CN111082881A - 一种基于时间反演的多径信道信号检测方法及装置 - Google Patents

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李方伟
王明月
张海波
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    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B17/00—Monitoring; Testing
    • H04B17/30—Monitoring; Testing of propagation channels

Abstract

本发明属于通信领域，特别涉及一种基于时间反演的多径信道信号检测方法及装置，所述方法包括接收端得到信道冲激响应和接收信号；接收端根据信道冲激响应序列获得信道冲激响应的反序列；接收端根据信道冲激响应的反序列与接收信号恢复出发送信号的频域表达式；本发明能够利用时间反演的空时聚焦特性，不仅降低了系统的检测复杂度，同时能有效提升系统检测性能。

Description

一种基于时间反演的多径信道信号检测方法及装置
技术领域
本发明属于通信领域，特别涉及一种基于时间反演的多径信道信号检测方法及装置。
背景技术
在移动通信中，所有信息都是在无线信道中利用电磁波进行传输的。与有线信道不同，无线信道是一种看不见摸不着的传输媒质。一般的，无线信号经过信道传输后所产生的衰落主要分为两类，即大尺度衰落和小尺度衰落。大尺度衰落是发送端和接收端之间长距离导致的电磁场场强的变化，即电磁波在自由空间内传输，其信号功率会随着传播距离增加而减小；小尺度衰落则是经过短时间或短距离传播之后无线信号幅度发生快速衰落，以至于由大尺度衰落带来的路径损耗可以忽略不计。
影响小尺度衰落的主要因素有两个，包括多径传播和发送端与接收端之间的相对移动速度，其中多径传播带来的多径效应是制约移动通信发展最重要的因素。无线信道是一个开放的传输环境，对于无线信号而言，信道中存在着各种各样的障碍物。因此，信号从发送端发出后，经过各种物体的反射、绕射和散射等，产生了多个具有不同幅度、相位和时延的发送信号副本，相当于发送信号是经过多个不同的路径传输的；而接收端信号是来自多条不同路径信号的叠加，不同路径距离不同，造成相应的多径信号具有不同幅度、相位和时延。
在多径信道条件下，无线信号检测作为移动通信系统中的关键问题。迄今为止，不管是针对传统系统或新兴系统，都已提出许多信号检测的算法，但是如何能以尽可能低的计算复杂度获得较好的检测性能，依然受到广泛的关注和研究。
上世纪70年代起，在光学中利用相位共轭原理来消除波前失真和实现实时全息成像的概念被提出并引起研究热潮。1992年巴黎第七大学的M.Fink教授率先将TR技术应用于声学领域，并证明该技术在传输过程中的时空聚焦特性。之后的研究逐步表明了TR在工程应用领域的巨大价值。采用这种技术，能使在均匀和非均匀媒质中传播的声波实现时间和空间的同步聚焦，因此可用于复杂媒质中目标的探测。
由于时间反演技术在声学和超声学领域的成功应用，2004年G.Lerosey等人对电磁波的时间反演特性进行了研究，将时间反演技术正式引入到了电磁学领域。研究表明，基于麦克斯韦电磁方程组的对称特性，时间反演后的电磁波具有和声波一样的特性，能够在原始激励源点处表现出时间和空间的同步聚焦的特性。基于时间反演电磁波应用系统也逐渐构建起来。同时，时间反演在电磁通信、电磁成像、电磁功率合成以及电磁医疗等多个领域都展现了较高的应用价值。
由此可见，如何基于时间反演的空时同步聚焦特性，研究出检测性能较好、复杂度较低的多径信道信号检测方案是一项充满挑战且意义重大的任务。
发明内容
为了能够以较低的复杂度获得较好的检测性能，本发明提出一种基于时间反演的多径信道信号检测方法及装置，该方法利用时间反演的思想，接收端首先将信道冲激响应序列取反得到信道冲激响应的反序列；进而根据信道冲激响应的反序列与接收信号恢复出发送信号的频域表达式，如图3，主要包括以下步骤：
S1、接收端得到信道冲激响应和接收信号；
S2、接收端根据信道冲激响应序列获得信道冲激响应的反序列；
S3、接收端根据信道冲激响应的反序列与接收信号恢复出发送信号的频域表达式。
