一种幂迭代最小化零空间投影局部搜索快速测向方法技术

本发明专利技术提供一种幂迭代最小化零空间投影局部搜索快速测向方法，初始化接收机结构参数，接收机结构参数包括初始输入到达角θ；构建采用全数字天线阵列结构的接收机系统模型，并获取接收信号表达式，所述接收信号表达式中包含阵列流形；取接收机系统模型中的部分天线进行初始DOA估计，并获得初始角度估计值基于初始角度估计值，将阵列流形扩展到全阵列，将扩展到全阵列的阵列流形作为幂迭代方法的初始迭代向量进行迭代运算；根据幂迭代计算的结构采用零空间投影法构造目标函数，并进行局部搜索获得精确角度估计值由于只使用一部分天线进行DOA粗略估计，结合幂迭代方法，通过局部搜索方法，既能充分保证测精确度，又能大幅降低计算复杂度。幅降低计算复杂度。

【技术实现步骤摘要】
一种幂迭代最小化零空间投影局部搜索快速测向方法


[0001]本专利技术涉及无线通信
，特别涉及一种幂迭代最小化零空间投影局部搜索快速测向方法。

技术介绍

[0002]无线测向问题因其广泛的应用而非常重要，包括无线通信、雷达、导航、救援和其他紧急援助设备。在最近的应用中，如物联网(IoT)、到达角(AOA)定位、海量多输入多输出(MIMO)等，DOA(波达方向定位技术，Direction OfArrival)估计始终扮演着不可或缺的角色。
[0003]一般来说，使用全数字(FD)MIMO接收机的基于特征分解的DOA测量方法的计算复杂度为O(N3)浮点运算(FLOPs)，其中N是天线数量，随着天线数量趋于大规模或超大规模，复杂度会急剧增加，例如当N＝4096时，复杂度将达到10
11
FLOPs。显然，这种复杂性对于实际应用来说是令人望而却步的。

