CN103308883B - 一种基于单天线的到达角估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单天线的到达角估计方法，属于通信领域，该方法包括：在选定的目标范围内选取位于一条直线上的N个测量点，相邻测量点的间隔不大于载波波长的一半，利用单天线信道探测系统对N个测量点进行信道探测，获取各测量点的信道时域冲击响应和对应的接收增益；对信道时域冲击响应根据接收增益进行调整，并根据调整后的信道时域冲击响应在空间域做傅里叶变换，计算出多普勒扩展谱；从多普勒扩展谱中提取有效路径，获得有效路径对应的多普勒频移，再根据多普勒频移计算出相应的到达角。该方法的硬件成本及实现复杂度低，不仅适用于轨道交通环境下，也同样适用于其他无线通信、无线定位场景。

Description

一种基于单天线的到达角估计方法

技术领域

本发明属于通信领域，具体涉及无线信道探测与建模、宽带无线移动通信、定向（Direction Finding）等技术领域，尤其涉及一种基于单天线的到达角估计方法。

背景技术

无线信道特性是设计无线通信系统、无线定位系统的基础。而在无线信道特性参数中，到达角（AOA）是其中很重要的一项，它直接反映了无线信道的空域特性，对于分析信道多普勒扩展、空间相关性以及进行多天线系统设计都有十分重要的意义。现代轨道交通以其运量大、速度快、安全、准点、保护环境、节约能源和用地等特点，在我国及全世界范围内获得了长足发展。中国已经拥有世界上最大规模以及最高运营速度的高速铁路网，而且正在兴建和即将兴建的高速铁路客运专线和城际铁路里程达到17,000公里。同时，预计到2015年，中国城市轨道交通线路将达到87条，运营总里程将超过2500公里。为传递轨道交通安全控制信息（如视频监控）和各种传感信息，以及为乘客提供语音及数据通信服务，迫切需要发展面向轨道交通的宽带无线通信系统，最终实现轨道交通的信息化和智能化。由于轨道交通环境的特殊性，比如高铁的快速移动性、沿途穿越高架桥和隧道等各种环境，而地铁列车多在隧道中运行，这些都与传统的民用蜂窝移动通信环境有显著差别，需要进行无线信道实际测量及建模分析。

目前，信号到达角的估计多是基于多天线系统，即采用天线阵发射或接收探测信号，然后利用复杂的信号处理算法（例如MUSIC算法和ESPRIT算法），估计出信号的到达角。这种方法不仅需要使用多根天线、多个射频模块，而且所采用的信号处理算法的计算复杂度也较高。

发明内容

本发明要解决的主要技术问题是如何利用单根天线和复杂度较低的信号处理算法获得无线信号（或干扰信号）的到达角（Angle of Arrival,“AOA”）信息。为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于单天线的到达角估计方法，该方法尤其适于在轨道交通环境下（如高速铁路、普通铁路、地铁、城际铁路等）应用。

本发明采用的技术方案是：一种基于单天线的到达角估计方法，包括：

步骤S1：在选定的目标范围内选取位于一条直线上的N个测量点，相邻测量点的间隔不大于载波波长的一半，N不小于16；

步骤S2：利用单天线信道探测系统对选取的N个测量点进行信道探测，获取各测量点的信道时域冲击响应和对应的接收增益；

步骤S3：对所述信道时域冲击响应根据所述接收增益进行调整，并根据调整后的信道时域冲击响应，在空间域做傅里叶变换，计算出多普勒扩展谱；

步骤S4：从所述多普勒扩展谱中提取有效路径，获得有效路径对应的多普勒频移，再根据多普勒频移计算出相应的到达角。

所述单天线信道探测系统包括信号发生器、发射天线、接收机和接收天线。

所述单天线信道探测系统为基于多载波的单天线信道探测系统，步骤S2所述进行信道探测具体为：获得频域信道传输函数：其中，Y(t_n,f)是在每个时间t_n接收到的频域探测信号，X(f)是发送的频域探测信号；对所述频域信道传输函数H(t_n,f)做傅里叶反变换，获得各个测量点的信道时域冲击响应h(t_n,τ)，h(t_n,τ)=F^-1(H(t_n,f)),并利用所述基于多载波的单天线信道探测系统读取接收增益参数G(t_n)。

