CN105978833A

CN105978833A - 一种改进的sage信道参数估计方法

Info

Publication number: CN105978833A
Application number: CN201610496685.2A
Authority: CN
Inventors: 李兵兵; 李育; 李进
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2016-06-29
Filing date: 2016-06-29
Publication date: 2016-09-28

Abstract

本发明公开了一种改进的SAGE信道参数估计方法，所述改进的SAGE信道参数估计方法包括以下步骤：步骤一，计算相应于第l条波的完全数据的估计；步骤二，对要搜索的每一个多普勒频率，用循环最大化方法计算该多普勒频率下第l条波的时延、入射方位角的估计；步骤三，计算第l条波的时延、入射方位角、多普勒频率、复幅度的重新估计。本发明使得在有效地估计出信道参数的同时具有良好的稳健性、收敛性；仿真结果表明，与原SAGE算法相比，改进的SAGE信道参数估计方法估计出的信道参数更接近合成的信道参数，改进的SAGE改善了原SAGE的稳健性、收敛性。

Description

一种改进的SAGE信道参数估计方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种改进的SAGE信道参数估计方法。

背景技术

信道模型是通信系统的设计与研究的基础。为了建立有效的信道模型，需要从信道测量数据中提取准确描述信道特性的信道参数，因此，研究稳健性好、收敛性好的信道参数估计方法具有一定的意义。

B.H.Fleury等人提出的SAGE算法得到了广泛的应用，而该方法的稳健性和收敛性有待提高(B.H.Fleury,M.Tschudin,R.Heddergott.D.Dahlhaus,and K.L.Pedersen,Channel parameter estimation in mobile radio environments using theSAGE algorithm,IEEE Journal on Selected Areas in Communications,vol.17,no.3,pp.434-450,Mar.1999)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进的SAGE信道参数估计方法，旨在改善现有的信道参数估计方法的稳健性、收敛性，估出的多径中存在虚假径的问题。

本发明是这样实现的，一种改进的SAGE信道参数估计方法，所述改进的SAGE信道参数估计方法包括以下步骤：

步骤一，计算相应于第l条波的完全数据的估计；

步骤二，对要搜索的每一个多普勒频率，用循环最大化方法计算该多普勒频率下第l条波的时延、入射方位角的估计；

步骤三，计算第l条波的时延、入射方位角、多普勒频率、复幅度的重新估计。

进一步，所述在重新估计第l条波参数的迭代中，对要搜索的每一个多普勒频率，用一种循环最大化方法计算该多普勒频率下第l条波的时延、入射方位角的估计，具体方法如下：

其中，z函数为：

\begin{matrix} z (τ, φ, v; {\hat{x}}_{l} (t; {\hat{θ}}^{'})) \\ = {&Integral;}_{D_{0}} u^{*} (t - τ) \exp {- j 2 π v t} c^{H} (φ) {\hat{x}}_{l} (t; {\hat{θ}}^{'}) d t \\ = Σ_{i = 1}^{I} {&Integral;}_{D_{i}} u^{*} (t - τ) \exp {- j 2 π v t} c^{H} (φ) {\hat{x}}_{l} (t; {\hat{θ}}^{'}) d t \end{matrix};

τ、φ、ν分别表示时延、入射方位角、多普勒频率。given表示给定值。N表示多普勒频率搜索范围内的多普勒频率点数。arg表示取其后函数相应于限定条件下的自变量的值。max表示取最大值。τⁱ、φⁱ，i＝0,1,2,...表示第i次迭代得到的时延τ、入射方位角φ的估计值。ν_j是多普勒频率搜索范围内要搜索的第j个多普勒频率值。τ_j、φ_j分别是固定ν＝ν_j时，求出的第l条波的时延、入射方位角的估计值。ε₁、ε₂是任意小的正数。[·]^*、[·]^H分别表示共轭、共轭转置。

