CN108387864A - 一种到达角计算方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种到达角计算方法，应用于安装多根天线的信号接收端，包括：获取多根天线接收到的多个多径叠加信号；提取多个多径叠加信号的信道状态信息矩阵；将得到的信道状态信息矩阵划分为预设大小的多个子阵，根据所述多个子阵，计算得到去相关矩阵、及根据所述各个子阵的子阵导向矢量矩阵；根据所述去相关矩阵，计算多径叠加信号的路径个数、噪声子空间矩阵；计算多径叠加信号的各个路径的飞行时间参数；根据每个多径叠加信号在每个路径的飞行时间参数、得到的各个子阵导向矢量矩阵及噪声子空间矩阵，获得每个多径叠加信号在每个路径的到达角。应用本方案，可以减少计算信号到达角时的计算量，提高AoA定位效率。
Description
技术领域
本发明涉及定位技术领域，特别是涉及一种到达角计算方法及装置。
背景技术
基站可以利用AoA(Angle of Arrival，到达角)定位方法对移动终端进行定位，AoA定位方法是基于信号到达信号接收端的到达角进行定位，其中，到达角是指基站接收到的信号与水平面之间的夹角。具体的，首先，信号发送端向信号接收端发射信号；然后，信号接收端通过配备的天线阵列获取信号，计算出信号的到达角，再利用三角测量法或其他方式进行解算，得到信号发送端的位置信息，将位置信息返回至信号发送端，从而实现对信号发送端的定位。
由以上描述可见，对信号到达角的计算是AoA定位方法中的一个重要环节。目前，通常采用MUSIC(Multiple Signal Classification，多重信号分类)算法计算信号的到达角，但是，利用这种算法计算到达角是在二维空间上进行谱峰搜索，在计算过程中有两个未知参数，即到达角和飞行时间参数，搜索空间大，需要同时对这两个参数求解，因此存在计算量较大的问题，从而降低AoA定位的效率。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种到达角计算方法，以减少信号接收端计算信号到达角时的计算量，提高AoA定位的效率。具体技术方案如下：
本发明实施例提供了一种到达角计算方法，应用于信号接收端，所述信号接收端安装多根天线；所述方法包括：
获取所述多根天线接收到的多个多径叠加信号；其中，一根天线接收一个多径叠加信号；
提取所述多个多径叠加信号的信道状态信息矩阵；
将得到的信道状态信息矩阵划分为预设大小的多个子阵，根据所述多个子阵，计算得到去相关矩阵、及根据所述各个子阵的子阵导向矢量矩阵；
根据所述去相关矩阵，计算得到所述多径叠加信号的路径个数及噪声子空间矩阵；
根据得到的各个子阵导向矢量矩阵、所述多径叠加信号的路径个数及噪声子空间，得到所述多径叠加信号的各个路径的飞行时间参数；
针对每个多径叠加信号的路径，根据该多径叠加信号在该路径的飞行时间参数、得到的各个子阵导向矢量矩阵及所述噪声子空间矩阵，获得该多径叠加信号在该路径的到达角。
可选的，所述根据所述去相关矩阵，计算得到所述多径叠加信号的路径个数及噪声子空间矩阵，包括：
根据所述去相关矩阵，得到所述多径叠加信号的协方差矩阵；
对所述协方差矩阵进行特征分解，得到所述协方差矩阵的噪声子空间矩阵；
根据所述协方差矩阵的噪声子空间矩阵及最小描述长度准则，得到所述多径叠加信号的路径个数。
可选的，所述根据得到的各个子阵导向矢量矩阵、所述多径叠加信号的路径个数及噪声子空间，得到所述多径叠加信号的各个路径的飞行时间参数，包括：
根据得到的各个子阵导向矢量矩阵及所述噪声子空间，建立飞行时间参数求根函数；
对所述飞行时间参数求根函数进行求解；
从求解得到的所有根中，获取与所述多径叠加信号的路径个数相同的数量的、且模值最大的根作为所述多径叠加信号的各个路径的飞行时间参数。
可选的，所述飞行时间参数求根函数为：
其中，
在上述函数中，UN表示噪声子空间，τ表示所述去相关矩阵内的元素，Ω(τ)表示所述去相关矩阵内各个元素的相位旋转因子，m表示所述去相关矩阵的阵元数量，表示各个子阵的导向矢量矩阵中的飞行时间参数导向矢量，fδ表示相邻子载波之间的间隔；j表示虚数单位，z表示去相关矩阵内各个元素在路径k中的相位旋转因子；
所述各个路径的飞行时间参数表示为：
其中，L表示所述多径叠加信号的路径个数，表示对所述飞行时间参数求根函数进行求解得到的根的相位角。
可选的，所述根据该多径叠加信号在该路径的飞行时间参数、得到的各个子阵导向矢量矩阵及所述噪声子空间矩阵，获得所述多径叠加信号在该路径的到达角，包括：
利用预设的多重信号分类空间谱函数，根据该多径叠加信号在该路径的飞行时间参数、得到的各个子阵导向矢量矩阵及所述噪声子空间矩阵，获得所述多径叠加信号在该路径的到达角。
可选的，所述预设的多重信号分类空间谱函数为：
