一种基于sub-6GHz低频信道的mmWave信道估计方法及装置

一种基于sub-6ghz低频信道的mmwave信道估计方法及装置
技术领域
1.本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于sub-6ghz低频信道的mmwave信道估计方法及装置。


背景技术：

2.随着无线通信技术的不断发展，移动通信系统与人类的关系越来越紧密。从第一代移动通信系统(1g)的研发，到现在几十年过去，移动通信系统已经进入了5g时代。5g的基本目标之一是大幅提高数据速率。虽然目前已经进入5g时代，但根据目前的国内标准，仍旧是使用以sub-6ghz为主体的微波通信，未能从根本上实现技术的革新。另外，主微波无线频谱已经变得非常有限，几乎没有未分配的可用于新兴的无线产品和服务的带宽。因此，为了增加带宽，在30ghz到300ghz之间的毫米波(mmwave)频谱被考虑用于未来的5g无线移动网络。早期有提出进行双频带基站的建设，这种方式可以扩充信道的容量，同时根据用户的需求不同，从而得到更充分的选择。目前，主流的通信频段就是sub-6ghz和mmwave频段。
3.如何建立sub-6ghz和mmwave双频下的通信模式是当前需要讨论的问题，为了达到很高的天线增益，一般会采用双极化的双频带模式，但使用两个天线(multiple input multiple ouput,mimo)阵列会过多的占用空间资源。因此，亟需一种高低频协作传输方法解决上述的技术问题。


技术实现要素：

4.为了解决上述的技术问题，本发明提供一种基于sub-6ghz低频信道的mmwave信道估计方法及装置。
5.根据本发明公开实施例的第一方面，提供一种基于sub-6ghz低频信道的mmwave信道估计方法，所述方法包括：
6.获取sub-6ghz波在信道中的第一基础角度信息，其中，所述第一基础角度信息包括sub-6ghz波在信道中的到达角和离开角；
7.根据预设角度和时延扩展偏差，对所述第一基础角度信息进行延拓，获取mmwave波在信道中的第二基础角度信息；
8.根据所述第二基础角度信息，确定所述mmwave波在信道中的到达角度和离开角度。
9.进一步的，所述根据预设角度和时延扩展偏差，对所述第一基础角度信息进行延拓，获取mmwave波在信道中的第二基础角度信息，包括：
10.根据sub-6ghz波的第一基础角度信息n
az
和预设角度
△
az
，按照(n
az
‑△
az
,n
az

△
az
)的关系对所述第一基础角度信息进行延拓；
11.根据时延扩展偏差εb对延拓后的第一基础角度信息进行补偿，获取mmwave波在信道中的第二基础角度信息n'
az
，其中，
12.n'
az
为第二基础角度信息，n
az
为第一基础角度信息，是指发射sub6g和mmwave的天线数/接收sub6g和mmwave的天线数，λs是sub6g波的波长，λm是mmwave波的波长。
13.进一步的，所述根据所述第二基础角度信息，确定所述mmwave波在信道中的到达角度和离开角度，包括：
14.所述到达角和离开角通过方位角和方向角表示为：a
rx
(φ,θ)＝(cosφsinθ,cosφcosθ,sinφ)
t
，其中φ表示方位角，θ表示方向角。
15.进一步的，所述方位角通过天线阵列矢量表示为：
16.其中，d＝λ2表示sub-6ghz波的波长，a
rx
(θ)表示天线阵列的方向矢量，表示接收天线的数量；
17.所述方向角通过天线阵列矢量表示为：
18.其中a
rx
(φ)为方向角的的天线阵列矢量。
19.根据本发明公开实施例的第二方面，提供一种基于sub-6ghz低频信道的mmwave信道估计装置，所述装置包括：
20.第一获取模块，获取sub-6ghz波在信道中的第一基础角度信息，其中，所述第一基础角度信息包括sub-6ghz波在信道中的到达角和离开角；
21.第二获取模块，与所述第一获取模块相连，根据预设角度和时延扩展偏差，对所述第一基础角度信息进行延拓，获取mmwave波在信道中的第二基础角度信息；
22.角度确定模块，与所述第二获取模块相连，根据所述第二基础角度信息，确定所述mmwave波在信道中的到达角度和离开角度。
23.进一步的，所述第二获取模块，包括：
24.延拓单元，根据sub-6ghz波的第一基础角度信息n
az
和预设角度
△
az
，按照(n
az
‑△
az
,n
az

