CN105530703A - 一种基于波达方向估计值的gsm-r干扰源定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于铁路无线通信网干扰源定位技术及阵列信号处理技术领域，涉及一种基于波达方向估计值的GSM-R干扰源定位方法。本发明主要包括：采用GSM-R基站接收天线对干扰信号来波方向进行DOA估计，具体方法为：对GSM-R基站天线进行空间分集，构建两组天线阵列，获取对干扰信号的DOA估计结果；根据步骤a中获得的DOA估计结果，分别建立干扰源与两个GSM-R基站接收天线连线的直线方程，获取这两条直线的交点，该交点为干扰源的位置。本发明能带的有益效果为，不需要接收信号频谱数据，更方便；不需要网管***数据、蜂窝小区规划数据以及路测数据等相关规划数据，更独立；无需使用定向天线进行逐步定位，更快捷；不需要提前获取环境的路径损耗模型，更灵活。

Description

一种基于波达方向估计值的GSM-R干扰源定位方法

技术领域

本发明属于GSM-R(GlobalSystemforMobileCommunications-Railway)干扰源定位技术及阵列信号处理技术领域，特别是关于一种基于干扰信号来波方向DOA(directionofarrival)估计的GSM-R干扰源定位方法。

背景技术

GSM-R是一种专门为铁路通信设计的综合专用无线通信***，由国际铁路联盟(UIC)和欧洲电信标准研究所(ETSI)为欧洲新一代铁路无线通信所研发。GSM-R以GSM技术为基础，结合铁路通信的需求，加入了多优先级、紧急呼叫、组呼、广播呼叫等相关业务。GSM-R***是我国铁路通信的发展趋势，它能够实现铁路各种移动信息资源采集、传输，为现代化的铁路调度、指挥、控制提供通信平台，同时提高了铁路的运转效率，减小了运行成本。2003年，铁道部选定GSM-R作为我国铁路未来综合数字调度网的技术体制。GSM-R***的引入促进了我国铁路建设的发展，加快了我国铁路信息化建设的步伐，提高了我国铁路的竞争力，为国家的经济和科技实力贡献了重要的力量。

GSM-R频率段主要工作在885-889/930-934MHz范围内，共4MHz带宽，该频段由GSM-R***独享。但由于目前电子设备的普及，生活中的电磁环境变得越来越复杂，由于两***的共用频段或频段相近，使得***之间的电磁干扰也变得在所难免。对于相对复杂的电磁环境，有多种无线网络构成，包括移动通讯业务***、专用移动无线电设备和传呼/广播***，即民用移动***，集群***和广播***，甚至还有一些未被授权的非法无线网络，这些不同网络的天线发出各种不同频率、不同幅值、不同信号量的无线信号，因此在空间中很容易造成网络之间的互相干扰。

目前，我国铁路沿线铺设着各种频道的、区域授权或未授权的基站和天线。尽管中国有关部门规定了GSM-R***在铁路沿线独占4M带宽，然而其余如移动、联通、电信和无线电台发射的信号有可能造成GSM-R***的邻频干扰和互调干扰，及其非法未授权得基站或天线造成的同频干扰。这些无线干扰信号都会影响GSM-R的正常接收和发射，给基站覆盖区域的移动通信带来掉话、通话质量差、信道拥塞等问题，从而导致铁路运营的工作效率下降，甚至给铁路的安全运行、旅客的生命安全和国家的发展带来隐忧。因此，亟需有效的GSM-R干扰源定位方法，及时排除干扰源对GSM-R通信***的影响，以保证铁路运输的安全性。

现阶段，对干扰源进行定位的方法主要包括：利用频谱分析对网外干扰进行定位；利用网管***数据、蜂窝小区规划数据以及测试数据对干扰源进行定位；采用定向天线进行逐步逼近定位；利用电磁波功率传播模型及路径损耗模型对干扰源进行定位。目前还没有采用阵列信号处理对干扰信号的来波方向进行DOA估计的方法对干扰源进行定位。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点和不足，提出一种使用阵列信号处理技术，对GSM-R干扰源进行快速定位。GSM-R***主要用于客运专线或高速线，多处在乡村开阔地，电磁波以直线传播为主，多径效应不明显，因此可以利用干扰信号的来波方向对干扰源进行定位。在这些地区，GSM-R***采用空间分集的天线，天线左右平行放置，可看作水平放置的均匀线阵天线阵列。

本发明的技术方案是：一种基于波达方向估计值的GSM-R干扰源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.采用GSM-R基站接收天线对干扰信号来波方向进行DOA估计，具体方法为：对GSM-R基站天线进行空间分集，构建两组天线阵列，获取对干扰信号的DOA估计结果；

b.根据步骤a中获得的DOA估计结果，分别建立干扰源与两个GSM-R基站接收天线连线的直线方程，获取这两条直线的交点，该交点为干扰源的位置。

本发明总的技术方案，主要采用阵列信号处理技术，使用多天线阵列对干扰源信号的来波方向进行DOA估计，并根据两组天线阵列对同一个干扰信号的来波方向的估计结果对干扰源进行定位。