其中，PMU(θ,τ)表示所述多径叠加信号在该路径的多重信号分类空间谱；τ表示所述各个路径的飞行时间参数，θ表示所述多径叠加信号在该路径的到达角，表示所述多径叠加信号在该路径的导向向量,H表示共轭转置操作，UN表示所述噪声子空间矩阵。
本发明实施例还提供了一种到达角计算装置，应用于信号接收端，所述信号接收端安装多根天线；所述装置包括：
信号获取模块，用于获取所述多根天线接收到的多个多径叠加信号；其中，一根天线接收一个多径叠加信号；
信息提取模块，用于提取所述多个多径叠加信号的信道状态信息矩阵；
去相关模块，用于将得到的信道状态信息矩阵划分为预设大小的多个子阵，根据所述多个子阵，计算得到去相关矩阵、及根据所述各个子阵的子阵导向矢量矩阵；
矩阵处理模块，用于根据所述去相关矩阵，计算得到所述多径叠加信号的路径个数及噪声子空间矩阵；
飞行时间参数计算模块，用于根据得到的各个子阵导向矢量矩阵、所述多径叠加信号的路径个数及噪声子空间，得到所述多径叠加信号的各个路径的飞行时间参数；
到达角计算模块，用于针对每个多径叠加信号的路径，根据该多径叠加信号在该路径的飞行时间参数、得到的各个子阵导向矢量矩阵及所述噪声子空间矩阵，获得该多径叠加信号在该路径的到达角。
可选的，所述飞行时间参数计算模块，包括：
函数建立子模块，用于根据得到的各个子阵导向矢量矩阵及所述噪声子空间，建立飞行时间参数求根函数；
函数求解子模块，用于对所述飞行时间参数求根函数进行求解；
参数选择子模块，用于从求解得到的所有根中，获取与所述多径叠加信号的路径个数相同的数量的、且模值最大的根作为所述多径叠加信号的各个路径的飞行时间参数。
本发明实施例还提供了一种电子设备，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信；
存储器，用于存放计算机程序；
处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现上述任一所述的到达角计算方法。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一所述的到达角计算方法。
本发明实施例还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述任一所述的到达角计算方法。
本发明实施例提供的到达角计算方法及装置，计算多径叠加信号在各个路径的到达角之前，先计算出各个路径对应的飞行时间参数，使得在计算到达角时，飞行时间参数由未知参数变为已知参数，实现将二维峰值搜索问题转化为一维峰值搜索问题，从而减少信号接收端计算信号到达角时的计算量，提高AoA定位的效率。当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地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地介绍，显而易见地，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他的附图。
图1为信号发送端向信号接收端发送信号的示意图；
图2为本发明实施例提供的一种到达角计算方法的流程示意图；
图3为信号接收端的多根天线接收信号的模型示意图；
图4为利用前向平滑对信道状态信息矩阵进行去相关的过程示意图；
图5为本发明实施例提供的另一种到达角计算方法的流程示意图；
图6为本发明实施例提供的一种到达角计算装置的结构图；
图7为本发明实施例提供的一种电子设备示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了解决现有技术中采用MUSIC(Multiple Signal Classification，多重信号分类)算法对信号到达角进行计算时，由于需要在二维空间上进行谱峰搜索，搜索空间大，需要同时对到达角和飞行时间参数求解，因此计算量较大，降低了AoA定位的效率的问题，本发明实施例提供了一种到达角计算方法。
下面先从总体上对本发明实施例提供的到达角计算方法进行说明。
本发明实施例提供的到达角计算方法中，包括信号接收端和信号发送端。用户通过信号发送端发送信号，信号接收端接收到信号后，应用发明实施例提供的到达角计算方法对接收到的信号进行解算，得到信号的到达角。进一步的，可以再利用本方案计算出的到达角定位算法确定信号发送端的位置信息，并将位置信息返回至发送信号的信号发送端。
其中，在信号接收端安装有至少2根天线。这些天线排成阵列，可以更好地接收信号发送端发送的信号，具体的，天线阵列对信号的增益大于5dBi。通常，天线之间的间距小于或等于信道中心频率对应的半波长，这也使得天线阵列能够更好地进行信号增益。举例而言，信号接收端可以为基站或无线访问接入点等。
