償功能的最大似然信號(hào)檢測(cè)器：

公式(32)中，表示更新的傳輸信號(hào)表示估計(jì)的數(shù)據(jù)信號(hào)檢測(cè)誤差et,k，為權(quán)重因子，||·||1為范數(shù)操作。拼接k個(gè)時(shí)隙獲得的傳輸信號(hào)和估計(jì)的數(shù)據(jù)信號(hào)檢測(cè)誤差即可得到第t個(gè)時(shí)間塊拼接的傳輸信號(hào)矩陣和拼接的估計(jì)解碼誤差矩陣

基于上述，任何現(xiàn)有的最大似然信號(hào)檢測(cè)的替代算法與本發(fā)明實(shí)施例中的檢測(cè)誤差補(bǔ)償機(jī)制的直接加性組合皆視為本發(fā)明實(shí)施例的替代方案。

步驟500：判斷是否完成所有時(shí)間塊的信道信息估計(jì)和傳輸信號(hào)檢測(cè)，如果沒有完成所有時(shí)間塊的信道信息估計(jì)和傳輸信號(hào)檢測(cè)，交替執(zhí)行步驟300和步驟400，直到完成所有時(shí)間塊的信道信息估計(jì)和傳輸信號(hào)檢測(cè)；如果完成所有時(shí)間塊的信道信息估計(jì)和傳輸信號(hào)檢測(cè)，執(zhí)行步驟600；

在步驟500中，步驟300和步驟400交替執(zhí)行，直到估計(jì)完t個(gè)時(shí)間塊的信道信息估計(jì)和傳輸信號(hào)檢測(cè)，并分別記作和

步驟600：采用歸一化的均方誤差(normalizedmeansquareerror，nmse)和誤比特率(biterrorratio，ber)標(biāo)準(zhǔn)分別對(duì)信道信息估計(jì)和傳輸信號(hào)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。

在步驟600中，采用的nmse評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)定義為：

公式(33)中，||·||f為范數(shù)操作。

采用的ber標(biāo)準(zhǔn)定義為：

公式(34)中，為取均值操作，||·||0為范數(shù)操作。

請(qǐng)參閱圖2，是本發(fā)明實(shí)施例的信道估計(jì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明實(shí)施例的信道估計(jì)系統(tǒng)包括模型轉(zhuǎn)換模塊、導(dǎo)頻序列設(shè)定模塊、信道信息估計(jì)模塊、傳輸信號(hào)檢測(cè)模塊、迭代判斷模塊和性能評(píng)價(jià)模塊。具體地：

模型轉(zhuǎn)換模塊：用于將毫米波參數(shù)信道信息模型轉(zhuǎn)換為符合構(gòu)造二維原子范式表達(dá)的形式

其中，毫米波多輸入多輸出系統(tǒng)的信號(hào)傳輸過程如下：

第t個(gè)時(shí)間塊中的第k個(gè)時(shí)隙，發(fā)射端發(fā)射傳輸信號(hào)xt,k，則接收端接收到的信號(hào)為：

yt,k＝wt^hhtftxt,k+wt^hnt,k(1)

公式(1)中，yt,k為第t個(gè)時(shí)間塊中的第k個(gè)時(shí)隙接收的傳輸信號(hào)，ht為第t個(gè)時(shí)間塊的信道信息，ft和wt分別表示發(fā)射端的預(yù)編碼矩陣和接收端的測(cè)量矩陣，nt,k是第t個(gè)時(shí)間塊中第k個(gè)時(shí)隙接收端的加性白高斯噪聲且其中，表示nr維的列向量。

假設(shè)接收機(jī)在第t個(gè)時(shí)間塊中的第k個(gè)時(shí)隙保持ft和wt不變，則拼接的第一傳輸信號(hào)矩陣yt為：

yt＝wt^hhtftxt+qt(2)

公式(2)中，xt＝[xt,1,...,xt,k]表示第t個(gè)時(shí)間塊中的第k個(gè)時(shí)隙拼接的發(fā)射信號(hào)，qt＝[wt^hnt,1,wt^hnt,2,...,wt^hnt,k]是第t個(gè)時(shí)間塊中接收端的噪聲矩陣。

