CN102130731B - 一种高分辨率多径信道时延谱的测定方法 - Google Patents

Abstract

该发明属于利用传感器天线阵列对多径无线传播信道时延谱进行测定的方法。包括发射检测信号，接收机对收到检测信号的处理，设置带通滤波器及获得高、低频段频率信号，最后确定多径信道时延谱。该发明首先在发射机发射宽带检测信号，接收机根据设定信道时延谱测定精度的要求和经验值分别确定多径信道时延向量长度和稀疏度，并根据压缩传感方法确定测定多径信道时延谱所需测量样本数，然后针对整个宽带信号进行带通滤波处理、进而获得针对低频段和高频段对应的频率信号，最后根据凸优化处理方法得到多径信道时延谱。与背景技术相比该发明具有可利用较少观测样本对多径无线传播信道时延谱进行快速测定，效果好、分辨率高，测定的成本低等特点。

Description

一种高分辨率多径信道时延谱的测定方法

技术领域

本发明属于一种利用传感器天线阵列对来波信号的无线传播信道时延谱进行测定的方法，特别是一种涉及高分辨率的多径信道时延谱测定的优化处理技术。采用该方法可在较少观测样本的情况下、对其无线传播信道时延谱进行快速测定、并可获得较好的效果(高分辨率)并能够降低检测的成本。

背景技术

进入21世纪以来，无线通信和定位技术均得到极大的发展和广泛应用。第四代无线移动通信系统的目标是实现实时无缝的、更高频段和更大带宽的高质量、高速率的移动多媒体和数据业务传输。然而，无线信道的诸多物理特性，如带宽限制、传播损耗、时变特性、多径衰落等都严重影响着高速无线通信的可靠性。目前，第四代移动通信准备应用正交频分复用(OFDM)技术和多入多出(MIMO)技术。对无线信道特征的掌握和了解，信道估计的准确、及时，将直接影响这些新技术的应用和发挥，直接影响通信容量和通信质量。因此，无线信道的准确检测显得非常重要。

目前人们对无线信道的研究和利用，基本上还停留在第一代和第二代移动通信系统研究开发时的水平。传统的线性估计方法中，通过重构训练信号来准确地估计无线信道响应。其重构训练信号采用的性能评价函数大多采用最小二乘、最小均方误差等。传统的线性估计方法已经达到了线性最优，但随着无线移动通信技术和系统的发展，移动通信要求更高的数据率和更可靠的通信保证；对无线信道估计和预测提出了快速实时处理的新要求。近年出现的基于训练序列的估计方法，不用先验信息的盲估计方法和利用部分先验信息的半盲估计方法均是为了实现快速、实时估计(检测)信道响应的目的。而在实际应用中，这些方法远远不能满足准确估计信道响应的要求。

相比窄带信号，宽带信号具有更高的通信容量和时延分辨率，因此在无线通信和定位等系统中比较常见，且无线信道常常表现为明显的稀疏特性。在多径稀疏信道理想情况下，上述无线系统可以描述为线性时不变系统，其脉冲响应仅由几个主要的回波脉冲组成，每个脉冲响应对应发射信号到达接收机的一个信道响应。稀疏信道模型在室内无线传播环境中最常见，而稀疏信道估计方法利用信道脉冲响应的稀疏特性，常见的方法包括基于L1范数最小化的凸优化方法和基于迭代的贪婪方法。相对于贪婪方法、凸优化方法精度更高，但相应地计算处理量大、复杂度亦高。另外，目前无线系统需要的高分辨率信号，对应的信道则是大带宽，而针对宽带信道信号采样将得到大量数据，因而需要更多的存储单元和更长的信号处理时间，特别是在采用凸优化技术处理时尤其如此，从而大大影响了无线系统的实时性。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，研究一种高分辨率多径信道时延谱的测定方法，以达到在降低对设备和观测样本个数要求的同时，对无线信道脉冲响应进行快速、准确测定，并提高检测精度、简化处理流程、降低运行成本等目的。

本发明的解决方案是首先在拟进行无线通信的区域内设置发射机和接收机，发射机首先发射检测信号。接收机收到检测信号后将其解调成基带信号、并进行模/数变换，再对变换后的数字信号进行傅立叶变换处理、以得到频率信号；根据设定信道时延谱测定精度的要求和经验值分别确定多径信道时延谱相应的向量长度和稀疏度，同时根据压缩传感方法及多径信道时延谱向量长度和稀疏度确定测定多径信道时延谱所需的样本数；然后根据高频段和低频段两端处的带宽(即为测量样本数的一半)，针对整个宽带信号进行带通滤波处理，进而获得对应高频段和低频段处的测量数据；然后利用凸优化处理方法得到该多径信道时延谱(幅度)。因此本发明方法包括：