在信号发送端也安装有天线，可以为1根或多根，安装的天线对信号的增益大于5dBi，用于向信号接收端发送信号。其中，信号发送端发送的信号可以是WiFi(WirelessFidelity，无线局域网)信号，也可以是蓝牙信号，或者其他适用于所有MIMO-OFDM(Multiple Input Multiple Output-Orthogonal Frequency Division Multiplexing，多媒体输入输出-正交频分复用技术)信号体制的信号。举例而言，信号发送端可以为智能手机或其他待定位设备等。
同时，在信号发送端和信号接收端都安装有网卡，用户可以根据实际需要，通过网卡对信号发送端和信号接收端使用的信道、带宽、空口速率等进行配置。
如图1所示，为在一种实现方式中，信号发送端向信号接收端发送信号的示意图，图中，发射天线表示安装在信号发送端的天线，接收天线A、接收天线B和接收天线C表示安装在信号接收端的天线阵列。信号发送端通过发射天线向信号接收端发送信号，信号接收端通过接收天线A、接收天线B和接收天线C接收信号发送端发送的信号，并根据接收到的信号和本方案提供的到达角计算方法计算出信号的到达角，再进一步进行定位解算，从而实现对信号发送端的定位。
在一种实现方式中，上述到达角计算方法包括：
获取所述多根天线接收到的多个多径叠加信号；其中，一根天线接收一个多径叠加信号；
提取所述多个多径叠加信号的信道状态信息矩阵；
将得到的信道状态信息矩阵划分为预设大小的多个子阵，根据所述多个子阵，计算得到去相关矩阵、及根据所述各个子阵的子阵导向矢量矩阵；
根据所述去相关矩阵，计算得到所述多径叠加信号的路径个数及噪声子空间矩阵；
根据得到的各个子阵导向矢量矩阵、所述多径叠加信号的路径个数及噪声子空间，得到所述多径叠加信号的各个路径的飞行时间参数；
针对每个多径叠加信号的路径，根据该多径叠加信号在该路径的飞行时间参数、得到的各个子阵导向矢量矩阵及所述噪声子空间矩阵，获得该多径叠加信号在该路径的到达角。
由以上可见，应用本发明实施例提供的到达角计算方法，在计算多径叠加信号在各个路径的到达角之前，先计算出各个路径对应的飞行时间参数，使得在计算到达角时，飞行时间参数由未知参数变为已知参数，实现将二维峰值搜索问题转化为一维峰值搜索问题，从而减少了信号接收端计算信号到达角时的计算量，提高了AoA定位的效率。
下面通过具体实施例，对本发明实施例提供的到达角计算方法进行详细说明。
如图2所示，为本发明实施例提供的一种到达角计算方法的流程示意图，该方法应用于安装多根天线的信号接收端，具体包括如下步骤：
步骤S201：获取多根天线接收到的多个多径叠加信号。
在计算到达角时，首先，需要通过信号发送端向信号接收端发送信号，在信号接收端接收到信号之后，才能进行后续的定位解算。针对每次定位过程而言，可以看做在指定的信道内，信号接收端接收的信号都是由一个信号源发送的。但是，由于在信号的传输过程中，会遇到不同的障碍物，例如：墙壁、天花板、地面等，因此，信号会产生反射、散射或折射，即产生多径传播现象。所以，信号接收端接收到的信号都是由多条路径的信号经过叠加构成的多径叠加信号。另外，由于信号接收端通过安装的多根天线接收信号，一根天线接收一个多径叠加信号，因此信号接收端会接收到多个多径叠加信号。
在一种实现方式中，信号接收端安装的天线根数为3根，这是目前最通用的信号接收端配置的天线条数，因此不需要对信号接收端的硬件进行改造，从而在最经济的条件下满足需要的到达角解算精度。或者，信号接收端安装的天线根数也可以是2根，从而最大限度的节省信号接收端的配置成本。另外，还可以是4根或者更多，从而进一步提高到达角解算的精度。可以根据到达角解算需要的精度进行设置，本发明实施例对此不做限定。
如图3所示，为信号接收端的多根天线接收信号的模型示意图，图中，θ表示信号到达天线的入射角，即本方案中需要计算的到达角，d表示天线间距。
步骤S202：提取多个多径叠加信号的信道状态信息矩阵。
信号接收端通过天线接收到多径叠加信号之后，就可以对接收到的多个多径叠加信号进行分析，获取各个多径叠加信号的信道状态信息矩阵，从而进行后续的到达角解算。
举例而言，假设信号接收端安装了3条天线，接收到的多径叠加信号由30个子载波，则在信号接收端接收到的信道状态信息矩阵，表示为：
其中，csi1,1……csi3,30表示接收到的多个多径叠加信号的各个信道状态信息，信道状态信息矩阵的行数为信号接收端安装的天线条数，信道状态信息矩阵的列数为多径叠加信号的子载波个数。
上述信道状态信息矩阵是对接收到的信道状态信息直接分析得到的测量值，在本方案中，根据得到的信道状态信息矩阵对信号到达角进行计算，因此，除了具体的测量值，还需要以信道状态信息矩阵中的每个观测值的理论公式为依据，才能推导出信号到达角的求解函数，进一步求解。
在一种实现方式中，信道状态信息矩阵中的每个观测值的理论公式可以通过以下步骤推导得出：
