CN117761613A - 一种天线间距超半波长的ofdm信号达到角估计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种天线间距超过半波长的OFDM信号达到角度估计方法，可用于在当接收设备的天线间距大于信号半波长时对信号达到角度的准确估计。实现的步骤为：1)构建基于OFDM信号的到达角度测量系统；2)初始化发射机向接收机发送OFDM信号；3)构建接收端的信号接收模型；4)引入参考角度对信号进行迭代投影；5)提出的基于功率的匹配追踪算法进行信道参数估计；6)判断直达路径并获得信道达到角度。本发明有效地解决了天线间距大于半波长后出现的角度测量错误的光栅现象，并且进一步提高了信号达到角度的测量精度，可用于多天线通信设备对目标进行定位等应用。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及一种信号达到角度的测量方法，具体涉及一种天线间距大于半波长的正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)信号达到角度测量，可适用于通信设备中对信号的达到角度的估计。
背景技术
近年来，在通感一体化(Integrated Sensing and Communication,ISAC)技术的提出和发展推动下，研究人员广泛关注开发基于WiFi等通信设备的传感系统。通过利用现有的通信设备，这些系统促进了广泛的传感应用，包括室内定位人类追踪和人类活动识别。这些系统大多是基于信道状态信息(Channel State Information，CSI)开发的。具体来说，这些系统是通过将通过CSI获取的多维参数(包括到达角(Angle of Arrival，AoA)、飞行时间(Time of Flight，ToF)和多普勒频移(Doppler Frequency Shift，DFS))整合到预先开发的定位或传感模型中，并辅以先进的智能优化算法来实现的。因此，准确获取参数信息成为成功实施这些系统的基本前提。
然而，现有系统中的参数估计通常局限于条件相对理想的情况。例如，通常假设天线阵列间距为信号半波长。但现有的通信设备(如大多数WiFi AP设备)中，天线阵列具有的天线间距通常比信号的半波长更宽，形成均匀或不均匀的阵列。对于天线阵元间距大于半波长的离散孔径天线，空间混叠效应，即光栅效应，会使从所需方向以外的可见角度入射到阵列的平面信号波相干相加，从而产生光栅裂片，最终导致错误的角度测量。因此，如果要利用现有通信设备实现ISAC应用，就必须解决天线间距大于半波长所导致无法进行准确达到角度测量的难题。
与现有发明对比，现有发明CN 112887899 B中提供一种基于单基站软位置信息的定位系统及定位方法，系统包括：定位基站用于接收用户终端发送的定位数据，并基于定位数据生成定位结果；用户终端用于向定位基站发送定位数据，并接收定位结果；定位模块用于根据软位置信息和用户终端的惯性数据估计用户位置，该发明通过基于用户现有位置信息提供先验信息克服天线间距大于半波长带来的相位模糊，并通过增大天线间距提高角度测量精度从而提高定位精度。而本发明，仅通过算法即可获得角度信息，并且同样符合天线阵列越大角度精度越高的理论，因此，本发明在应用上更有优势。另一现有发明CN112578353 A中提供了测量目标角度的装置及方法、传感器和设备，公开提供的装置、方法、传感器和设备利用DBF谱的复数值谱峰获得表征入射角的第一相位差，避免了栅瓣对检测结果的干扰，可以增大接收天线之间的间距，但该发明仅支持雷达线性调频波信号，且对信号有特殊要求，因此无法用于通信感知一体化的应用，与本发明公开的方法存在实质性的差异。
发明内容
本发明的目的是提供一种天线间距超过半波长时的角度估计方法，解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种天线间距超过半波长时的角度估计方法，包括以下步骤：
步骤1：构建基于OFDM信号的测角系统，包括接收机R和发射机T。发射机R上配置有N个接收OFDM信号的天线，且天线之间的间距大于半波长，发射机也配备有发射OFDM信号的天线。
