大规模MIMO卫星移动通信信道估计方法及系统

大规模mimo卫星移动通信信道估计方法及系统
技术领域
1.本发明涉及配置天线阵列的卫星移动通信信道估计方法及系统，尤其涉及利用大规模mimo技术的卫星移动通信信道估计方法及系统。


背景技术：

2.卫星通信被认为是实现全球无缝网络覆盖的关键技术之一。现有的卫星通信大多采用多波束传输方案，其中卫星侧的波束成形器通常是固定的，这在一定程度上限制了卫星通信的传输能力。大规模多输入多输出(mimo，multiple-input multiple-output)作为陆地5g的一项重要技术，通过利用基站侧的大规模天线阵列生成大量动态波束，可以在同一时频资源上支持数十个用户与基站通信。将大规模mimo技术拓展应用于卫星移动通信系统，可以显著提高卫星移动通信系统的频谱效率和功率效率。
3.正交频分复用(ofdm，orthogonal frequency division duplexing)已经成为宽带传输中实现高速率通信的关键技术之一，其不但可以对抗频率选择性衰落，并且具有高效的实现方式。将大规模mimo和ofdm相结合，形成大规模mi mo ofdm系统，是5g移动通信系统核心使能技术，也将在5g演进及6g系统中持续演进发展。以往大多数工作主要关注地面无线网络中的大规模mimo ofdm技术，其中大规模mimo ofdm信道估计技术也得到广泛研究和应用，但并未考虑卫星信道的特殊性。因此，开展对卫星大规模mimo ofdm系统中的信道估计问题研究，具有十分重要的意义。据我们所知，目前还未见有这方面的文献。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明的目的是克服现有技术的不足，提高卫星移动通信系统的信道估计性能，并降低实现复杂度。
5.技术方案：为实现上发明目的，本发明采用如下技术方案：
6.大规模mimo ofdm卫星移动通信信道估计方法，所述方法应用于卫星移动通信系统，其特征在于：卫星配置天线阵列，与其覆盖区内配置多个天线或单个天线的用户终端进行通信；将基本导频经过不同相位调制因子调制后的序列作为导频集合；卫星或信关站利用包括空间角度信息和平均信道能量在内的统计信道信息实施导频分配，确定各用户的导频序列，并将其序列号发送给各用户；用户发送导频信号，卫星或信关站根据接收到的导频信号实施信道估计，采用空频两级信道估计方法获得信道参数的估计值。
7.在优选的实施方案中，所述的统计信道信息由上行链路探测过程获得或通过各用户终端的反馈信息获得；所述的上行链路探测过程中，各个用户周期性地发送探测信号，卫星根据接收到的探测信号，估计各用户的空间角度信息和平均信道能量；所述的各用户终端的反馈信息是用户的地理位置信息、空间角度信息、平均信道能量。
8.在优选的实施方案中，卫星或信关站采用基于图的导频分配算法进行导频分配。所述基于图的导频分配算法将用户集合分为s个组，其中s表示可用导频数，使得同一组内的用户使用相同的导频，不同组的用户使用不同的导频。所述基于图的导频分配算法中，图
的顶点集合表示用户集合，图的顶点之间的权重表示用户之间的干扰。所述顶点之间的权重由空间角度信息和平均信道能量计算得到。所述基于图的导频分配算法包括如下步骤：
9.初始化已分配导频的用户集合和未分配导频的用户集合；
10.对每个未分配导频的用户分配使得组内任意两个顶点之间的权重之和最小的导频，更新已分配导频的用户集合和未分配导频的用户集合；
11.在优选的实施方案中，所述空频两级信道估计方法中，信道估计值通过先对卫星侧接收信号进行逐子载波空域处理再进行逐用户频域处理得到。所述空域处理对所有子载波都是相同的。所述逐用户频域处理可以利用toeplitz系统求解器快速实现。
12.大规模mimo ofdm卫星移动通信信道估计方法，所述方法应用于用户终端，其特征在于：
13.用户终端周期性地向卫星发送探测信号，或者向卫星反馈用户的地理位置信息、空间角度信息、平均信道能量，用于卫星或信关站实施导频分配和信道估计；
