一种基于制造技术

本发明专利技术公开了一种基于

【技术实现步骤摘要】
一种基于OFDM过采样循环前缀的环境感知方法


[0001]本专利技术属于无线通信领域，具体涉及一种基于
OFDM
过采样循环前缀的环境感知方法
。

技术介绍

[0002]环境感知通过从无线信号中提取环境信息，是感知通信一体化
(ISAC)
中的一项关键技术
。
感知通信一体化
(ISAC)
不仅包括高精度定位，还包括环境的精细成像
、
手势和姿态识别以及人类感知增强
。
这些关键技术将极大地扩展通信网络服务场景
。
因此，拓展现有网络架构中的环境感知能力迫在眉睫，这种方式既能节省硬件开发资源，又能最大限度地与现有硬件设备的兼容
。
[0003]OFDM
系统中的
CP
包含了丰富的环境信息，而上下采样过程在硬件设备的实际传输过程中提供了一种以更大带宽进行观测的方式
。
循环前缀作为
OFDM
符号之间的保护间隔，解决了多径带来的符号间干扰
(ISI)
，保证了信号频谱结构的完整性，这也使得
CP
内部数据高度相关
。CP
中含有丰富的环境信息，但这些信息在接收端
FFT
变换前被去除，并没有被利用
。
此外，在实际系统传输中，由于模数转换器
/
数模转换器
(ADC/DAC)
的采样率往往大于信号的奈奎斯特带宽，因此需要上采样和下采样来匹配这一差异的传输速率
。
该过程有可能为环境感知提供更高带宽的观测
。
在接收端，无需下采样和低通滤波，即可从
ADC
硬件获取原始过采样信号
。
但是
CP
构成测量矩阵用于环境感知时，会受到数据的相关性而导致矩阵随机性变差，同时信道特有的衰减特性也会恶心测量矩阵性能，不易于重构求解
。