进一步，所述第l条波的时延、入射方位角、多普勒频率的重新估计公式为：

({\hat{τ}}_{l}^{''}, {\hat{φ}}_{l}^{''}, {\hat{v}}_{l}^{''}) = \arg \underset{j = 1, 2, ..., N}{m a x} {| z (τ_{j}, φ_{j}, v_{j}; {\hat{x}}_{l} (t; {\hat{θ}}^{'})) |};

其中，表示θ的先前的估计，分别表示第l条波的时延、入射方位角、多普勒频率的重新估计。

第l条波的复幅度的重新估计公式为：

{\hat{α}}_{l}^{''} = \frac{1}{I | | c ({\hat{φ}}_{l}^{''}) | |^{2} T_{a} P_{u}} z ({\hat{τ_{l}}}^{''}, {\hat{φ_{l}}}^{''}, {\hat{v_{l}}}^{''}; {\hat{x}}_{l} (t; {\hat{θ}}^{'})));

其中，I是观测窗口中观测时间段的段数，

本发明的另一目的在于提供一种包含所述SAGE信道参数估计方法的无线信道的参数提取方法。

仿真表明，SAGE算法估计出的信道参数与合成的信道参数可能差别较大，而本发明提供的改进的SAGE信道参数估计方法估计出的信道参数更接近合成的信道参数。本发明提供的改进的SAGE信道参数估计方法，改善了已有的SAGE算法的稳健性、收敛性。仿真结果表明，与原SAGE算法相比，改进的SAGE信道参数估计方法估计出的信道参数更接近合成的信道参数，改进的SAGE改善了原SAGE的稳健性、收敛性。实际的多径参数称为全局最优解，则用信道参数估计方法估计出的信道参数只是一个局部最优解；相比于现有SAGE算法，本发明改进的SAGE算法得到的局部最优解更接近全局最优解。

附图说明

图1是本发明实施例提供的SAGE信道参数估计方法流程图。

图2是本发明实施例提供的合成的信道参数中各条径的时延、入射方位角、幅度的示意图。

图3是本发明实施例提供的SAGE算法估计出的信道参数中各条径的时延、入射方位角、幅度的示意图。

图4是本发明实施例提供的改进的SAGE信道参数估计方法估计出的信道参数中各条径的时延、入射方位角、幅度的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例的改进的SAGE信道参数估计方法包括以下步骤：

S101：计算相应于第l条波的完全数据的估计；

S102：对要搜索的每一个多普勒频率，用循环最大化方法计算该多普勒频率下第l条波的时延、入射方位角的估计；

S103：计算第l条波的时延、入射方位角、多普勒频率、复幅度的重新估计。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。

实施例1：

本发明实施例的改进的SAGE信道参数估计方法包括以下步骤：

S1计算相应于第l条波的完全数据的估计；

计算相应于第l条波的完全数据的估计按以下进行：

探测信号可以表示为：

u (t) = Σ_{i = - \infty}^{\infty} a (t - {iT}_{a});

其中，是突发信号，[a₀,a₁,...,a_K-1]是长度为K的探测序列，p(t)是持续时间为T_p的成形脉冲，突发信号的持续时间T_a＝KT_p，探测信号的功率为P_u。

接收机配置M个位于的阵元，假定接收机处有L条镜面反射的平面波。第l条波对于接收阵列输出的M个基带信号的贡献可以表示为矢量：

s(t；θ_l)＝[s₁(t；θ_l),...,s_M(t；θ_l)]^T

＝c(φ_l)α_lexp{j2πν_lt}u(t-τ_l)；

其中，θ_l＝[τ_l,φ_l,ν_l,α_l]是包含第l条波的参数的矢量，第l条波以其相对时延τ_l、入射方位角φ_l、多普勒频率ν_l、复幅度α_l表征；

c(φ)＝[c₁(φ),...,c_M(φ)]^T是天线阵列的导向矢量，c_m(φ)＝f_m(φ)exp{j2πλ^-1<e(φ),r_m>},m＝1,...,M，λ是波长，e(φ)是指向由φ决定的方向的单位向量，f_m(φ)是第m个阵元的复电场模式，<·，·>表示标量积。[·]^T表示转置。

