利用多极化宽带扩展阵列响应的密集多径参数估计方法技术

本发明专利技术公开了一种利用多极化宽带扩展阵列响应的密集多径参数估计方法，该方法首先通过多极化天线阵列发送多组不同的发送信号序列，根据已知的发送信号处理多个快拍的接收数据，获得多极化天线分量在频带内所有频点的信道响应，并将获得的多个快拍下的多频点信道响应矩阵扩展成一个大的二维信道响应矩阵；然后利用参考点阵元获得多径传播的时延参数，并利用频域平滑降维后的信道矩阵估计二维离开角和到达角；后对估计的离开角与到达角进行配对，再利用已估计参数估计获得子径的交叉极化比、初始相位和幅度参数，最终实现多维参数估计。本发明专利技术可以实现密集多径环境中多维子径参数的估计，可用于电波传播测量、室内定位等领域。

【技术实现步骤摘要】
利用多极化宽带扩展阵列响应的密集多径参数估计方法
本专利技术涉及一种利用多极化宽带扩展阵列响应的密集多径参数估计方法，可用于电波传播特性测量、室内定位等领域。
技术介绍
在过去几十年中，多径参数估计方法被广泛研究，其中不乏被人熟知的经典算法，例如旋转不变子空间算法(estimationofsignalparameterviarotationalinvariancetechniques，ESPRIT)、多重信号分类(multiplesignalclassification，MUSIC)和交替广义期望最大化(space-alternatinggeneralizedexpectation-maximization，SAGE)等。由于多径传输环境的复杂性，发送信号经过多径信道到达接收端时通常伴有复杂的传播特性，例如时域上的多子径重叠效应，导致多条子径到达接收端的时间间隔非常接近甚至相同，空间上这些子径的离开和到达角度也较为密集，这些子径不仅在时域上很难分辨，而且其特性也为其在空域上的分辨带来很大挑战。传统处理方式是将这些子径在空域上做平滑预处理，最终采用ESPRIT或者MUSIC获得其空域角度信息。然而这种做法分辨的子径数量通常受到天线阵元数量的限制，通常分辨子径的数量小于阵元的数量，而天线数量的增加会带来系统复杂度的上升，这使得空间中大量存在的子径很难被有效的分辨出来。已知的传统多径参数估计方法不能有效完成大量的子径参数估计。由于复杂传播环境的影响，这使得电波传播环境中极化特征变得更为丰富，每条子径的交叉极化比能够很好的反应这些子径的极化变化，但是目前已知的对于交叉极化比通常采用天线转向90度的方法进行获取，这种方法较为粗放且测量耗时，所得结果的准确性也较为欠缺。
技术实现思路
专利技术目的：针对以上问题，本专利技术目的是一种利用多极化宽带扩展阵列响应的密集多径参数估计方法，估计出密集多径环境中在时间可分辨径中子径数大于阵元数的情况下，子径的时延、二维离开角、二维到达角，并能进一步估计初始相位、幅度和交叉极化比等参数。技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：一种利用多极化宽带扩展阵列响应的密集多径参数估计方法，包括以下步骤：(1)通过多极化天线阵列发送多组不同的发送信号序列，组数等于发送天线的个数，每组发送信号序列分为不同的段，每组段数不小于发送天线的个数，每一段信号序列的长度不小于离散傅里叶变换的点数，根据已知的发送信号处理多个快拍的接收数据，获得多极化分量在频带内所有频点的信道响应；(2)将获得的每个快拍下的多频点信道响应向量化成一个列向量，多个快拍下的信道响应排成一个二维矩阵；此二维矩阵每一列对应于一个快拍下的响应，每一行表示某个收发阵元对在某一频点多个快拍的响应；(3)利用参考点阵元估计获得多径传播的时延参数；(4)从步骤(2)中所述的二维矩阵中选取与接收端参考阵元有关的行形成矩阵，以及与发送端参考阵元有关的行形成矩阵，并利用频域平滑降低信道矩阵维度，利用降维后的信道矩阵估计二维离开角和到达角。作为优选，构造与发送天线数相同组数的不同发送信号序列，每组发送信号序列分为多段子序列，序列不要求正交，满足信号每段子序列矩阵频域满秩即可。作为优选，重构的信道响应矩阵每一列包含每个极化的收发阵元在所有频点的响应，信道矩阵的列数等于快拍数。作为优选，所述频域平滑指将所有频点等间隔的分割成长度相同的多组频点，并将它们对应的阵列信道响应相加取平均，得到行数更小的信道响应矩阵，降维后的信道矩阵每一行代表了对应的相加频点处的信道响应之和，信道响应矩阵的列数不发生变化。进一步地，所述参数估计方法还包括对初始相位、幅度、交叉极化比参数的估计，具体方法是利用已估计的时延和角度参数构建出阵列响应，再利用最小二乘方法获得各个快拍下包含交叉极化比、幅度和各极化组合初始相位的矩阵，对这个矩阵求辐角获得所有子径水平垂直极化组合的初始相位，再利用所求得矩阵每一列与交叉极化比的关系求得交叉极化比，最终利用最小二乘估计求得各个子径在不同快拍的幅度信息。有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：(1)本专利技术利用宽带扩展的阵列响应能够估计时延域上不可分辨的子径的空间域(二维离开角和二维到达角)、初始相位、幅度和极化域(交叉极化比)参数。(2)在同一时间分辨径内，能分辨的子径数量可以大于阵元数，突破了阵元数对于子径估计数量的限制。(3)采用本方法能够降低信道测量系统的设计复杂度，本方法对阵元之间间距要求较为宽松，阵元间距可以大于半载波波长。附图说明图1是本专利技术实施估计方法的流程图。图2是本专利技术实施例中发送信号的结构示意图。图3是本专利技术实施例应用的信道传输背景示意图。图4是本专利技术实施例中频域平滑技术的原理示意图。图5是本专利技术实施例估计的多径时延结果图，Ns＝1024。图6是本专利技术实施例估计的单一时间可分辨径内子径的二维到达角估计结果图。图7是本专利技术实施例估计的单一时间可分辨径内子径的二维离开角估计结果图。图8是本专利技术实施例估计的初始相位的估计结果图。图9是本专利技术实施例的交叉极化比在不同信噪比下的估计结果图。图10是本专利技术实施例的幅度参数的估计结果图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本专利技术，在本具体实施例中的多极化天线采用极化方式最全面的分布式电磁矢量天线(ElectromagneticVectorAntenna,EMVA)，应理解实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围，在阅读了本专利技术之后，本领域技术人员对本专利技术的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。术语“多个”指两个或多于两个。本专利技术实施例中未详细说明的均为现有技术。本专利技术公开了一种利用多极化宽带扩展阵列响应的密集多径参数估计方法，利用该方法能够有效估计密集多径环境中的多径参数，包括但不限于时间可分辨径(以下称之为径)内多于阵元数目的子径的参数估计。该方法首先通过多极化天线阵列发送多组不同的发送信号序列，根据已知的发送信号处理多个快拍的接收数据，获得多极化分量在频带内所有频点的信道响应，将获得的每个快拍下的多频点信道响应向量化成一个列向量，多个快拍下的信道响应排成一个二维矩阵；然后通过参考点阵元对的频域信道响应获得时延参数的估计，时延参数的获取可以采用子空间方法如MUSIC或者ESPRIT方法，再利用时延参数和频域平滑获得收发端二维角度信息的估计，这里采用MUSIC方法搜索二维角度谱峰，利用已估计的时延和角度参数构建出阵列响应，再利用最小二乘方法获得各个快拍下包含交叉极化比、幅度和各极化组合初始相位的矩阵，对这个矩阵求辐角可以获得所有子径水平垂直极化组合的初始相位，再利用所求得矩阵每一列与交叉极化比的关系求得交叉极化比的估计，最终利用最小二乘估计求得各个子径在不同快拍的幅度信息。本专利技术中涉及的具体参数提取原理为现有的传统子空间算法范畴。图1给出了本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用多极化宽带扩展阵列响应的密集多径参数估计方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)通过多极化天线阵列发送多组不同的发送信号序列，组数等于发送天线的个数，每组发送信号序列分为不同的段，每组段数不小于发送天线的个数，每一段信号序列的长度不小于离散傅里叶变换的点数，根据已知的发送信号处理多个快拍的接收数据，获得多极化分量在频带内所有频点的信道响应；/n(2)将获得的每个快拍下的多频点信道响应向量化成一个列向量，多个快拍下的信道响应排成一个二维矩阵；此二维矩阵每一列对应于一个快拍下的响应，每一行表示某个收发阵元对在某一频点多个快拍的响应；/n(3)利用参考点阵元估计获得多径传播的时延参数；/n(4)从步骤(2)中所述的二维矩阵中选取与接收端参考阵元有关的行形成矩阵，以及与发送端参考阵元有关的行形成矩阵，并利用频域平滑降低信道矩阵维度，利用降维后的信道矩阵估计二维离开角和到达角。/n