△
az
)的关系对所述第一基础角度信息进行延拓；
25.获取单元，与所述延拓单元相连，根据时延扩展偏差εb对延拓后的第一基础角度信息进行补偿，获取mmwave波在信道中的第二基础角度信息n'
az
，其中，n'
az
为第二基础角度信息，n
az
为第一基础角度信息，是指发射sub6g和mmwave的天线数/接收sub6g和mmwave的天线数，λs是sub6g波的波长，λm是mmwave波的波长。
26.进一步的，所述角度确定模块，包括：
27.所述到达角和离开角通过方位角和方向角表示为：a
rx
(φ,θ)＝(cosφsinθ,cosφcosθ,sinφ)
t
，其中φ表示方位角，θ表示方向角。
28.进一步的，所述方位角通过天线阵列矢量表示为：
29.其中，d＝λ2表示sub-6ghz波的波长，a
rx
(θ)表示天线阵列的方向矢量，表示接收天线的数量；
30.所述方向角通过天线阵列矢量表示为：
31.其中a
rx
(φ)为方向角的的天线阵列矢量。
32.本发明提供的基于sub-6ghz低频信道的mmwave信道估计方法及装置，至少具有以下有益效果：
33.1)利用sub-6ghz和mmwave的空间相关性，以低成本的sub-6ghz去估计mmwave波束可以有效的降低毫米波波束训练的成本,并且在一定信噪比的情况下，基于码本的波束选择方法可以取得近似于穷举法的估计结果，在复杂度可控的条件下极大地提升系统的性能，同时有效的拓宽了毫米波的覆盖范围。
34.2)系统采用双频覆盖的模式，通过对点和面的分析，mmwave着力于解决小范围多用户、高速率热点爆发式通信问题，sub-6ghz实现大区制有效信号覆盖，保证原有覆盖范围下的通信可靠性，符合当前大多数实际场景需求。
35.3)系统采用双频通信协议连接，利用协调器可以实现双频段的智能切换，在保证可靠连接的基础上，会根据用户实际的吞吐量，自动调节所需信道类型，对终端的不同应用具有更好的灵活可变性，满足用户更为广泛的业务需求。
附图说明
36.为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是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它附图；
37.图1是根据一示例性实施例示出的一种基于sub-6ghz低频信道的mmwave信道估计方法的流程图；
38.图2是径时延对比路径图；
39.图3是时延扩展对比图；
40.图4是sub-6ghz和mmwave的pas关系图；
41.图5是sub-6ghz波束图；
42.图6是sub-6ghz波束恢复mmwave波束图；
43.图7是mmwave波束图；
44.图8是sub-6ghz和毫米波mimo的天线放置示意图；
45.图9是根据一示例性实施例示出的一种基于sub-6ghz低频信道的mmwave信道估计
装置的结构框图；
46.图10是根据图9示出的一种第二获取模块的结构框图。
具体实施方式
47.下面将结合本发明中的附图，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，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
48.图1是根据一示例性实施例示出的一种基于sub-6ghz低频信道的mmwave信道估计方法的流程图，如图1所示，该方法包括：
49.在步骤101中，获取sub-6ghz波在信道中的第一基础角度信息。
50.其中，第一基础角度信息为sub-6ghz波在信道中的到达角和离开角。
51.在介绍本发明公开实施例中的基于sub-6ghz低频信道的mmwave信道估计方法之前，首先对sub-6ghz和mmwave的时径延对比路径和时延扩展对比路径进行介绍。
52.图2显示了sub-6ghz和mmwave的径时延对比路径。一般来说，mimo信道的多样性主要是受到信道在时域中的的多径效应和空间域中发射和接收天线阵列的角度信息影响，而前者主要体现在多径时延响应问题，后者主要由空间功率谱(pas)信息决定。其中，由于mmwave存在较大的路径损耗，会采用大规模的mimo和波束赋形技术进行补偿。因此，会导致mmwave的相关参数信息更为集中。
53.具体的，图3显示了sub-6ghz和mmwave的时延扩展对比路径。就信道的多径时延扩展观察，信道多径大体呈多个集群分布，mmwave的路径较为集中并保持在较小的时延范围内，并且路径数目相对较少，这是因为它的波长非常小，从而产生的衍射也不是十分显著，即使出现了许多散射体，也只有少量拥有足够能量的路径来传递信息，从而也导致了mmwave信道的稀疏特性。并且本身由于衰减较大，路径能量主要集中于低时延的部分，同时会表现具有更多的独立分布，并且路径的相对时延小。而sub-6ghz由于其良好的散射、衍射特性本身具有更为广阔的时延分布，相对而言，路径之间分布更为散漫，同时随时延增长，路径幅度变化较慢。而从时延扩展来看，除了受环境影响外，在某些特殊位置下会由于受到物体的阻挡，导致mmwave产生急剧增大的时延外，总体和sub-6ghz保持相似的趋势，而且mmwave的时延扩展较小。
54.由上述图2和图3可以看出，虽然在中心频率不同的信道表面上相差很大，但仍然存在有一定的相关性，具体表现为以下特征：(1)信道特性随频率变化而变化，且随着距中心频率距离增加导致差异逐步增大；(2)后到达的多径信号之间具有更高的频率相关性；(3)受频率选择性影响，在某些路径成分上会出现在某个频段，另一个频段则会消失。因此，信号在时延上表现的多径效应特征同时也会影响在空间中的分布情况。
55.另外，图4至图7展示在城市室外街道的los环境下，sub-6ghz和mmwave的aoa的方位角pas关系，相比较而言，传输的主路径主要由路径直射和街道两边的建筑物反射构成的三个集群组成。其中红色为sub-6ghz的相关信息，蓝色为mmwave的相关信息，通过图4可以看出mmwave和sub-6ghz的角度信息,二者的pas基本一致。通过图5可以看出mmwave的信息一般都包含在sub-6ghz的波束中，可以通过sub-6ghz的信息粗略估计mmwave波束。图6展示
了根据二者分辨率的关系，在sub-6ghz波束中重建的mmwave波束。而图7则是实际mmwave的相关波束，可以看到受第二类特性影响，波束会有减少以及相对的偏差。因此，可以通过集群中相关径与独立径的关系，再根据二者不同时延衰减的特性，从sub-6ghz的时延路径中恢复出相应的mmwave信息，验证二者之间的互易性关系，从而通过本发明公开实施例中的方法基于sub-6ghz低频信道对mmwave信道估计。
56.图8为利用sub-6ghz和mmwave的互易性关系，在sub-6ghz波段与mmwave天线一体化射频前端架构条件下，设计的天线放置示意图。在频差不大的情况下，fdd系统的上行和下行信道的互易性已经得到证实，随着二者频差的扩大，就sub-6ghz和mmwave而言，二者频差很大，编码看似不相关联的二者信道，内部确实存在着确定性的规律。根据近几年研究成果表明，尤其是在信道的空间信息上，存在有明显的相似性。
57.在步骤102中，根据预设角度和时延扩展偏差，对第一基础角度信息进行延拓，获取mmwave波在信道中的第二基础角度信息。
58.具体的，根据sub-6ghz波的第一基础角度信息n
az
和预设角度
△
az
，按照(n
az
‑△
az
,n
az

