一种基于线性调频z变换的水声信道时延估计方法技术

本发明专利技术提供的是一种基于线性调频z变换的水声信道时延估计方法。一、先在簇状信道内进行基于CZT的OMP估计，当前簇的最后一条路径满足预设的簇间跳转幅度门限时，跳转到下一簇内继续搜索，直到搜索出簇内的全部满足门限的路径。二、将上步每簇信道的时域估计范围进行一定程度的扩大，形成新的簇状信道，再将新的簇状信道拼接为一个新的全局信道，运用CZT在这个拼接后的全局信道内搜索剩余幅度较小的路径。本发明专利技术的二步搜索策略同样也适用于其他水声信道，只要已知关于信道分布范围的先验信息即可。本发明专利技术可在降低计算复杂度的同时提高时延估计精度，对均匀导频与非均匀导频OFDM系统均适用，可用于实现高效高精度低复杂度的信道估计。

A time delay estimation method of underwater acoustic channel based on lfmz transform

【技术实现步骤摘要】
一种基于线性调频z变换的水声信道时延估计方法
本专利技术涉及的是一种水声信道时延估计方法。
技术介绍
水声信道通常具有较大的时延扩展与严重的多普勒效应，因此水声信道具有时频域双选性，同时也具有时频域稀疏性。近年来，由于正交频分复用(OFDM)技术的高带宽利用率及低复杂度使其广泛地应用于水声通信系统中，实际应用中大部分水声OFDM系统采用相干接收机，这使得信道估计的精度尤其是信道时延估计的精度，变得十分重要。作为具有较少计算量的贪婪算法，正交匹配追踪(OMP)成为压缩感知(CS)分支中最受欢迎的算法之一。但是OMP的主要计算量集中在字典矩阵的运算上，若想提高估计精度，则要增加字典矩阵的规模，过大的字典矩阵规模导致OMP算法需要极高的计算复杂度。由于水下传感器节点的成本以及布放操作较为昂贵，能量补充极其困难，这就导致了估计精度和计算复杂度的权衡问题，因此需要研究低复杂度的水声信道估计技术。目前国内外许多学者都对此进行了研究，但大部分技术的计算复杂度仍取决于时延网格精度。不过，有学者发现水声通信信道的路径分布，通常成簇状分布，许多由反射或折射产生的弱径集中在强径附近，形成簇结构。这意味着在水声信道估计中存在可压缩的成分，协调好可压缩成分与不可压缩成分就可以实现效率与精度上的双赢。公开号为CN106027445A的专利文件中公开了一种水声块结构稀疏特性的信道估计方法。该方法从降低水声信道的稀疏度入手，通过降低OMP所需的导频数量来降低估计所需的计算复杂度，但没有利用水声信道的簇状特性进行进一步改进。<br>
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种既能提高时延估计精度又能降低计算复杂度的基于线性调频z变换的水声信道时延估计方法。本专利技术的目的是这样实现的：步骤1：初始化：残差为补偿导频符号后的OFDM系统频域观测向量，待估幅度向量ξest，字典矩阵簇索引i＝1，全局路径索引q＝1，簇内路径索引l＝1；步骤2：输入：信道共有Q条多径，分为NC簇，每簇记为Ci；簇间跳转门限比率χ1，全局搜索迭代停止条件χ2δ2，δ2为噪声功率；步骤3：分簇搜索：(3-1)利用线性调频z变换估计簇Ci内第l条路径，时延估计结果记为(3-2)对时延对应的原子进行正交化，得到(3-3)计算时延对应的路径幅度(3-4)判断当前路径的幅度是否满足簇间跳转门限若不满足，执行(3-5)；若满足，执行(3-6)；(3-5)更新变量：残差字典矩阵待估幅度向量l＝l+1，q＝q+1，继续执行步骤(3-7)；(3-6)更新变量：l＝1，判断是否已搜索完所有预设簇，若未搜完，则i＝i+1，继续执行步骤(3-7)；(3-7)判断是否已搜索完所有预设簇，若已搜完，则执行步骤4；若未搜完，则执行步骤3；步骤4：全局搜索：(4-1)利用线性调频z变换估计全局第q条路径，时延估计结果记为(4-2)对时延对应的原子进行正交化，得到(4-3)计算时延对应的路径幅度(4-4)更新变量：残差字典矩阵待估幅度向量q＝q+1；(4-5)当q＞Q或||rq||2＜χ2δ2时，执行步骤5，否则继续执行步骤4；步骤5：输出信道估计结果本专利技术还可以包括：1.步骤2中多径信道的分簇划分，是通过在OFDM符号前加入线性调频信号，结合k均值聚类算法对信道进行预处理实现。2.步骤4中的全局搜索范围是指将步骤3中每簇信道Ci对应的搜索范围按一定比例扩大再按序拼接而成的新的搜索范围。本专利技术提出了一种既能提高时延估计精度又能降低计算复杂度的水声信道时延估计方法。