步骤1：针对每个多径叠加信号的每个子载波，根据信道状态信息，得到该子载波在相邻天线之间的相位差。
上述子载波在相邻天线之间的相位差可以表达为：
Φ(θ)＝e-j2πsin(d)/λ
在上述表达式中，j表示虚数单位，θ表示信号到达天线的入射角，即本方案中需要计算的到达角，λ表示波长，d表示天线间距。
步骤2：根据得到的该子载波在相邻天线之间的相位差，计算该子载波对应的多径叠加信号在每个天线上的导向矢量。
上述子载波对应的多径叠加信号在每个天线上的导向矢量可以表达为：
在上述表达式中，k表示不同路径的编号，M表示信号接收端安装的天线条数。
步骤3：根据每个多径叠加信号在每个天线上的导向矢量，构建多个多径叠加信号的信道状态信息矩阵。
首先，计算一个多径叠加信号在每个天线上的导向矢量矩阵：
其中，L表示多径叠加信号的路径个数，M表示信号接收端安装的天线条数。
然后，获取每条路径的复数衰减因子，再根据各个路径的复数衰减因子，构建针对各个子载波各个路径的复数衰减因子矩阵：
其中，N表示子载波个数，表示L条路径的复数衰减因子，γ1表示第1条路径的复数衰减因子……γL表示第L条路径的复数衰减因子，Γ表示针对各个子载波各个路径的复数衰减因子矩阵。
最后，根据一个多径叠加信号在每个天线上的导向矢量矩阵和针对各个子载波各个路径的复数衰减因子矩阵，相乘得到信道状态信息矩阵的理论公式：
或者，信道状态信息矩阵中的每个观测值的理论公式还可以为其他的形式，或根据其他的方法推导得到，本发明实施例对此不做限定。
步骤S203：将得到的信道状态信息矩阵划分为预设大小的多个子阵，根据所述多个子阵，计算得到去相关矩阵、及根据所述各个子阵的子阵导向矢量矩阵。
在进一步计算信号到达角之前，需要对接收到的信道状态信息矩阵进行去相关处理，对不同路径之间的信号解相干。通过不同路径之间的信号解相干，使得信号接收端接收到的多径叠加信号，即由不同的路径的信号叠加得到的信号之间的相干或者高度相关性减弱，从而尽可能降低由于信号空间秩亏损，使得计算得到的到达角不准确的概率。
在一种实现方式中，可以通过平滑处理对信道状态信息矩阵进行去相关，举例而言，平滑处理可以为前向平滑、后向平滑或双向平滑等。或者，还可以利用其他的算法对信道状态信息矩阵进行去相关，本发明实施例对此不做限定。
举例而言，如图4所示，为利用前向平滑对信道状态信息矩阵进行去相关的过程示意图。图中，参考阵元的行列数表示对应的子阵的编号，物理阵元表示信号接收端安装的天线，虚拟阵元对应信道状态信息矩阵中的各个元素，Δd表示信号接收端各个天线之间的间距，fδ表示相邻子载波之间的间隔，每个虚线框标注一个子阵，虚线框沿着箭头的指向滑动，遍历信道状态信息矩阵中的所有元素，得到信道状态信息矩阵的多个子阵。
其中，子阵的大小可以是预设的固定大小；也可以是根据信道状态信息矩阵的大小，按照一定的规则得到的，例如，子阵的行列数可以为别为信道状态信息矩阵的行列数的二分之一；或者，还可以是通过其他的方式确定的，本发明实施例对此不做限定。
得到信道状态信息矩阵的多个子阵后，可以进一步求得各个子阵的子阵导向矢量矩阵，然后，可以对每个子阵进行自相关计算，再求出所有经过自相关计算后的子阵的平均值，即为去相关矩阵。
在一种实现方式中，利用前向平滑对信道状态信息矩阵进行去相关得到的子阵可以表示为：
Xsub,ij＝[xi,j xi,j+1 … xi,j+14 xi+1,j xi+1,j+1 … xi+1,j+14]T
其中，Xsub,ij为信道状态信息矩阵行标为i，列标为j的元素确定的子阵，相应的，根据得到的所有子阵得到的去相关矩阵可以表示为：
上述子阵的子阵导向矢量矩阵可以表示为：
其中，τk表示第k条路径的飞行时间参数，N表示子载波个数，为天线间距引起的空域相位旋转因子，为飞行时间参数引起的相位旋转因子，fδ表示相邻子载波间隔。
步骤S204：根据去相关矩阵，计算得到多径叠加信号的路径个数及噪声子空间矩阵。
根据去相关处理之后的去相关矩阵，不同路径之间的信号经过解相干的过程后，不再具有相干或者高度相关性，因此可以用于进行后续的计算处理，计算出多路叠加信号中的路径个数及噪声子空间矩阵。
在一种实现方式中，上述多路叠加信号中的路径个数及噪声子空间矩阵可以通过以下方式计算得到：
步骤1：根据去相关矩阵，得到多径叠加信号的协方差矩阵。
在一种实现方式中，计算过程可以表示为：
Rsmooth＝E[XideaXidea H]
＝AE[SSH]AH+E{NNH}
＝ARSAH+RN
在上述表达式中，RS表示多径叠加信号的协方差矩阵，RN表示噪声的协方差矩阵，Xidea表示理想子阵的接收信号，S表示入射信号，Rsmooth表示理想子阵的接收信号的自协方差矩阵,A表示理想子阵的信道状态信息矩阵，N表示高斯白噪声。
假设空间噪声服从均值为0、方差为σ2的高斯分布，则通过对上述表达式的推导，得到协方差矩阵的表达式：
