一种基于冲激响应压缩感知的密集多径信号角度估计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于冲激响应压缩感知的密集多径信号角度估计方法，选择长度为N的伪随机序列作为基带探测信号，确定空间信道冲激响应模型，生成具有M个相同阵元的均匀线性排列的接收阵列天线，确定天线阵列在第l条径下的导向矢量；对第1个至第M个接收天线振子的接收信号，将接收信号与一个标准的本地伪随机序列做滑动相关得到观测冲激响应，进行离散化处理得到观测冲激响应矩阵，分别求取空间信道的第1～L条有效径的冲激响应协方差矩阵，构建用于稀疏重构的冗余字典，求解稀疏向量构成角度空间谱，其中的大值对应的角度为第l径中的相干径波达角度。本发明专利技术可以实现大量多径信号的波达角估计，估计精确度高，角度分辨率高，能够区分相干径。

【技术实现步骤摘要】
一种基于冲激响应压缩感知的密集多径信号角度估计方法
本专利技术属于无线通信系统中的测距和定位
，具体涉及一种基于冲激响应压缩感知的密集多径信号角度估计方法。
技术介绍
随着无线通信技术的发展，MIMO技术已成为了当前通信的主要关键技术之一。而作为通信的媒介以及MIMO系统优化的基础，信道的研究以及准确描述成为了当前研究的热点。精准的信道模型与有效的空域信道参数是分不开的，尤其是在密集多径这样复杂的场景下。同时现有的大部分高精度波达角估计算法能够实现其超分辨性能的先决条件之一是多径数目已知。现有的波达角估计算法存在着以下几点不足：一、算法依赖准确的多径数目这一信息，若多径数目不准，会导致估计时的虚警或者是漏警，造成估计错误；二、算法对相干径的处理能力差，由于相干径对接收信号协方差矩阵的秩造成了损失，是的传统的估计算法无法正确对相干径的波达角进行准确估计；三、受阵列天线孔径数目的限制，传统算法要求多径数量小于天线阵列的振子个数，而实际密集多径场景信道中的多径数量很大，无法满足需求；四、角度分辨率不足，现实信道的多径之间角度相差不大，要求算法具有很高的角度分辨率。因此，传统的波达角估计算法不再适用于密集多径场景，需要一种新的算法来实现正确的多径识别、多径数目估计以及多径角度估计。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于冲激响应压缩感知的密集多径信号角度估计方法，实现了在未知多径数目与相关结构的情况下，对大量多径，且存在相干径的信号进行准确的波达角估计，同时具有良好的估计精度以及极高的角度分辨率。本专利技术采用以下技术方案：一种基于冲激响应压缩感知的密集多径信号角度估计方法，选择长度为N的伪随机序列作为基带探测信号p(t)，确定空间信道冲激响应模型h(t)，生成具有M个相同阵元的均匀线性排列的接收阵列天线，确定天线阵列在第l条径下的导向矢量a(θl)；对第1个至第M个接收天线振子的接收信号，将接收信号ym(t)与一个标准的本地伪随机序列p(t)做滑动相关得到观测冲激响应进行离散化处理得到观测冲激响应矩阵分别求取空间信道的第1～L条有效径的冲激响应协方差矩阵构建用于稀疏重构的冗余字典，求解bm,l,SV稀疏向量构成角度空间谱，其中的大值对应的角度为第l径中的相干径波达角度。具体的，基带探测信号p(t)，其表达式为：其中，t表示时间，是单位矩形脉冲函数，信号宽度是Tb；设传播环境中包含L条多径信号，其空间信道冲激响应模型h(t)表示如下：其中，θ为入射角度，θl是第l条径的入射角度，是第l条径在信道下的复响应，τl是对应的时延。具体的，接收阵列天线是M个相同阵元的均匀线性排列，阵元间隔d＝λ/2，λ为信号的波长。