【技术特征摘要】
1.一种利用多极化宽带扩展阵列响应的密集多径参数估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过多极化天线阵列发送多组不同的发送信号序列，组数等于发送天线的个数，每组发送信号序列分为不同的段，每组段数不小于发送天线的个数，每一段信号序列的长度不小于离散傅里叶变换的点数，根据已知的发送信号处理多个快拍的接收数据，获得多极化分量在频带内所有频点的信道响应；
(2)将获得的每个快拍下的多频点信道响应向量化成一个列向量，多个快拍下的信道响应排成一个二维矩阵；此二维矩阵每一列对应于一个快拍下的响应，每一行表示某个收发阵元对在某一频点多个快拍的响应；
(3)利用参考点阵元估计获得多径传播的时延参数；
(4)从步骤(2)中所述的二维矩阵中选取与接收端参考阵元有关的行形成矩阵，以及与发送端参考阵元有关的行形成矩阵，并利用频域平滑降低信道矩阵维度，利用降维后的信道矩阵估计二维离开角和到达角。


2.根据权利要求1所述的利用多极化宽带扩展阵列响应的密集多径参数估计方法，其特征在于，构造与发送天线数相同组数的不同发送信号序列，每组发送信号序列分为多段子序列，序列不要求正交，满...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海明，杨本圣，张沛泽，余晨，洪伟，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32