Rsmooth＝ARSAH+RN＝ARSAH+σ2I
在上述表达式中，I表示单位矩阵。
步骤2：对协方差矩阵进行特征分解，得到协方差矩阵的噪声子空间矩阵。
特征分解又称为谱分解，是将矩阵分解为由其特征值和特征向量表示的矩阵之积的方法。在一种实现方式中，对步骤1中得到的协方差矩阵进行特征分解，得到：
Rsmooth＝U∑UH
其中，
在上述表达式中，US表示信号子空间矩阵，是由特征值按大小顺序排列之后对应的相对较大的特征值对应的特征向量组成，UN表示噪声子空间矩阵，由特征值按大小顺序排列之后对应的相对较小的特征值对应的特征向量组成，Σ表示由特征值组成的对角阵，λ1……λM表示特征值。
步骤3：根据协方差矩阵的噪声子空间矩阵及最小描述长度准则，得到多径叠加信号的路径个数。
在理想情况下，对Σ中的特征值满足如下条件：
λ1≥λ2≥…λL≥λL+1＝…＝λM＝σ2
其中，σ2表示高斯分布的方差。
在一种实现方式中，采用最小描述长度准则对多路叠加信号的路径个数进行估计。从而降低在实际应用过程中，由于快拍数和信噪比的影响，特征值大小规律比较复杂的影响，减少噪声功率存在的误差，使得计算精度尽可能达到理想情况。
其中，最小描述长度准则就是要求选择总描述长度最小的模型，举例而言，对于一组给定的实例数据D，如果要对其进行保存，为了节省存储空间，一般采用某种模型对其进行编码压缩，然后再保存压缩后的数据，在此基础上，为了以后正确恢复这些实例数据，将所用的模型也保存起来，所以需要保存的数据长度等于这些实例数据进行编码压缩后的长度加上保存模型所需的数据长度，即总描述长度。
在一种实现方式中，将最小描述长度准则应用于本方案，首先需要对Σ表示的由特征值组成的对角阵中的特征值进行排序，然后依次比较特征值的大小，剔除接近或等于0的特征值，将保留下来的较大的特征值的个数作为多径叠加信号的路径个数。或者，还可以在对Σ表示的由特征值组成的对角阵中的特征值进行排序后，依次计算某一特征值与其相邻的较小的特征值之间的比值，若比值为无穷大，则将较小的特征值剔除，将保留下来的较大的特征值的个数作为多径叠加信号的路径个数。
具体的，利用最小描述长度准则得到多径叠加信号的路径个数，可以通过以下公式实现：
其中，M表示天线条数，Nsamples表示测量次数，Λ(n)表示似然函数，L表示路径个数，λi表示第i个特征值，n表示路径数的变量，在上述公式中，将n代入不同的数值，会得到不同的函数值，使函数值最小的n就是求得的路径数L。
或者，还可以是通过其他的方式确定多径叠加信号的路径个数，本发明实施例对此不做限定。
步骤S205：根据得到的各个子阵导向矢量矩阵、多径叠加信号的路径个数及噪声子空间，得到多径叠加信号的各个路径的飞行时间参数。
本发明实施例中，通过先计算出各个路径对应的飞行时间参数，使得在计算到达角时，飞行时间参数由未知参数变为已知参数，将二维峰值搜索问题转化为一维峰值搜索问题。
在一种实现方式中，在计算各个路径对应的飞行时间参数时，可以利用Root-MUSIC(Root-Multiple Signal Classification，求根多重信号分类)算法，将对飞行时间参数的计算转化为对以下表达式的最优化估计问题：
其中，ToF表示飞行时间参数，UN表示噪声子空间矩阵，表示所述各个子阵的导向矢量矩阵中的飞行时间参数导向矢量。
然后，将最优化估计问题转化为对如下函数的求根过程：
其中，
在上述函数中，τ表示所述去相关矩阵内的元素，Ω(τ)表示所述去相关矩阵内各个元素的相位旋转因子，m表示所述去相关矩阵的阵元数量，fδ表示相邻子载波之间的间隔；j表示虚数单位，z表示去相关矩阵内各个元素在路径k中的相位旋转因子。
再通过对求解得到的飞行时间参数求根函数的根的模值按照从大到小的顺序排序，前L个根可以用于计算多径叠加信号的各个路径的飞行时间参数。
或者，还可以是通过其他的方式计算飞行时间参数，本发明实施例对此不做限定。
步骤S206：针对每个多径叠加信号的路径，根据该多径叠加信号在该路径的飞行时间参数、得到的各个子阵导向矢量矩阵及噪声子空间矩阵，获得该多径叠加信号在该路径的到达角。
在一种实现方式中，利用MUSIC空间谱函数对各个多径叠加信号在各个路径的到达角进行计算。其中，MUSIC空间谱函数可以为以下表达形式：
在上述表达式中，PMU(θ,τ)表示所述多径叠加信号在该路径的多重信号分类空间谱；τ表示所述各个路径的飞行时间参数，θ表示所述多径叠加信号在该路径的到达角，表示所述多径叠加信号在该路径的导向向量,H表示共轭转置操作，UN表示所述噪声子空间矩阵。
由以上可见，应用本发明实施例提供的到达角计算方法，在计算多径叠加信号在各个路径的到达角之前，先计算出各个路径对应的飞行时间参数，使得在计算到达角时，飞行时间参数由未知参数变为已知参数，实现将二维峰值搜索问题转化为一维峰值搜索问题，从而减少了信号接收端计算信号到达角时的计算量，提高了AoA定位的效率。