然后，將yt按列拉伸為列向量形式為：

公式(3)中，vec(·)表示矩陣的按列拉伸成列向量運(yùn)算，和分別表示信道信息矩陣ht和噪聲矩陣qt按列拉伸后形成的列向量，表示克羅內(nèi)克積。

毫米波參數(shù)信道信息模型為:

公式(4)中，lt表示第t個(gè)時(shí)間塊中的路徑數(shù)，αt,l是第t個(gè)時(shí)間塊中第l條路徑的增益，和分別表示第t個(gè)時(shí)間塊中第l條路徑的nt個(gè)發(fā)射天線陣元和nr個(gè)接收天線陣元的均勻線性天線陣列響應(yīng)，其中，

公式(5)和(6)中，和分別為第t個(gè)時(shí)間塊中第l條路徑的離開角和到達(dá)角，nt和nr分別表示發(fā)射機(jī)和接收機(jī)上的天線陣元數(shù)，λ表示毫米波的波長(zhǎng)，d表示相鄰天線陣元間距。

進(jìn)一步將公式(4)轉(zhuǎn)化成緊湊的矩陣形式：

公式(7)中，是lt條路徑的增益向量，ht,j表示矩陣ht的第j列，j＝1,...,nt。收發(fā)天線陣列響應(yīng)矩陣定義為：

任何求解模型與本發(fā)明實(shí)施例中的公式(4)形式等同，例如：yt,k＝wt^hhtxt,k+wt^hnt,k或yt,k＝htxt,k+nt,k，且求解稀疏信號(hào)的參數(shù)在連續(xù)域取值，則視為同本發(fā)明方法為同一類問題。

信道信息的二維原子范式由以下過程推導(dǎo)而得：

將信道信息矩陣ht進(jìn)行按列拉伸運(yùn)算，得到信道信息的列向量表達(dá)形式

公式(10)中，為一個(gè)二維復(fù)正弦原子，且滿足的限制，⊙表示khatri-rao積。

定義是第l條路徑歸一化的二維復(fù)正弦原子的集合。至此，可得信道信息的二維原子范式表示為：

公式(11)中，為第t個(gè)時(shí)間塊的信道信息的二維原子范式表示，inf為取下確界操作，表示復(fù)數(shù)域，|·|表示取模操作。

導(dǎo)頻序列設(shè)定模塊：假設(shè)總共t個(gè)時(shí)間塊，用于給定第0個(gè)時(shí)間塊中k個(gè)時(shí)隙的導(dǎo)頻序列其中，第0個(gè)時(shí)間塊中k個(gè)時(shí)隙的導(dǎo)頻序列可根據(jù)不同的導(dǎo)頻設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，在本發(fā)明實(shí)施例中，將導(dǎo)頻序列設(shè)計(jì)為每列僅一個(gè)元素為1，其余元素皆為0。

信道信息估計(jì)模塊：用于在第t(1≤t≤t)個(gè)時(shí)間塊的k個(gè)時(shí)隙中，基于上一個(gè)時(shí)間塊的傳輸信號(hào)采用稀疏信道估計(jì)算法估計(jì)出當(dāng)前時(shí)間塊的信道信息其中，當(dāng)t＝1時(shí)，上一個(gè)時(shí)間塊的傳輸信號(hào)為給定的第0個(gè)時(shí)間塊中k個(gè)時(shí)隙的導(dǎo)頻序列當(dāng)?shù)?≤t≤t時(shí)，上一個(gè)時(shí)間塊的傳輸信號(hào)為傳輸信號(hào)檢測(cè)模塊檢測(cè)出的當(dāng)前時(shí)間塊的傳輸信號(hào)

基于原子范數(shù)最小化的稀疏信道重構(gòu)模型為：

公式(12)中，為權(quán)重因子。為便于計(jì)算，本發(fā)明實(shí)施例將公式(12)轉(zhuǎn)化為半正定規(guī)劃的標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)形式：

公式(13)中，tr(·)表示求矩陣的跡操作，vt,g＝[vt,g(-nt+1),vt,g(-nt+2),...,vt,g(nt-1)]^t，是一個(gè)塊托普利茲矩陣，進(jìn)一步定義為：