所述步骤S3具体为：选定一个接收增益作为参考G₀，对所述信道时域冲击响应进行调整，调整后的信道时域冲击响应为h′(t_n,τ)=h(t_n,τ)/[G(t_n)/G₀]；对经过调整后的各个信道时域冲击响应h’(t_n,τ)按照测量点的位置先后组成一个序列，其中时延τ的取值范围为[0,τ_max]，对每一个时延τ₀∈[0,τ_max]，都对应时域中N个测量点的信道时域冲击响应值h’(t₁,τ₀),h’(t₂,τ₀),......，h’(t_N,τ₀)，对每个时延点对应的空间N个信道时域冲击响应值做傅里叶变换，即： 其中，k,p分别为离散化的多普勒频移和时延，且h(n，p)=h′(nT_s,pτ_R)，其中T_s为空间采样时间，τ_R为探测系统最小时延分辨力，计算出多普勒扩展谱为||s(k,p)||²。

所述步骤S4中从所述多普勒扩展谱中提取有效路径具体为：确定的噪底记为NF,设置的有效路径检测门限为记为TH，所述多普勒扩展谱记为P，则有效多普勒扩展谱P_valid为：

在所述有效多普勒扩展谱P_valid的非空值部分执行有效路径检测提取得到有效路径。

所述噪底是采用动态噪底的计算方法确定的。所述有效路径检测采用二维峰值检测方法。

所述获得的有效路径对应的多普勒频移为f_d，所述根据多普勒频移计算出相应的到达角具体为：根据f_d=f_Dcosθ计算得到到达角其中θ定义为来波方向的反方向与收发信机相对移动速度所在方向的夹角，f_D为最大多普勒频移。

本发明的优点如下：本发明提出了一种硬件配置与处理算法相对简单的、基于单根天线的到达角估计方法。基于单天线系统的到达角估计方法的硬件成本及实现复杂度要远远低于基于多天线系统的到达角估计方法。该方法不仅适用于轨道交通环境下，也同样适用于其他无线通信、无线定位场景。

