CN108572347A - 基于通信信号信道状态响应信息的面阵二维测角方法及*** - Google Patents

Abstract

一种阵列信号处理技术领域的基于通信信号信道状态响应信息的面阵二维测角方法，基于入射阵列信号通过波束空间转换构造波束形成器，将入射阵列信号中的信道状态信息矩阵Q从元素空间转换到波束空间并进行CSI‑UCA抹平处理，从而实现虚拟增加均匀圆阵的阵列元素和快拍数个数；然后对抹平后的矩阵进行特征分解得到信号分量对应的信号子空间和与信号分量相正交的噪声子空间，并构造得到三维空间谱；最后通过三维空间谱谱峰对应的两个角度和时间得到入射信号的到达角。本发明通过虚拟增加均匀圆阵的元素和快拍数个数，从而提高估计室内无线通信信号的二维到达角的精度。

Description

基于通信信号信道状态响应信息的面阵二维测角方法及***

技术领域

本发明涉及的是一种阵列信号处理领域的技术，具体是一种基于通信信号信道状态响应信息的面阵二维测角方法及***。

背景技术

目前，大部分无线通信***的基站端已采用MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多重输入与输出)技术，且该技术将在下一代WiFi标准和5G通信***中沿用。为了提高通信传输速率和***容量，在下一代移动通信***中基站端配置的天线数量将成倍增加，同时多天线阵列的使用为高精度的二维到达角测量提供了支撑，将显著改善目前室内定位精度差的问题；但是对于已建成的***，难以通过上述手段提高二维到达角测量的精度。

发明内容

本发明针对现有技术计算效率较低、在进行互耦矩阵和补偿矩阵的计算时，需要首先进行查找表的测定和记录操作以及无法估计宽带无线信号参数等缺陷，提出了一种基于通信信号信道状态响应信息的面阵二维测角方法及***，对于现有无线通信***中采用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)技术调制的CSI(Channel State Information，信道状态信息)虚拟增加UCA(均匀圆形阵列)的元素和快拍数个数，从而提高估计室内无线通信信号的二维到达角的精度。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明基于入射阵列信号通过波束空间转换构造波束形成器，将入射阵列信号中的信道状态信息矩阵从元素空间转换到波束空间并进行信道状态信息-均匀圆形阵列(CSI-UCA)抹平处理，从而实现虚拟增加均匀圆阵的阵列元素和快拍数个数；然后对抹平后的矩阵进行特征分解得到信号分量对应的信号子空间和与信号分量相正交的噪声子空间，并构造得到三维空间谱；最后通过三维空间谱谱峰对应的两个角度和时间得到入射信号的到达角。

所述的入射阵列信号采用但不限于按均匀圆阵阵列布置的MIMO天线***采用OFDM技术调制得到。

所述的CSI矩阵包含每个天线与每个子载波上总的衰落和相移信息且列之间存在由子载波不同频率的相移，其中：csi_m,n是第m个天线的第n个子载波上的复数信道状态信息；m为阵列元素个数，m∈1,2,…,N；n为子载波个数，n∈1,2,…,K；

所述的CSI矩阵对应的多载波输入输出模型为X_k＝AS_k+N_k，k∈1,2,…,K，其中：X_k为阵列输出，维数为N×L，L为快拍个数，即每个天线上的时间采样的次数；A为阵列流行，维数为N×P，P为被定位的信号源个数；s_k为入射信号复包络，维数为P×L；N_k为阵列的加性高斯白噪声矩阵，维数为N×L。

所述的波束形成器其中：方向矩阵 对角阵C_V＝diag{j^-M,…,j^-1,j⁰,j^-1,…,j^-M}；方向矩阵 方向向量v(φ)＝[e^-jMφ,…,e^-jφ,e^j0,e^jφ,…,e^jMφ]^T，v(φ)与入射信号的方位角θ有从属关系；方向向量 为一个均匀圆阵可激发的最大相位模式，是向下取整符号；M′＝2M+1；N>2M。