△
az
)的关系对该第一基础角度信息进行延拓；根据时延扩展偏差εb对延拓后的第一基础角度信息进行补偿，获取mmwave波在信道中的第二基础角度信息n'
az
，其中，n'
az
为第二基础角度信息，n
az
为第一基础角度信息，是指发射sub6g和mmwave的天线数/接收sub6g和mmwave的天线数，λs是sub6g波的波长，λm是mmwave波的波长。
59.示例地，信号在时延上表现出的多径效应特征会影响到信号在空间中的分布，也就是说，信号的角度信息可以反映信道整体的空间分布情况，同时也会受到多晶时延的影响。本发明公开实施例中，通过sub-6ghz波的第一基础角度信息去估计mmwave波在信道中的第二基础角度信息，从而确定mmwave波在信道中到达角度(通过aoa表示)和离开角度(通过aod表示)。其中，sub-6ghz比mmwave的波长长，且mmwave使用大规模mimo阵列天线数量多，会使得mmwave的相位在原有sub-6ghz相位的基础上按天线数量之间的关系进行扩展，具有更高的分辨率，因此它们的功率谱(pas)关系具有一致性。
60.在步骤103中，根据第二基础角度信息，确定mmwave波在信道中的到达角度和离开角度。
61.其中，该到达角和离开角通过方位角和方向角表示为：a
rx
(φ,θ)＝(cosφsinθ,cosφcosθ,sinφ)
t
，其中φ表示方位角，θ表示方向角。
62.进一步的，该方位角通过天线阵列矢量表示为：
63.其中，d＝λ2表示sub-6ghz波的波长，a
rx
(θ)表示天线阵列的方向矢量，表示接收天线的数量；
64.方向角通过天线阵列矢量表示为：
65.其中a
rx
(φ)为方向角的的天线阵列矢量。
66.示例地，在城市室外街道的视在距离(los)环境下，sub-6ghz和mmwave传输的主路径主要由路径直射和街道两边的建筑物反射构成的三个集群组成。可以通过集群中相关径与独立径的关系，再根据二者不同时延衰减的特性，从sub-6ghz的时延路径中恢复出相应的mmwave信息，验证二者之间的互易性关系。
67.图9是根据一示例性实施例示出的一种基于sub-6ghz低频信道的mmwave信道估计装置的结构框图，如图9所示，该装置900包括：
68.第一获取模块910，获取sub-6ghz波在信道中的第一基础角度信息，其中，该第一基础角度信息包括sub-6ghz波在信道中的到达角和离开角；
69.第二获取模块920，与该第一获取模块910相连，根据预设角度和时延扩展偏差，对该第一基础角度信息进行延拓，获取mmwave波在信道中的第二基础角度信息；
70.角度确定模块930，与该第二获取模块920相连，根据该第二基础角度信息，确定该mmwave波在信道中的到达角度和离开角度。
71.图10是根据图9示出的一种第二获取模块的结构框图，如图10所示，该第二获取模块920，包括：
72.延拓单元921，根据sub-6ghz波的第一基础角度信息n
az
和预设角度
△
az
，按照(n
az
‑△
az
,n
az