步骤2：初始化发射机向接收机发送OFDM信号，带宽为B，中心频率为fc。
步骤3：(3a)构建信号模型。假设有I条路径，接收机收到的信号可以写为：
其中，w(t)是高斯白噪声，αi是第i路径的衰减。
(3b)假设接收阵列构成平面阵列，a(θi)可以表示为：
a(θi)＝[a1(θi),…,an(θi),…,aN(θi)]T
其中，x和y分别表示天线所在坐标系中的水平坐标和垂直坐标，θi表示第i条路径的方位角。
(3c)由多路径向量叠加得到的A可以表示为
步骤4：对信号模型进行投影。引入参考角θ′并在[0°,180°]中迭代，投影现有信号模型的相位。因此，A可表示为：
A′＝A·H(θ′)
其中，H(θ′)＝[1,h2(θ′),…,hN-1(θ′),1]T， x′和y′分别表示虚拟天线位置与原始天线位置之间的水平和垂直坐标差。只有当θ′等于θi时，a′(θ)的变化才与a(θ)成线性关系。即只有在这种情况下，由虚拟天线组成的天线阵列计算出的角度才能与参考角度H(θ′)相对应。
步骤五：(5a)基于功率域的超分辨估计方法。为了获得与测量信号成一定角度的信号的功率，可以对每个天线的信号施加一定的权重，实现该路径信号的建设性叠加，而其他信号则实现了破坏性叠加。通过对这些信号进行排列和累加，成功地降低了其他角度的功率，并获得了角度θi的信号功率。需要注意的是，在天线数量较少的情况下，其他角度的信号仍有可能发生建设性叠加。但是，随着天线数量的增加，其他信号叠加的效果会受到随机相移的影响，从而导致这些叠加效果平均到一个很小的值。对第i条路径施加的权重值为：
(5b)在不失一般性的前提下，假设要识别的是第k多径的信号功率pk。在θk方向上的加权和Y可表示为：
(5c)结合步骤四所述的相位投影模型，引入参考角θ′，上式为可表示为：
(5d)根据上式所述，只有当θ′和多径角θi相等时，信号功率才可能是建设性叠加。那么，参考角θ′处的功率可以得到为：
(5e)提出基于功率域和压缩传感理论的功率正交匹配追踪算法，其中构建的原子集表示为投影建模后的信号表示为y′θ′。表示如下：
其中，为估计角度，Nor表示归一化。
(5f)角度计算可以表示为：
min(Δθi)
步骤六：基于最大似然的直接路径角度选择。根据步骤四和步骤五的描述，经过投影模型和基于功率域的匹配追踪算法后，可以得到Δθi和的组合，将参考角度的步长设为1°的话，将会得到180组这样的组合。因此，提出基于最大似然的直接路径判断方法，可表示为
其中，Si表示每条路径的得分，ωp和ωe表示权重，即常数。如步骤(3a)中描述每条路径都有不同的衰减，而直接路径的衰减最小。因此，直接路径为Si值最大的路径。
附图说明
图1为本发明的实现流程图；
图2为本发明的相位投影模型图；
图3为本发明的参考角度引入的迭代图；
图4为本发明提出的基于功率域与正交匹配原理图；
图5为本发明实验时的天线阵列布局图；
图6为本发明实验结果图。
具体实施方
下面结合符合和具体实施例，对本发明作进一步详细说明。
参照图1，本发明包括如下步骤：
步骤1)构建基于OFDM信号的测角系统，包括接收机R和发射机T。发射机R上配置有N个接收OFDM信号的天线，且天线之间的间距大于半波长，发射机也配备有发射OFDM信号的天线。
步骤2)初始化发射机向接收机发送OFDM信号，带宽为B，设置为100MHz，中心频率为fc，可设置为2.8GHz。
步骤3)：(3a)构建信号模型。假设有I条路径，室内环境通常主要的多径为3-5条，接收机收到的信号为：
其中，w(t)是高斯白噪声，αi是第i路径的衰减。
(3b)假设接收阵列构成平面阵列，a(θi)可以表示为：
a(θi)＝[a1(θi),…,an(θi),…,aN(θi)]T
其中，x和y分别表示天线所在坐标系中的水平坐标和垂直坐标，θi表示第i条路径的方位角。
(3c)由多路径向量叠加得到的A可以表示为
