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        基于壓縮感知的毫米波大規(guī)模MIMO信道估計(jì)

        2022-06-11 08:01:29劉海波杜江黃天賜馬騰
        中國(guó)新通信 2022年8期
        關(guān)鍵詞:壓縮感知

        劉海波 杜江 黃天賜 馬騰

        摘要:在毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中,由于毫米波的路徑損耗極其嚴(yán)重,在空間中只有少量的可用信道存在,加上大規(guī)模天線形成的高增益窄細(xì)波束,使得波束域信道更加稀疏。針對(duì)信道稀疏性的特點(diǎn),可以與壓縮感知理論很好地結(jié)合,本文分析了正交匹配追蹤算法和稀疏度自適應(yīng)匹配追蹤算法在信道估計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn),并將一種改進(jìn)的稀疏度自適應(yīng)匹配追蹤算法應(yīng)用到毫米波大規(guī)模MIMO信道估計(jì)中,可以取得較好的估計(jì)效果。

        關(guān)鍵詞:毫米波;MIMO;壓縮感知;稀疏度自適應(yīng)

        一、引言

        毫米波(Millimeter Wave,mmWave)的頻段在30GHz~300GHz之間,頻譜資源豐富,且與大規(guī)模天線結(jié)合,能夠彌補(bǔ)毫米波自身所帶來的高路損,是5G通信的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。在毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中,能否掌握信道狀態(tài)信息對(duì)預(yù)編碼十分重要。只有精確估計(jì)出信道的信息狀態(tài),才能夠利用大規(guī)模MIMO多天線優(yōu)勢(shì)提供更多自由度,從而提升信道容量[2]。因此,信道估計(jì)至關(guān)重要。

        壓縮感知(Compressive Sensing,CS)理論被提出后,被廣泛運(yùn)用在各個(gè)領(lǐng)域中[3],如圖像處理、語音編碼和雷達(dá)監(jiān)測(cè)等。在毫米波大規(guī)模MIMO信道,毫米波路徑損耗極高,只有少數(shù)的可用信道在空間中可以進(jìn)行通信,大規(guī)模MIMO在空間中生成的高增益窄細(xì)波束使得信道更加稀疏。運(yùn)用毫米波信道稀疏的特點(diǎn),可以將壓縮感知理論很好地應(yīng)用在信道估計(jì)中,將信道估計(jì)問題轉(zhuǎn)化為稀疏信號(hào)重構(gòu)問題,以實(shí)現(xiàn)低復(fù)雜度、高精度的信道估計(jì)。在壓縮感知理論中,貪婪迭代算法由于計(jì)算復(fù)雜度低的優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用。文獻(xiàn)[4]利用正交匹配追蹤(Orthogonal Matching Pursuit,OMP)算法估計(jì)稀疏多徑信道,比傳統(tǒng)的LS算法復(fù)雜度低,精度高。然而,OMP算法的實(shí)現(xiàn)條件是以信道的稀疏度作為前提,這在實(shí)際應(yīng)用中,信道的稀疏性往往是未知的,所以使用價(jià)值比較低。

        文獻(xiàn)[5]提出的稀疏度自適應(yīng)匹配追蹤算法(Sparsity adaptive matching pursuit)算法可以在未知信道稀疏度條件下運(yùn)行,但是算法中的迭代步長(zhǎng)固定,容易出現(xiàn)過估計(jì)或者欠估計(jì)的問題,嚴(yán)重影響估計(jì)的準(zhǔn)確度。文獻(xiàn)[6]提出的改進(jìn)自適應(yīng)匹配追蹤算法,結(jié)合了預(yù)估計(jì)稀疏度和分段調(diào)整步長(zhǎng)的思想,提高了算法的恢復(fù)精度。

        二、壓縮感知基本理論

        壓縮感知是將壓縮與采樣相結(jié)合,把需要采樣的信號(hào)進(jìn)行壓縮,找到信號(hào)一個(gè)簡(jiǎn)潔的表示,且壓縮造成的信號(hào)失真可以被接受。如果x是長(zhǎng)度為N的K稀疏度信號(hào),通過M×N維測(cè)量矩陣得到觀測(cè)信號(hào)y。當(dāng)K、M、N滿足一定關(guān)系時(shí),x可以精確重構(gòu)。

        三、毫米波大規(guī)模MIMO信道模型

        本文采用的是模擬框架下的毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng),其中BS端有NBS根天線和1個(gè)RF鏈,相應(yīng)的MS端有MMS根天線和1個(gè)RF鏈從基站發(fā)送NS個(gè)數(shù)據(jù)流到用戶端,用戶端輸出MS個(gè)數(shù)據(jù)流(一般假設(shè)NS=MS)。

        若收發(fā)雙方均使用模擬波束成形技術(shù),其接收信號(hào)為:

        (1)

        其中,s為射頻鏈路上的發(fā)送信號(hào),F(xiàn)RF和WRF分別為發(fā)射端模擬域預(yù)編碼向與接收端模擬域合并向量,射頻鏈路數(shù)配置為單鏈路,F(xiàn)RF∈C Nt×1,WRF∈C Nr×1,n為高斯分布的噪聲,方差為 。H f為天線域毫米大規(guī)模MIMO上行信道,本系統(tǒng)采用Saleh-Valenzuela信道模型,研究場(chǎng)景是單用戶下的毫米波大規(guī)模MIMO通信場(chǎng)景。信道具有L個(gè)有限散射數(shù),那么k時(shí)刻的毫米波信道可以表示為:

        (2)