△
az
)的关系对该第一基础角度信息进行延拓；
73.获取单元922，与该延拓单元921相连，根据时延扩展偏差εb对延拓后的第一基础角度信息进行补偿，获取mmwave波在信道中的第二基础角度信息n'
az
，其中，n'
az
为第二基础角度信息，n
az
为第一基础角度信息，是指发射sub6g和mmwave的天线数/接收sub6g和mmwave的天线数，λs是sub6g波的波长，λm是mmwave波的波长。
74.进一步的，该角度确定模块930，包括：
75.该到达角和离开角通过方位角和方向角表示为：a
rx
(φ,θ)＝(cosφsinθ,cosφcosθ,sinφ)
t
，其中φ表示方位角，θ表示方向角。
76.进一步的，该方位角通过天线阵列矢量表示为：
77.其中，d＝λ2表示sub-6ghz波的波长，a
rx
(θ)表示天线阵列的方向矢量，表示接收天线的数量；
78.该方向角通过天线阵列矢量表示为：
79.其中a
rx
(φ)为方向角的的天线阵
列矢量。
80.综上所述，本发明提供的基于sub-6ghz低频信道的mmwave信道估计方法及装置，至少具有以下有益效果：
81.1)利用sub-6ghz和mmwave的空间相关性，以低成本的sub-6ghz去估计mmwave波束可以有效的降低毫米波波束训练的成本,并且在一定信噪比的情况下，基于码本的波束选择方法可以取得近似于穷举法的估计结果，在复杂度可控的条件下极大地提升系统的性能，同时有效的拓宽了毫米波的覆盖范围。
82.2)系统采用双频覆盖的模式，通过对点和面的分析，mmwave着力于解决小范围多用户、高速率热点爆发式通信问题，sub-6ghz实现大区制有效信号覆盖，保证原有覆盖范围下的通信可靠性，符合当前大多数实际场景需求。
83.3)系统采用双频通信协议连接，利用协调器可以实现双频段的智能切换，在保证可靠连接的基础上，会根据用户实际的吞吐量，自动调节所需信道类型，对终端的不同应用具有更好的灵活可变性，满足用户更为广泛的业务需求。
84.以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
85.另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
86.此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。