CN117295152A - 面向通信信号的时域重构单通道高精度波达方向估计方法 - Google Patents
面向通信信号的时域重构单通道高精度波达方向估计方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117295152A CN117295152A CN202310981252.6A CN202310981252A CN117295152A CN 117295152 A CN117295152 A CN 117295152A CN 202310981252 A CN202310981252 A CN 202310981252A CN 117295152 A CN117295152 A CN 117295152A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- time domain
- channel
- time
- communication
- time period
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000006854 communication Effects 0.000 title claims abstract description 63
- 238000004891 communication Methods 0.000 title claims abstract description 58
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 32
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 6
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 4
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 2
- 238000012549 training Methods 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
- H04W64/00—Locating users or terminals or network equipment for network management purposes, e.g. mobility management
- H04W64/006—Locating users or terminals or network equipment for network management purposes, e.g. mobility management with additional information processing, e.g. for direction or speed determination
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
- H04L25/00—Baseband systems
- H04L25/02—Details ; arrangements for supplying electrical power along data transmission lines
- H04L25/0202—Channel estimation
- H04L25/0224—Channel estimation using sounding signals
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
- H04L5/00—Arrangements affording multiple use of the transmission path
- H04L5/003—Arrangements for allocating sub-channels of the transmission path
- H04L5/0048—Allocation of pilot signals, i.e. of signals known to the receiver
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
- Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
- Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Radio Transmission System (AREA)
Abstract
本发明提供一种面向通信信号的时域重构单通道高精度波达方向估计方法。该方法包括：构建时域重构单通道系统；分析采用的无线物理层协议，拓展时间基线，以便在时域或频域寻找具有第一时间周期的数据结构；配置系统参数，使得接收通道的电磁特性满足预设条件，包括：在第二时间周期，接收通道的电磁特性动态变化N次，且每次的电磁特性的持续时间不小于第一时间周期；在一个第二时间周期内，累计接收N个电磁特性对应的通信数据；将接收到的N个电磁特性对应的通信数据在逻辑上虚拟为N个接收通道一次快拍接收的通信数据；累计观测若干个第二时间周期，以便模拟得到N个接收通道若干次快拍的通信数据，进而采用阵列信号的DOA估计方法进行DOA估计。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种面向通信信号的时域重构单通道高精度波达方向估计(DOA)方法。