天线阵列输出的接收信号为：

\begin{matrix} Y (t) = {[Y_{1} (t), ..., Y_{M} (t)]}^{T} \\ = Σ_{l = 1}^{L} s (t; θ_{l}) + \sqrt{N_{0} / 2} N (t) \end{matrix};

其中，N(t)＝[N₁(t),...,N_M(t)]^T表示标准的M维复白高斯噪声矢量，定义其中θ＝[θ₁,...,θ_L]。

在这样一个窗口上观测接收信号，该窗口包含I个之间有间隔的时间段D_i,i＝1,...,I，每个时间段长度为T_a，2个相邻的时间段中心的距离为T_f≥T_a。则观测时间为IT_a，观测范围为(I-1)T_f+T_a。观测窗口可以表示为：

\begin{matrix} D_{0} = U_{i = 1}^{I} [- ((I - 1) T_{f} + T_{a}) / 2 + (i - 1) T_{f}, - ((I - 1) T_{f} + T_{a}) / 2 + T_{a} + (i - 1) T_{f}] \\ = U_{i = 1}^{I} D_{i} \end{matrix};

所提出的稳健的SAGE信道参数估计方法在每次迭代中只重新估计待估参量θ＝[θ₁,...,θ_L]的所有L个分量中的1个分量，而保持其他分量不变。记θ的先前的估计为θ_l的重新估计为其他这两种表示方式含义也是如此。在重新估计第l条波参数的迭代中，给定接收信号在观测窗口D₀上的一个观测Y(t)＝y(t)，先经过E步，得到相应于第l条波的完全数据X_l(t)的估计：

{\hat{x}}_{l} (t; {\hat{θ}}^{'}) = s (t; {\hat{θ}}_{l}^{'}) + β_{l} [y (t) - Σ_{l^{'} = 1}^{L} s (t; {\hat{θ}}_{l^{'}}^{'})];

其中，β_l＝1。

S2对要搜索的每一个多普勒频率，用一种循环最大化方法计算该多普勒频率下第l条波的时延、入射方位角的估计；

对要搜索的每一个多普勒频率，用一种循环最大化方法计算该多普勒频率下第l条波的时延、入射方位角的估计按以下进行：

在重新估计第l条波参数的迭代中，对要搜索的每一个多普勒频率，用一种循环最大化方法计算该多普勒频率下第l条波的时延、入射方位角的估计，具体方法如下：

其中，z函数为：

\begin{matrix} z (τ, φ, v; {\hat{x}}_{l} (t; {\hat{θ}}^{'})) \\ = {&Integral;}_{D_{0}} u^{*} (t - τ) \exp {- j 2 π v t} c^{H} (φ) {\hat{x}}_{l} (t; {\hat{θ}}^{'}) d t \\ = Σ_{i = 1}^{I} {&Integral;}_{D_{i}} u^{*} (t - τ) \exp {- j 2 π v t} c^{H} (φ) {\hat{x}}_{l} (t; {\hat{θ}}^{'}) d t \end{matrix};

内层for循环中，实质上是在给定ν、φ求z函数的绝对值关于τ的最大化和给定ν、τ求z函数的绝对值关于φ的最大化这两者之间循环，因此可以称其为一种循环最大化方法。

S3计算第l条波的时延、入射方位角、多普勒频率、复幅度的重新估计。

计算第l条波的时延、入射方位角、多普勒频率、复幅度的重新估计按以下进行：

从步骤S2中得到的(τ_j,φ_j,ν_j),j＝1,...,N这N组值中，取使得最大的一组作为第l条波的时延、入射方位角、多普勒频率的重新估计，即：

({\hat{τ}}_{l}^{''}, {\hat{φ}}_{l}^{''}, {\hat{v}}_{l}^{''}) = \arg \underset{j = 1, 2, ..., N}{m a x} {| z (τ_{j}, φ_{j}, v_{j}; {\hat{x}}_{l} (t; {\hat{θ}}^{'})) |};