步骤4：参考图2对信号模型进行投影。如图2(a)所示，如果我们知道信号源的方向，就可以利用相位投影法将天线虚拟映射成一个非均匀阵列。这个非均匀线性阵列总是包括间距小于半个波长的天线对，然后通过虚拟天线阵列计算角度。然而，在实际应用中，要事先知道信号源的确切方向实际上是不可能的。因此，引入参考角θ′并在[0°,180°]中迭代，如图3所示，不同的迭代角度会投影会不同间距的线性阵列，投影现有信号模型的相位。因此，A可表示为：
A′＝A·H(θ′)
其中，H(θ′)＝[1,h2(θ′),…,hN-1(θ′),1]T， x′和y′分别表示虚拟天线位置与原始天线位置之间的水平和垂直坐标差。只有当θ′等于θi时，a′(θ)的变化才与a(θ)成线性关系。也就是说，只有在这种情况下，由虚拟天线组成的天线阵列计算出的角度才能与参考角度H(θ′)相对应。
步骤五：(5a)基于功率域的超分辨估计方法，参考图4。为了获得与测量信号成一定角度的信号的功率，可以对每个天线的信号施加一定的权重，实现该路径信号的建设性叠加，而其他信号则实现了破坏性叠加。通过对这些信号进行排列和累加，成功地降低了其他角度的功率，并获得了角度θi的信号功率。需要注意的是，在天线数量较少的情况下，其他角度的信号仍有可能发生建设性叠加。但是，随着天线数量的增加，其他信号叠加的效果会受到随机相移的影响，从而导致这些叠加效果平均到一个很小的值。对第i条路径施加的权重值为：
(5b)在不失一般性的前提下，假设要识别的是第k多径的信号功率pk。在θk方向上的加权和Y可表示为：
(5c)结合步骤4所述的相位投影模型，引入参考角θ′，上式可表示为：
(5d)根据上式所述，只有当θ′和多径角θi相等时，信号功率才可能是建设性叠加。那么，参考角θ′处的功率可以得到为：
(5e)提出基于功率域和压缩传感理论的功率正交匹配追踪算法，其中构建的原子集表示为投影建模后的信号表示为y′θ′。表示如下：
其中，为估计角度，Nor表示归一化。
(5f)角度计算可以表示为：
min(Δθi)
步骤六：基于最大似然的直接路径角度选择。经过投影模型和基于功率域的匹配追踪算法后，如步骤(5f)描述，每个参考角度都可以得到Δθi和的组合，将参考角度的步长设为1°的话，将会得到180组这样的组合。因此，提出基于最大似然的直接路径判断方法，可表示为
式中，Si表示每条路径的得分，ωp和ωe表示权重，即常数。如步骤(3a)中描述每条路径都有不同的衰减，而直接路径的衰减最小。因此，直达路径为Si值最大的路径。
下面结合实验数据，对本发明的技术有效性作进一步说明：
(1)将本发明进行了仿真测试，仿真条件为：OFDM信号，2.8G中心频率，100MHz带宽，64个子载波，信噪比为10dB，天线间距分别为：0.6、0.8和1倍波长。另外，将本发明与天线间距为0.5倍波长天线阵列进行了对比，信噪比为10dB，其90％误差结果如表1所示。
表1
| 天线间距 | 0.5λ | 0.6λ | 0.8λ | 1λ |
| 角度误差(°) | 5.8 | 5.1 | 3.4 | 2.3 |
测角误差的计算公式为：
Δθ＝|θt-θe|
其中，Δθ表示真实角度值和算法估计角度之间的误差，θt和θe分别为真实角度值和算法估计角度值。由表1可知，本发明可以有效地解决天线间距大于半波长时无法进行角度估计的问题，且天线间距越大时，角度估计精度越高，符合阵列信号处理中，天线阵列孔径越大，角度分辨能力越高的理论。
(2)本发明进行了真实场景实验，实验条件为10×13m2的实验室，信号为OFDM信号，中心频率为2.8GHz，带宽100MHz，子载波数为64，天线阵列布局如图5所示。实验结果如图6所示，真实实验结果与仿真结果一致。由结果可知，本发明可以有效地解决天线间距大于半波长后无法测角的问题。
综上所述，本发明克服了天线间距大于半波长带来的相位模糊问题，并能够在天线间距小于波长之内有效地进行角度测量。
本发明克服了天线间距大于半波长后导致的光栅裂片问题，可以在天线间距大于半波长后实现角度的测量，且达到角测量精度高于天线间距为半波长场景。
