CN1154258C - 一种基于路径选择的波达方向估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于路径选择的波达方向估计方法，该方法利用统计信号处理的手段，同时利用路径选择的结果，结合多组信道估计数据，将多个时刻的信道估计数据很好地结合起来，避免了常用的FFT方法容易受噪声影响的缺点，提高了波达方向估计数据的信噪比以及提高了信号波达方向估计的正确性和稳定性，从而可以改善无线通信接收的性能。

Description

一种基于路径选择的波达方向估计方法

本发明涉及无线通信系统接收机中的接收技术，具体地说涉及到无线通信系统上行信号的波达方向(DOA)估计技术。

目前，常用的DOA估计方法是快速付立叶变换(FFT)方法。这种方法的优点是实现简单，但是存在着无法确定信号数目以及估计误差方差较大的问题，而且由于FFT方法并不是一种统计方法，其性能受噪声的影响很大，因此估计值的波动很大。在无线通信系统中，采用上述方法进行信号的波达方向的估计，不能很好地利用一段时间内的接收信号以减小估计结果的误差。如果利用基于导频码获得的所有信道估计数据进行波达方向的估计，则因为有些信道估计中信号的能量很低，最终将造成处理时实际信噪比的降低。

针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种基于路径选择的波达方向估计的方法，使用该方法能够提高波达方向估计数据的信噪比，从而提高估计结果的准确性和稳定性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于路径选择的波达方向估计方法，该方法包括以下步骤：

(1)判断天线各阵元是等距离线性放置还是等距离放置在圆环上，如果是等距离线性放置，转步骤(3)继续操作，否则继续以下操作；

(2)对于环形天线，针对信道估计向量y₀(m)，利用已知的或已经估计出来的信号到达方向的俯仰角，应用下述公式y(m)＝Ty₀(m)，m∈A)做线性变换，得到等效信号列向量y(m)；

(3)确定要估计的参数数目N_P；

(4)利用等效信号列向量y(m)构造降维信号向量z_i(m)，i＝1，2，…P-N_P+1，按照公式 $R_{\mathrm{SS}}\left(m\right)=\frac{1}{P-N_P+1}\underset{i=1}{\overset{P-N_P+1}{\mathrm{\Σ}}}{z}_i\left(m\right)z_i(m{)}^H$ 计算得到瞬时相关矩阵R_SS(m)的估计；

(5)重新安排上述步骤(4)计算得到的结果，根据公式R(l)＝λ_fR(l-1)+R_SS(l)计算相关矩阵R(l)，得到需要的参数多项式向量 $w\left(l\right)={[w_1{w}_2\·\·\·w_{N_P}]}^T$ 的估计；

(6)利用上一步骤得到的向量所包含的多项式参数值w₁，w₂，…，w_NP，构成如下所述的方程： ${w_{1}z}^{N_P-1}+w_2{z}^{N_P-2}+\·\·\·+w_{N_P}=0,$ 通过该方程的求解，得到相角φ₁，φ₂，…，φ_NP-1；

(7)对于环形天线，信号到达方向方位角估计为φ₁，φ₂，…，φ_NP-1；对于线性天线，通过式 ${\mathrm{\θ}}_i={\sin }^{-1}\left(\frac{{\mathrm{\λ\θ}}_i}{2\mathrm{\πd}}\right),i=\mathrm{1,2},\·\·\·,N_P-1$ 得到所需要估计的信号到达方向角度。

上面所述得到需要的参数多项式向量 $w\left(l\right)={[w_1{w}_2\·\·\·w_{N_P}]}^T$ 的估计通过

下述迭代方法得到：

设该方法的初始条件为：w(0)，残差向量g(0)，梯度向量p(1)＝g(0)，l＝1，依次计算更新步长：

$\mathrm{\α}\left(l\right)=\mathrm{\η}\frac{p(l{)}^{T}g(l-1)}{p(l{)}^{T}R\left(l\right)p\left(l\right)},({\mathrm{\λ}}_f-0.5)\≤\mathrm{\η}\≤{\mathrm{\λ}}_f$

所需参数多项式向量更新计算为：

                   w(l)＝w(l-1)+α(l)p(l)

残差向量更新公式为：

              g(l)＝λ_fg(l-1)-α(l)R(l)p(l)-R_SS(l)w(l-1)

梯度调整步长计算如下面公式为：

$\mathrm{\β}\left(l\right)=\frac{(g\left(l\right)-g(l-1){)}^{T}g\left(l\right)}{g(l-1{)}^{T}g(l-1)}$