进一步的，接收端根据信道冲激响应的反序列与接收信号恢复出发送信号的频域表达式表示为：
Figure BDA0002317294500000031
其中，
Figure BDA0002317294500000032
为接收端根据信道冲激响应的反序列与接收信号恢复出发送信号的频域表达式；YTR(jw)为接收信号的频域表达式；H(jw)为信道冲激响应的频域表达式。
进一步的，基于时间反演对接收信号进行处理之后的信号YTR(jw)表示为：
YTR(jw)＝H*(jw)X(jw)H(jw)+H*(jw)N(jw)＝|H(jw)|2X(jw)+H*(jw)N(jw)；
其中，H*(jw)表示信道冲激响应的反序列的频域表达式；X(jw)表示发送信号的频域表达式；N(jw)表示噪声的频域表达式。
进一步的，信道冲激响应的反序列表示为：
Figure BDA0002317294500000033
其中，h(-t)为信道冲激响应的反序列；al为各多径的幅度；δ(t-τl)为狄拉克函数；L为总的多径分量数目；τl为各多径的时延。
本发明还提出一种基于时间反演的多径信道信号检测装置，信号检测装置包括接收模块、反转模块、检测模块、频-时域转换模块以及星座逆映射模块其中：
接收模块，用于获得信道冲激响应和接收信号；
反转模块，用于获得到信道冲激响应的反序列；
检测模块，用于恢复出发送信号的频域表达式；检测模块包括接收信号处理单元和频域恢复单元，接收信号处理单元用于利用时间反演的思想对接收信号进行处理，频域恢复单元用于根据接收信号处理模块输出的信号恢复得到发送信号的频域表达式；
频-时域转换模块，用于恢复出发送信号的时域表达式；
星座逆映射模块，用于恢复出发送信号的原始二进制比特流。
本发明能够利用时间反演时间和空间的同步聚焦特性，不仅降低了系统的检测复杂度，同时能有效提升系统检测性能。
附图说明
图1为传统时间反演技术的处理流程图；
图2为本发明基于时间反演的信号检测方案处理流程图；
图3为本发明基于时间反演的信号检测方案具体流程图；
图4为本发明一种基于时间反演的多径信道信号检测装置结构。
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。
本发明提供一种基于时间反演的多径信道信号检测方法，如图3，包括以下步骤：
S1、接收端得到信道冲激响应和接收信号；
S2、接收端根据信道冲激响应序列获得信道冲激响应的反序列；
S3、接收端根据信道冲激响应的反序列与接收信号恢复出发送信号的频域表达式。
图1为传统时间反演技术的处理流程图，接收端首先通过发送广播探测脉冲，发送端接收并提取相应信道冲激响应，在此基础上，发送端将需要发送的信号事先与信道冲激响应序列的反序序列进行卷积，然后发送出去。这样，由于卷积结果与信道的相关性，信号能够实现在接收点处时间和空间同步聚焦。
若发送信号是x(t)，信道冲激响应是h(t)，根据Truin模型，信道冲激响应可表示为：
Figure BDA0002317294500000041
其中，δ(t)是狄拉克函数，al是各多径的幅度，τl代表各多径时延，L为总的多径分量数目。
因此，若噪声为n(t)，则传统通信系统接收端接收到的信号为：
y(t)＝x(t)*h(t)+n(t)
在单输入单输出(Simple Input Simple Output,SISO)系统的情况下：对于时间反演通信系统，接收端接收的信号y(t)为：
yTR(t)＝h(-t)*x(-t)*h(t)+n(t)
按传统通信系统的形式，除发送信号外统一成一个等效信道分量，其表达如下
yTR(t)＝x(t)*heq(t)+n(t)
其中，
Figure BDA0002317294500000051
将heq(t)分成自相关R(t)和互相关Q(t)两部分，即heq(t)＝R(t)+Q(t)。
其中，
Figure BDA0002317294500000052
Figure BDA0002317294500000053