公式(14)中，toep(·)表示托普利茲矩陣，且第一列為輸入向量，具體定義為：

針對(duì)大規(guī)模天線陣列配置場(chǎng)景，現(xiàn)有求解半正定規(guī)劃的工具sedumi和sdpt3的運(yùn)算速度過慢，不能滿足實(shí)際無線通信應(yīng)用的需求。因此，本發(fā)明實(shí)施例給出一種基于交替方向乘子法的快速稀疏信道估計(jì)策略：

首先，將公式(13)改寫成以下表達(dá)形式以適用于交替方向乘子法：

將公式(16)改寫成增廣拉格朗日的形式：

公式(17)中，是對(duì)偶變量，ρ＞0是罰參數(shù)，η∞(·)是指示函數(shù)，當(dāng)括號(hào)中的條件為真時(shí)，取值為0；否則為無窮。然后，交替方向乘子法包含以下的更新步驟：

為進(jìn)一步解釋公式(18)和(19)，本發(fā)明實(shí)施例引入如下的分割：

公式(21)和(22)中，和是nrnt×nrnt矩陣，和是nrnt維的列向量，和是常量。令以及正交補(bǔ)矩陣滿足令公式(17)分別對(duì)各個(gè)未知參數(shù)求導(dǎo)，可得各未知參數(shù)的更新方法：

公式(26)中，i1＝[1,0,0,...,0]^t，表示的伴隨矩陣。令其中以及cg＝[cg(-nt+1),...,cg(nt-1)]^t。具體地，

公式(27)中，輸出矩陣的第(g,j)個(gè)nt×nt的子矩陣a(g,j)，g＝-nr+1,...,nr-1，j＝-nt+1,...,nt-1。

而ψt^l的更新應(yīng)依據(jù)以下半正定核的投影：

可以通過將矩陣進(jìn)行特征值分解并將負(fù)的特征值置為0實(shí)現(xiàn)矩陣向半正定核的投影。

經(jīng)過按列拉伸的逆運(yùn)算即可由得到當(dāng)前時(shí)間塊的信道信息估計(jì)矩陣

傳輸信號(hào)檢測(cè)模塊：用于在第t(1≤t≤t)個(gè)時(shí)間塊中的k個(gè)時(shí)隙，基于當(dāng)前時(shí)間塊中的信道信息采用具有解碼誤差補(bǔ)償功能的最大似然信號(hào)檢測(cè)器，檢測(cè)出當(dāng)前時(shí)間塊的傳輸信號(hào)其中，第t個(gè)時(shí)間塊中(1≤t≤t)，定義的最大似然信號(hào)檢測(cè)器為：

公式(29)中，表示檢測(cè)的第t個(gè)時(shí)間塊的傳輸信號(hào)xt,k，d為xt,k可能的碼本集合，為第t個(gè)時(shí)間塊估計(jì)的信道信息。

第t個(gè)時(shí)間塊中(1≤t≤t)，具有解碼誤差補(bǔ)償功能的最大似然信號(hào)檢測(cè)器由以下過程推導(dǎo)而得：

考慮采用公式(29)所述的最大似然信號(hào)檢測(cè)器檢測(cè)的信號(hào)存在誤差，定義et,k為：

則接收端拼接的第二傳輸信號(hào)矩陣yt可重新定義為：

公式(31)中，表示通過拼接k個(gè)時(shí)隙的傳輸信號(hào)得到的第t個(gè)時(shí)間塊的傳輸信號(hào)，et＝[et,1,...,et,k]表示拼接的第t個(gè)時(shí)間塊的解碼誤差矩陣。

因?yàn)閷?shí)用通信系統(tǒng)需達(dá)到較高的信號(hào)檢測(cè)精度，所以可以認(rèn)為信號(hào)檢測(cè)誤差是稀疏的，本發(fā)明實(shí)施例中采用范數(shù)對(duì)信號(hào)檢測(cè)誤差進(jìn)行稀疏重建。至此，得到具有解碼誤差補(bǔ)償功能的最大似然信號(hào)檢測(cè)器：

公式(32)中，表示更新的傳輸信號(hào)表示估計(jì)的數(shù)據(jù)信號(hào)檢測(cè)誤差et,k，為權(quán)重因子，·||1為范數(shù)操作。拼接k個(gè)時(shí)隙獲得的傳輸信號(hào)和估計(jì)誤差即可得第t個(gè)時(shí)間塊拼接的傳輸信號(hào)矩陣和拼接的估計(jì)解碼誤差矩陣