梯度向量更新计算：

               p(l)＝g(l)+β(l)p(l)

通过多次迭代计算得到所需要的参数多项式向量 $w\left(l\right)={[w_1{w}_2\·\·\·w_{N_P}]}^T.$

由上述本发明采用的技术方案可以看出，由于本发明采用利用统计信号处理的方法，同时利用路径选择的结果，结合多组信道估计数据，将多个时刻的信道估计数据很好地结合起来，避免了常用的FFT方法容易受噪声影响的缺点，提高了波达方向估计数据的信噪比以及提高了信号波达方向估计的正确性和稳定性，从而可以改善无线通信接收的性能。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。

图1是本发明方法的流程示意图。

一般说来，实际的无线通信系统中，信号的波达方向变化是比较缓慢的，如果采用FFT方法，则只能对每一个时刻的信道估计数据应用变换方法分别获得估计，而无法利用这些缓慢变化的信息改善估计结果，因此估计结果受噪声影响较大。本发明采用统计信号处理方法解决上述问题。应用统计信号处理需要将信号更好地从噪声中分离出来，因此需要先应用路径选择方法，例如，应用“宽带直扩-码分多址(DS-CDMA)移动通信中基于匹配滤波器的RAKE合并机”(S Fukumoto，M Sawahashi，and F Adachi.＂Matchedfilter-based RAKE combiner for wideband DS-CDMA mobile radio＂，IEICE TransCommun，Vol.E81-B，No.7，July 1998，pp.1384～1391)一文中提供的方法，将包含信号能量低的信道估计数据首先分离出来并舍弃，保证实际处理采用的数据具有足够的信噪比。

具体说，本发明的方法是针对天线各个阵元接收到的基带信号的处理，通过导频符号获得单个用户的各阵元上的信道估计，以符号h⁽ⁿ⁾(m)表示，n＝1，2，…，\N代表不同阵元，m＝1，2，…，\W表示不同时刻的采样，在这些信道估计数据中包含信号波达方向的信息，需要综合起来应用某种估计方法得到所需要的信号波达方向的估计。

设符号h⁽ⁿ⁾(m)表示经过路径选择后保留下来的信道估计数据，n＝1，2，…，\N保持不变，m∈Λ表示路径选择所保留的具有足够高信噪比的采样时刻。

针对天线形状不同，本发明其后的步骤也要采用不同的处理。各阵元等距离分布在圆环上的天线，即环形天线的接收信号相对于各阵元线性等距离放置的天线，即线性天线的接收信号而言，需要对信号预先进行如下的处理：

假设环形天线的圆环半径为r，载波波长λ，到达信号俯仰角可以通过估计得到，现假设该俯仰角θ∈[0，π/2]，令M为不大于min{2πr/λ，N/2}的最大整数，min{α，b}代表取α，b中较小的数，ζ＝2πrsinθ/λ；

$T=\mathrm{diag}\{j^{-M}{J}_M^{-1}\left(\mathrm{\ζ}\right),\·\·\·{,\backslash j}^{-1}{J}_1^{-1}\left(\mathrm{\ζ}\right),J_0^{-1}\left(\mathrm{\ζ}\right),j^{-1}{J}_1^{-1}\left(\mathrm{\ζ}\right),\·\·\·{,\backslash j}^{-M}{J}_M^{-1}\left(\mathrm{\ζ}\right)\}{V}^H,$ 其中， $j=\sqrt{-1},$ J_m(ζ)是阶数为m的第一类贝舍尔函数，diag{α，b}代表主对角元素分别为α，b的对角阵，V^H代表取矩阵V的共轭转置。则(2M＋1)×N的矩阵为：

$V=\left[\begin{array}{ccccc}1& \…& 1& \…& 1\\ e^{j2\mathrm{\πM}/N}& \…& e^{j2\mathrm{\π}0/N}& \…& e^{-j2\mathrm{\πM}/N}\\ \·& & \·& & \·\\ \·& \…& \·& \…& \·\\ \·& & \·& & \·\\ e^{j2\mathrm{\πM}(N-1)/N}& \…& e^{j2\mathrm{\π}0\×(N-1)/N}& \…& e^{-j2\mathrm{\πM}(N-1)/N}\end{array}\right]$

对环形天线接收信号所做的预处理就是：对天线接收到的N×1的信道估计列向量y₀(m)做如下变换

                   y(m)＝Ty₀(m)，m∈Λ       (1)