收发天线之间的距离满足远场条件，经解调后，第m个阵元接收信号ym(t)经过下变频降采样后，表示为：其中，Nm(t)为加性噪声，am(θl)表示阵元m在传播方向θl上的响应，在不考虑天线自身引入的误差，其可理解成天线阵列在第l条径下的导向矢量如下：a(θl)＝[a1(θl)a2(θl)…aM(θl)]T其中，θl是第l条径的入射角度。具体的，计算观测冲激响应矩阵的步骤如下：S201、对天线振子的输出信号进行解调、低通滤波后，得到基带接收信号ym(t)；S202、将接收探测信号ym(t)与一个标准的本地伪随机序列p(t)做滑动相关，即可得到观测冲激响应S203、将观测冲激响应离散化，得到M×L的观测信道冲激响应S204、对于第1个至第M个接收天线振子的接收信号都执行以上步骤，得到对应观测冲激响应矢量，分别表示为进一步的，步骤S202中，观测冲激响应如下：其中，表示增益，N′m(t)是与本地伪随机序列相关后的噪声信号。进一步的，步骤S203中，将观测冲激响应离散化，得到冲激响应如下：其中，N′m＝[N′m(τ1)…N′m(τL)]是噪声向量，中的每一行代表着一个阵元的观测冲激响应，每一列给出的是每一条径上M个阵元的响应，S是关于δ(t)的矩阵，是M×L维矩阵。具体的，空间信道包含L条多径，且由于相干径的存在，τl时延内包含多条相干径，对于经过τl时延入射的多径信号，波达角估计步骤如下：S301、取出观测冲激响应矩阵的第l列表示为向量求的协方差矩阵S302、基于多径信号空域的稀疏性，将空域均匀划分成划分为N个方向，每个方向对应着一条潜在径；S303、将进行SVD分解如下：其中，USV是M×k′l维矩阵，对应着假设的信号子空间，包含了信号中的主要信息；UNV是M×(M-k′l)维矩阵，对应着假设噪声子空间；求解降维后的如下：其中，Bl,SV为角度对应的稀疏矩阵，Nl,SV为对应的噪声；S304、基于线性约束与二阶锥规划对Bl,SV进行求解，确定最终目标函数以及依赖条件；S305、对空间信道的第1～L条有效径，分别执行以上步骤，即可得到它们的波达角估计值θ1,θ2,…,θL。进一步的，步骤S301中，向量为：其中，表示噪声向量，[]T表示转置；的协方差矩阵其中，表示向量的共轭转置，是一个M×M矩阵。进一步的，步骤S302中，构造M维空间所对应的冗余字典写成其中，是对空域角度的划分，协方差矩阵能够利用来稀疏表示如下：其中，Bl＝[b′1,lb′2,l…b′M,l]，每一列构成的向量b′i,l是一个稀疏向量，仅存在kl个非零值对应于kl条相干径，其余的N-kl个值均为0，表示在该角度下没有径。进一步的，步骤S304中，最终目标函数以及依赖条件如下：其中，q为优化的目标变量，为残差，bi,l,SV为稀疏解，为信号子空间，Bk,l,SV为稀疏矩阵。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术一种基于冲激响应压缩感知的密集多径信号角度估计方法，选择长度为N的伪随机序列作为基带探测信号，确定空间信道冲激响应模型，生成具有M个相同阵元的均匀线性排列的接收阵列天线，确定天线阵列在第l条径下的导向矢量；对第1个至第M个接收天线振子的接收信号，将接收信号与一个标准的本地伪随机序列做滑动相关得到观测冲激响应，进行离散化处理得到观测冲激响应矩阵，分别求取空间信道的第1～L条有效径的冲激响应协方差矩阵，构建用于稀疏重构的冗余字典，求解稀疏向量构成角度空间谱，其中的大值对应的角度为第l径中的相干径波达角度，不同多径的信道冲激响应被分离并分别单独处理，因此可估计的多径波达角数量不受接收天线阵列规模的限制，对每一条径对应的入射信号生成一个空间谱，且在一个空间谱中只需要搜索一个峰值，因此精确度高，对来自不同径的信号生成不同的空间谱，因此每个空间谱的谱峰不会受到其他空间谱谱峰的干扰，因此角度分辨率高，不需要求解协方差矩阵的秩，因此不会由于相干径造成的秩的减少导致算法失效，从而实现了对相干径地有效识别与区分。