14.用户终端利用卫星移动引起的多普勒频移和长距离传播的最小传播时延对上行发送信号进行频率和时间补偿；
15.各用户终端利用卫星或信关站分配的导频序列发送导频信号。
16.在优选的实施方案中，所述的卫星移动引起的多普勒频移和长距离传播的最小传播时延，由用户终端依据接收到的同步信号估计得到，或由用户终端和卫星的位置信息计算得到；随着卫星或用户终端的移动，动态地更新多普勒频移、最小传播时延信息，频率和时间补偿量随之自适应地变化。
17.大规模mimo ofdm卫星移动通信信道估计卫星侧设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被加载至处理器时实现所述的大规模mimo ofdm卫星移动通信信道估计方法。
18.大规模mimo ofdm卫星移动通信信道估计用户终端设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被加载至处理器时实现所述的大规模mimo ofdm卫星移动通信信道估计方法。
19.大规模mimo ofdm卫星移动通信信道估计系统，包括卫星和用户终端，其特征在于：所述卫星配置天线阵列，与其覆盖区内配置多个天线或单个天线的用户终端进行通信；所述卫星或与其相联系的信关站用于：
20.将基本导频经过不同相位调制因子调制后的序列作为导频集合；卫星或信关站利用包括空间角度信息和平均信道能量在内的统计信道信息实施导频分配，并将导频分配结果反馈给各用户；用户发送导频信号，卫星或信关站根据接收到的导频信号实施信道估计；
21.卫星或信关站采用基于图的导频分配算法进行导频分配。所述基于图的导频分配算法将用户集合分为s个组，其中s表示可用导频数，使得同一组内的用户使用相同的导频，不同组的用户使用不同的导频。所述基于图的导频分配算法中，图的顶点集合表示用户集合，图的顶点之间的权重表示用户之间的干扰。所述顶点之间的权重由空间角度信息和平均信道能量计算得到；
22.卫星或信关站根据接收到的导频信号采用空频两级信道估计方法实施信道估计。所述空频两级信道估计方法中，信道估计值通过先对卫星侧接收信号进行逐子载波空域处理再进行逐用户频域处理得到。所述空域处理对所有子载波都是相同的。所述逐用户频域
处理可以利用toeplitz系统求解器快速实现；
23.在卫星或各用户终端的移动过程中，随着统计信道信息的变化，动态更新信道估计结果；
24.所述用户终端用于：周期性地向卫星发送探测信号，或者向卫星反馈用户的地理位置信息、空间角度信息、平均信道能量，用于卫星或信关站实施导频分配和信道估计；利用卫星移动引起的多普勒频移和长距离传播的最小传播时延对上行发送信号进行频率和时间补偿；利用卫星或信关站分配的导频序列发送导频信号。
25.有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：
26.(1)将大规模mimo技术拓展应用于卫星移动通信系统，提高了卫星移动通信系统的频谱效率和功率效率。
27.(2)充分利用卫星移动通信信道的特点，设计了完整的信道估计方法，大幅度降低了计算复杂度。
28.(3)信道估计方法适用于时分双工和频分双工卫星移动通信系统。
29.(4)各个用户终端对其发送信号进行频率和时间补偿，简化了系统设计，通信方法适用于利用高轨卫星、中轨卫星和低轨卫星的卫星移动通信。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅表明本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。
31.图1为大规模mimo卫星移动通信信道估计方法示意图。
32.图2为大规模mimo卫星移动通信系统示意图。
33.图3为大规模mimo卫星移动通信信道估计性能对比图。
34.图4为大规模mimo卫星移动通信信道估计卫星侧设备的结构示意图。