上式中，y₀(m)＝[h⁽¹⁾(m)…h^(N)(m)]^T，上标T代表转置操作。变换后的等效信号列向量y(m)的元素个数为P＝2M+1，这里定义y(m)＝[x⁽¹⁾(m)…x^(P)(m)]^T。

考虑到上述变换，假设待处理的数据为x⁽ⁿ⁾(m)，n＝1，2，…，P，m∈Λ。对环形天线而言，P的定义如前所述；对于线性天线而言，P＝N，x⁽ⁿ⁾(m)＝h⁽ⁿ⁾(m)。在统计信号处理中，需要确定待估计的参数的数目，现假定这一数目为一个预先选好的数N_P，该参数可以应用文献“现代信号处理”(张贤达，清华大学出版社，1995年5月第一版)中提出的信息量准则法等参数方法确定。由y(m)＝[x⁽¹⁾(m)…x^(P)(m)]^T构造一些新的降维信号向量，令：

$z_1\left(m\right)={[x^{\left(1\right)}\left(m\right)\·\·\·x^{\left(N_P\right)}\left(m\right)]}^T$

$z_2\left(m\right)={[x^{\left(2\right)}\left(m\right)\·\·\·x^{(N_P+1)}\left(m\right)]}^T$



$z_{P-N_P+1}\left(m\right)={[x^{(P-N_P+1)}\left(m\right)\·\·\·x^{\left(P\right)}\left(m\right)]}^T$

按照下面的公式进行计算瞬时相关矩阵：

$R_{\mathrm{SS}}\left(m\right)=\frac{1}{P-N_P+1}\underset{i=1}{\overset{P-N_P+1}{\mathrm{\Σ}}}{z}_i\left(m\right)z_i{\left(m\right)}^H-----\left(2\right)$

重新安排使得R_SS(l)＝R_SS(m_l)，l＝1，2，…，且满足l₁＜l₂，则m_l1＜m_l2。计算

                        R(l)＝λ_fR(l-1)+R_SS(l)                     (3)

其中，上式中遗忘因子λ_f满足0＜λ_f≤1。在得到相关矩阵R(l)和瞬时相关矩阵R_SS(l)的计算结果以后，可以通过以下方法计算得到需要的N_P+1的参数多项式向量w(l)：

设该方法的初始条件为：w(0)，残差向量g(0)，梯度向量p(1)＝g(θ)＝，1l＝1，依次计算更新步长：

$\mathrm{\α}\left(l\right)=\mathrm{\η}\frac{p{\left(l\right)}^{T}g(l-1)}{p{\left(l\right)}^{T}R\left(l\right)p\left(l\right)},({\mathrm{\λ}}_f-0.5)\≤\mathrm{\η}\≤{\mathrm{\λ}}_f-----\left(4\right)$

所需参数多项式向量更新计算为：

               w(l)＝w(l-1)+α(l)p(l)    (5)

残差向量更新公式为：

              g(l)＝λ_fg(l-1)-α(l)R(l)p(l)-R_SS(l)w(l-1)    (6)

梯度调整步长计算如下面公式为：

$\mathrm{\β}\left(l\right)=\frac{{(g\left(l\right)-g(l-1))}^{T}g\left(l\right)}{g{(l-1)}^{T}g(l-1)}------\left(7\right)$

梯度向量更新计算：

              p(l)＝g(l)+β(l)p(l)                        (8)

通过多次迭代计算，可以得到所需要的参数多项式向量

$w\left(l\right)={[w_1{w}_2\·\·\·w_{N_P}]}^T.$

最后通过所求得的向量获得信号波达方向的估计。利用参数多项式向量w(l)中的N_P个多项式参数值w₁，w₂，…W_NP构成关于变量z的方程：

求解该方程得到N_P-1个根，这些根的相角分别为φ₁，φ₂，…，φ_NP-1。对于环形天线而言，这就是需要估计的信号到达方向的方位角，单位是弧度；对于线性天线而言，所需要估计的信号到达方向角度估计可以通过如下公式计算得到：