进一步的，在现实场景中，多径的数目相对较少，具有稀疏性，因此对多径进行建模能够充分利用多径空间和时间的稀疏性。进一步的，基于时域信道模型，信道冲激响应仅在若干真实存在径的位置上有值，其余位置为极小值，具有较强的稀疏性。因此，利用冲激响应能够充分利用信道的稀疏性，得到信道角度估计的稀疏解。进一步的，波达角的估计是当前方向估计、定位的主要手段，通过估计到达角度从而能够更加准确地获得定位信息。进一步的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于冲激响应压缩感知的密集多径信号角度估计方法，其特征在于，选择长度为N的伪随机序列作为基带探测信号p(t)，确定空间信道冲激响应模型h(t)，生成具有M个相同阵元的均匀线性排列的接收阵列天线，确定天线阵列在第l条径下的导向矢量a(θl)；对第1个至第M个接收天线振子的接收信号，将接收信号ym(t)与一个标准的本地伪随机序列p(t)做滑动相关得到观测冲激响应

【技术特征摘要】
1.一种基于冲激响应压缩感知的密集多径信号角度估计方法，其特征在于，选择长度为N的伪随机序列作为基带探测信号p(t)，确定空间信道冲激响应模型h(t)，生成具有M个相同阵元的均匀线性排列的接收阵列天线，确定天线阵列在第l条径下的导向矢量a(θl)；对第1个至第M个接收天线振子的接收信号，将接收信号ym(t)与一个标准的本地伪随机序列p(t)做滑动相关得到观测冲激响应进行离散化处理得到观测冲激响应矩阵分别求取空间信道的第1～L条有效径的冲激响应协方差矩阵构建用于稀疏重构的冗余字典，求解bm,l,SV稀疏向量构成角度空间谱，其中的大值对应的角度为第l径中的相干径波达角度。2.根据权利要求1所述的基于冲激响应压缩感知的密集多径信号角度估计方法，其特征在于，基带探测信号p(t)，其表达式为：其中，t表示时间，是单位矩形脉冲函数，信号宽度是Tb；设传播环境中包含L条多径信号，其空间信道冲激响应模型h(t)表示如下：其中，θ为入射角度，θl是第l条径的入射角度，是第l条径在信道下的复响应，τl是对应的时延。3.根据权利要求1或2所述的基于冲激响应压缩感知的密集多径信号角度估计方法，其特征在于，接收阵列天线是M个相同阵元的均匀线性排列，阵元间隔d＝λ/2，λ为信号的波长，收发天线之间的距离满足远场条件，经解调后，第m个阵元接收信号ym(t)经过下变频降采样后，表示为：其中，Nm(t)为加性噪声，am(θl)表示阵元m在传播方向θl上的响应，在不考虑天线自身引入的误差，其可理解成天线阵列在第l条径下的导向矢量如下：a(θl)＝[a1(θl)a2(θl)…aM(θl)]T其中，θl是第l条径的入射角度。4.根据权利要求1所述的基于冲激响应压缩感知的密集多径信号角度估计方法，其特征在于，计算观测冲激响应矩阵的步骤如下：S201、对天线振子的输出信号进行解调、低通滤波后，得到基带接收信号ym(t)；S202、将接收探测信号ym(t)与一个标准的本地伪随机序列p(t)做滑动相关，即可得到观测冲激响应S203、将观测冲激响应离散化，得到M×L的观测信道冲激响应S204、对于第1个至第M个接收天线振子的接收信号都执行以上步骤，得到对应观测冲激响应矢量，分别表示为5.根据权利要求4所述的基于冲激响应压缩感知的密集多径信号角度估计方法，其特征在于，步骤S202中，观测冲激响应如下：...

【专利技术属性】
技术研发人员：张若南，秦恒，周德云，李彬，郭旗，周玉良，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61