步骤A.发射检测信号：在拟定的无线通信区域设置发射机和接收机，并在发射机发射宽带检测信号；

步骤B.接收机对收到检测信号的处理：将接收机接收到的检测信号解调成基带信号，并对基带信号进行模/数变换后，再经傅立叶变换处理、得频率信号；

步骤C.设置带通滤波器及获得高、低频段频率信号：根据设定信道时延谱检测精度的要求确定信道多径时延谱向量的长度、同时根据无线通信实际运行的经验值确定多径信道时延谱向量的稀疏度；然后根据压缩传感方法确定检测信道多径时延谱所需最少的测量样本数；并根据所需最少测量样本数的一半分别确定整个宽带信号中所需低频段和高频段两端的带宽，再根据所得低频段和高频段的带宽对应分别设置两个带通滤波器，然后对整个宽带信号进行带通滤波处理、获得与该低频段和高频段对应的频率信号；

步骤D.确定多径信道时延谱：将经步骤C获得的频率信号，通过凸优化方法处理以确定当前无线通信系统对应的多径信道时延谱向量，所得时延谱向量中各元素幅度值即为当前无线通信系统对应的多径信道时延谱。

所述发射机发射宽带检测信号为：

$s\left(t\right)=\frac{1}{A}d\left(t\right)$

其中：t＝1，2，L，T；

t为发射机发射信号的持续时间；

即d(t)的绝对值的最大值；

f_ω为训练信号的第ω个线谱的频点；

W为训练信号包含线谱的个数；

φ_ω为训练信号的第ω个线谱的随机初相，在[0，2π)范围内服从独立的均匀分布。

所述接收机接收到的信号为：

$r\left(t\right)=s\left(t\right)\⊗h\left(t\right)+v\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{k}s(t-{\mathrm{\τ}}_k)+v\left(t\right)$

其中，K为信号的多径数目；α_k为对应第k条传播路径的衰落因子；τ_k为对应第k条传播路径的相对时延；

表示卷积运算；s(t)和v(t)分别为训练信号和加性高斯噪声；h(t)为无线信道响应函数，反映了接收端与发射端之间的无线信道传播效应。

所述经傅立叶变换处理后、所得频率信号为：

R(f)＝H(f)S(f)+V(f)，f＝f₁，...，f_W

其中：R(f)，H(f)，S(f)，V(f)和分别为时域接收信号r(t)、无线信道响应函数h(t)、检测信号s(t)和噪声v(t)对应的傅立叶变换。

所述根据压缩传感方法确定检测多径信道时延谱所需最少的测量样本数为：

M＝CKlogQ

其中，C为满足实际性能要求的常数；Q为设定稀疏多径信道时延向量长度；K为多径信道时延向量稀疏度，即由经验信息获得的多径信道时延向量中的非零元素个数；

所述根据所需最少测量样本数的一半分别确定整个宽带信号中所需低频段[f_L1，...，f_L2]和高频段[f_H1，...，f_H2]两端的带宽分别为M/2(MHz)；其中，f_L1＝f₁和f_H2＝F_W分别表示宽带信号的最低频率点和最高频率点。

所述在步骤D中，采用凸优化方法处理以确定当前无线通信系统对应的多径信道时延向量，即凸优化方法处理是在满足：

‖y-Fα‖₂≤ε

的情况下，使‖α‖₁最小；其中，M×Q维矩阵F＝[F₁，F₂，...，F_M]^T的每一行分别为同一频率点、所有不同传播时延的傅立叶变换：

f为高低频段中的频率点；为带通滤波器器处理后获得的一组频域数据，[g]^T代表向量或矩阵的转置，向量的1-范数‖·‖₁等于向量中各个元素的绝对值之和，向量的2-范数‖·‖₂等于向量所有元素平方和的开方值，ε为按时延谱测定精度要求设定的值(正数)，α＝[α₁，α₂，...，α_Q]^T为所测的当前无线通信系统对应的多径信道时延向量。

本发明由于首先在发射机发射宽带检测信号，并根据设定信道时延谱测定精度的要求和经验值分别对应确定多径信道时延向量长度和稀疏度，同时根据压缩传感方法确定测定多径信道时延谱所需的测量样本数。根据所需高频段和低频段两端处的带宽(即为测量样本数的一半)，针对整个宽带信号进行带通滤波处理，进而获得针对低频段和高频段对应的频率信号。最后根据凸优化处理方法得到多径信道时延谱。本发明可以实现基于欠采样得到的小样本实现宽带信号大通信容量、高分辨率的快速稀疏多径信道时延的测定。因而与背景技术相比本发明具有可以利用较少观测样本对多径无线传播信道时延谱进行快速测定，效果好、分辨率高，测定的成本低等特点。