35.图5为大规模mimo卫星移动通信信道估计用户终端设备的结构示意图。
36.图6为大规模mimo卫星移动通信信道估计系统的结构示意图。
具体实施方式
37.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
38.如图1所示，本发明实例公开的大规模mimo ofdm卫星移动通信信道估计系统，包括卫星和用户终端，其特征在于：所述卫星配置天线阵列，与其覆盖区内配置多个天线或单个天线的用户终端进行通信；所述卫星或与其相联系的信关站用于：
39.将基本导频经过不同相位调制因子调制后的序列作为导频集合；卫星或信关站利用包括空间角度信息和平均信道能量在内的统计信道信息实施导频分配，并将导频分配结果反馈给各用户；用户发送导频信号，卫星或信关站根据接收到的导频信号实施信道估计；
40.卫星或信关站采用基于图的导频分配算法进行导频分配。所述基于图的导频分配算法将用户集合分为s个组，其中s表示可用导频数，使得同一组内的用户使用相同的导频，不同组的用户使用不同的导频。所述基于图的导频分配算法中，图的顶点集合表示用户集合，图的顶点之间的权重表示用户之间的干扰。所述顶点之间的权重由空间角度信息和平均信道能量计算得到；
41.卫星或信关站根据接收到的导频信号采用空频两级信道估计方法实施信道估计。所述空频两级信道估计方法中，信道估计值通过先对卫星侧接收信号进行逐子载波空域处理再进行逐用户频域处理得到。所述空域处理对所有子载波都是相同的。所述逐用户频域处理可以利用toeplitz系统求解器快速实现；
42.在卫星或各用户终端的移动过程中，随着统计信道信息的变化，动态更新信道估计结果；
43.本发明实例公开的大规模mimo ofdm卫星移动通信信道估计方法，所述方法应用于用户终端，其特征在于：
44.用户终端周期性地向卫星发送探测信号，或者向卫星反馈用户的地理位置信息、空间角度信息、平均信道能量，用于卫星或信关站实施导频分配和信道估计；
45.用户终端利用卫星移动引起的多普勒频移和长距离传播的最小传播时延对上行发送信号进行频率和时间补偿；
46.各用户终端利用卫星或信关站分配的导频序列发送导频信号；
47.卫星移动引起的多普勒频移和长距离传播的最小传播时延，由用户终端依据接收到的同步信号估计得到，或由用户终端和卫星的位置信息计算得到；随着卫星或用户终端的移动，动态地更新多普勒频移、最小传播时延信息，频率和时间补偿量随之自适应地变化。
48.下面结合具体实施场景对本发明实施例的方法做进一步的介绍，本发明方法不对具体场景做限定，对于与本发明示例性场景外的其他实施，本领域技术人员可以依据本发明的技术思路利用现有知识根据具体场景做适应性调整。
49.(1)系统配置
50.考虑单颗卫星(可以是低轨卫星，或中轨卫星，或高轨卫星)的情况，卫星侧配备天线阵列(可以是一维或二维阵列，天线数为几十到几百)。天线阵列或大规模天线阵列可以根据数量和易于安装等要求排成不同的形状。最基本的是二维均匀面板天线阵列(uniform planar array,upa)，即天线单元在横向和纵向均匀排列，相邻天线单元的间距可以为λ/2或其中α为载波波长。
51.以单颗卫星与多个用户通信为例，如图2所示。假设卫星侧配备upa，x轴与y轴方向的天线单元个数分别为m
x
和my，则m＝m
xmy
为卫星配备的总天线数。假设每个用户侧配备一根全向天线，且用户数为k。记用户索引集合为
52.考虑采用正交频分复用(ofdm，orthogonal frequency division multiplexing)来进行宽带数据传输，这样频率选择性衰落信道可以被转化为多个并行的平坦衰落信道。记总子载波数为nc，相邻子载波间隔为δf。系统采样时间为ts＝1/(ncδf)。在每个ofdm符号开始添加长度为ng的保护间隔，即循环前缀(cp，circular prefix)。cp的时间长度为tg＝
ngts。不包含与包含cp的ofdm符号的时间长度分别为tc＝ncts和t＝tg+tc。