所述的波束空间下的矩阵具有范德蒙德性质，维数为2M×K，其中：贝塞尔函数对角矩阵J_ζ与入射信号的仰角有从属关系，

所述的抹平处理为抹平后的维数为即抹平后阵列元素个数虚拟增加到快拍数个数增加到K。

对应的导向矢量其中：τ为传播时间；Θ为由仰角产生的相移；Φ为由方位角产生的相移；Ω为由信号传播时间产生的相移。

所述的特征分解，即采用MUSIC算法对的协方差矩阵进行处理，包括以下步骤：

S₁，计算协方差矩阵维数为K×K；

S₂，对协方差矩阵R进行特征分解，得到对应的一组协方差矩阵特征值和一组协方差矩阵特征向量；

S₃，通过协方差矩阵R的特征值进行信号源数判断：将特征值以递减顺序排列，从头开始比较相邻特征值的大小，当前一个与后一个特征值的比例大于4dB，则设当前的特征值对应最后一个信号，而剩下的特征值对应噪声；

S₄，基于上述判断，将与较大特征值对应的特征向量构建信号子空间，将与较小特征值对应的特征向量构建噪声子空间。

所述的三维空间谱，通过以下方式构造得到：确定搜索步长从而得到三维空间谱其中： 为导向矢量，为重构后的导向矢量，U_N为噪声子空间。

技术效果

本发明对于现有无线通信***中采用OFDM调制的CSI虚拟增加均匀圆阵的元素和快拍数个数，从而提高了估计室内无线通信信号的二维到达角的精度，在提高室内定位精度的同时避免了对现有无线通讯***进行大幅改造，降低了成本。

附图说明

图1为本发明中均匀圆阵的结构图；

图2为实施例在阵列元素个数为19和16时的二维到达角测量精度结果图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例采用仿真软件Matlab生成信号源激发均匀圆阵时的阵列流行数据以及室内5GHz频段的OFDM***信道的频率响应特性，并比较均匀圆阵中阵列元素个数N为19和16时的二维到达角测量精度。

本实施例的具体实施过程如下：

1)首先选定模型及相应参数，即如图1所示的均匀圆阵中：OFDM调制的入射信号的中心频率f_c＝5.32GHz，带宽为40MHz，子载波个数K＝30，子载波间隔f_Δ＝312.5KHz，均匀圆阵半径R＝λ，均匀圆阵可激发最大相位模式M＝6，第一个信号源入射信号的方位角仰角θ₁＝90°，传播时间τ₁＝10ns，第二个信号源入射信号的方位角仰角θ₂＝78°，传播时间τ₂＝80ns，搜索方位角步长搜索仰角步长Δθ＝0.2°，搜索传播时间步长Δτ＝0.2ns；上述两个信号源过路径的衰落采用仿真软件Matlab自带的随机函数产生的随机变量生成；在CSI矩阵生成过程中，加性高斯白噪声用仿真软件Matlab自带的awgn()函数生成；

2)对模拟的入射阵列信号进行波束空间转换，得到波束形成器其中：W^H矩阵的维数为13×13、C_V矩阵的维数为13×13、V^H矩阵的维数为13×19、波束形成器矩阵的维数为13×19；

3)计算波束空间下的矩阵并进行信道状态信息-均匀圆形阵列抹平处理，得到矩阵维数为180×32，即阵列元素个数虚拟增加到180个，快拍数个数虚拟增加到32个；

4)对矩阵的协方差矩阵R采用Matlab自带的eig()函数进行特征分解；得到的特征值排序后判断信号源个数，构成噪声子空间U_N；

5)采用三个for语句构造三维空间谱P；

6)最后采用搜索谱峰函数，找出对应谱峰的角度估计到达角，并计算估计误差。

本实施例为了计算上述方法的均方根误差，对不同信噪比进行蒙特·卡罗实验，信噪比范围为0～20dB，每次跑1000次实验；考虑均匀圆阵中阵列元素个数为19和16两个情况，同时为了简化分析，各信号的传输只考虑直射分量，而不考虑反射或折射分量；仿真结果如下：