λ同样是载波波长，d是相邻阵元之间的距离，sin^-1(·)代表反正弦函数。

下面通过本发明应用于TD-SCDMA(时分同步码分多址)系统对本发明做进一步描述。

在TD-SCDMA系统中，首先利用经过联合检测后得到的信道估计信号用于波达方向的估计。假设本例中系统采用的是环形天线，因此需要针对上述估计信号做如下式y(m)＝Ty₀(m)，m∈Λ所述的线性变换。在本例中，本发明的具体实施过程参考图1。在步骤1，判断天线各阵元是等距离线性放置还是等距离放置在圆环上，由于天线个阵元不是等距离线性放置，因此继续以下操作；在步骤2，对经过联合检测后得到的信道估计信号，利用已知的或已经估计出来的信号到达方向的俯仰角，应用下述公式y(m)＝Ty₀(m)，m∈A)做线性变换，假设得到等效信号列向量为x⁽ⁿ⁾(m)，其中n＝1，2，…，7，m∈{2，3，5，7}表示路径选择所保留的具有足够高信噪比的采样时刻，即P＝7，Λ＝{2，3，5，7}。在步骤3，确定要估计的参数数目N_P，在此假设需要估计用户两个主径信号的波达方向，则后面的计算中可以确定N_P＝3。在步骤4，利用等效信号列向量为x⁽ⁿ⁾(m)构造相应的降维信号向量z_i(m)，i＝1，2，…，5，依照公式 $R_{\mathrm{SS}}\left(m\right)=\frac{1}{P-N_P+1}\underset{i=1}{\overset{P-N_P+1}{\mathrm{\Σ}}}{z}_i\left(m\right)z_i(m{)}^H$ 估计瞬时相关矩阵R_SS(m)。在步骤5，按对应关系n＝2→l＝1，n＝3→l＝2，n＝5→l＝3，n＝7→l＝4重新安排R_SS(m)，得到R_SS(l)，l＝1，2，3，4，根据公式R(l)＝λ_fR(l-1)+R_SS(l)计算相关矩阵R(l)，R(0)可以设置为零矩阵，或者设置为在实际分配给该用户的前一个时隙的计算中得到的相关矩阵估计值，得到需要的参数多项式向量 $w\left(l\right)={[w_1{w}_2\·\·\·w_{N_P}]}^T$ 的估计；在参数多项式向量w(l)＝[w₁ w₂ w₃]^T的迭代估计步骤中，可以设置w(0)＝[100]^T，g(0)＝[-100]^T，或者如同相关矩阵一样，设置为在实际分配给该用户的前一个时隙的计算中得到的估计值。由于瞬时相关矩阵R_SS(l)的秩不为1，因此实际的迭代计算中针对每一个l，更新步长、参数多项式向量更新、残差向量更新、梯度调整步长、梯度向量更新的计算也可以迭代多次。具体估计方法如下：

设该方法的初始条件为：w(0)＝[100]^T，残差向量g(0)＝[-100]^T，梯度向量p(1)＝g(0)，l＝1，依次计算更新步长：

$\mathrm{\α}\left(l\right)=\mathrm{\η}\frac{p(l{)}^{T}g(l-1)}{p(l{)}^{T}R\left(l\right)p\left(l\right)},({\mathrm{\λ}}_f-0.5)\≤\mathrm{\η}\≤{\mathrm{\λ}}_f$

所需参数多项式向量更新计算为：

                 w(l)＝w(l-1)+α(l)p(l)

残差向量更新公式为：

                 g(l)＝λ_fg(l-1)-α(l)R(l)p(l)-R_SS(l)w(l-1)

梯度调整步长计算如下面公式为：

$\mathrm{\β}\left(l\right)=\frac{{(g\left(l\right)-g(l-1))}^{T}g\left(l\right)}{g{(l-1)}^{T}g(l-1)}$

梯度向量更新计算：

                p(l)＝g(l)+β(l)p(l)

在获得w(l)的估计以后，当残差向量g(l)的范数足够小，比如小于预先设定的门限值ε＝0.01时，就可以在步骤6，利用上一步骤得到的向量所包含的多项式参数值w₁，w₂，…，w_NP，构成如下所述的方程：

$w_1{z}^{N_P-1}+w_2{z}^{N_P-2}+\·\·\·+w_{N_P}=0,$

通过该方程的求解，得到相角φ₁，φ₂，…，φ_NP-1；由于本例中采用的是环行天线，所以在步骤6直接确认φ₁，φ₂，…，φ_NP-1为信号到达方位角。如果本例中系统采用线性天线进行信号接收，则本步骤中要通过公式 ${\mathrm{\θ}}_i={\sin }^{-1}\left(\frac{{\mathrm{\λ\θ}}_i}{2\mathrm{\πd}}\right),i=\mathrm{1,2},\·\·\·,N_P-1$ 得到所需要估计的信号波达方向。

总之，本发明适用于需要进行DOA估计的移动通信系统，可以提供方差较小的DOA估计。

Claims (3)

1、一种基于路径选择的波达方向估计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)判断天线各阵元是等距离线性放置还是等距离放置在圆环上，如果是等距离线性放置，转步骤(3)继续操作，否则继续以下操作；