53.考虑大规模mimo卫星通信系统工作在频分双工(fdd，frequency division duplexing)模式，即上行与下行占用不同的频带。上行阶段的时间资源被分为多个时隙，每个时隙包含ns个ofdm符号。每个时隙中的第一个ofdm符号被用来进行上行信道估计，其余n
s-1个ofdm符号被用来进行上行数据传输。
54.在基于训练的上行信道估计中，多个地面移动用户同时给单颗卫星发送导频序列。卫星和用户侧都准确已知导频序列。在接收到导频序列之后，卫星估计所有用户的信道参数。
55.记表示所有n
×
m维复(实)数矩阵所构成的集合。
56.(2)信号模型
57.卫星在t时刻收到的接收信号为
[0058][0059]
其中和分别为信道冲激响应和用户k的发送信号，为卫星侧的加性高斯噪声信号。信道冲激响应可以表示为
[0060][0061]
其中δ(x)为dirc delta函数，qk为用户k的多径数，v
k，q
、τ
k，q
和g
k，q
分别为用户k的第q条径的信道增益、多普勒频移、传播时延和卫星侧阵列响应矢量。
[0062]
用户k的第q条径的多普勒频移ν
k，q
可以表示为其中和分别为卫星和用户k移动引起的多普勒频移。此外，对用户k的不同多径近似相同，即用户k信道的最小传播时延记为记分别为用户k信道第q条径的到达角(aoa，angle-of-arrival)。卫星侧阵列响应矢量g
k，q
可以表示为g
k，q
＝g(θ
k，q
)。向量g(θ)对任意的θ＝(θ
x
，θy)定义为
[0063][0064]
其中表示两个矢量的克罗内克积。式(3)中，可以表示为
[0065][0066]
其中λ＝c/fc为上行载波波长，c＝3
×
108m/s为光速，fc为上行载波频率，dv为v∈{x，y}轴相邻天线单元之间的距离，(
·
)
t
表示取向量或矩阵的转置。若卫星侧配备其他形式的天线阵列，只需将换成其对应的阵列响应矢量即可。
[0067]
在卫星通信中，由于用户距离卫星较远，相同用户的不同多径信号所对应的离开角可以认为是近似相同的，即θ
k，q
＝θk，q＝1，...，qk。因此，用户k信道的第q条径对应的阵列响应矢量g
k，q
可以简记为g
k，q
＝gk＝g(θk)，其中被称为用户k信道的aoa。记
为用户k信道的空间角度，其中和用户k的天底角记为其最大值为天底角和空间角度ξk满足如下的关系
[0068][0069]
因此，用户k的空间角度ξk落在圆形区域内。由于卫星距离里面较远，空间角度变化缓慢，因此可以假设卫星和用户已知准确的空间角度信息。
[0070]
记为用户k在第s个ofdm符号内的频域发送信号。用户k的时域发送信号为
[0071][0072]
记和通过使用多普勒频移和时延补偿方法，用户k经过补偿后的时域发送信号为
[0073][0074]
卫星在第s个ofdm符号的接收信号为
[0075][0076]
其中zs(t)为加性高斯噪声信号。这里，为等效信道冲激响应
[0077][0078]
其中和分别为用户k信道第q条径的等效信道增益和传播时延。在ofdm系统中，为了避免符号间干扰，ng应该满足
[0079]
此外，记hk(t，f)为用户k的等效信道频率响应，其可以表示为
[0080][0081]
其中卫星在第s个ofdm符号的第r个子载波上的接收信号为
[0082][0083]
其中为用户k的信道向量，z
s，r
为卫星侧的加性噪声。(11)中的信道向量h
k，s，r
可以表示为
[0084]hk，s，r
＝hk(st，rδf)＝d
k，s，rgk
，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0085]
其中d
k，s，r
＝dk(st，rδf)。由于已经对多普勒频移和传播时延进行了补偿，在这之后卫星侧和用户侧的频率和时间可以被认为是完美同步的。
[0086]
(3)信道模型
[0087]