进一步的，步骤a具体包括以下步骤：

a1.用空间分集的天线构成均匀线阵，每个天线代表一个阵元；

a2.对均匀线阵进行前/后向空间平滑，构造多个前/后向平滑均匀线阵子阵列；

a3.建立每个前/后向平滑均匀线阵子阵列接收信号模型，并计算每个前/后向平滑均匀线阵子阵列的接收信号空间相关矩阵；

a4.对每个前/后向平滑均匀线阵子阵列的接收信号空间相关矩阵求平均，得到均匀线阵的双向空间平滑相关矩阵；

a5.根据获得的双向空间平滑相关矩阵，采用MUSIC算法获得对干扰信号的DOA估计结果。

本发明能带的有益效果为，本发明不需要接收信号频谱数据，更方便；不需要网管***数据、蜂窝小区规划数据以及路测数据等相关规划数据，更独立；本发明无需使用定向天线进行逐步定位，更快捷；本发明不需要提前获取环境的路径损耗模型，更灵活。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明实施例的GSM-R基站空间分集天线构成的均匀线阵天线阵列示意图；

图3为本发明实施例的GSM-R干扰源定位示意图；

图4为本发明实施例的采用的均匀线阵前向平滑子阵列示意图；

图5为本发明实施例的采用的均匀线阵后向平滑子阵列示意图；

图6为本发明实施例GSM-R基站1对期望GSM-R信号和干扰信号的DOA估计结果；

图7为本发明实施例GSM-R基站2对期望GSM-R信号和干扰信号的DOA估计结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述

如图1所示，本发明的基于波达方向估计值的GSM-R干扰源定位方法，主要解决方案是：首先考虑同频信号之间可能相干的情况，采用空间分集的GSM-R基站接收天线，使用均匀线阵空间平滑算法对干扰信号的来波方向进行DOA估计；然后根据两组天线阵列对同一个干扰信号的来波方向的估计结果以及两组天线阵列的几何位置，画出两条相交的直线，两条直线的交点即为干扰源的位置。

实施例

如图2所示，以GSM-R基站空间分集天线的10个天线左右均匀排列于同一水平面为例进行详细说明。

因为中国铁路GSM-R***工作在885-889/930-934MHz频段范围中，所以选取900MHz作为典型频率来设置天线阵元间距，天线阵元间距设为(0.5×3×10⁸)/(900×10⁶)＝0.15m。阵元间距远小于阵元与干扰源之间的距离，可认为干扰信号到各个阵元的入射角相同。信号入射方向与均匀线阵法线方向的夹角为θ，当信号从法线左侧射入均匀线阵时θ∈(0°,90°)，当信号从法线右侧射入均匀线阵时θ∈(-90°,0°)。

如图3所示，GSM-R基站1的空间分集天线位于坐标A(0m,0m)处，GSM-R基站2的空间分集天线位于坐标B(100m,0m)处，期望GSM-R发射机位于坐标O(45m,5m)处，干扰源位于坐标C(50m,50m)处。

实验过程中GSM-R基站1和GSM-R基站2的位置已知。设期望GSM-R发射机位置为(X₁,Y₁)，干扰源位置为(X₂,Y₂)。

期望GSM-R信号到基站1的入射角为θ₁，干扰信号到基站1的入射角为θ₂。期望GSM-R信号到基站2的入射角为干扰信号到基站2的入射角为

如图2所示，基站1均匀线阵接收天线的接收信号数据为：

$\begin{array}{c}x\left(t\right)={\left[\begin{array}{cccc}{x}_1\left(t\right)& x_2\left(t\right)& \mathrm{...}& x_{10}\left(t\right)\end{array}\right]}^T\\ =As\left(t\right)+n\left(t\right)\end{array}$

其中，s(t)＝[s₁(t)s₂(t)]^T为期望GSM-R信号和干扰信号，n(t)＝[n₁(t)n₃(t)…n₁₀(t)]^T10个阵元的阵列接收噪声，噪声方差为σ²，A＝[a(θ₁)a(θ₂)]为阵列导向矩阵，a(θ_i)＝[1e^-jβi…e^-9jβi]^T为信号s_i(t)的导向向量，β_i＝2πdsinθ_i/λ为信号s_i(t)到达两个相邻阵元的相位差。

如图4所示，采用前向空间平滑，使用阵元数M＝10均匀线阵，构造P个子阵列组合(P＝6)，每个子阵列的阵元数m＝5。

第k个子阵列的接收信号数据为：

$\begin{array}{c}{x}_k^f\left(t\right)={\left[\begin{array}{cccc}{x}_k\left(t\right)& x_{k+1}\left(t\right)& \mathrm{...}& x_{k+m-1}\left(t\right)\end{array}\right]}^T\\ ={\mathrm{CD}}^{(k-1)}s\left(t\right)+n_k\left(t\right)\end{array}$