本发明提出的方法还具有以下优点：

1）收发系统只需单根天线及单个射频模块，与基于多天线系统的到达角测量与估计方法相比，硬件要简单得多，成本大大下降；

2）利用无线信道空间变化特性，通过傅里叶变换，获得其多普勒域特性，进而可以分析到达角等空间域特性；

3）接收端无需复杂的信号处理算法，主要进行傅里叶变换，这是数字信号处理器十分擅长的，运行速度快，效率高；

4）通过对接收探测信号处理，可以同时获得无线信道时延域和空间域特性，并直观显示，便于进一步分析。

附图说明

图1本发明提出的一种基于单天线的到达角估计方法示意图；

图2是本发明实施例选取的接收点分布示意图；

图3是本发明实施例采用的单天线信道探测系统示意图；

图4是本发明实施例中地铁隧道无线信道功率时延谱示例；

图5是本发明实施例中地铁隧道无线信道多普勒扩展谱示例；

图6是本发明实施例的到达角定义示意图。

具体实施例

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

基于本发明所提出的方法，在一种基于多载波的信道探测系统中，利用单天线首先获得了信道到达角的余弦，然后进一步获得到达角，将在下面进一步阐述。上面已经指出，

本发明提出了一种基于单天线的到达角估计方法，如图1所示，包括：

步骤S1：在选定的目标接收范围内选取位于一条直线上的N个测量点，相邻测量点的间隔不大于载波波长的一半；优选的，N的取值不小于16；

步骤S2：利用单天线信道探测系统对选取的N个测量点进行信道探测，获取各测量点的信道时域冲击响应和对应的接收增益；

步骤S3：对所述信道时域冲击响应根据所述接收增益进行调整，并根据调整后的信道时域冲击响应，在空间域做傅里叶变换，计算出多普勒扩展谱；

步骤S4：从所述多普勒扩展谱中提取有效路径，获得有效路径对应的多普勒频移，再根据多普勒频移计算出相应的到达角。

为了对本分明有充分的理解，下面结合图2至图6，利用地铁隧道无线信道探测与建模示例，对本发明具体实施方式进行详细阐述。其中，在第一步需选取测量点，测量点可以为一系列接收点或发射点，为简便起见，下面只介绍测量点为接收点的情况。测量点为发射点时，原理及实施方式相同。

第1步：选取接收点；

在选定的目标接收范围内选取位于一条直线上的N个接收点，相邻接收点的间隔不大于载波波长的一半，具体如下：

在选定的目标接收范围内，沿某条直线，每隔一定距离选取一个接收点，如图2所示，选取的接收点依次为1、2、3……N，其中，优选的N不小于16，例如N=32；接收点的间隔首先应满足空间采样定理，即

其中，fs为空间采样频率，f_D为最大多普勒频移，v为收发信机相对移动速度，λ为载波波长。

因此，空间采样间隔为即空间采样间隔小于半波长，此时相邻两点的信道具有较强的相关性。例如，载波频率为5GHz时，波长为λ空间采样间隔小，则空间采样间隔至少为3cm。在图4中，所用载波中心频率为5.6GHz，其“测量点序号”轴相邻测量点之间的间隔为1.5cm。

第2步：进行无线信道探测获取信道时域冲击响应；

利用单天线信道探测系统对第1步选取的各接收点进行信道探测，获取各接收点与发射点之间的信道时域冲击响应和对应的接收机接收增益，具体如下：

本实施例中采用的单天线信道探测系统如图3所示，是在轨道交通环境下进行无线信道探测的示例，该单天线信道探测系统包括信号发生器、发射天线、接收机和接收天线。

本实施例中，具体是利用基于多载波的单天线信道探测系统，首先获得频域信道传输函数：

$H(t_n,f)=\frac{Y(t_n,f)}{X\left(f\right)}$

其中，Y(t_n,f)是在每个时间t_n接收到的频域探测信号，由于收发信机之间的相对移动，使得信道特性发生变化，因此接收机在不同位置（对应不同的时间）对应的接收信号有区别；而X(f)是发送的频域探测信号，其不随时间改变，为固定信号。

需要指出的是，本实施例是以基于多载波的信道探测系统作为一个实例介绍，而本发明是只要针对单天线的信道探测系统都适用，具有通用性，适用于基于不同工作原理的各类信道探测系统，如基于脉冲信号探测、基于PN码扩频探测等。

然后，对频域信道传输函数H(t_n,f)做傅里叶反变换，获得各个位置的信道时域冲击响应h(t_n,τ)，h(t_niz)=F^-1(H(t_n,f)),由于不同位置的接收信号强度可能会有区别，一般接收机需要根据接收信号强度调整接收增益，在实施例中利用的基于多载波的信道探测系统可以读取接收增益参数，设为G(t_n)。

第3步：由信道时域冲击响应获得多普勒扩展谱；

对第2步的信道时域冲击响应根据接收增益调整，并根据调整后的信道时域冲击响应计算出多普勒扩展谱，具体如下：

首先，将第2步获取的各接收点的信道时域冲击响应根据接收增益进行调整，使得其绝对数值具有可比性。具体的：选定一个接收增益作为参考G₀（如选取各接收点对应的接收增益中的最小值作为参考G₀），则调整后的信道时域冲击响应为h′(t_n，τ)=h(t_n，τ)/[G(t_n)/G₀];