背景技术
专利文献CN114025425A公开了一种智能超表面辅助的无线通信与感知定位一体化方法，该方法的主要特点是利用感知定位子帧，结合智能超表面动态变化模拟多通道。但是，其感知定位子帧只考虑单音信号的DOA估计，目前还没有考虑过现实场景中使用存在通信协议且携带通信信息的通信信号。
通信信号由于带宽较宽且存在各种功能符号，在信号处理层面要考虑的问题相较于单音信号要复杂的多，而已有的基于时域重构单通道时频变换谐波特性的DOA估计方法要求状态变化速率不小于信号带宽，否则会造成混叠导致通信失效。
发明内容
为了解决时域重构单通道针对通信信号进行DOA估计时，对硬件要求高、影响通信速率等问题，本发明旨在提供一种面向通信信号的时域重构单通道高精度波达方向估计方法，利用时域重构单通道的动态变化特性结合通信物理层帧结构特点，将单通道接收信号模拟为多通道阵列接收信号来解决通信信号的DOA估计问题。
本发明提供的一种面向通信信号的时域重构单通道高精度波达方向估计方法，包括：
步骤1：构建时域重构单通道系统；
步骤2：分析通信过程所采用的无线物理层协议，拓展时间基线，以便在时域或频域寻找具有第一时间周期的数据结构；
步骤3：配置时域重构单通道系统的参数，使得接收通道的电磁特性满足预设条件；所述预设条件包括：在第二时间周期，接收通道的电磁特性动态变化N次，且每次的电磁特性的持续时间不小于第一时间周期；
步骤4：在一个第二时间周期内，累计接收N个电磁特性对应的通信数据；
步骤5：将单个电磁特性对应的通信数据在逻辑上对应一个接收通道数据，以便将接收到的N个电磁特性对应的通信数据在逻辑上虚拟为N个接收通道一次快拍接收的通信数据；
步骤6：累计观测若干个第二时间周期，以便模拟得到N个接收通道若干次快拍的通信数据，进而采用阵列信号的DOA估计方法进行DOA估计。
进一步地，所述时域重构单通系统采用RIS辅助的单天线通信系统，或者采用电磁特性可控可变的反射式、透射式或辐射式单天线通信系统。
进一步地，所述具有第一时间周期的数据结构包括时域重复的符号或者帧或者若干符号的组合或者若干帧的组合；或者，频域重复的符号或者帧或者若干符号的组合或者若干帧的组合。
进一步地，所述第二时间周期比通信带宽低若干数量级。
进一步地，所述阵列信号的DOA估计方法包括基于子空间的DOA估计方法。
本发明的有益效果：
1、本发明通过时域重构单通道来模拟多通道阵列对信号进行接收，提升了系统的观测自由度，利用单通道实现多通道阵列DOA估计的效果，具有体积小、功耗低、成本低、隐蔽性强等优势；
2、本发明通过拓展时间基线，降低了时域重构速率，对器件要求低，便于推广应用；
3、本发明面向存在通信协议且携带信息的通信信号进行DOA估计，相比于对单音信号进行DOA估计更贴近实际，更具实用性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种面向通信信号的时域重构单通道高精度波达方向估计方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的具有第一时间周期的数据结构示意图；
图3为本发明实施例提供的时域重构单通道系统电磁特性的动态变化周期、单个电磁特性持续时间和第一时间周期三者之间的关系；
图4为本发明实施例提供的时域重构单通道系统模型。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，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地描述，显然，所描述的实施例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。
实施例1
如图1所示，本发明实施例提供一种面向通信信号的时域重构单通道高精度波达方向估计方法，包括：
S101：构建时域重构单通道系统；
具体地，时域重构是指接收通道的电磁特性按照一定的时间规律发生变化，具体表现包括但不限于产生一组线性无关的接收方向图。所述时域重构单通系统采用RIS辅助的单天线通信系统，或者采用电磁特性可控可变的反射式、透射式或辐射式单天线通信系统。
S102：分析通信过程所采用的无线物理层协议，拓展时间基线，以便在时域或频域寻找具有第一时间周期的数据结构；如图2所示。
具体地，所述具有第一时间周期的数据结构包括时域重复的符号或者帧或者若干符号的组合或者若干帧的组合；或者，频域重复的符号或者帧或者若干符号的组合或者若干帧的组合。
S103：配置时域重构单通道系统的参数，使得接收通道的电磁特性满足预设条件；所述预设条件包括：在第二时间周期，接收通道的电磁特性动态变化N次，且每次的电磁特性的持续时间不小于第一时间周期；如图3所示。
需要说明的是，每个电磁特性的持续时间是基于通信信号物理层协议中数据结构的第一时间周期来确定的，每次的电磁特性的持续时间的限制条件旨在为了不影响收发正常通信。第二时间周期也称接收通道电磁特性的动态变化周期。优选地，所述第二时间周期比通信带宽低若干数量级，不会对原有通信系统产生负面影响。
S104：接收机在一个第二时间周期内，累计接收N个电磁特性对应的通信数据；
S105：将单个电磁特性对应的通信数据在逻辑上对应一个接收通道数据，以便将接收到的N个电磁特性对应的通信数据在逻辑上虚拟为N个接收通道一次快拍接收的通信数据；