附图说明

图1.为本发明方法流程示意图(方框图)；

图2.为在相同多径传播环境下真实多径信道时延谱、以及本发明实施方式与传统方法所得多径信道时延谱的分辨率对比示意图(坐标图)；图中：圆圈标注为真实多径信道的分辨率，星号标注为本实施方式的分辨率，加号为传统方法的分辨率；

图3.为本实施方式多径信道时延谱测定方法与传统多径信道时延谱测定方法的均方根误差累计概率分布对比示意图(坐标图)；图中：虚线标注为采用本实施方式所得分布曲线，实线标注为采用传统方法所得分布曲线。

具体实施方式

以收发天线相距35米，针对201-500MHz宽带信号进行室内稀疏多径信道时延测定为例：

步骤A.发射检测信号：

发射机发射训练信号为：

$s\left(t\right)=\frac{1}{A}d\left(t\right),$

其中：t＝1，2，L，256；

表示由300个线谱合成的信号，300个频点值为：201、202、203、...、500；

步骤B.接收机对收到检测信号的处理：

利用常规解调方法将接收信号解调成基带信号、并进行模数变换，则数字基带信号为：

$r\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{k}s(t-{\mathrm{\τ}}_k)+v\left(t\right)$

其中，K为多径信道时延谱稀疏度；

针对接收的数字基带信号通过：

R(f)＝H(f)S(f)+V(f)，f＝201，202...，500(MHz)

进行傅立叶变换处理；本实施方式对所得频率信号进一步进行忽略噪声影响处理得到，

$\frac{R\left(f\right)}{S\left(f\right)}=\left[\begin{array}{cccc}{e}^{-j2\mathrm{\πf}{\mathrm{\τ}}_1}& e^{-j2\mathrm{\πf}{\mathrm{\τ}}_2}& L& e^{-j2\mathrm{\π}{\mathrm{f\τ}}_5}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_1\\ {\mathrm{\α}}_2\\ M\\ {\mathrm{\α}}_5\end{array}\right],f=\mathrm{201,202}...,500\left(\mathrm{MHz}\right);$

步骤C.设置带通滤波器及获得高、低频段频率信号：

根据设定多径信道时延谱测定精度的要求确定多径信道时延谱向量长度Q＝300，同时根据无线通信实际环境的经验实测值确定多径信道时延谱向量稀疏度K＝5；则根据压缩传感方法可获得所需的最少测量样本数为：

M＝1.05KlogQ≈30

根据测定多径信道时延谱所需最少测量样本数M＝30，分别确定宽带信号中所需低频和高频两端的带宽M/2＝15MHz，并根据所需低频段和高频段的带宽15MHz对应设置两个带通滤波器，即对应低频段[f₁，...，f₁₅]和高频段[f₂₈₅，...，f₃₀₀]设置两个带通滤波器，以此获得高、低频段频率信号；

步骤D.确定多径信道时延谱：

采用凸优化方法确定无线通信系统对应的多径信道时延谱廓向量参数，即通过

即通过在满足‖Y-Fα‖₂≤0.3191的情况下，使‖α‖₁最小进行优化处理，其中：

Y＝[1.0895+0.6895*j，-0.4395-0.9020*j，0.3764+1.3810*j，...，-0.6372+1.0481*j，0.6997

-1.0024*j，-1.4116+0.3564*j]^T，

$F=\left[\begin{array}{cccccc}1& 1& 1& 1& L& 1\\ 1& 0.9998-0.0209*j& 0.9991-0.0419*j& 0.9980-0.0628*j& L& 0.9998+0.0209*j\\ 1& 0.9991-0.0419*j& 0.9965-0.0837*j& 0.9921-0.1253*j& M& 0.9991+0.0419*j\\ M& M& O& O& O& M\\ 1& 0.9998+0.0209*j& 0.9991+0.0419*j& 0.9980+0.0628*j& L& 0.9998-0.0209*j\end{array}\right]$

及

即得信道时延谱向量α，该信道时延谱向量中的各元素幅度值：

|α|＝[0，...，0，0.1415，0，...，0，0.2952，0，...，0，0.5211，0，...，0，0.7656，0，...，0，0.1918，0，...，0]^T，即为所测当前无线通信系统对应的多径信道时延谱。

