专利名称：Mimo通信系统定位中的角度估计方法
技术领域：
本发明属于电子技术领域，如无线通信、移动通信等，特别涉及MIMO移动通信系 统的定位。
背景技术：
蜂窝系统中信号到达的时延序列、角度序列及其组合往往具有唯一性，实际上 可以看作位置的一种标识。无线MIMO通信系统应用阵列天线，进而估计A0A(Angle Of Arrival，到达角)、A0D (Angle Of D印arture，离开角)便成为可能。传统的计算信号角度 的子空间分解算法主要有MUSIC (多重信号分类)算法、ESPRIT (借助旋转不变技术估计信 号参数)算法、JADE-MUSIC (角度时延联合估计-多重信号分类)算法、JADE-ESPRIT (角度 时延联合估计_借助旋转不变技术估计信号参数)算法等。在假设多径不相干的MIMO信 道模型中，信号源数就是多径数。假设信道是准静态的，某个时隙内不变，那么信号的角度 也是不变的，可以视为信道的角度，体现为信道冲激响应间的相位差。在MIMO信道模型下， 用角度时延联合估计算法(JADE-MUSIC或JADE-ESPRIT等)估计角度时，第一步先用信道 估计算法(基于训练序列的信道估计算法或盲估计等)估计信道冲激响应矩阵，第二步用 MUSIC或EsraiT等子空间分解算法得出角度的估计。^ i K [l]Ralph 0. Schmidt. Multiple Emitter Location and Signal Parameter-Estimation. IEEE Trans.On Antennas and Propagation, VOL. AP-34, NO. 3, March 1986，pp. 276-280.中提出一种MUSIC算法，基本思想是对接收信号的相关矩阵做 特征值分解得到噪声子空间以计算MUSIC谱，并通过MUSIC谱的谱峰搜索得到信号的到达 角，其特点是不需要估计信道冲激响应矩阵，但此算法要求天线个数大于信号源数；在文献 [2]A. Paukaj,R. Roy and Τ. Kailath,Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques-ESPRIT. ACCSC，Nov. 1985.中提出一种 ESPRIT 算法，基本思想是 假设有两个完全相同的子阵，可以得到自相关协方差矩阵Rxx和互相关协方差矩阵Ryx，做 自相关矩阵Rxx特征值分解得到噪声估计，去除噪声得到协方差矩阵Cxx和Cyx，并求矩阵束 (Cxx, Cyx)的广义特征值分解得到信号的到达角估计，其特点是不需要估计信道冲激响应 矩阵，但算法要求天线个数不少于信号源数；在文献[3]M. C. Vanderveen, C. B. Papadias, and A. Paulraj, " Joint angle and delay estimation(JADE)for multipath signals arriving at an antenna array “ ， IEEE Communications Letters, vol.1， pp.2-14, January 1997.中提出一种JADE-MUSIC算法，其基本思想是假设已经用信道估计算法 (基于训练序列或盲估计等)估计信道冲激响应矩阵，再对信道冲激响应矩阵的自相关矩 阵做特征值分解以及对MUSIC谱的谱峰搜索得到信号的到达角估计，其特点是天线个数 不受多径数目的限制，但是谱峰搜索需要较大的计算量和存储空间；在文献[4]A. J. van der Veen, Μ. C. Vanderveen, A. Paulraj, “ Joint angle and delay estimation using shift-invariance techniques “ ，IEEETransactions on Signal Processing, vol. 46, Issue :2，pp. 405-418, Feb. 1998.中提出一种JADE-ESPRIT算法，基本思想是先用信道估计算法得到信道冲激响应矩阵的估计，再通过求解矩阵束的广义特征值估计信号的到达角， 其特点是天线个数不受多径数目的限制，但此算法需要求矩阵的特征分解，当数较大时，运 算量也相当大；另外，信号的角度在信道模型中体现为信道冲激响应间的相位差，相位与角 度存在正弦关系，所以利用相位差估计的角度周期只有180度，不满足实际应用如定位中 的360度的角度范围要求。 假设在远场信号的信道模型下，那么也可以在估计信道冲激响应时先用基于训练 序列的最小均方误差(MMSE)等算法，尽量消除噪声影响后再利用估计的发射天线间(或接 收天线间)信道冲激响应的相位差来直接估计信号的出射角度(或入射角度)。MMSE算法 需要预先知道信道的自相关函数矩阵以及噪声功率，克服了信道噪声的影响，从而更有利 于在此基础上的角度估计。另外，针对于利用相位差估计角度只有180度范围的缺陷，本算 法利用“L”型天线，做两次均勻线性阵列(ULA)的角度估计，由两个180度范围角度组合成 一个360度范围的角度。