通过上面分析可以得到：R(t)是各个不同传播路径的自相关函数，在t＝0时刻R(t)的取值达到最大，与各多径分量的延迟无关。由于每个传播路径的自相关函数都在t＝0时刻达到最大值，各个传播路径冲激响应的相干叠加将增强heq(t)的能量。R(t)的大小和多径数目相关，多径数目越多，自相关函数越大。Q(t)是各个不同传播路径的互相关函数，非相干多径信号卷积叠加后的结果是相互抵消的，所以Q(t)与R(t)相比要小得多。经过空间传播，接收端接收到的信号在空间上聚焦于对应的接收端，在时间上聚焦于原点，可以使信号及其各多径分量在接收端自动聚焦，这就达到了简化接收机结构的目的。
图2为基于时间反演的信号检测方案处理流程图，为方便起见，本处理流程图以SISO系统为例进行说明，本处理流程图同样适用于多输入多输出(Multiple InputMultiple Output,MIMO)系统。本处理流程图包括如下：接收端首先提取出当前信道的冲激响应；其次，根据信道冲激响应的反序列与接收信号恢复出发送信号的频域表达式；最后，将估计得到的发送信号的频域表达式进行频域到时域变换和星座变换。
在本实施例中，首先提取出信道冲激响应为
Figure BDA0002317294500000061
其频域表达式为H(jw)；其次，提取出接收信号：y(t)＝x(t)*h(t)+n(t)，等价频域表达式为：Y(jw)＝X(jw)H(jw)+N(jw)。
将信道冲激响应序列取反得到信道冲激响应的反序列：
Figure BDA0002317294500000062
经过时间反演后在频域的形式是原来频谱函数的共轭，因此，h(-t)等价的频域表达式为H*(jw)。
接收端将信道冲激响应的反序列与接收信号进行卷积得到接收信号的时域表达式：
yTR(t)＝h(-t)*x(t)*h(t)+h(-t)*n(t)；
时域卷积相当于频域乘积，复数乘以自身共轭等于自身模的平方，卷积结果的频域变化为：
YTR(jw)＝H*(jw)X(jw)H(jw)+H*(jw)N(jw)＝|H(jw)|2X(jw)+H*(jw)N(jw)；
其中，H*(jw)表示信道冲激响应的反序列的频域表达式；X(jw)表示发送信号的频域表达式；N(jw)表示噪声的频域表达式。则可以得到接收端根据信道冲激响应的反序列与接收信号恢复出发送信号的频域表达式表示为：
Figure BDA0002317294500000071
本发明还提出一种基于时间反演的多径信道信号检测装置，如图4，所述信号检测装置包括接收模块、反转模块、检测模块、频-时域转换模块以及星座逆映射模块其中：
接收模块，用于获得信道冲激响应和接收信号；
反转模块，用于获得到信道冲激响应的反序列；
检测模块，用于恢复出发送信号的频域表达式；检测模块包括接收信号处理单元和频域恢复单元，接收信号处理单元用于利用时间反演的思想对接收信号进行处理，频域恢复单元用于根据接收信号处理模块输出的信号恢复得到发送信号的频域表达式；
频-时域转换模块，用于恢复出发送信号的时域表达式；
星座逆映射模块，用于恢复出发送信号的原始二进制比特流。
进一步的，反转模块获取信道冲激响应的反序列表示为：
Figure BDA0002317294500000072
其中，h(-t)为信道冲激响应的反序列；al为各多径的幅度；δ(t-τl)为狄拉克函数；L为总的多径分量数目；τl为各多径的时延。
进一步的，检测模块获得的基于时间反演对接收信号进行处理之后的信号YTR(jw)表示为：
YTR(jw)＝H*(jw)X(jw)H(jw)+H*(jw)N(jw)＝|H(jw)|2X(jw)+H*(jw)N(jw)；
其中，H*(jw)表示信道冲激响应的反序列的频域表达式；X(jw)表示发送信号的频域表达式；N(jw)表示噪声的频域表达式。
进一步的，检测模块恢复发送信号的频域表达式表示为：
Figure BDA0002317294500000073
其中，
Figure BDA0002317294500000074
为接收端根据信道冲激响应的反序列与接收信号恢复出发送信号的频域表达式；YTR(jw)为接收信号的频域表达式；H(jw)为信道冲激响应的频域表达式。
传统SISO系统的信号检测算法通常未考虑多径效应；而针对目前正受到广泛关注和研究的MIMO系统，在信号检测时也只考虑了发送端和接收端配置多根天线、每对天线之间只存在一条路径的情况。而本发明充分考虑了移动通信中真实存在的多径效应，并利用时间反演的思想解决了该问题。因此，本发明能更好的应用于实际。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种基于时间反演的多径信道信号检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、接收端得到信道冲激响应和接收信号；