这一小节分析导频所在的ofdm符号上的信道特性。为了方便，此后省略ofdm符号的下标s。用户k在该ofdm符号的第r个子载波上的信道向量为
[0088]hk，r
＝d
k，rgk
，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0089]
其中a
k，q
为用户k信道第q条径的等效信道增益。假设n
p
个子载波用于信道估计，且对应的索引集合为
[0090]
记为用户k在n
p
个子载波的频域信道，其可以表示为
[0091][0092]
其中将h
p，k
称为用户k的空间频率域信道(sfc，space-frequency domain channel)。此外，d
p，k
可以被进一步表示为
[0093][0094]
其中为
[0095][0096]
注意到各个用户的等效传播时延满足将区间[0，tg)划分为如下区间
[0097][0098]
其中τ
l
＝ltd/(n
d n
p δf)为第l个网格点，其中δf)为第l个网格点，其中并且记μd＝nd/ld为时延精细化因子。利用(17)中的nd个子区间，d
p，k
能够被重新表示为
[0099][0100]
其中当nd足够大时，满足的可以被近似为p(τ
l
)，然后d
p，k
能够被重新表示为
[0101][0102]
其中
注意到，nd表示近似为p(τ
l
)的准确程度。nd越大，近似越准确。此时，h
p，k
可以表示为
[0103][0104]
此后，d
t，k
被称为用户k的角度时延域信道(adc，angle-delay domain channel)。
[0105]
假设α
k，e
可以建模为其中βk表示大尺度衰落参数，η
k，l
表示用户k第l个径的小尺度衰落参数。此外，假设η
k，l
服从高斯分布其中其中称为用户k的功率时延谱(pd p，power delay profile)。并且，α
k，l
对不同的用户k和多径l是相互独立的，即
[0106][0107]
记时域相关矩阵为
[0108][0109]
其中且ω
k，l
＝βkγ
k，l
。假设卫星和用户可以准确获取缓慢变化的信道参数
[0110]
(3)统计信道信息获取
[0111]
空间角度信息、平均信道能量等统计信道信息，可以由上行链路探测过程获得，或通过各用户终端的反馈信息获得。在上行链路探测过程中，各个用户周期性地发送探测信号，卫星根据接收到的探测信号，估计各用户的空间角度信息、平均信道能量、用户侧信道分量的均值向量和方差矩阵。具体地，空间角度的估计值可以通过经典的到达角估计算法获得，例如music算法、esprit算法、unitary esprit算法等；平均信道能量w
k，l
的估计值可以通过如下方法获得
[0112][0113]
其中为向量α
k，l
第n次的估计值，n
l
为估计次数。
[0114]
各用户终端的反馈信息，是用户的地理位置信息、空间角度信息和平均信道能量。各用户终端的反馈信息可以利用上行同步信号或探测信号通过信道参数估计方法获得，其中地理位置信息也可以借助全球定位系统获得。在终端反馈地理位置信息的情况下，卫星侧利用终端的地理位置信息及卫星的位置信息得到各用户的空间角度信息。
[0115]
(4)导频复用和导频分配
[0116]
记可用的导频数为s，导频集合为在卫星通信中，可用导频数远小于用户数，即s＜＜k。因此，不同用户间需要复用导频。记使用第s个导频x
p，s
的用户集合记为其中
[0117]
记为卫星在n
p
个子载波的上行接收信号，其可以表示为
[0118][0119]
其中p
p
为用户k的发送功率，sk表示用户k使用的导频索引。此外，为加性复高斯噪声，其各个元素服从独立同分布
[0120]
利用相移导频的特性，第s个导频x
p，s
可以表示为
[0121][0122]
其中满足此外，xc＝diag{xc}为具有单位模值元素的公共导频且满足例如，xc可以基于zadoff-chu序列来构造。此外，最大导频数满足