然后，对经过调整后的各个接收点的信道时域冲击响应h’(t_n,τ)按照位置先后组成一个序列。需要注意的是，在每个接收点的信道时域信道冲击响应h’(t_n,τ)中，时延τ的取值范围为[0,τ_max]，因此在时延域中，对每一个时延τ₀∈[0,τ_max]，都对应时域中N个接收点的信道时域冲击响应值h’(t₁,τ₀),h’(t₂,τ₀),......，h’(t_N,τ₀)。

图4为本实施例地铁隧道无线信道实际测量获得的功率时延谱（||h’(t,τ)||²）结果，如前所述，载波频率为5.6GHz，接收点间隔为1.5cm，小于半波长，共32点，即N=32。在每个接收点，均可根据第2步阐释的方法获得对应的信道时域冲击响应。

理论上，对信道时域冲击响应在空间域做傅里叶变换，即得到多普勒扩展函数：

$s(f_d,\mathrm{\τ})={\∫}_{-\∞}^{\∞}{h}^{\′}(t,\mathrm{\τ})e^{-j2\mathrm{\π}{f}_{d}t}\mathrm{dt}$

其中，f_d为多普勒频移。

实际探测系统中，接收端采用数字信号处理的方法，且接收点数量有限，因此，信道时域冲击响应在空间域和时延域都是离散的，即t_n=nT_s,τ=pτ_R，h(n，p)=h′(nT_s，pτ_R)，其中T_s为空间采样时间，τ_R为探测系统最小时延分辨力。

实施例中，是对每个时延点对应的空间N点信道时域冲击响应值做傅里叶变换，即：

$s(k,p)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}h(n,p)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{nk}}$

其中，k,p分别为离散化的多普勒频移和时延。如图5所示为多普勒扩展谱||s(k,p)||²，其中多普勒频移分量f_d已经对最大多普勒频移f_D做了归一化。

第4步：提取到达角。

从多普勒扩展谱中提取有效路径，获得有效路径对应的多普勒频移，根据多普勒频移计算出相应的到达角，具体如下：

由第3步可以获得多普勒扩展谱||s(k,p)||²，如图5所示，在其中提取出有效路径，并获得有效路径对应的多普勒频移，具体步骤为：

首先确定噪底（noise floor），并设定有效路径检测门限。在多普勒扩展谱中，只有高于噪底的部分才认为是有效部分，实施例中采用动态噪底的计算方法：第1步，将多普勒扩展谱中所有样点值从小到大排列，从排列后的所有样点值中选取出25%的最小样点值；第2步，将第1步选出来的样点值的最大的25%和最小的25%两部分样点值去掉，剩余的样点值取平均后作为噪底。此外，在噪底基础上，再设置一个相对的有效路径检测门限，只有高于此门限，才执行有效路径检测。例如，假设噪底为NF,设置的有效路径检测门限为TH，多普勒扩展谱为P，则有效多普勒扩展谱P_valid为：

对有效多普勒扩展谱P_valid非空值部分执行有效路径检测：在实施例中，执行的是二维峰值检测，即在有效多普勒扩展谱P_valid中，若某个值比周围4个值都要大，则认为该值是一个有效路径，其对应的时延即为有效路径的时延值，其对应的多普勒频移为有效路径的多普勒频移。

若检测到的有效路径对应的多普勒频移为f_d，由于f_d=f_Dcosθ；

因此，到达角为此处θ定义为来波方向的反方向与收发信机相对移动速度v所在方向的夹角，如图6所示。

为了对本发明提出的方法及其效果有更直观的理解，下表1给出了利用本方法在地铁隧道环境下进行无线信道探测所获取的信道多径信息及相应的到达角信息示例（注：该表列出了从图5中提取的多径信息），其中最大路径功率设为0dB。在实际无线环境中，多条路径以不同角度到达接收点，因此多普勒频移不同，但是它们之间的时延差足够小，以至于在信道探测系统的时延分辨力范围内，无法分辨，即在图5中，在几个时延上，比如0ns附近，多普勒扩展谱有明显的多个峰值，即多条路径，而且这些路径对应的时延基本相同，我们把这些路径定义为一“簇”。需要说明的是，表1中各路径的相对功率指的是每条路径的功率与各路径中的最大功率作比值后取对数得到；各簇的时延指的是各簇对第一簇的相对时延，即将第1簇的时延作为零时延，因为受限于实施例使用的信道探测系统，无法获得路径的绝对时延。