第l条波的复幅度的重新估计为：

{\hat{α}}_{l}^{''} = \frac{1}{I | | c ({\hat{φ}}_{l}^{''}) | |^{2} T_{a} P_{u}} z ({\hat{τ_{l}}}^{''}, {\hat{φ_{l}}}^{''}, {\hat{v_{l}}}^{''}; {\hat{x}}_{l} (t; {\hat{θ}}^{'})));

其中，I是观测窗口中观测时间段的段数，

仿真结果表明，与原SAGE算法相比，改进的SAGE信道参数估计方法估计出的信道参数更接近合成的信道参数，改进的SAGE改善了原SAGE的稳健性、收敛性。附图2、3、4对比了仿真中一种情形下，合成的信道参数、改进的SAGE估计出的信道参数(估出的各个径都接近成的信道参数)和原SAGE估计出的信道参数(有2条径估成了虚假径)。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种改进的SAGE信道参数估计方法，其特征在于，所述改进的SAGE信道参数估计方法包括以下步骤：

步骤一，计算相应于第l条波的完全数据的估计；

2.如权利要求1所述的SAGE信道参数估计方法，其特征在于，所述在重新估计第l条波参数的迭代中，对要搜索的每一个多普勒频率，用一种循环最大化方法计算该多普勒频率下第l条波的时延、入射方位角的估计，具体方法如下：

其中，z函数为：

\begin{matrix} z (τ, φ, v; {\hat{x}}_{l} (t; {\hat{θ}}^{'})) \\ = {&Integral;}_{D_{0}} u^{*} (t - τ) \exp {- j 2 π v t} c^{H} (φ) {\hat{x}}_{l} (t; {\hat{θ}}^{'}) d t \\ = Σ_{i = 1}^{I} {&Integral;}_{D_{i}} u^{*} (t - τ) \exp {- j 2 π v t} c^{H} (φ) {\hat{x}}_{l} (t; {\hat{θ}}^{'}) d t \end{matrix};

τ、φ、ν分别表示时延、入射方位角、多普勒频率，given表示给定值，N表示多普勒频率搜索范围内的多普勒频率点数，arg表示取其后函数相应于限定条件下的自变量的值，max表示取最大值；τⁱ、φⁱ，i＝0,1,2,...表示第i次迭代得到的时延τ、入射方位角φ的估计值，ν_j是多普勒频率搜索范围内要搜索的第j个多普勒频率值，τ_j、φ_j分别是固定ν＝ν_j时，求出的第l条波的时延、入射方位角的估计值，ε₁、ε₂是任意小的正数，[·]^*、[·]^H分别表示共轭、共轭转置。

3.如权利要求1所述的SAGE信道参数估计方法，其特征在于，所述第l条波的时延、入射方位角、多普勒频率的重新估计公式为：

({\hat{τ}}_{l}^{''}, {\hat{φ}}_{l}^{''}, {\hat{v}}_{l}^{''}) = \arg \underset{j = 1, 2, ..., N}{m a x} {| z (τ_{j}, φ_{j}, v_{j}; {\hat{x}}_{l} (t; {\hat{θ}}^{'})) |};

其中，表示θ的先前的估计，分别表示第l条波的时延、入射方位角、多普勒频率的重新估计；

第l条波的复幅度的重新估计公式为：

{\hat{α}}_{l}^{''} = \frac{1}{I | | c ({\hat{φ}}_{l}^{''}) | |^{2} T_{a} P_{u}} z ({\hat{τ_{l}}}^{''}, {\hat{φ_{l}}}^{''}, {\hat{v_{l}}}^{''}; {\hat{x}}_{l} (t; {\hat{θ}}^{'})));

其中，I是观测窗口中观测时间段的段数，

4.一种包含权利要求1-3任意一项所述SAGE信道参数估计方法的无线信道的参数提取方法。