[0123]
由于卫星侧准确已知空间角度也即已知阵列方向矢量sfc的估计的估计可以转化为向量的估计。此外，由于adc可以用更少的参数更好地描述sfc，后面考虑首先估计估计adc
[0124]
记和由(24)式可得，
[0125][0126]
其中用到了如下等式
[0127][0128]
其中其中为
[0129][0130]zp
服从分布当得到向量d
t
的估计后，向量的估计为
[0131]
[0132]dt
的最小均方误差(minimum mean square error,mmse)估计为
[0133][0134]
其中
[0135]
对应的信道估计误差服从分布其中为
[0136][0137]
信道估计的mmse可以表示为
[0138][0139]
当n
p
趋于无穷时，信道估计的mmse趋于j
→jasy
，其中j
asy
为
[0140][0141]
其中当满足如下条件时
[0142][0143]jasy
能够达到如下最小值
[0144][0145]
可以发现，当n
p
趋于无穷时，使用不同导频的用户之间的干扰将消失，这样仅存在复用导频产生的干扰。换句话说，集合内的导频趋于相移正交。此外，如果使用相同导频的用户的阵列方向矢量相互正交，复用导频产生的干扰也会消失，且渐进mmse达到其最小值。
[0146]
可以看出，信道估计的mmse性能取决于导频分配。为了进一步提升信道估计的性能，需要合理分配导频。由以上分析可知，阵列方向矢量相互接近正交的用户应该使用相同的导频，而阵列方向矢量高度线性相关的用户应该使用不同的导频。也就是说，任意两个使用相同导频的用户的阵列方向矢量的内积应该尽可能接近零。直观地，可以将导频分配问题建立为如下优化问题
[0147][0148]
其中注意到，(36)中的问题可以表示为图上的max-s-cut问题。记图其中表示顶点集合，为权重集合。具体地，任意一对顶点i和顶点k之间的边具有权重w
i，k
，且满足w
i，k
＝w
k，i
，并且记w
i，i
＝0。可以看到，问题(36)实际上是将顶点集合分为s个不相交的子集使得连接同一子集内的顶点的边的权重之和最小。
[0149]
注意到如下等式
[0150][0151]
问题(36)可以被等价转化为如下问题
[0152][0153]
值得注意的是，问题(38)正是图中的max-s-cut问题。具体来说，问题(38)试图寻找顶点集合的一个s partition，使得端点落在不同子集内的权重之和最大。受此启发，设计了高效的基于图的导频分配算法。
[0154]
基于图的导频分配算法具体步骤如下：
[0155]
输入：空间角度和平均信道能量
[0156]
输出：导频分配结果
[0157]
步骤1：初始化和
[0158]
步骤2：对任意按如下方式计算sk[0159][0160]
步骤3：更新和
[0161]
步骤4：若为空集，退出执行步骤；若不为空集，继续执行步骤2。
[0162]
(5)空频两级信道估计方法
[0163]
下面提出一种空频两级信道估计方法，信道估计通过先对卫星侧接收信号进行逐子载波空域处理再进行逐用户频域处理得到，空域处理对所有子载波都是相同的。通过最小化渐进mmse，得到最优线性逐子载波空域处理矢量。利用快速toeplitz系统求解器，逐用户频域处理能够快速实现。
[0164]
为了简化分析，假设每个用户的r
t，k
能够表示为
[0165]rt，k
＝βkγ，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(39)
[0166]
其中γ＝diag{γ}，满足这意味着所有用户的pdp都相同。因此，卫星只需要获得大尺度衰落参数和所有用户的pdp这可以显著减小统计信道信息获取的开销。
[0167]
在空频两级信道估计方法中，信道估计可以按如下方式得到
[0168][0169]
其中和分别表示逐子载波空域处理矢量和逐用户频域处理矩阵。首先，卫星侧接收信号首先经过如下的空域处理
[0170][0171]