技术实现思路

[0004]针对上述现有技术的不足，本专利技术提供一种基于
OFDM
过采样循环前缀的环境感知方法，实现在通用的
SISO
收发模式下，接收端根据发送的
OFDM
信号中的过采样
CP
实现环境感知
。
本专利技术利用现有
OFDM
通信系统中天然存在的过采样循环前缀来进行感知，可在不对现有通信体制作较大更改的情况下，实现感知通信一体化
。
考虑到循环前缀构成的用于环境感知的测量矩阵性能较差，还提出了两种随机策略和一种逐维的正交近似消息传递算法来高效求解环境感知的重构问题
。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0006]提出一种基于
OFDM
过采样循环前缀的环境感知方法，包括以下步骤：
[0007]根据收发设备和环境散射面的位置关系，基于
OFDM
并在参数确定的情况下，建立信道模型；
[0008]利用椭圆簇确定在环境散射面上与所述信道模型中每一条信道对应的环境散射点位置；
[0009]将经过解调处理后的所述
OFDM
中的正交频分复用信号通过升采样，得到所需的过采样循环前缀序列，其中，所述正交频分复用信号包含环境散射点位置信息；
[0010]使用所述过采样循环前缀序列，基于所述信道模型，建立求解环境散射点位置的
环境感知模型，其中，所述环境感知模型涉及环境散射点位置问题；
[0011]采用两种随机策略提高所述环境感知模型中由过采样循环前缀序列组成的测量矩阵的随机性，以将所述环境散射点位置问题转换为压缩感知重构问题；其中，一种随机策略是将需要发送的所述正交频分复用信号使用随机的符号调制方式进行处理，以增加所述测量矩阵每一维度间数据的独立性；另一种随机策略是将不同所述测量矩阵随机抽取而组成新的测量矩阵，以降低所述原始测量矩阵维度；
[0012]使用逐维处理的正交近似消息传递方法求解所述的压缩感知重构问题，得到环境散射体重构结果
。
[0013]进一步地，建立信道模型具体包括以下步骤：
[0014]步骤
S11
，发送端和接收端的位置已知，距离为
d
LOS
。
发送的
OFDM
信号，带宽为
B
，快速傅里叶变换点数为
N
fft
，循环前缀长度为
N
CP
，时域采样点间隔
Δ
T
＝
1/B
；
[0015]步骤
S12
，将传播的信道包括两部分：从发送端到接收端的直射径，即距离等于
d
LOS
，和从发送端到环境散射面再到接收端的的非直射径，非直射径中的每条信道的幅度和相位为：
[0016][0017]其中为发送接收天线的归一化增益，
j
表示虚数单位，
λ
和
f
c
表示信号的波长和频率，
σ
i
表示第
i
个散射点的雷达截面积；
d
i
＝
d
TS
+d
SR
表示发送端到环境散射面上第
i
个散射点距离
d
TS
与该散射点到接收端的距离
d
RS
之和；
Δ
t
i
＝
(i
‑
1)/f
adc
，表示第
i
条非直射径信道与直射径信道的时延差，
t
LOS
表示直射径的传播时延，
f
adc
为设备数模转换器采样率；信道响应向量其中
i
＝2，
…
，
N+1
，
N
＝
UN
CP
，使用
U
表示信号过采样倍率，
h1表示直射径的信道响应
。
[0018]进一步地，利用椭圆簇确定在环境散射面上与所述信道模型中每一条信道对应的环境散射点位置具体包括以下步骤：
[0019]步骤
S21
，用
x
s
表示与每条信道对应的环境散射点，如果存在散射点值为1，不存在则为0，整个向量表示为
[0020][0021]环境散射点向量和信道系数向量长度相等，即
M
＝
N+1
；
[0022]步骤
S22
，根据确定的
x
s
和
h
，由第
i
个环境散射点位于位于以发送端本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于
OFDM
过采样循环前缀的环境感知方法，其特征在于，包括以下步骤：根据收发设备和环境散射面的位置关系，基于
OFDM
并在参数确定的情况下，建立信道模型；利用椭圆簇确定在环境散射面上与所述信道模型中每一条信道对应的环境散射点位置；将经过解调处理后的所述
OFDM
中的正交频分复用信号通过升采样，得到所需的过采样循环前缀序列，其中，所述正交频分复用信号包含环境散射点位置信息；使用所述过采样循环前缀序列，基于所述信道模型，建立求解环境散射点位置的环境感知模型，其中，所述环境感知模型涉及环境散射点位置问题；采用两种随机策略提高所述环境感知模型中由过采样循环前缀序列组成的测量矩阵的随机性，以将所述环境散射点位置问题转换为压缩感知重构问题；其中，一种随机策略是将需要发送的所述正交频分复用信号使用随机的符号调制方式进行处理，以增加所述测量矩阵每一维度间数据的独立性；另一种随机策略是将不同所述测量矩阵随机抽取而组成新的测量矩阵，以降低所述原始测量矩阵维度；使用逐维处理的正交近似消息传递方法求解所述的压缩感知重构问题，得到环境散射体重构结果
。2.
根据权利要求1所述的基于
OFDM
过采样循环前缀的环境感知方法，其特征在于，构建建立信道模型具体包括以下步骤：步骤
S11
，发送端和接收端的位置已知，距离为
d
LOS
。
发送的
OFDM
信号，带宽为
B
，快速傅里叶变换点数为
N
fft
，循环前缀长度为
N
CP
，时域采样点间隔
Δ
T
＝
1/B
；步骤
S12
，将传播的信道包括两部分：从发送端到接收端的直射径，即距离等于
d
LOS
，和从发送端到环境散射面再到接收端的的非直射径，非直射径中的每条信道的幅度和相位为：其中为发送接收天线的归一化增益，
j
表示虚数单位，
λ
和
f
c
表示信号的波长和频率，
σ
i
表示第
i
个散射点的雷达截面积；
d
i
＝
d
TS
+d
SR
表示发送端到环境散射面上第
i
个散射点距离
d
TS
与该散射点到接收端的距离
d
RS
之和；
Δ
t
i
＝
(i
‑
1)/f
adc
，表示第
i
条非直射径信道与直射径信道的时延差，
t
LOS
表示直射径的传播时延，
f
adc
为设备数模转换器采样率；信道响应向量其中使用
U
表示信号过采样倍率，
h1表示直射径的信道响应
。3.
根据权利要求2所述的基于
OFDM
过采样循环前缀的环境感知方法，其特征在于：利用椭圆簇确定在环境散射面上与所述信道模型中每一条信道对应的环境散射点位置具体包括以下步骤：步骤
S21
，用
x
s
表示与每条信道对应的环境散射点，如果存在散射点值为1，不存在则为0，整个向量表示为
环境散射点向量和信道系数向量长度相等，即
M
＝
N+1
；步骤
S22
，根据确定的
x
s
和
h
，由第
i
个环境散射点位于位于以发送端和接收端位置为焦点，长度为焦距的长椭圆上；根据环境散射散射面的尺寸
L
l
，
L
w
和中心位置，可以确定环境散射面上环境散射点的集合
Γ
surface
，因此可以得到第
i
个环境散射点的两个空间约束：其中
P
i
，
P
TX
，
P
RX
分别表示第
i
个环境散射点
、
发送端和接收端的空间位置
。4.
根据权利要求3所述的基于
OFDM
过采样循环前缀的环境感知方法，其特征在于，将经过解调处理后的所述
OFDM
中的正交频分复用信号通过升采样，得到所需的过采样循环前缀序列具体包括以下步骤：接收端的数模转换器不经过低通滤波，得到的
OFDM
信号后完成解调处理，将解调符号作快速傅里叶逆变换再进行过采样得到发送的第
k
个
OFDM
符号对应的过采样循环前缀序列其中维度
N
＝
UN
CP
；将接收到的
OFDM
符号直接过采样得到接收到的第
k
个
OFDM
符号对应的过采样循环前缀表示为：
5.
根据权利要求4所述的基于
OFDM
过采样循环前缀的环境感知方法，其特征在于，建立求解环境散射点位置的环境感知模型具体包括以下步骤：假设信道最大时延拓展刚好等于循环前缀持续时间，第
k
个
OFDM
符号的循环前缀会受到自身和前一个
OFDM
符号尾部等长数据的影响，其数值等于第
k
‑1个
OFDM
符号的循环前缀，因此可以等价于第
k
个
OFDM
符号的循环前缀收到第
k
和第
k
‑1个
OFDM
符号循环前缀的影响；过采样循环前缀满足同样的影响，采样点数是
OFDM
符号循环前缀的
U
倍；受到信道的影响可以表示为：其中表示高斯加性白噪声，
r
k
即为接收的过采样循环前缀序列，表示由第
k
‑1和第
k
个过采样循环前缀组成循环前缀对序列，具体表示为个过采样循环前缀组成循环前缀对序列，具体表示为用来表示信道系数和散射点向量按位乘法的移位：为了方便求解重构目标，根据矩阵乘法将关系式改写为：
r
k
＝
Φ
k
h
⊙
x
s
+n
其中

【专利技术属性】
技术研发人员：张朝阳，张豪，杨照辉，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：