如图5所示，为本发明实施例提供的另一种到达角计算方法的流程示意图，该方法应用于安装多根天线的信号接收端，具体包括如下步骤：
步骤S501：获取多根天线接收到的多个多径叠加信号。
在计算到达角时，首先，需要通过信号发送端向信号接收端发送信号，在信号接收端接收到信号之后，才能进行后续的定位解算。由于在信号的传输过程中，会产生多径传播现象。所以，信号接收端接收到的信号都是由多条路径的信号经过叠加构成的多径叠加信号。
由于信号接收端通过安装的多根天线接收信号，而一根天线接收一个多径叠加信号，因此信号接收端会接收到多个多径叠加信号。
在一种实现方式中，信号接收端安装的天线根数为3根，从而在最经济的条件下满足需要的到达角解算精度。
步骤S502：提取多个多径叠加信号的信道状态信息矩阵。
步骤S503：将得到的信道状态信息矩阵划分为预设大小的多个子阵，根据所述多个子阵，计算得到去相关矩阵、及根据所述各个子阵的子阵导向矢量矩阵。
在一种实现方式中，可以通过前向平滑对信道状态信息矩阵进行去相关处理。
步骤S504：根据去相关矩阵，计算得到多径叠加信号的路径个数及噪声子空间矩阵。
在一种实现方式中，可以先根据去相关矩阵，得到多径叠加信号的协方差矩阵，然后对协方差矩阵进行特征分解，得到协方差矩阵的噪声子空间矩阵，再根据协方差矩阵的噪声子空间矩阵及最小描述长度准则，得到多径叠加信号的路径个数。
步骤S505：根据得到的各个子阵导向矢量矩阵及噪声子空间，建立飞行时间参数求根函数。
在一种实现方式中，上述飞行时间参数求根函数可以表示为：
其中，
在上述函数中，UN表示噪声子空间，τ表示所述去相关矩阵内的元素，Ω(τ)表示所述去相关矩阵内各个元素的相位旋转因子，m表示所述去相关矩阵的阵元数量，表示所述各个子阵的导向矢量矩阵中的飞行时间参数导向矢量，fδ表示相邻子载波之间的间隔；j表示虚数单位，z表示去相关矩阵内各个元素在路径k中的相位旋转因子。
步骤S506：对飞行时间参数求根函数进行求解。
延续上述实现方式，对上述飞行时间参数求根函数进行求解，得到的根可以表示为其可以看做多项式D(z)在单位圆上和单位圆内的根。
步骤S507：从求解得到的所有根中，获取与多径叠加信号的路径个数相同的数量的、且模值最大的根作为多径叠加信号的各个路径的飞行时间参数。
延续上述实现方式，对求解得到的飞行时间参数求根函数的根的模值按照从大到小的顺序排序，前L个根可以用于计算多径叠加信号的各个路径的飞行时间参数。具体的，假设前L个复根为则各个路径的飞行时间参数可以表示为：
其中，L表示所述多径叠加信号的路径个数，表示对所述飞行时间参数求根函数进行求解得到的根的相位角。
步骤S508：针对每个多径叠加信号的路径，根据该多径叠加信号在该路径的飞行时间参数、得到的各个子阵导向矢量矩阵及噪声子空间矩阵，获得该多径叠加信号在该路径的到达角。
在一种实现方式中，利用预设的多重信号分类空间谱函数。
所述预设的多重信号分类空间谱函数为：
其中，PMU(θ,τ)表示所述多径叠加信号在该路径的多重信号分类空间谱；τ表示所述各个路径的飞行时间参数，θ表示所述多径叠加信号在该路径的到达角，表示所述多径叠加信号在该路径的导向向量,H表示共轭转置操作，UN表示所述噪声子空间矩阵。
由以上可见，应用本发明实施例提供的到达角计算方法，在计算多径叠加信号在各个路径的到达角之前，先计算出各个路径对应的飞行时间参数，使得在计算到达角时，飞行时间参数由未知参数变为已知参数，实现将二维峰值搜索问题转化为一维峰值搜索问题，从而减少了信号接收端计算信号到达角时的计算量，提高了AoA定位的效率。
如图6所示，本发明实施例还提供了一种到达角计算装置，应用于安装多根天线的信号接收端，该到达角计算装置包括：
信号获取模块610，用于获取所述多根天线接收到的多个多径叠加信号；其中，一根天线接收一个多径叠加信号；
信息提取模块620，用于提取所述多个多径叠加信号的信道状态信息矩阵；
去相关模块630，用于将得到的信道状态信息矩阵划分为预设大小的多个子阵，根据所述多个子阵，计算得到去相关矩阵、及根据所述各个子阵的子阵导向矢量矩阵；
矩阵处理模块640，用于根据所述去相关矩阵，计算得到所述多径叠加信号的路径个数及噪声子空间矩阵；
飞行时间参数计算模块650，用于根据得到的各个子阵导向矢量矩阵、所述多径叠加信号的路径个数及噪声子空间，得到所述多径叠加信号的各个路径的飞行时间参数；
其中，飞行时间参数计算模块650包括：
函数建立子模块651，用于根据得到的各个子阵导向矢量矩阵及所述噪声子空间，建立飞行时间参数求根函数；
函数求解子模块652，用于对所述飞行时间参数求根函数进行求解；
