MIMO信道估计中的码本
在MIMO信道估计等问题中, 往往需要使用码本, 而最常用的就是DFT码本。 本文介绍了为何DFT码本可以如此适用于作为信道估计的码本。首先会从ULA 阵列天线入手, 然后拓展到UPA 平面天线。
1 DFT矩阵
离散变换(DFT)可以写为:
(1)
X [ k ] 代表的是频域第 k个频点的值(响应),x[n] 是时域的第 n个信号, N是总采样数。
我们可以有下式的DFT矩阵F:
(2)
由(1)可知:
简而言之, 对时域信号左乘DFT矩阵, 即可得到频域信号。
注意: F是正交矩阵,这个可以通过等比数列求和公式得到。
2 ULA的响应向量
对于共N个天线, 天线间隔为半波长的阵列, 其响应向量可以表示为:
响应向量为 入射角度 ϕ 的函数
3 DFT 码本
那么, 我们可以把 N个不同入射角度对应的响应向量合写在一个矩阵中, 如下:
(3)
如果我们令 那么比较(2) 和 (3), 可知A=F.但需要注意: sin ( ϕ ) ∈ [-1, 1] 所以有些值是取不到的。 同时也有: 因此,我们应该令,
此时 A = F 仍成立。 同时, 我们可以倒推出所有
这里,A 就是基于 DFT矩阵得到的 DFT码本。A 的每一列代表了一个入射角度的对应天线响应。 其最大的特点是, 每一个入射角度的天线响应之间互相正交(DFT矩阵的性质)。码本覆盖了空间0~180度的范围(对应sin值从-1到1),分辨力(最小间隔)为:
简单总结一下:DFT码本相当于将0-180度的空间, 对应到sin值-1到1的空间。 再将-1到1按等间隔划分N个码字, 即可得到正交的码本。 当然,由于三角函数的性质, 对cos值这样划分也有类似的结论。
4 使用码本画出空间方向图
通过上面的分析, 我们知道, 其实想生成一个正交码本的核心在于相邻码字间的sin值间隔为2/N即可, 不要求从哪个开始,哪个结束。 因此我们可以把A中的列按从sin值-1到1从小到大排序如下, 此时A仍是正交矩阵:
N = 64;
% columns
t = -1 : 2 / N : (N-1) / N;
% rows
g = 0 :(N-1);
A = exp(1j * pi * g' * t);
这里t中就不会出现超过-1或1的情况, 且对应的弧度制是从小到大顺序排列的, 这样的A 更合适。假设我们的波束成形(不管是发送或是接收)向量为其对应的空间方向图(在空间每个角度上的能量响应)可以表示为:
5 UPA天线响应
除了ULA, 实际中平面天线阵列(UPA)的应用更为广泛。 UPA的天线响应则与两个参数相关: 入射水平角 θ和仰角 ϕ. UPA的响应公式可以表示为:
P 和 Q 代表了UPA共有P行,Q列天线。 对应的UPA建模如图:
图中, 我们以中心的接收端UPA的左下角的天线作为第一行第一列元素。 θ发送UPA(图中右下角的小UPA)投影到xy平面后与x轴的夹角, ϕ是与z轴负半轴的夹角。
简单理解这个响应公式:由于相位与距离成反比。 那么p行的天线相对于第一行的天线, 与发射UPA的距离是增加的, 那么相位就是减小的。 如果第一行第一列天线的相位我们归一化为1作为初始相位, 那么第p行天线的相位就是一个负值。 而信道H通常被我们写为就是我们想求的UPA天线响应。 但是对于不同的建模方式, 如, 以左上角第一个元素为第一行第一列进行建模, 那么结果就不一样了。 包括对θ和 ϕ 的不同定义,也会使最后的建模结果有所不同。但万变不离齐总,核心都是基于相位与距离成反比这一点上。
二维DFT
二维DFT的公式如下:
(5)
其中 u = 0 , … , M − 1 ,v=0,…,N−1.
令
可将其列化为g=vec(G). 同时也可将F列化为f, 那么存在二维DFT矩阵T, 使得 f = Tg。根据(5)式, 可以得到T的第k行第j列的元素如下:(k对应于f的第k个元素, 也就是F的第u行第v列,即第j列对应于g的第j个元素, 也就是G的第x行第y列,
T矩阵有两个性质:
第k行和第k列完全相等。
列与列,行与行之间均正交。
而第二个性质, 就是我们用来设计正交码本的思路:
二维DFT对应的UPA码本
回顾一下两个式子, 二维DFT矩阵T:
UPA的响应式子:
通过变量代换,可以有:
通过改变x,y的值, 我们就可以得到多个对应不同θ 和ϕ的码字, 且互相之间是正交的。 同样的, 我们有
加一个2保证使其在[-1,1]范围内。
假设我们现在有波束成形矩阵W,想获取其在各个角度上的响应, 只需要计算:
代表了第k个码字(方向)上的响应, 可通过k算出其对应的x和y值。如,k = 2就代表x = 2 , y = 0 (所有数从0开始计算)。
那么:
需要注意的是, 在求θ的时候, 某个码字有一定概率是不对应一个有意义的θ 。因为时, θ是没有意义的。 但为了正交性, 我们没有舍弃这些无意义的码字。
矩阵的列,只要保证间隔分别是2/M和1/N。
事实上, 我们的目的只是为了设计出的码字能尽量均匀地分割整个角度空间, 并彼此之间互相正交。 而类似DFT的形式, 可以做到这一点。 这一节我们脱离DFT, 仅从ULA, UPA的天线响应本身, 来设计正交的码本。
参考:
混合波束成形| MIMO系统的DFT码本_B417科研笔记的博客-CSDN博客_dft码本
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