发明内容
本发明的目的是在MIMO通信系统定位应用中提出一种估计信道角度的算法，直 接利用发射天线间(或接收天线间)信道冲激响应的相位差来估计信道的出射角度(或入 射角度)，应用于“L”型天线的信道角度估计算法可以估计360度范围的角度。信道估计必须在建立了信号模型和信道模型的基础上进行，下面先建立M发N收 的信号模型和基于远场信号的无角度扩展MIMO信道模型，再阐述信道角度估计算法。1.信号模型信号的角度至少需要2个天线才能得以体现，因此估计AOD和AOA至少需要2*2的 天线配置。假设发端M个天线，收端N个天线，P倍于码片速率进行采样，信道为平坦、分组衰 弱，信道最大时延为W个采样时间长度，发射信号的长度为L(码片长度的P倍)个采样时间 长度，则在某个时隙内接收信号为Ynxl = HNXMWSmwxJNnxl，其中Hnxmw = [HNXW(1)，HNXW⑵，· · ·， Hnx/)]为块衰弱信道矩阵，HNXWw表示第m个接收天线的信道系数矩阵；Sw>a = [SffXL(1)T, SffXL(2)T, . . . SffXL(M)T]T为发射信号，SffXLw为第m个发射天线的训练序列矩阵，为了使天线间 的信号不互相干扰，不同发射天线的训练序列必须是正交的，这里采用m序列。 与ΥΝ>α有相同的结构，每一行为零均值、空间非相关的复高斯白噪声，方差为
O202. MIMO信道模型MIMO信道模型的输出即信道系数矩阵HNXMff，MIMO信道模型采用一种远场信号模 型，假设主要的散射体离天线阵列足够远，信号传播距离远大于天线间距，所以传播时延、 离开角和到达角在天线阵列孔径各处都保持不变。信道模型不考虑角度扩展，每条多径只有一条子径，假设有D条多径，则第η条多径的信道系数为 其中，1=<u <= N，1 =< s <= M，1 =< i <= D。Pi 为第 i 条多径的随机平 均功率，Osf为阴影衰弱为随机相位，k为波数，1 = 2π/λ ；ν是接收天线的移动速度，
θ ν为移动方向；θ i.AOD为出射角，Θ ,ΑΟΑ为入射角；du，ds分别是收端和发端的相对天线间 距(以天线1为参照)，则du = 1 = 0，ds = 1 = O。天线u与天线s之间总的信道冲激响应为D条多径的冲激响应的叠加。从信道冲 激响应的定义式可以看到，天线的移动使冲激响应是时变的，若天线移动速度不快，则信道 可以假设为准静态的，即在某个时隙内不变，取信道冲激响应值ku = h^iUJ。为了构 造信道矩阵Hnxmw，将第i条多径时延τ i对应的矩阵元素取h^i值，其它为O。3.信道角度估计算法信道冲激响应估计的已有算法主要有最小二乘(LS)估计和 最小均方误差(MMSE)估计。最小二乘估计受到信道噪声的影响大，
最小均分误差估计利用信道的自相关矩
2为信道噪声方差。第一步先
用最小均分误差估计算法得到信道冲激响应矩阵^xjw。第二步找出^x-中第i(l = < i < = D)条多径的时延。在^—的子 矩阵&Viw中，大于噪声门限值的元素^jm0")的值对应第i条多径的幅度和相位，
因此，信道氣(m)(发射
天线m，接收天线η)的第i条多径的时延即武/0的编号w对应的间点 .。第三步计算第i (1 = < i < = D)条多径的AOA和A0D。在MIMO信道远场模型中 假设每一个发射天线的第i条多径的出射角都相同，每一个接收天线的第i条多径的入射 角也都相同，任意天线对之间的第i条多径的时延也是相同的，分别对比天线m到天线nl、 n2的信道冲激响应和天线ml、m2到天线n的信道冲激响应的第i条多径的值得到 两边求对数得角度估计公式 由上面的角度估计公式(5)、(6)可以看出，相位与角度是正弦的关系，2*2以上的 直线阵只能估计180度范围的角度，而实际中角度有360度范围。因此在定位应用中用3*3以上的“L”型天线，将360度角θ转换为两个180度范围角α和β的组合。将分解得到 的α和β代入3*3以上天线阵列的信道模型，用的估计算法可以分别得到^和》，再组合 成4，即所要估计的360度范围的角度。
图1 “L”型3*3天线阵列从图中可以看出，规定直角上的天线为天线1，信号与天线2和天线1组成的线阵 的夹角为α，信号与天线3和天线1组成的线阵的夹角为β，则θ与(α，β)的转换规则
如下
具体实施例方式以3*3的“L”型天线阵列为例说明信道角度估计的实施方式。首先选择3组正交 的m序列作为3个发射天线的训练序列，组成训练序列矩阵Sw>a。建立3*3的“L”型天线阵列的信道系数矩阵，信道模型公式如下
(g)公式中的du，ds分别是接收端和发射端的相对于天线1的间距(以直角上的天线 为天线1) JfJcU1 = O, CU1 = O;按照式(7)的转换规则，由Θ得到(α，3)，当8 = 2