实际测量时，接收点是按照远离发射机的方向编号的，即最近的编为1号，最远的编为N号，相当于速度为远离发射机方向，因此，到达角集中于90°–180°之间。由于实测隧道有拐弯，且内壁有信号电缆等散射体，因此0°–90°也有少量多径存在。

由于反三角函数值域为[0°,180°)，因此本发明所提出的到达角测量方法提取出的是（信号到达方向与接收机移动方向的）夹角信息，并不是到达波的方位角信息。若将该夹角信息与信道其他参数（如时延）以及实际场景等信息相结合，则可以进一步确定到达波的具体方位角。

表1

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所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于单天线的到达角估计方法，其特征是所述方法包括：

步骤S1：在选定的目标范围内选取位于一条直线上的N个测量点，相邻测量点的间隔不大于载波波长的一半；

步骤S2：利用单天线信道探测系统对选取的N个测量点进行信道探测，获取各测量点的信道时域冲击响应和对应的接收增益；

步骤S3：对所述信道时域冲击响应根据所述接收增益进行调整，并根据调整后的信道时域冲击响应，在空间域做傅里叶变换，计算出多普勒扩展谱；

步骤S4：从所述多普勒扩展谱中提取有效路径，获得有效路径对应的多普勒频移，再根据多普勒频移计算出相应的到达角；

所述步骤S3具体为：选定一个接收增益作为参考G₀，对所述信道时域冲击响应进行调整，调整后的信道时域冲击响应为h′(t_n,τ)＝h(t_n,τ)/[G(t_n)/G₀]，其中G(t_n)表示接收增益参数，对经过调整后的各个信道时域冲击响应h’(t_n,τ)按照测量点的位置先后组成一个序列，其中时延τ的取值范围为[0,τ_max]，对每一个时延τ₀∈[0,τ_max]，都对应时域中N个测量点的信道时域冲击响应值h’(t₁,τ₀),h’(t₂,τ₀),......，h’(t_N,τ₀)，对每个时延点对应的空间N个信道时域冲击响应值做傅里叶变换，即：其中，k,p分别为离散化的多普勒频移和时延，且h(n，p)＝h′(nT_s,pτ_R)，其中T_s为空间采样时间，τ_R为探测系统最小时延分辨力，计算出多普勒扩展谱为||s(k,p)||²；

所述步骤S4中从所述多普勒扩展谱中提取有效路径具体为：确定的噪底记为NF,设置的有效路径检测门限为记为TH，所述多普勒扩展谱记为P，则有效多普勒扩展谱P_valid为：

在所述有效多普勒扩展谱P_valid的非空值部分执行有效路径检测提取得到有效路径。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述单天线信道探测系统包括信号发生器、发射天线、接收机和接收天线。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述单天线信道探测系统为基于多载波的单天线信道探测系统，步骤S2所述进行信道探测具体为：获得频域信道传输函数：其中，Y(t_n,f)是在每个时间t_n接收到的频域探测信号，X(f)是发送的频域探测信号；对所述频域信道传输函数H(t_n,f)做傅里叶反变换，获得各个测量点的信道时域冲击响应h(t_n,τ)，h(t_n,τ)＝F^-1(H(t_n,f))，并利用所述基于多载波的单天线信道探测系统读取接收增益参数G(t_n)。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述噪底是采用动态噪底的计算方法确定的。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述有效路径检测采用二维峰值检测方法。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述获得的有效路径对应的多普勒频移为f_d，所述根据多普勒频移计算出相应的到达角具体为：根据

f_d＝f_Dcosθ计算得到到达角其中θ定义为来波方向的反方向与收发信机相对移动速度所在方向的夹角，f_D为最大多普勒频移。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述N个测量点的N的取值不小于16。