其中服从分布然后，d
t，k
的估计可以通过如下逐用户频域处理得到
[0172][0173]
通过最小化用户k最优的频域处理矩阵为
[0174][0175]
其中为
[0176][0177]
对角矩阵λ
w，k
为
[0178][0179]
mmse矩阵为
[0180][0181]
其中相应的mmse为
[0182][0183]
当n
p
趋于无穷时，j
w，k
趋于其中为
[0184][0185]
其中a
k，l
＝gkγe+σ2wk，wk＝||wk||2且使得最小化的空域处理矢量应满足
[0186][0187]
其中uk满足
[0188][0189]
可以看到，渐进最优空域处理矢量应该具有正则化破零处理的形式。由于a
k，l
与wk有关，通常难以通过(50)式得到vk的闭合表达式。根据(50)式，vk等于方程f(vk)＝0的根，其中f(uk)为
[0190][0191]
方程f(uk)＝0的根可以采用牛顿法获得。
[0192]
在(43)式中的逐用户频域处理中，存在注意到t
w，k
为toeplitz矩阵，这等价于求解toeplitz系统t
w，k
x
w，k
＝y
w，k
。这里，采用经典levinson递归算法求解toeplitz系统。对一个n维toeplitz矩阵，levinson算法所需的乘法次数为4n2。以求解toeplitz系统tns＝b为例，其中为正定toeplitz矩阵，b＝[b1…bn
]
t
为任意向量。levinson算法的步骤如下。
[0193]
首先，将tn重新表示为tn＝t0ln，其中t0＝[tn]
0，0
，ln可以表示为
[0194][0195]
其中r
n-1
＝[ρ1...ρ
n-1
]
t
。为了方便，记rm＝[ρ1...ρm]
t
。变量αm、ζm、的初始值分别为α1＝-ρ1、ζ1＝1、x1＝b1、y1＝-ρ1。对1≤m≤n-1，ζm和xm按如下方式更新
[0196]
ζ
m+1
＝(1-|αm|2)ζm，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(53)
[0197][0198][0199]
其中表示将向量x中的元素按相反顺序重新排列后得到的向量。对1≤m≤n-2，αm和ym按如下方式更新
[0200][0201][0202]
在得到xn后，toeplitz系统tns＝b的解可以表示为
[0203]
当得到解后，(42)式中的可以表示为
[0204][0205]
其中ifft(
·
)表示反快速fourier变换。
[0206]
空频两级信道估计算法的具体步骤如下。
[0207]
输入：空间角度平均信道能量和共同的pdp
[0208]
输出：信道估计结果
[0209]
fordo
[0210]
根据(49)式计算wk；
[0211]
计算
[0212]
根据(53)-(57)式计算
[0213]
根据(58)式计算
[0214]
end for
[0215]
(6)动态更新
[0216]
随着卫星或用户的移动，动态地更新各用户的空间角度、平均信道能量等信道信息，导频分配和信道估计值随之自适应地变化，多普勒频移、最小传播时延等信息，用户终端的频率和时间补偿量等也随之自适应地变化。
[0217]
图3给出了本实施例所提方法在不同场景下的信道估计性能曲线。
[0218]
基于相同的发明构思，如图4所示，本发明实施例公开的一种大规模mim o卫星移动通信信道估计卫星侧设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，该计算机程序被加载至处理器时实现上述的应用于卫星或信关站的大规模mimo卫星移动通信信道估计方法。
[0219]