如图2所示，为本实施例用不同阵列元素个数在不同信噪比条件下的均方根误差对比结果；估计方位角的均方根误差在所有信噪比范围小于1度，估计精度较高，这是因为所有的阵列元素位于方位角的平面；而估计仰角的均方根误差信噪比在大于12dB时也达到小于1度的程度，估计精度同样比较高。

Claims (9)

1.一种基于通信信号信道状态响应信息的面阵二维测角方法，其特征在于，基于入射阵列信号通过波束空间转换构造波束形成器，将入射阵列信号中的信道状态信息矩阵从元素空间转换到波束空间并进行CSI-UCA抹平处理，从而实现虚拟增加均匀圆阵的阵列元素和快拍数个数；然后对抹平后的矩阵进行特征分解得到信号分量对应的信号子空间和与信号分量相正交的噪声子空间，并构造得到三维空间谱；最后通过三维空间谱谱峰对应的两个角度和时间得到入射信号的到达角。

2.根据权利要求1所述的基于通信信号信道状态响应信息的面阵二维测角方法，其特征是，所述的信道状态信息矩阵其中：csi_m,n是第m个天线的第n个子载波上的复数信道状态信息；m为阵列元素个数，m∈1,2,…,N；n为子载波个数，n∈1,2,…,K。

3.根据权利要求2所述的基于通信信号信道状态响应信息的面阵二维测角方法，其特征是，所述的信道状态信息矩阵对应的多载波输入输出模型为X_k＝AS_k+N_k，k∈1,2,…,K，其中：X_k为阵列输出，维数为N×L，L为快拍数个数；A为阵列流行，维数为N×P，P为被定位的信号源个数；S_k为入射信号复包络，维数为P×L；N_k为阵列的加性高斯白噪声矩阵，维数为N×L。

4.根据权利要求1所述的基于通信信号信道状态响应信息的面阵二维测角方法，其特征是，所述的波束形成器其中：方向矩阵 对角阵C_V＝diag{j^-M,…,j^-1,j⁰,j^-1,…,j^-M}；方向矩阵 方向向量v(φ)＝[e^-jMφ,…,e^-jφ,e^j0,e^jφ,…,e^jMφ]^T，v(φ)与入射信号的方位角θ有从属关系；方向向量 为一个均匀圆阵可激发的最大相位模式，是向下取整符号；M′＝2M+1；N>2M。

5.根据权利要求4所述的基于通信信号信道状态响应信息的面阵二维测角方法，其特征是，波束空间下的矩阵具有范德蒙德性质，维数为2M×K，其中：贝塞尔函数对角矩阵J_ζ与入射信号的仰角有从属关系，

6.根据权利要求1所述的基于通信信号信道状态响应信息的面阵二维测角方法，其特征是，所述的抹平处理为抹平后的维数为即抹平后阵列元素个数虚拟增加到快拍数个数增加到K。

7.根据权利要求6所述的基于通信信号信道状态响应信息的面阵二维测角方法，其特征是，所述的抹平处理，其输出的矩阵对应的导向矢量其中：τ为传播时间；Θ为由仰角产生的相移；Φ为由方位角产生的相移；Ω为由信号传播时间产生的相移。

8.根据权利要求1所述的基于通信信号信道状态响应信息的面阵二维测角方法，其特征是，所述的特征分解，即采用MUSIC算法对的协方差矩阵进行处理，包括以下步骤：

S₁，计算协方差矩阵维数为K×K；

S₂，对协方差矩阵R进行特征分解，得到特征值和特征向量；

S₃，通过协方差矩阵R的特征值进行信号源数判断：将特征值以递减顺序排列，从头开始比较相邻特征值的大小，当前一个与后一个特征值的比例大于4dB，则设当前的特征值对应最后一个信号，而剩下的特征值对应噪声；

S₄，基于上述判断，将与较大特征值对应的特征向量构建信号子空间，将与较小特征值对应的特征向量构建噪声子空间。

9.根据权利要求8所述的基于通信信号信道状态响应信息的面阵二维测角方法，其特征是，所述的三维空间谱，通过以下方式构造得到：确定搜索步长从而得到三维空间谱其中：U_N为噪声子空间。