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进行限制，尽管参照较佳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：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (4)
1.一种天线间距超过半波长时的OFDM信号达到角度估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：构建基于OFDM信号的测角系统，包括接收机R和发射机T。发射机R上配置有N个接收OFDM信号的天线，且天线之间的间距大于半波长，发射机同样配备有发射OFDM信号的天线；
步骤2：初始化发射机向接收机发送OFDM信号，带宽为B,中心频率为fc；
步骤3：(3a)构建信号模型。假设有I条路径，接收机收到的信号可以写为：
其中，w(t)是高斯白噪声，αi是第i路径的衰减。
(3b)假设接收阵列构成平面阵列，a(θi)可以表示为：
a(θi)＝[a1(θi),…,an(θi),…,aN(θi)]T
其中，x和y分别表示天线所在坐标系中的水平坐标和垂直坐标，θi表示第i条路径的方位角。
(3c)由多路径向量叠加得到的A可以表示为：
步骤4：对信号模型进行投影。引入参考角θ′并在[0°,180°]中迭代，投影现有信号模型的相位。因此，A可表示为：
A′＝A·H(θ′)
其中，H(θ′)＝[1,h2(θ′),…,hN-1(θ′),1]T，
x′和y′分别表示虚拟天线位置与原始天线位置之间的水平和垂直坐标差。仅当θ′等于θi时，a′(θ)的变化才与a(θ)成线性关系。即当且仅当改情况下，由虚拟天线组成的天线阵列计算出的角度能与参考角度H(θ′)相对应；
步骤五：(5a)基于功率域的超分辨估计方法。为了获得与测量信号成一定角度的信号的功率，可以对每个天线的信号施加一定的权重，实现该路径信号的建设性叠加，而其他信号则实现了破坏性叠加。通过对这些信号进行排列和累加，有效降低其他角度的功率，并获得了角度θi的信号功率。对第i条路径施加的权重值为：
(5b)在不失一般性的前提下，假设要识别的是第k多径的信号功率pk。在θk方向上的加权和Y可表示为：
(5c)结合步骤四所述的相位投影模型，引入参考角θ′，上式为可表示为：
(5d)根据上式所述，只有当θ′和多径角θi相等时，信号功率才能建设性叠加。则参考角θ′处的功率可以得到为：
(5e)提出基于功率域和压缩传感理论的功率正交匹配追踪算法，其中构建的原子集表示为投影建模后的信号表示为y′θ′。表示如下：
其中，为估计角度，Nor表示归一化。
(5f)角度计算可以表示为：
min(Δθi)
步骤六：判断直接路径角度。根据步骤四和步骤五的描述，经过投影模型和基于功率域的匹配追踪算法后，可以得到Δθi和的组合，将参考角度的步长设为1°，将会得到180组这样的组合。因此，提出基于最大似然的直接路径判断方法，可表示为：
式中，Si表示每条路径的得分，ωp和ωe表示权重，即常数。如步骤(3a)中描述每条路径都有不同的衰减，而直接路径的衰减最小。因此，直接路径为Si值最大的路径。
2.根据权利要求1所述的一种天线间距超过半波长的角度估计方法，其特征在于，步骤4中所示的引入参考角度的投影模型，其表达式为：
A′＝A·H(θ′)
其中，H(θ′)＝[1,h2(θ′),…,hN-1(θ′),1]T， x′和y′分别表示虚拟天线位置与原始天线位置之间的水平和垂直坐标差。
3.根据权利要求1所述的一种天线间距超过半波长的角度估计方法，其特征在于，步骤5中所述的，基于功率域的参数估计算法，其表达式为：
其中，为估计角度，Nor表示归一化，/>为构建的原子集。
4.根据权利要求1所述的一种天线间距超过半波长的角度估计方法，其特征在于，步骤6中所述的，基于角度误差和功率的直接路径选择方法，其表达式为：
其中，Si表示每条路径的得分，ωp和ωe表示权重，即常数。如步骤(3a)中描述每条路径都有不同的衰减，而直接路径的衰减最小。因此可得出直接路径为Si值最大的路径。
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