参数选择子模块653，用于从求解得到的所有根中，获取与所述多径叠加信号的路径个数相同的数量的、且模值最大的根作为所述多径叠加信号的各个路径的飞行时间参数。
到达角计算模块660，用于针对每个多径叠加信号的路径，根据该多径叠加信号在该路径的飞行时间参数、得到的各个子阵导向矢量矩阵及所述噪声子空间矩阵，获得该多径叠加信号在该路径的到达角。
由以上可见，应用本发明实施例提供的到达角计算方法，在计算多径叠加信号在各个路径的到达角之前，先计算出各个路径对应的飞行时间参数，使得在计算到达角时，飞行时间参数由未知参数变为已知参数，实现将二维峰值搜索问题转化为一维峰值搜索问题，从而减少了信号接收端计算信号到达角时的计算量，提高了AoA定位的效率。
本发明实施例还提供了一种电子设备，如图7所示，包括处理器701、通信接口702、存储器703和通信总线704，其中，处理器701，通信接口702，存储器703通过通信总线704完成相互间的通信，
存储器703，用于存放计算机程序；
处理器701，用于执行存储器703上所存放的程序时，实现如下步骤：
获取所述多根天线接收到的多个多径叠加信号；其中，一根天线接收一个多径叠加信号；
提取所述多个多径叠加信号的信道状态信息矩阵；
将得到的信道状态信息矩阵划分为预设大小的多个子阵，根据所述多个子阵，计算得到去相关矩阵、及根据所述各个子阵的子阵导向矢量矩阵；
根据所述去相关矩阵，计算得到所述多径叠加信号的路径个数及噪声子空间矩阵；
根据得到的各个子阵导向矢量矩阵、所述多径叠加信号的路径个数及噪声子空间，得到所述多径叠加信号的各个路径的飞行时间参数；
针对每个多径叠加信号的路径，根据该多径叠加信号在该路径的飞行时间参数、得到的各个子阵导向矢量矩阵及所述噪声子空间矩阵，获得该多径叠加信号在该路径的到达角。
上述电子设备提到的通信总线可以是外设部件互连标准(Peripheral ComponentInterconnect，PCI)总线或扩展工业标准结构(Extended Industry StandardArchitecture，EISA)总线等。该通信总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
通信接口用于上述电子设备与其他设备之间的通信。
存储器可以包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，也可以包括非易失性存储器(Non-Volatile Memory，NVM)，例如至少一个磁盘存储器。可选的，存储器还可以是至少一个位于远离前述处理器的存储装置。
上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(Network Processor，NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital SignalProcessing，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
由以上可见，应用本发明实施例提供的到达角计算方法，在计算多径叠加信号在各个路径的到达角之前，先计算出各个路径对应的飞行时间参数，使得在计算到达角时，飞行时间参数由未知参数变为已知参数，实现将二维峰值搜索问题转化为一维峰值搜索问题，从而减少了信号接收端计算信号到达角时的计算量，提高了AoA定位的效率。
在本发明提供的又一实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述实施例中任一所述的到达角计算方法。
在本发明提供的又一实施例中，还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述实施例中任一所述的到达角计算方法。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘Solid State Disk(SSD))等。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种到达角计算方法，应用于信号接收端，所述信号接收端安装多根天线；其特征在于，所述方法包括：
获取所述多根天线接收到的多个多径叠加信号；其中，一根天线接收一个多径叠加信号；
提取所述所述多个多径叠加信号的信道状态信息矩阵；
将得到的信道状态信息矩阵划分为预设大小的多个子阵，根据所述多个子阵，计算得到去相关矩阵、及根据所述各个子阵的子阵导向矢量矩阵；
根据所述去相关矩阵，计算得到所述多径叠加信号的路径个数及噪声子空间矩阵；
根据得到的各个子阵导向矢量矩阵、所述多径叠加信号的路径个数及噪声子空间，得到所述多径叠加信号的各个路径的飞行时间参数；