时，9 i,A0D = α i,A0D' S = 3 时 θ i A0D = β ijA0D ；当 u = 2 时，θ iiA0A = α i A0A，U = 3 时 θ ^
AOA — β i，AOA ο先用最小均方误差算法估计信道冲激响应矩阵^，再用如下公式计算第i条
多径的信道角度
(9)
(10)
(12)两边取对数并求反正弦函数得
估计得到的α和β换算到以度为单位后，按照如下规则转换到θ角
‘θ = α 当α之0,广之0
^ = 180- 当α>0,/ <0(17)
‘汐=180 —α.当α<0,广<0 ^ = + 360 当《<0，广>0α和β在(-90，90)范围内，所以θ在(0，360)范围内。由于相位与角度的正弦函数关系是非线性的，对于相同的噪声，角度越大，估计误 差也越大。L型天线的两个角存在关系I α | + | β I = 90，因此可以采用先估计min{| α |，
β }的方法改善误差偏大的情况。另外相位是周期的，所以估计的角度也是周期的，当天线间距为λ/2时，90度的 角很可能被估计成-90度，即存在180度的估计突变，若改用λ /4作为天线间距，可以克服 这个缺陷。
权利要求
根据权利要求1所述的对信道角度进行估计的方法包含以下步骤步骤1用最小均方误差(MMSE)算法估计信道冲激响应矩阵步骤2找出由步骤1得到的信道冲激响应矩阵的子矩阵中大于噪声门限值的元素的值对应第i条多径的幅度和相位，信道(发射天线m，接收天线n)的第i条多径的时延即的编号w对应的时间点步骤3对于步骤2当中的第i条多径，分别对比天线m到天线n1、n2的信道冲激响应和天线m1、m2到天线n的信道冲激响应值得到 <mrow><msub> <mover><mi>θ</mi><mo>^</mo> </mover> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>AOA</mi> </mrow></msub><mo>=</mo><mi>arcsin</mi><mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mi>j</mi> <mi>ln</mi> <mrow><mo>(</mo><msup> <msub><mover> <mi>H</mi> <mo>^</mo></mover><mrow> <mi>n</mi> <mn>2</mn> <mo>,</mo> <mi>w</mi></mrow> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>m</mi><mo>)</mo> </mrow></msup><mo>/</mo><msup> <msub><mover> <mi>H</mi> <mo>^</mo></mover><mrow> <mi>n</mi> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mi>w</mi></mrow> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>m</mi><mo>)</mo> </mrow></msup><mo>)</mo> </mrow> <mo>/</mo> <mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>d</mi><mrow> <mi>n</mi> <mn>2</mn></mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>d</mi><mrow> <mi>n</mi> <mn>1</mn></mrow> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mo>-</mo><mi>π</mi><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>=</mo><mo><</mo><msub> <mover><mi>θ</mi><mo>^</mo> </mover> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>AOA</mi> </mrow></msub><mo><</mo><mo>=</mo><mi>π</mi><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msub> <mover><mi>θ</mi><mo>^</mo> </mover> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>AOD</mi> </mrow></msub><mo>=</mo><mi>arcsin</mi><mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mi>j</mi> <mi>ln</mi> <mrow><mo>(</mo><msup> <msub><mover> <mi>H</mi> <mo>^</mo></mover><mrow> <mi>n</mi> <mo>,</mo> <mi>w</mi></mrow> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>m</mi><mn>2</mn><mo>)</mo> </mrow></msup><mo>/</mo><msup> <msub><mover> <mi>H</mi> <mo>^</mo></mover><mrow> <mi>n</mi> <mo>,</mo> <mi>w</mi></mrow> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>m</mi><mn>1</mn><mo>)</mo> </mrow></msup><mo>)</mo> </mrow> <mo>/</mo> <mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>d</mi><mrow> <mi>m</mi> <mn>2</mn></mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>d</mi><mrow> <mi>m</mi> <mn>1</mn></mrow> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mo>-</mo><mi>π</mi><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>=</mo><mo><</mo><msub> <mover><mi>θ</mi><mo>^</mo> </mover> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>AOD</mi> </mrow></msub><mo><</mo><mo>=</mo><mi>π</mi><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>FSA00000202661200011.tif,FSA00000202661200012.tif,FSA00000202661200013.tif,FSA00000202661200014.tif,FSA00000202661200015.tif,FSA00000202661200016.tif,FSA00000202661200017.tif
2.用“L”型天线来估计实际中的360度范围的角度，直角上的天线编号为1，将360度 范围角θ转换为两个180度范围的角α和β的组合，将分解得到的α和β代入“L”型 天线阵列的MIMO信道模型，根据权利要求1所述的对信道角度进行估计的方法可以分别得 到 和》，再组合成々，即所要估计的360度范围的角度。
3.根据权利要求1所述的对信道角度进行估计的方法，基本思路是通过先估计信道冲 激响应，再利用天线间信道冲激响应的相位差计算信道角度，其特征是天线数目不受信号 源数的限制，计算过程简单，计算量小。
4.根据权利要求2所述的用“L”型天线来估计实际中的360度范围的角度的方法，其 特征是在于将权利要求1所述的角度估计方法分别应用于“L”型天线的两个均勻线性阵列 分支，估计出360度范围的角度。
全文摘要
本发明提供了一种在MIMO通信系统定位中的角度估计方法，属于电子技术领域，通过最小均方误差(MMSE)算法估计信道冲激响应后，再通过计算不同发射天线到同一接收天线(或同一发射天线到不同接收天线)的信道冲激响应的相位差得到信道出射(或入射)角度估计。与传统的子空间分解算法相比，本方法天线个数不受多径数目的限制，计算过程简单，计算量较小。相位与角度是正弦的关系，直线阵只能估计180度范围的角度，而实际中的角度有360度范围。定位应用中用“L”型天线，直角上的天线编号为1，将360度范围角θ转换为两个180度范围的角α和β的组合。将α和β代入“L”型天线阵列的信道模型，用基于相位差的角度估计方法可以分别得到和再组合成即所要估计的360度范围的角度。
文档编号H04L25/02GK101917235SQ201010234929
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月23日 优先权日2010年7月23日
发明者卓永宁, 张建平 申请人:电子科技大学