基于上述，任何現(xiàn)有的最大似然信號(hào)檢測(cè)的替代算法與本發(fā)明實(shí)施例中的檢測(cè)誤差補(bǔ)償機(jī)制的直接加性組合皆視為本發(fā)明實(shí)施例的替代方案。

迭代判斷模塊：用于判斷是否完成所有時(shí)間塊的信道信息估計(jì)和傳輸信號(hào)檢測(cè)，如果沒有完成所有時(shí)間塊的信道信息估計(jì)和傳輸信號(hào)檢測(cè)，通過信道信息估計(jì)模塊和傳輸信號(hào)檢測(cè)模塊交替估計(jì)下一個(gè)時(shí)間塊的信道信息和傳輸信號(hào)，直到完成所有時(shí)間塊的信道信息估計(jì)和傳輸信號(hào)檢測(cè)，并分別記作：和如果完成所有時(shí)間塊的信道信息估計(jì)和傳輸信號(hào)檢測(cè)，通過性能評(píng)價(jià)模塊對(duì)信道信息估計(jì)和傳輸信號(hào)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。

性能評(píng)價(jià)模塊：用于采用歸一化的均方誤差(normalizedmeansquareerror，nmse)和誤比特率(biterrorratio，ber)標(biāo)準(zhǔn)分別對(duì)信道信息估計(jì)和傳輸信號(hào)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。其中，采用的nmse評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)定義為：

公式(33)中，||·||f為范數(shù)操作。

采用的ber標(biāo)準(zhǔn)定義為：

公式(34)中，為取均值操作，||·||0為范數(shù)操作。

請(qǐng)參閱圖3(a)至圖3(d)，為本發(fā)明實(shí)施例的仿真結(jié)果對(duì)比示意圖。經(jīng)在matlab平臺(tái)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，在仿真中，假設(shè)t個(gè)時(shí)間塊的路徑條數(shù)相同，即lt＝l，從仿真結(jié)果可以得出結(jié)論，一方面，本發(fā)明實(shí)施例中的解碼誤差補(bǔ)償功能能夠有效地降低ber，隨著snr(信噪比)的增長(zhǎng)，ber減小的越明顯。另一方面，本發(fā)明實(shí)施例中的nmse隨著信噪比的增加而減小，隨著路徑數(shù)增加而增長(zhǎng)，隨著觀察次數(shù)(即每個(gè)時(shí)間塊中用于信道估計(jì)的時(shí)隙數(shù))的增加而減小。相較于現(xiàn)有相關(guān)算法，本發(fā)明實(shí)施例表現(xiàn)出nmse性能的優(yōu)越性。

本發(fā)明實(shí)施例的信道估計(jì)方法及系統(tǒng)通過在第0個(gè)時(shí)間塊給定接收機(jī)已知的導(dǎo)頻序列,第一個(gè)時(shí)間塊中，基于給定的導(dǎo)頻序列，采用稀疏信道估計(jì)算法估計(jì)出第一個(gè)時(shí)間塊的信道信息，并依據(jù)第一個(gè)時(shí)間塊的信道信息，采用具有解碼誤差補(bǔ)償功能的最大似然信號(hào)檢測(cè)器檢測(cè)出第一個(gè)時(shí)間塊的傳輸信號(hào)，在后續(xù)所有時(shí)間塊內(nèi)，接收機(jī)基于上一個(gè)時(shí)間塊的傳輸信號(hào)，依次交替執(zhí)行聯(lián)合信道信息估計(jì)和傳輸信號(hào)檢測(cè)策略，直到完成所有時(shí)間塊的信道信息估計(jì)和傳輸信號(hào)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)低復(fù)雜度的在線迭代快速算法，提高了算法的實(shí)時(shí)性，增強(qiáng)了算法工程實(shí)現(xiàn)的可能性。同時(shí)，為保證信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性，本發(fā)明引入解碼誤差補(bǔ)償機(jī)制，改善系統(tǒng)信道解碼誤差性能表現(xiàn)，繼而大幅提高了信道估計(jì)算法的精確度。

對(duì)所公開的實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。