针对每个多径叠加信号的路径，根据该多径叠加信号在该路径的飞行时间参数、得到的各个子阵导向矢量矩阵及所述噪声子空间矩阵，获得该多径叠加信号在该路径的到达角。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述去相关矩阵，计算得到所述多径叠加信号的路径个数及噪声子空间矩阵，包括：
根据所述去相关矩阵，得到所述多径叠加信号的协方差矩阵；
对所述协方差矩阵进行特征分解，得到所述协方差矩阵的噪声子空间矩阵；
根据所述协方差矩阵的噪声子空间矩阵及最小描述长度准则，得到所述多径叠加信号的路径个数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据得到的各个子阵导向矢量矩阵、所述多径叠加信号的路径个数及噪声子空间，得到所述多径叠加信号的各个路径的飞行时间参数，包括：
根据得到的各个子阵导向矢量矩阵及所述噪声子空间，建立飞行时间参数求根函数；
对所述飞行时间参数求根函数进行求解；
从求解得到的所有根中，获取与所述多径叠加信号的路径个数相同的数量的、且模值最大的根作为所述多径叠加信号的各个路径的飞行时间参数。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：
所述飞行时间参数求根函数为：
其中，z＝Ω(τk)；
在上述函数中，UN表示噪声子空间，τ表示所述去相关矩阵内的元素，Ω(τ)表示所述去相关矩阵内各个元素的相位旋转因子，m表示所述去相关矩阵的阵元数量，表示各个子阵的导向矢量矩阵中的飞行时间参数导向矢量，fδ表示相邻子载波之间的间隔；j表示虚数单位，z表示去相关矩阵内各个元素在路径k中的相位旋转因子；
所述各个路径的飞行时间参数表示为：
其中，L表示所述多径叠加信号的路径个数，表示对所述飞行时间参数求根函数进行求解得到的根的相位角。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据该多径叠加信号在该路径的飞行时间参数、得到的各个子阵导向矢量矩阵及所述噪声子空间矩阵，获得所述多径叠加信号在该路径的到达角，包括：
利用预设的多重信号分类空间谱函数，根据该多径叠加信号在该路径的飞行时间参数、得到的各个子阵导向矢量矩阵及所述噪声子空间矩阵，获得所述多径叠加信号在该路径的到达角。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述预设的多重信号分类空间谱函数为：
其中，PMU(θ,τ)表示所述多径叠加信号在该路径的多重信号分类空间谱；τ表示所述各个路径的飞行时间参数，θ表示所述多径叠加信号在该路径的到达角，表示所述多径叠加信号在该路径的导向向量,H表示共轭转置操作，UN表示所述噪声子空间矩阵。
7.一种到达角计算装置，应用于信号接收端，所述信号接收端安装多根天线；其特征在于，所述装置包括：
信号获取模块，用于获取所述多根天线接收到的多个多径叠加信号；其中，一根天线接收一个多径叠加信号；
信息提取模块，用于提取所述多个多径叠加信号的信道状态信息矩阵；
去相关模块，用于将得到的信道状态信息矩阵划分为预设大小的多个子阵，根据所述多个子阵，计算得到去相关矩阵、及根据所述各个子阵的子阵导向矢量矩阵；
矩阵处理模块，用于根据所述去相关矩阵，计算得到所述多径叠加信号的路径个数及噪声子空间矩阵；
飞行时间参数计算模块，用于根据得到的各个子阵导向矢量矩阵、所述多径叠加信号的路径个数及噪声子空间，得到所述多径叠加信号的各个路径的飞行时间参数；
到达角计算模块，用于针对每个多径叠加信号的路径，根据该多径叠加信号在该路径的飞行时间参数、得到的各个子阵导向矢量矩阵及所述噪声子空间矩阵，获得该多径叠加信号在该路径的到达角。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述飞行时间参数计算模块，包括：
函数建立子模块，用于根据得到的各个子阵导向矢量矩阵及所述噪声子空间，建立飞行时间参数求根函数；
函数求解子模块，用于对所述飞行时间参数求根函数进行求解；
参数选择子模块，用于从求解得到的所有根中，获取与所述多径叠加信号的路径个数相同的数量的、且模值最大的根作为所述多径叠加信号的各个路径的飞行时间参数。
9.一种电子设备，其特征在于，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信；
存储器，用于存放计算机程序；
处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现权利要求1-7任一所述的方法步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-7任一所述的方法步骤。
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