技术实现思路

[0004]鉴于此，本专利技术提出一种幂迭代最小化零空间投影局部搜索快速测向方法，能在保证较好性能的同时，以极低的计算复杂度来进行测向。
[0005]本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0006]一种幂迭代最小化零空间投影局部搜索快速测向方法，包括以下步骤：
[0007]步骤S1、初始化接收机结构参数，接收机结构参数包括初始输入到达角θ；
[0008]步骤S2、构建采用全数字天线阵列结构的接收机系统模型，并获取接收信号表达式，所述接收信号表达式中包含阵列流形；
[0009]步骤S3、取接收机系统模型中的部分天线进行初始DOA估计，并获得初始角度估计值
[0010]步骤S4、基于初始角度估计值，将阵列流形扩展到全阵列，将扩展到全阵列的阵列流形作为幂迭代方法的初始迭代向量进行迭代运算；
[0011]步骤S5、根据幂迭代计算的结构采用零空间投影法构造目标函数，并进行局部搜索获得精确角度估计值
[0012]优选的，所述步骤S1的接收机结构参数还包括接收远场的窄带信号其中s(t)为基带信号，f
c
为信号的载波频率。
[0013]优选的，所述步骤S2中的接收机系统模型包含N根天线，所述接收信号表达式为：
[0014]y(t)＝[y1(t),y2(t),
…
,y
N
(t)]T
＝a(θ)s(t)+w(t)
[0015]其中w(t)是均值为0、方差为的加性高斯噪声，a(θ)是阵列流形，其表达式为：
[0016][0017]其中λ是载波频率的波长，d等于载波频率的半波长
[0018]优选的，所述步骤S3的具体步骤为：取接收机系统模型中的N
s
根天线，其中N
s
＝βN，β∈(0,1)，N
s
根天线对应的接收信号向量为：
[0019]y
Ns
(t)＝a
Ns
(θ)s
Ns
(t)+w
Ns
(t)
[0020]其样本协方差矩阵和相应的特征分解由下式给出：
[0021][0022]其中矩阵U
S
和U
N
分别代表信号子空间和噪声子空间，L为样本数；
[0023]所述初始角度估计值的表达式为：
[0024][0025]优选的，所述步骤S4基于初始角度估计值，将阵列流形扩展到全阵列的具体步骤为：
[0026]基于初始角度估计值，将阵列流形扩展到N维，扩展后的阵列流形表达式为：
[0027][0028]优选的，所述步骤S4将扩展到全阵列的阵列流形作为幂迭代方法的初始迭代向量进行迭代运算的具体步骤为：
[0029]将扩展后的阵列流形作为幂迭代方法的初始迭代向量x0，并进行迭代运算，迭代运算的表达式为：
[0030][0031]优选的，所述步骤S5根据幂迭代计算的结构采用零空间投影法构造目标函数的具体步骤为：
[0032]假设步骤S4的幂迭代在迭代n次时收敛，则V
s
＝x
n
是一个更精确的导向向量估计，构建目标函数为：
[0033][0034]优选的，所述步骤S5进行局部搜索获得精确角度估计值的表达式为：
[0035][0036]基于上述表达式，以为搜索中心，为搜索区间，CRLB/N
es
为搜索步长进行局部搜索，其中CRLB为无偏差克拉美罗界，h、最终得到
精确角度估计值
[0037]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0038]本专利技术提供了一种幂迭代最小化零空间投影局部搜索快速测向方法，具有如下优点：
[0039]1、算法结构操作简单，能够任意根据需要调整精度与复杂度；
[0040]2、与传统Root
‑
MUSIC算法相比较，本专利技术能获得近似的方向估计性能；
[0041]3、所提出的估计算法在大规模/超大规模场景下能够实现相较于传统MUSIC算法超过两个数量级复杂度的降低；
[0042]4、本方法提出的系统结构对电路成本要求低，增加了可使用性。
附图说明
[0043]为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的优选实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0044]图1为本专利技术的一种幂迭代最小化零空间投影局部搜索快速测向方法的流程图；
[0045]图2为本专利技术的一种幂迭代最小化零空间投影局部搜索快速测向方法的示意图；
[0046]图3为本专利技术的均方根误差性能与信噪比之间的关系；
[0047]图4为专利技术的算法复杂度与天线数N之间的关系。
具体实施方式
[0048]为了更好理解本专利技术
技术实现思路
，下面提供一具体实施例，并结合附图对本专利技术做进一步的说明。
[0049]参见图1至图2，本专利技术提供的一种幂迭代最小化零空间投影局部搜索快速测向方法，包括以下步骤：
[0050]步骤S1、初始化接收机结构参数，接收机结构参数包括初始输入到达角θ，还包括接收远场的窄带信号其中s(t)为基带信号，f
c
为信号的载波频率；
[0051]步骤S2、构建采用全数字天线阵列结构的接收机系统模型，接收机系统模型包含N根天线，经过射频链(RF chain)、下变频以及模数转换(ADC)，单个发射源情形下，接收信号表达式为：
[0052]y(t)＝[y1(t),y2(t),
…
,y
N
(t)]T
＝a(θ)s(t)+w(t)
[0053]其中w(t)是均值为0、方差为的加性高斯噪声(AWGN)，a(θ)是阵列流形，其表达式为：
[0054][0055]其中λ是载波频率的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种幂迭代最小化零空间投影局部搜索快速测向方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、初始化接收机结构参数，接收机结构参数包括初始输入到达角θ；步骤S2、构建采用全数字天线阵列结构的接收机系统模型，并获取接收信号表达式，所述接收信号表达式中包含阵列流形；步骤S3、取接收机系统模型中的部分天线进行初始DOA估计，并获得初始角度估计值步骤S4、基于初始角度估计值，将阵列流形扩展到全阵列，将扩展到全阵列的阵列流形作为幂迭代方法的初始迭代向量进行迭代运算；步骤S5、根据幂迭代计算的结构采用零空间投影法构造目标函数，并进行局部搜索获得精确角度估计值2.根据权利要求1所述的一种幂迭代最小化零空间投影局部搜索快速测向方法，其特征在于，所述步骤S1的接收机结构参数还包括接收远场的窄带信号其中s(t)为基带信号，f
c
为信号的载波频率。3.根据权利要求2所述的一种幂迭代最小化零空间投影局部搜索快速测向方法，其特征在于，所述步骤S2中的接收机系统模型包含N根天线，所述接收信号表达式为：y(t)＝[y1(t),y2(t),
…
,y
N
(t)]
T
＝a(θ)s(t)+w(t)其中w(t)是均值为0、方差为的加性高斯噪声，a(θ)是阵列流形，其表达式为：其中λ是载波频率的波长，d等于载波频率的半波长4.根据权利要求3所述的一种幂迭代最小化零空间投影局部搜索快速测向方法，其特征在于，所述步骤S3的具体步骤为：取接收机系统模型中的N
s
根天线，其中N
s
＝βN，β∈(0,1)，N
s
根天线对应的接收信号向量...

【专利技术属性】
技术研发人员：束锋，陈艺文，陈鹏，占习超，黄梦醒，张旗，
申请(专利权)人：海南大学，
类型：发明
国别省市：