与公开号为CN106027445A的专利文件中公开的技术方案相比，本专利技术直接从OMP算法的原理入手，借助水声信道的内部分布特征，引入线性调频z变换(CZT)来降低OMP所需的计算复杂度。虽然传统快速傅里叶逆变换(IFFT)算法能够有效降低正交匹配追踪(OMP)信道估计的复杂度，但如果要获得高精度的时延估计，全范围的IFFT仍会带来庞大的计算量，导致资源的浪费。而线性调频z变换(CZT)可以将这种资源的浪费转化为有效范围内更高精度的时延估计。本专利技术紧密结合水声信道簇状分布的特征，提出基于CZT的两步搜索时延估计模型，第一步，先在簇状信道内进行基于CZT的OMP估计，当前簇的最后一条路径满足预设的簇间跳转幅度门限时，跳转到下一簇内继续搜索，直到搜索出簇内的全部满足门限的路径。虽然簇的划分，本身具有去噪并提升估计精度的作用，但为了达到与OMP相似的性能，在接下来的第二步中，将上步每簇信道的时域估计范围进行一定程度的扩大，形成新的簇状信道，再将新的簇状信道拼接为一个新的全局信道，运用CZT在这个拼接后的全局信道内搜索剩余幅度较小的路径，以达到精度补偿的效果。本专利技术虽说是基于簇状信道提出的，但是该二步搜索策略同样也适用于其他水声信道，只要已知关于信道分布范围的先验信息即可。本专利技术可在降低计算复杂度的同时提高时延估计精度，对均匀导频与非均匀导频OFDM系统均适用，可用于实现高效高精度低复杂度的信道估计模型。本专利技术的有益效果主要体现在：1.本专利技术针对均匀导频与非均匀导频OFDM系统提出一种基于线性调频z变换的OMP内积计算方法，利用该方法并结合水声信道的簇状特性可提高时延估计精度，同时降低了内积计算时的复杂度。2.本专利技术提出一种两级搜索策略保证了信道时延估计的完整性，不会遗漏某些不在簇内的弱径。3.本专利技术可在降低计算复杂度的同时提高时延估计精度，对非均匀与均匀导频的OFDM系统均适用，可用于实现高效高精度低复杂度的信道估计模型中，为水声通信装置或系统实现节省能源与高效运行上的双赢。附图说明图1为水声信道分簇特征的示意图；图2为基于分簇信道的簇间跳转搜索示意图；图3为基于两级搜索策略的时延搜索示意图；图4为基于线性调频z变换的信道估计模型。具体实施方式下面举例对本专利技术做更详细的描述。A.CP-OFDM系统与水声多径信道模型本专利技术所涉及的OFDM系统采用循环前缀模式。假定一个OFDM符号块包含K个子载波，每个子载波上的发送符号为s[k]。一个OFDM符号块时长为T，循环前缀的时长为Tcp，载波频率为fc。因此，待发送的OFDM符号时域表达式如下，假设信道在一个符号持续时间内保持不变，本文的信道模型为具有L条路径的多径信道，每条径的幅度与时延分别为Al和τl(l＝0,1,...,L-1)，并假设系统经预处理后只剩余残余多普勒偏移fd。接收端经下变频和滤波处理后的信号为其中w(t)是加性噪声。信号经采样和去循环前缀操作后(假设循环前缀的长度大于信道最大时延)送入快速傅里叶变换(FFT)解调器中，得到如下矩阵-向量形式的频域输入输出关系式：其中分别代表接收信号的频域观测向量、发送符号向量、加性噪声向量。其中ε＝fdT表示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于线性调频z变换的水声信道时延估计方法，其特征是：/n步骤1：初始化：残差

【技术特征摘要】
1.一种基于线性调频z变换的水声信道时延估计方法，其特征是：
步骤1：初始化：残差为补偿导频符号后的OFDM系统频域观测向量，待估幅度向量ξest，字典矩阵簇索引i＝1，全局路径索引q＝1，簇内路径索引l＝1；
步骤2：输入：信道共有Q条多径，分为NC簇，每簇记为Ci；簇间跳转门限比率χ1，全局搜索迭代停止条件χ2δ2，δ2为噪声功率；
步骤3：分簇搜索：
(3-1)利用线性调频z变换估计簇Ci内第l条路径，时延估计结果记为
(3-2)对时延对应的原子进行正交化，得到
(3-3)计算时延对应的路径幅度
(3-4)判断当前路径的幅度是否满足簇间跳转门限若不满足，执行(3-5)；若满足，执行(3-6)；
(3-5)更新变量：残差字典矩阵待估幅度向量l＝l+1，q＝q+1，继续执行步骤(3-7)；
(3-6)更新变量：l＝1，判断是否已搜索完所有预设簇，若未搜完，则i＝i+1，继续执行步骤(3-7)；
(3...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔钢，强夕竹，肖雨竹，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23