S106：累计观测若干个第二时间周期，以便模拟得到N个接收通道若干次快拍的通信数据，进而采用阵列信号的DOA估计方法进行DOA估计。
具体地，一个接收通道电磁特性动态变化周期可以使单通道累计接收到的数据虚拟为多通道阵列一次快拍得到的数据，可以通过重复上述步骤获取多快拍数据，获得更精确的DOA信息。
本发明实施例提供一种面向通信信号的时域重构单通道高精度波达方向估计方法，通过单通道电磁特性自适应动态变化模拟多天线接收，即利用时域自由度弥补天线的空域自由度以满足高精度DOA估计对阵列多通道数的要求，同时也解决了传统时域重构单通道DOA估计时对高重构速率的要求。
实施例2
在上述实施例的基础上，本实施例提供的面向通信信号的时域重构单通道高精度波达方向估计方法包括以下步骤：
S201：采用可重构智能表面(RIS)辅助单天线系统为时域重构单通道系统，如图4所示，系统配置为；存在一个发送者，一个接收者，接收者配备单天线与一个RIS，两者通过通信信号(非单音信号)传递信息，通信信号包含同步符号、训练符号、信息符号等。
S202：通信过程采用WIFI物理层帧结构，即在本实施例中，一个WIFI物理帧为具有第一时间周期的数据结构；
S203：设置每个RIS状态持续时间为上一个WIFI物理帧的帧尾到下一个WIFI物理帧的帧尾，RIS在动态变化的周期内进行共计M次动态变化。
S204：收发双方进行正常的WIFI通信，步骤包括同步、频偏估计、频偏均衡、信道估计、信道均衡等。信道估计具体为使用长训练符号(LTF)利用最小二乘法获得每个子载波上的信道信息。每一帧的信道信息可以虚拟一个通道观测的信息，将M帧的信道信息储存，等待后续虚拟多通道阵列接收信息使用。
S205：RIS动态变化：RIS的每个亚波长单元具有调控相位的能力，可以通过调控RIS单元的相位调控空间电磁环境，假设其拥有N个单元，则其在第m帧时的状态可以用下式表达：
其中φn表示RIS第n个亚波长单元的状态。通过接收者控制，使其在持续时间内保持不变，经过M帧，RIS共变化了M次，此时其相移系数可以用下式相移矩阵表示：
S206：DOA估计；每一帧对应的RIS相移系数不同，则步骤S204得到的信道信息就不同，对于第m帧中用于信道估计的LTF符号来说，其时域形式如下式所示：
其中，qj(t)表示到达RIS阵面的第j个子载波在时刻t的信号，表示第j个子载波对应的阵列流形，n(t)表示噪声。
由于接收者为单通道，所以每一时刻信号为多个阵元接收信号的标量叠加，因此无法直接使用传统基于多通道的阵列DOA估计方法；同时由于通信信号采用OFDM调制方式，每个符号包含若干子载波信息，在时域具有时变的特性，无法直接使用传统的基于窄带信号的DOA方法。需要将其接收信号转变为频域，假设通信过程仅使用了64个子载波，其频域形式为：
由于每个子载波对应的值为线性相关，所以后续为了方便表示，只取中心子载波的值，即一个标量，作为第m帧的信道估计结果。当累计M帧信道估计结果后，用于DOA估计的信道向量可以表示为：
R＝GA(θ)Q+N (5)
从上式可以观察到，若去掉相移矩阵G，则上式(5)为传统多天线一次快拍接收到的信息。当G行数大于列数且列满秩时，等式两边可以同时求逆获得类似于传统多天线一次快拍接收信息的形式：
R'＝G-1R＝A(θ)Q+G-1N (6)
此时前半部分消除了G的影响，将G的影响等效到噪声中，还原了传统多天线一次快拍接收信息的形式，可以使用传统的DOA估计算法。
如果观测的帧数小于RIS阵元数时，即G的行数小于列数，此时列不满秩，此时无法简单地两边同时求逆获得类似于传统多天线一次快拍的接收信息数据。为解决此问题，本实施例使用基于最小原子范数(ANM)的压缩感知算法，首先通过压缩感知获取类似于传统多天线一次快拍的接收信息数据形式，之后再使用传统的基于子空间的DOA估计算法，以获取高精度的DOA估计性能。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种面向通信信号的时域重构单通道高精度波达方向估计方法，其特征在于，包括：
步骤1：构建时域重构单通道系统；
步骤2：分析通信过程所采用的无线物理层协议，拓展时间基线，以便在时域或频域寻找具有第一时间周期的数据结构；
步骤3：配置时域重构单通道系统的参数，使得接收通道的电磁特性满足预设条件；所述预设条件包括：在第二时间周期，接收通道的电磁特性动态变化N次，且每次的电磁特性的持续时间不小于第一时间周期；
步骤4：在一个第二时间周期内，累计接收N个电磁特性对应的通信数据；
步骤5：将单个电磁特性对应的通信数据在逻辑上对应一个接收通道数据，以便将接收到的N个电磁特性对应的通信数据在逻辑上虚拟为N个接收通道一次快拍接收的通信数据；
步骤6：累计观测若干个第二时间周期，以便模拟得到N个接收通道若干次快拍的通信数据，进而采用阵列信号的DOA估计方法进行DOA估计。
2.根据权利要求1所述的一种面向通信信号的时域重构单通道高精度波达方向估计方法，其特征在于，所述时域重构单通系统采用RIS辅助的单天线通信系统，或者采用电磁特性可控可变的反射式、透射式或辐射式单天线通信系统。
3.根据权利要求1所述的一种面向通信信号的时域重构单通道高精度波达方向估计方法，其特征在于，所述具有第一时间周期的数据结构包括时域重复的符号或者帧或者若干符号的组合或者若干帧的组合；或者，频域重复的符号或者帧或者若干符号的组合或者若干帧的组合。