在具体实现中，该设备包括处理器，通信总线，存储器以及通信接口。处理器可以是一个通用中央处理器(cpu)，微处理器，特定应用集成电路(asic)，或一个或多个用于控制本发明方案程序执行的集成电路。通信总线可包括一通路，在上述组件之间传送信息。通信接口，使用任何收发器一类的装置，用于与其他设备或通信网络通信。存储器可以是只读存储器(rom)或可存储静态信息和指令的其他类型的静态存储设备，随机存取存储器(ram)或者可存储信息和指令的其他类型的动态存储设备，也可以是电可擦可编程只读存储器(eepro m)、只读光盘(cd-rom)或其他光盘存储、盘存储介质或者其他磁存储设备、或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质，但不限于此。存储器可以是独立存在，通过总线与处理器相连接。存储器也可以和处理器集成在一起。
[0220]
其中，存储器用于存储执行本发明方案的应用程序代码，并由处理器来控制执行。处理器用于执行存储器中存储的应用程序代码，从而实现上述实施例提供的通信方法。处理器可以包括一个或多个cpu，也可以包括多个处理器，这些处理器中的每一个可以是一个单核处理器，也可以是一个多核处理器。这里的处理器可以指一个或多个设备、电路、和/或用于处理数据(例如计算机程序指令)的处理核。
[0221]
基于相同的发明构思，如图5所示，本发明实施例公开的一种大规模mim o卫星移动通信信道估计用户终端设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，该计算机程序被加载至处理器时实现上述应用于用户终端的大规模mimo卫星移动通信信道估计方法。具体实现中，该用户终端设备包括处理器，通信总线，存储器以及通信接口，其形式可以包括各种具有无线通信功能的手持设备、车载设备、可穿戴设备、计算设备或连接到无线调制解调器的其它处理设备。
[0222]
如图6所示，本发明实例公开的大规模mimo ofdm卫星移动通信信道估计系统，包括卫星和用户终端，其中卫星配置天线阵列，与其覆盖区内配置多个天线或单个天线的用
户终端进行通信；所述卫星或与其相联系的信关站用于：
[0223]
将基本导频经过不同相位调制因子调制后的序列作为导频集合；卫星或信关站利用包括空间角度信息和平均信道能量在内的统计信道信息实施导频分配，确定各用户的导频序列，并将其序列号发送给各用户；用户发送导频信号，卫星或信关站根据接收到的导频信号实施信道估计，采用空频两级信道估计方法获得信道参数的估计值；
[0224]
卫星或信关站采用基于图的导频分配算法进行导频分配。所述基于图的导频分配算法将用户集合分为s个组，其中s表示可用导频数，使得同一组内的用户使用相同的导频，不同组的用户使用不同的导频。所述基于图的导频分配算法中，图的顶点集合表示用户集合，图的顶点之间的权重表示用户之间的干扰。所述顶点之间的权重由空间角度信息和平均信道能量计算得到；
[0225]
卫星或信关站根据接收到的导频信号采用空频两级信道估计方法实施信道估计。所述空频两级信道估计方法中，信道估计值通过先对卫星侧接收信号进行逐子载波空域处理再进行逐用户频域处理得到。所述空域处理对所有子载波都是相同的。所述逐用户频域处理可以利用toeplitz系统求解器快速实现；
[0226]
在卫星或各用户终端的移动过程中，随着统计信道信息的变化，动态更新信道估计结果；
[0227]
所述用户终端用于：用户终端周期性地向卫星发送探测信号，或者向卫星反馈用户的地理位置信息、空间角度信息、平均信道能量，用于卫星或信关站实施导频分配和信道估计；
[0228]
用户终端利用卫星移动引起的多普勒频移和长距离传播的最小传播时延对上行发送信号进行频率和时间补偿；
[0229]
各用户终端利用卫星或信关站分配的导频序列发送导频信号。
[0230]
上述大规模mimo卫星移动通信信道估计系统实施例与大规模mimo卫星移动通信信道估计方法实施例属于相同的发明构思，具体技术手段实施细节可参考方法实施例，此处不再赘述。本发明所未涉及的内容均为现有技术。
[0231]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。