        上式中,L是路徑數(shù),β是信道復(fù)增益,和是k時(shí)刻的到達(dá)角和離開角,和分別為接收端和發(fā)送端的陣列響應(yīng)向量,對(duì)于均勻線性陣列(Uniform Linear Array,ULA)的NBS根天線,有:

        (3)

        上式中,是空間方向,λ是載波波長(zhǎng),d是天線間距(一般取d=λ/2),覆蓋整個(gè)空間范圍[10],對(duì)于MMs根天線,的形式與式(3)相同。

        四、信道估計(jì)算法

        以下介紹MSAMP算法的流程,其中ads[·]表示求模值,∪表示集合并運(yùn)算。

        MSAMP算法:

        輸入:傳感矩陣A,觀測(cè)向量y,階段步長(zhǎng)S。

        輸出:信道增益估計(jì)值HCS。

        步驟:

        (1)初始化:殘差rt=y,稀疏度K0=1,支撐集F=,稀疏度估計(jì)步長(zhǎng)S1=S。

        (2)篩選:計(jì)算u=abs[ATrt-1]選出K0個(gè)最大的原子備選,放入集合F里。

        (3)預(yù)估稀疏度:,則S1=S1,K0=K0+S1,轉(zhuǎn)步驟(2);否則,如果,則S1=[0.5·S1],K0=K0+S1,轉(zhuǎn)步驟(2)。

        (4)初始化:初始?xì)埐顁=y-AF A*F? ?y,初始估計(jì)信號(hào)=0,初始化階段stage=1,初始化迭代次數(shù)k=1,初始階段步長(zhǎng)S=[0.5·S1],初始支撐集長(zhǎng)度size=K0,初始化索引值集合S=,候選集C=。

        (5)索引集:通過計(jì)算abs[ATrt-1],選出size個(gè)最大值,將其對(duì)應(yīng)A的列序號(hào)構(gòu)成索引值集合SK。

        (6)合并索引集:C=F∪SK,計(jì)算C中索引值對(duì)應(yīng)原子與殘差的相關(guān)系數(shù),并提取出size個(gè)最大值對(duì)應(yīng)的索引值放入Fnew中。

        (7)計(jì)算:采用=argmin‖y-AFα‖2計(jì)算估計(jì)信號(hào),并利用y-AF更新殘差。

        (8)判斷1:如果,則轉(zhuǎn)步驟(9),否則轉(zhuǎn)步驟(10)。

        (9)判斷2:如果,則停止迭代,否則轉(zhuǎn)步驟(11)。

        (10)如果‖rnew‖2≥‖r‖2,則stage=stage+1,size=size+step,=轉(zhuǎn)步驟(5);否則F=Fnew,r=rnew,k=k+1,轉(zhuǎn)步驟(5)。

        (11)如果‖rnew‖2≥‖r‖2,則stage=stage+1,step=[0.5·step],size=size+step,=,轉(zhuǎn)步驟(5);否則F=Fnew,r=rnew,k=k+1,轉(zhuǎn)步驟(5)。

        四、 仿真性能分析

        設(shè)置發(fā)射端天線數(shù)Nt=4,接收端天線數(shù)Nr=64,波束分辨率K=16, RF鏈數(shù)目NRF=1,信道徑數(shù)為10,仿真采用歸一化均方誤差(Normalized Mean Square Error,NMSE)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。

        圖1顯示的是不同信噪比下各算法的NMSE仿真結(jié)果,結(jié)果表明,信噪比較小時(shí),由于信道高斯白噪聲很大,導(dǎo)致各算法的NMSE性能接近。隨著信噪比的增加,噪聲的影響逐漸減小,MSAMP的性能逐漸優(yōu)于其他兩個(gè)算法,并且隨著信噪比的進(jìn)一步增加,三種算法進(jìn)行信道估計(jì)的NMSE逐漸趨于平穩(wěn),MSAMP的NMSE性能要低于SAMP算法2個(gè)dB大小,比OMP算法低4個(gè)dB左右。

        五、結(jié)束語

        本文圍繞毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng)波束域信道估計(jì)問題,研究了基于壓縮感知的信道估計(jì)算法,并將一種改進(jìn)的稀疏度自適應(yīng)匹配追蹤算法應(yīng)用到信道估計(jì)上面,通過仿真發(fā)現(xiàn),MSAMP算法的NMSE低于OMP算法和SAMP算法。

        作者單位:劉海波? ? 杜江? ? 黃天賜? ? 馬騰

        成都信息工程大學(xué)通信工程學(xué)院

        氣象信息與信號(hào)處理四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

        參? 考? 文? 獻(xiàn)

        [1]MARZETTA T? L.Non-cooperative cellular wireless with unlimitied numbers of base station antennas[J].IEEE Transaction on Wireless Communication,2010,9(11):3590-3600.

        [2] 羅皓.5G毫米波信道估計(jì)研究綜述[J].電訊技術(shù),2021,61[2]:254-262.

        [3] Donoho D L. Compressed sensing[J]. IEEE Transactions onInformation Theory, 2006,52(4):1289-1306.

        [4] Li Ying,Xu Boqing. An iterative image reconstruction algo-rithm based on compressed sensing[J]. Electronic Scienceand Technology,2016,29(11) : 129 -132.

        [5] ZHANG? Y,? VENKATESAN? R,? DOBRE? O? A,? et? al.? An? adaptive matching? pursuit? algorithm? for? sparse? channel? estimation[C]//2015 IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC 2015). 2015: 626-630.

        [6] 朱延萬.一種改進(jìn)的稀疏度自適應(yīng)匹配追蹤算法[J].信號(hào)處理, 2012,28[1]:80-86.

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