(2)对于环形天线，针对信道估计向量y₀(m)，利用已知的或已经估计出来的信号到达方向的俯仰角，应用下述公式y(m)＝Ty₀(m)，m∈A)做线性变换，得到等效信号列向量y(m)；上述公式中，

$T=\mathrm{diag}\{j^{-M}{J}_M^{-1}\left(\mathrm{\ζ}\right),\·\·\·,j^{-1}{J}_1^{-1}\left(\mathrm{\ζ}\right),J_0^{-1}\left(\mathrm{\ζ}\right),j^{-1}{J}_1^{-1}\left(\mathrm{\ζ}\right),\·\·\·,j^{-M}{J}_M^{-1}\left(\mathrm{\ζ}\right)\}{V}^H,$ 其中， $j=\sqrt{-1},$ J_m(ζ)是阶数为m的第一类贝舍尔函数，diag{α，b}代表主对角元素分别为α，b的对角阵，V^H代表取矩阵V的共轭转置；

(3)确定要估计的参数数目N_P；

(4)利用等效信号列向量y(m)构造降维信号向量z_i(m)，i＝1，2，…◇P-N_P+1，按照公式 $R_{\mathrm{SS}}\left(m\right)=\frac{1}{P-N_P+1}\underset{i=1}{\overset{P-N_P+1}{\mathrm{\Σ}}}{z}_i\left(m\right)z_i(m{)}^H$ 计算得到瞬时相关矩阵R_SS(m)的估计；其中，对环形天线而言，P＝2M+1，M不大于min{2πr/λ，N/2}的最大整数，r环形天线的圆环半径，λ为载波波长，N为天线的阵元数；对于线性天线而言，P＝N；

(5)重新安排上述步骤(4)计算得到的结果，根据公式R(l)＝λ_fT(l-1)+R_SS(l)计算相关矩阵R(l)，得到需要的参数多项式向量 $w\left(l\right)={[w_1{w}_2\·\·\·w_{N_P}]}^T$ 的估计；其中，λ_f为遗忘因子，0＜λ_f＜1；

(6)利用上一步骤得到的向量所包含的多项式参数值w₁，w₂，…，w_NP，构成如下所述的方程： $w_1{z}^{N_P-1}+w_2{z}^{N_P-2}+{\·\·\·\mathrm{Qw}}_{N_P}=0,$ 通过该方程的求解，得到相角φ₁，φ₂，…，Cφ_NP-1；

(7)对于环形天线，信号到达方向方位角估计为φ₁，φ₂，…，Cφ_NP-1；对于线性天线，通过式 ${\mathrm{\θ}}_i={\sin }^{-1}\left(\frac{{\mathrm{\λ\θ}}_i}{2\mathrm{\πd}}\right),i=\mathrm{1,2},\·\·\·C{N}_P-1$ 得到所需要估计的信号到达方向角度；其中，α²是相邻阵元之间的距离。

2、根据权利要求1所述的基于路径选择的波达方向估计方法，其特征在于，所述得到需要的参数多项式向量 $w\left(l\right)={[w_1{w}_2\·\·\·w_{N_P}]}^T$ 的估计通过下述

方法得到：

设该方法的初始条件为：w(0)＝[100]^T，残差向量g(0)＝[-100]^T，梯度向量p(1)＝g(0)，l＝1，依次计算更新步长：

$\mathrm{\α}\left(l\right)=\mathrm{\η}\frac{p(l{)}^{T}g(l-1)}{p(l{)}^{T}R\left(l\right)p\left(l\right)},({\mathrm{\λ}}_f-0.5)\≤\mathrm{\η}\≤{\mathrm{\λ}}_f$

所需参数多项式向量更新计算为：

                 w(l)＝w(l-1)+α(l)p(l)

残差向量更新公式为：

               g(l)＝λ_fg(l-1)-α(l)R(l)p(l)-R_SS(l)w(l-1)

梯度调整步长计算如下面公式为：

$\mathrm{\β}\left(l\right)=\frac{(g\left(l\right)-g(l-1){)}^{T}g\left(l\right)}{g{(l-1)}^{T}g(l-1)}$

梯度向量更新计算：

            p(l)＝g(l)+β(l)p(l)

通过多次迭代计算得到所需要的参数多项式向量 $w\left(l\right)={[w_1{w}_2\·\·\·w_{N_P}]}^T.$

3、根据权利要求1所述的基于路径选择的波达方向估计方法，其特征在于，所述确定要估计的参数数目N_P，可以应用信息量准则法确定。