其中，C＝[c(θ₁)c(θ₂)]为第k个子阵列的阵列导向矩阵，c(θ_i)＝[1e^-jβi…e^-j(k-1)βi]^T为信号s_i(t)的第k个子阵列的阵列导向向量， $D=\left[\begin{array}{cc}{e}^{-{\mathrm{j\β}}_1}& 0\\ 0& e^{-{\mathrm{j\β}}_2}\end{array}\right]$ 为相邻子阵列之间的相移矩阵，n_k(t)＝[n_k(t)n_k+1(t)…n_k+4(t)]^T为第k个子阵列的阵列接收噪声。

第k个子阵列的接收信号向量的空间相关矩阵为：

$R_{xk}^f=E\left\{x_k^f\left(t\right){\left(x_k^f\right(t\left)\right)}^H\right\}={\mathrm{CD}}^{(k-1)}{R}_s{\left(D^{(k-1)}\right)}^H{C}^H+{\mathrm{\σ}}^{2}I$

其中，R_s＝E{s(t)s^H(t)}为干扰源发射信号空间相关矩阵，I为单位阵。

对各前向空间平滑子阵列的空间相关函数求平均，可以得到前向空间平滑空间相关函数。

$R_x^f\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{P}\underset{k=1}{\overset{P}{\Σ}}{R}_{xk}^f\left(\mathrm{\τ}\right)$

同理，如图5所示，可以得到通过后向空间平滑之后得到的自相关函数矩阵

$R_x^b\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{P}\underset{k=1}{\overset{P}{\Σ}}{R}_{xk}^b\left(\mathrm{\τ}\right)$

$R_{xk}^b=E\left\{x_k^b\left(t\right){\left(x_k^b\right(t\left)\right)}^H\right\}={\mathrm{CD}}^{(m+k-2)}{R}_s{\left(D^{(m+k-2)}\right)}^H{C}^H+{\mathrm{\σ}}^{2}I$

双向空间平滑算法就是对前向平滑循环自相关函数矩阵与后向平滑循环自相关函数矩阵取平均，双向空间平滑循环自相关函数矩阵为：

$R_x\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{2}\left(R_x^f\right(\mathrm{\τ})+R_x^b(\mathrm{\τ}\left)\right)$

对R_x(τ)进行特征值分解，两个较大的特征值λ₁、λ₂对应的特征向量u₁、u₂构成信号子空间，三个较小的特征值λ₃、λ₄、λ₅对应的特征向量u₃、u₄、u₅构成噪声子空间。定义矩阵：

G＝[u₃u₄u₅]

由于矩阵A为列满秩矩阵，R_x为满秩矩阵，可以证明：

G^HA＝G^H[a(θ₁)a(θ₂)]＝0

即G^Ha(θ_i)＝0。因此可得出结论，当θ为信号来波方向时，G^Ha(θ)＝0。

使用MUSIC谱估计：

$P_{MUSIC}=\frac{1}{a^H\left(\mathrm{\θ}\right){\mathrm{GG}}^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)},\mathrm{\θ}\∈(-\frac{\mathrm{\π}}{2},\frac{\mathrm{\π}}{2})$

当θ为信号来波方向时，P_MUSIC取得极大值，通过MUSIC谱峰搜索，即可得到信号的来波方向。

通过实验，GSM-R基站1估计的期望GSM-R信号来波方向干扰信号来波方向为如图6所示。GSM-R基站2估计的期望GSM-R信号来波方向为干扰信号来波方向为如图7所示。

对于干扰信号，根据GSM-R基站1及GSM-R基站1估计的干扰信号来波方向为GSM-R基站2位置及GSM-R基站2估计的干扰信号来波方向为可以得到期望GSM-R信号所在的直线的方程组：

$\left\{\begin{array}{c}tan{\mathrm{\θ}}_{12}=-\frac{X_2}{Y_2}\\ {\mathrm{tan\θ}}_{22}=-\frac{X_2-100}{Y_2}\end{array}\right.$

求解方程组，可分别计算出干扰源位置(50.026m,49.991m)。

从实验结果可以看出，采用本发明方法，能够仅使用GSM-R检测到的干扰信号的来波方向就能够方便、快捷的对干扰源进行定位。

Claims (2)

1.一种基于波达方向估计值的GSM-R干扰源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.采用GSM-R基站接收天线对干扰信号来波方向进行DOA估计，具体方法为：对GSM-R基站天线进行空间分集，构建两组天线阵列，获取对干扰信号的DOA估计结果；

b.根据步骤a中获得的DOA估计结果，分别建立干扰源与两个GSM-R基站接收天线连线的直线方程，获取这两条直线的交点，该交点为干扰源的位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于波达方向估计值的GSM-R干扰源定位方法，其特征在于，步骤a具体包括以下步骤：

a1.用空间分集的天线构成均匀线阵，每个天线代表一个阵元；

a2.对均匀线阵进行前/后向空间平滑，构造多个前/后向平滑均匀线阵子阵列；

a3.建立每个前/后向平滑均匀线阵子阵列接收信号模型，并计算每个前/后向平滑均匀线阵子阵列的接收信号空间相关矩阵；

a4.对每个前/后向平滑均匀线阵子阵列的接收信号空间相关矩阵求平均，得到均匀线阵的双向空间平滑相关矩阵；

a5.根据获得的双向空间平滑相关矩阵，采用MUSIC算法获得对干扰信号的DOA估计结果。