S2、接收端根据信道冲激响应序列获得信道冲激响应的反序列；
S3、接收端根据信道冲激响应的反序列与接收信号恢复出发送信号的频域表达式。
2.根据权利要求1所述的一种基于时间反演的多径信道信号检测方法，其特征在于，接收端根据信道冲激响应的反序列与接收信号恢复出发送信号的频域表达式表示为：
Figure FDA0002317294490000011
其中，
Figure FDA0002317294490000012
为接收端根据信道冲激响应的反序列与接收信号恢复出发送信号的频域表达式；YTR(jw)为接收信号的频域表达式；H(jw)为信道冲激响应的频域表达式。
3.根据权利要求2所述的一种基于时间反演的多径信道信号检测方法，其特征在于，利用时间反演对接收信号进行处理之后的信号YTR(jw)表示为：
YTR(jw)＝H*(jw)X(jw)H(jw)+H*(jw)N(jw)＝|H(jw)|2X(jw)+H*(jw)N(jw)；
其中，H*(jw)表示信道冲激响应的反序列的频域表达式；X(jw)表示发送信号的频域表达式；N(jw)表示噪声的频域表达式。
4.据权利要求1所述的一种基于时间反演的多径信道信号检测方法，其特征在于，信道冲激响应的反序列表示为：
Figure FDA0002317294490000013
其中，h(-t)为信道冲激响应的反序列；al为各多径的幅度；δ(t-τl)为狄拉克函数；L为总的多径分量数目；τl为各多径的时延。
5.根据权利要求1所述的一种基于时间反演的多径信道信号检测方法，其特征在于，信道冲激响应表示为：
Figure FDA0002317294490000021
提取得到的接收信号表示为：
y(t)＝x(t)*h(t)+n(t)；
其中，h(t)为信道冲激响应；al为各多径的幅度；δ(t-τl)为狄拉克函数；L为总的多径分量数目；τl为各多径的时延；y(t)为接收信号；n(t)为噪声。
6.一种基于时间反演的多径信道信号检测装置，其特征在于，所述信号检测装置包括接收模块、反转模块、检测模块、频-时域转换模块以及星座逆映射模块其中：
接收模块，用于获得信道冲激响应和接收信号；
反转模块，用于获得到信道冲激响应的反序列；
检测模块，用于恢复出发送信号的频域表达式；检测模块包括接收信号处理单元和频域恢复单元，接收信号处理单元用于利用时间反演的思想对接收信号进行处理，频域恢复单元用于根据接收信号处理模块输出的信号恢复得到发送信号的频域表达式；
频-时域转换模块，用于恢复出发送信号的时域表达式；
星座逆映射模块，用于恢复出发送信号的原始二进制比特流。
7.根据权利要求6所述的一种基于时间反演的多径信道信号检测装置，其特征在于，反转模块获取信道冲激响应的反序列表示为：
Figure FDA0002317294490000022
其中，h(-t)为信道冲激响应的反序列；al为各多径的幅度；δ(t-τl)为狄拉克函数；L为总的多径分量数目；τl为各多径的时延。
8.根据权利要求8所述的一种基于时间反演的多径信道信号检测装置，其特征在于，检测模块获得的基于时间反演对接收信号进行处理之后的信号YTR(jw)表示为：
YTR(jw)＝H*(jw)X(jw)H(jw)+H*(jw)N(jw)＝|H(jw)|2X(jw)+H*(jw)N(jw)；
其中，H*(jw)表示信道冲激响应的反序列的频域表达式；X(jw)表示发送信号的频域表达式；N(jw)表示噪声的频域表达式。
9.根据权利要求6所述的一种基于时间反演的多径信道信号检测装置，其特征在于，检测模块恢复发送信号的频域表达式表示为：
Figure FDA0002317294490000031
其中，
Figure FDA0002317294490000032
为接收端根据信道冲激响应的反序列与接收信号恢复出发送信号的频域表达式；YTR(jw)为接收信号的频域表达式；H(jw)为信道冲激响应的频域表达式。
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