为了验证本发明的有效性，将本实施方式与传统技术进行性能比较。实测结果表明，在信道多径数(即信道多径时延谱向量稀疏度)为5，较高信噪比的情况下，本实施方式仅利用30个样本数，较传统多径信道时延谱估计方法所需的样本数减少了90％；且时间分辨率由1/15提高到1/300。

Claims (7)

1.一种高分辨率多径信道时延谱的测定方法，包括： 

步骤A.发射检测信号：在拟定的无线通信区域设置发射机和接收机，并在发射机发射宽带检测信号； 

步骤B.接收机对收到检测信号的处理：将接收机接收到的检测信号解调成基带信号，并对基带信号进行模/数变换后，再经傅立叶变换处理、得频率信号； 

步骤C.设置带通滤波器及获得高、低频段频率信号：根据设定信道时延谱检测精度的要求确定信道多径时延谱向量的长度、同时根据无线通信实际运行的经验值确定多径信道时延谱向量的稀疏度；然后根据压缩传感方法确定检测信道多径时延谱所需最少的测量样本数；并根据所需最少测量样本数的一半分别确定整个宽带信号中所需低频段和高频段两端的带宽，再根据所得低频段和高频段对应设置两个带通滤波器，然后对整个宽带信号进行带通滤波处理、获得与该低频段和高频段对应的频率信号； 

步骤D.确定多径信道时延谱：将经步骤C获得的频率信号，通过凸优化方法处理以确定当前无线通信系统对应的多径信道时延谱向量，所得时延谱向量中各元素幅度值即为当前无线通信系统对应的多径信道时延谱。 

2.按权利要求1所述高分辨率多径信道时延谱的测定方法，其特征在于所述发射机发射宽带检测信号为： 

其中：t=1,2,…,T；

t为发射机发射信号的持续时间； 

即d(t)的绝对值的最大值； 

f_ω为训练信号的第ω个线谱的频点； 

W为训练信号包含线谱的个数； 

φ_ω为训练信号的第ω个线谱的随机初相，在[0,2π)范围内服从独立的均匀分布。 

3.按权利要求1所述高分辨率多径信道时延谱的测定方法，其特征在于所述接收机接收到的信号为： 

其中，K为信号的多径数目；α_k为对应第k条传播路径的衰落因子；τ_k为对应第k条传播路径的相对时延；

表示卷积运算；s(t)和v(t)分别为训练信号和加性高斯噪声；h(t)为无线信道响应函数，反映了接收端与发射端之间的无线信道传播效应。 

4.按权利要求1所述高分辨率多径信道时延谱的测定方法，其特征在于所述经傅立叶变 

换处理后、所得频率信号为： 

R(f)=H(f)S(f)+V(f),f=f₁,...,f_W

其中：R(f)，H(f)，S(f)，V(f)和分别为时域接收信号r(t)、无线信道响应函数h(t)、检测信号s(t)和噪声v(t)对应的傅立叶变换。 

5.按权利要求1所述高分辨率多径信道时延谱的测定方法，其特征在于所述根据压缩传感方法确定检测多径信道时延谱所需最少的测量样本数为： 

M=CKlogQ 

其中：C为满足实际性能要求的常数；Q为设定稀疏多径信道时延向量长度；K为多径信道时延向量稀疏度，即由经验信息获得的多径信道时延向量中的非零元素个数。 

6.按权利要求1所述高分辨率多径信道时延谱的测定方法，其特征在于所述根据所需最少测量样本数的一半分别确定整个宽带信号中所需低频段[f_L1,...,f_L2]和高频段[f_H1,...,f_H2]两端的带宽分别为M/2（MHz）；其中，f_L1=f₁和f_H2=f_W分别表示宽带信号的最低频率点和最高频率点，M为所需最少的测量样本数。 

7.按权利要求1所述高分辨率多径信道时延谱的测定方法，其特征在于所述在步骤D中采用凸优化方法处理是在满足： 

||y-Fα||₂≤ε 

的情况下，使||α||₁最小；其中，M×Q维矩阵F=[F₁,F₂,...,F_M]^T的每一行分别为同一频率点、所有不同传播时延的傅立叶变换：

f为高低频段中的频率点；

为带通滤波器器处理后获得的一组频域数据，[·]^T代表向量或矩阵的转置，向量的1-范数||·||₁等于向量中各个元素的绝对值之和，向量的2-范数||·||₂等于向量所有元素平方和的开方值，ε为按时延谱测定精度要求设定的值，α=[α₁,α₂,...,α_Q]^T为所测的当前无线通信系统对应的多径信道时延向量。 

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