4.根据权利要求1所述的一种面向通信信号的时域重构单通道高精度波达方向估计方法，其特征在于，所述第二时间周期比通信带宽低若干数量级。
5.根据权利要求1所述的一种面向通信信号的时域重构单通道高精度波达方向估计方法，其特征在于，所述阵列信号的DOA估计方法包括基于子空间的DOA估计方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310981252.6A CN117295152A (zh) | 2023-08-04 | 2023-08-04 | 面向通信信号的时域重构单通道高精度波达方向估计方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310981252.6A CN117295152A (zh) | 2023-08-04 | 2023-08-04 | 面向通信信号的时域重构单通道高精度波达方向估计方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117295152A true CN117295152A (zh) | 2023-12-26 |
Family
ID=89250724
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310981252.6A Pending CN117295152A (zh) | 2023-08-04 | 2023-08-04 | 面向通信信号的时域重构单通道高精度波达方向估计方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117295152A (zh) |
-
2023
- 2023-08-04 CN CN202310981252.6A patent/CN117295152A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA2547493C (en) | Multi-antenna system to simultaneous support of miso and mimo receivers | |
| US7813421B2 (en) | Order recursive computation for a MIMO equalizer | |
| CN104202130B (zh) | 使用基础码本和差分码本的波束成形 | |
| CN108881076B (zh) | 一种基于压缩感知的mimo-fbmc/oqam系统信道估计方法 | |
| CN111147407B (zh) | 基于信道预测的tmsbl水声ofdm时变信道估计方法 | |
| TW200423554A (en) | Reduced complexity channel estimation for wireless communication systems | |
| CN111010249A (zh) | 一种角度时延域信道预测方法、预测系统及应用 | |
| KR20100014317A (ko) | Ｏｆｄｍ 시스템용 보간 방법과 채널 추정 방법 및 장치 | |
| CN109104252B (zh) | 多输入多输出方式系统的测试装置以及测试方法 | |
| EP1916778A3 (en) | Method and system for generating reference signals in a wireless communication system | |
| CN104869086B (zh) | 基于二维压缩感知的mimo‑ofdm通信系统下行信道估计方法、装置 | |
| CN113542162B (zh) | 基于块稀疏贝叶斯算法的上下链路通信感知一体化方法 | |
| CN110034804B (zh) | 对无线通信系统估计角度信息的方法和装置 | |
| CN112910810B (zh) | 多输入多输出正交频分复用系统的同步方法、装置及介质 | |
| CN106233685B (zh) | 用于大规模mimo系统的混合模拟数字预编码的方法 | |
| CN106972875A (zh) | 一种mimo系统下多维联合估计动态稀疏信道的方法 | |
| CN103916342B (zh) | 一种信噪比估计方法 | |
| CN112383492B (zh) | 应用于短波ofdm双选天波信道估计的递归压缩感知方法及系统 | |
| CN117295152A (zh) | 面向通信信号的时域重构单通道高精度波达方向估计方法 | |
| CN106911621B (zh) | 一种基于v-ofdm的信道均衡和跟踪方法 | |
| CN110059401B (zh) | 一种ofdm系统水声信道冲激响应重构方法 | |
| CN111291511A (zh) | 一种基于历史信息的软卡尔曼滤波迭代时变信道估计方法 | |
| CN114884787B (zh) | 适用快时变信道的波形可控多载波通信方法、装置及系统 | |
| WO2016109952A1 (zh) | 无线局域网中的导频传输方法及数据传输装置 | |
| CN106357584A (zh) | 基于块状导频的迭代相关符号定时估计方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |