CN113346968B - 基于Lasso问题的多径时延估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于Lasso问题的多径时延估计方法，该方法为：发送端产生数字比特信号，并且对数字比特信号进行扩频，获得扩频后的数字比特信号；在所述扩频后的数字比特信号中加入多径时延和噪声；接收端通过扩频时候双方已知的Walsh码结合Lasso算法对接收信号进行稀疏化处理，获得信号序列的多径时延。本发明简化了***的复杂度和基带处理的步骤，同时保持了较高的性能。

Description

基于Lasso问题的多径时延估计方法
技术领域
本发明属于计算机通信技术领域，具体涉及一种基于Lasso问题的多径时延估计方法。
背景技术
在短波通信的过程中，由于短波通信的常用信道为高空电离层，电离层信道会由于太阳照射、昼夜交替、太阳活动等因素而产生变化。从而造成同一条发送信号经过多条路径到达接收机的情况，这些信号在被接收机接收时会发生混叠，从而产生影响。
目前应对多径时延最常用的技术是Rake接收机技术。当多径时延之间的时延间隔超过了一个码片时，这种多径信号可以被视为是不相关的，这时候就可以使用Rake接收机进行接收。Rake接收机的原理是在接收端设置多个相关监测器，利用这些监测器分别接收多径信号中的各路信号，最后再通过一定的技术手段，把这些接收到的各个支路信号合并在一起从而减小衰落所造成的影响，常见的合并方法有等增益合并(将各个支路信号按照相同的权重进行合并作为输出信号)、最大比合并(将各个支路信号按能量的大小作为权重进行合并作为输出信号)和选择式合并(选取信噪比最高的支路信号作为输出信号)。
目前的Rake接收机在实现上由于要对多个天线的信号进行处理，所以在增加了在接收端***和基带处理的复杂度。基于Lasso问题的多径时延估计算法相比Rake接收机具有更简单的***复杂度。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于Lasso问题的多径时延估计方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明实施例提供一种基于Lasso问题的多径时延估计方法，该方法为：
发送端产生数字比特信号，并且对数字比特信号进行扩频，获得扩频后的数字比特信号；
在所述扩频后的数字比特信号中加入多径时延和噪声；
接收端通过扩频时候双方已知的Walsh码结合Lasso算法对接收信号进行稀疏化处理，获得信号序列的多径时延。
上述方案中，所述发送端产生数字比特信号，具体为：通过randi函数生成一个随机的二进制的原始信号。
上述方案中，所述对数字比特信号进行扩频，获得扩频后的数字比特信号，具体为：根据Walsh码和原始信号的对应关系对原始信号进行扩频。
上述方案中，述在所述扩频后的数字比特信号中加入多径时延和噪声，具体为：对扩频后的原始信号加入多径时延，并添加高斯白噪声；添加的时延为10个码元间隔，信噪比为10dB。
上述方案中，所述接收端通过扩频时候双方已知的Walsh码结合Lasso算法对接收信号进行稀疏化处理，获得信号序列的多径时延，具体为：采用N种Walsh码分别作为条件，通过利用Lasso算法对接收信号进行处理，分别获得N个稀疏程度不同的信号序列,从所述N个稀疏程度不同的信号序列中选取一个信号序列作为结果。
上述方案中，所述从所述N个稀疏程度不同的信号序列中选取一个信号序列作为结果，具体为：选择模值大于阈值的数量，并且该数量小于多径的数量的信号序列作为结果，如果存在满足该条件的多条信号序列，选取首次出现波峰的信号序列。
上述方案中，所述从所述N个稀疏程度不同的信号序列中选取一个序列作为结果，具体为：如果所有信号序列大于该阈值的数量都大于多径数，则选取第一个出现明显大于其他序列曲线波峰的信号序列作为结果；如果第一个出现的波峰位置和大小接近，则先搁置保存，重复判断后续的信号序列，获得多径位置，根据所述多径位置从搁置保存的信号序列中选取一个信号序列作为结果。
上述方案中，所述根据一所述多径位置从搁置保存的信号序列中选取一个信号序列作为结果，具体为：选取两个波峰之间距离最接近多径的信号序列作为结果。
与现有技术相比，本发明简化了***的复杂度和基带处理的步骤，同时保持了较高的性能。
附图说明
此处所说明的附图用来公开对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例通过一种基于Lasso问题的多径时延估计方法中发送端产生数字比特信号的示意图；
图2为本发明实施例通过一种基于Lasso问题的多径时延估计方法中生成原始Walsh码对应关系的代码；
图3-图12为信号序列中第一码段至第十码段稀疏处理后的结果图；
图13为通过多次不同信噪比下的性能结果；
图14为性能曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例通过一种基于Lasso问题的多径时延估计方法，该方法通过以下步骤实现：
步骤1：发送端产生数字比特信号，并且对数字比特信号进行扩频，获得扩频后的数字比特信号；
具体地，通过randi函数生成一个随机的二进制的原始信号。
如图1所示，生成的原始序列为00110100011111111000。
生成Walsh码，以四种Walsh码为例，本例中选择的Walsh码和原始信号的对应关系如表1所示。
表1
Figure BDA0002957400310000041
Figure BDA0002957400310000051
生成原始Walsh码对应关系的代码如图2所示。
根据Walsh码和原始信号的对应关系对原始信号进行扩频。
步骤2：在所述扩频后的数字比特信号中加入多径时延和噪声；
具体地，对扩频后的原始信号加入多径时延，并添加高斯白噪声；
在一些实施例中，添加的时延为10个码元间隔，信噪比为10dB。
步骤3：接收端通过扩频时候双方已知的Walsh码结合Lasso算法对接收信号进行稀疏化处理，获得信号序列的多径时延。
具体地，采用四种Walsh码分别作为条件，通过利用Lasso算法对接收信号进行处理，分别获得四个稀疏程度不同的信号序列w_qian2_00_2、w_qian2_01_2、w_qian2_10_2、w_qian2_11_2,从所述四个稀疏程度不同的序列中选取一个信号序列作为结果。
选择模值大于阈值的数量，并且该数量小于多径的数量的信号序列作为结果，如果存在满足该条件的多条信号序列，选取首次出现波峰的信号序列。
如果所有信号序列大于该阈值的数量都大于多径数，则选取第一个出现明显大于其他序列曲线波峰的信号序列作为结果；如果第一个出现的波峰位置和大小接近，则先搁置保存，重复判断后续的信号序列，获得多径位置，根据所述多径位置从搁置保存的信号序列中选取一个信号序列作为结果。
选取两个波峰之间距离最接近多径的信号序列作为结果。
以w_qian2_00_2为例(w_qian2_00_2是接收序列和00所对应的walsh码序列做Lasso最优化的结果)，下面讲述w_qian2_00_2的获取步骤：
1、先将接收序列分为若干个和32位walsh码等长的序列(因为接收序列之前是通过32位walsh码扩频得到的，所以一定可以，由扩频码的性质，这样分出的每段码都是由00、01、10、11中的一个所对应的walsh码扩频得来的)
2、接收序列码段和walsh码都是32位长的，将所述接收序列码段作为惩罚函数中的ED(w)，walsh码求1范数(即绝对值求和)。
3、对这个最优化问题用计算机进行求解，得到的L(w)。
4、若这段接收序列是由00的walsh码扩频来的，这段ED(w)和00所对应的walsh码有相应的函数的关系，最优化后，L(w)的大部分值会为0或比较小(因为满足Lasso的条件，而进行Lasso优化的结果就是稀疏)。
若不是由00对应的walsh码扩频来的，那这段码段进行最优化后为0的值就相对较少。
所以，根据稀疏程度(成功进行最优化的点的数量)来判断应该译码为哪个二位二进制比特。
如图3-图12所示，信号序列的第一码段可判断为00，第二码段可判断为11，第三码段可判断为01，第四码段可判断为00，第五码段可判断为01，第六码段可判断为11，第七码段可判断为为11，第八码段可判断为11，第九码段可判断为10，第十码段可判断为00，最终判断结果为：00110100011111111000，与发送端发送信号：00110100011111111000相吻合，所以接收端可以进行正确的接收。
从上例可以看出，该方法可以在不使用Rake接收机和接收端解扩的情况下直接对多径时延进行处理，得到扩频前的原始信号，省略了相干解扩和Rake接收的繁琐部分。
通过多次不同信噪比下的性能，结果如图13所示。
如图14所示，可以看到，相比采用三种分集接收方式的Rake接收机，性能上有5dB左右的优势。
本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于Lasso问题的多径时延估计方法，其特征在于，该方法为：
发送端产生数字比特信号，并且对数字比特信号进行扩频，获得扩频后的数字比特信号；
在所述扩频后的数字比特信号中加入多径时延和噪声；
接收端通过扩频时候双方已知的Walsh码结合Lasso算法对接收信号进行稀疏化处理，获得信号序列的多径时延；
所述接收端通过扩频时候双方已知的Walsh码结合Lasso算法对接收信号进行稀疏化处理，获得信号序列的多径时延，具体为：采用N种Walsh码分别作为条件，通过利用Lasso算法对接收信号进行处理，分别获得N个稀疏程度不同的信号序列,从所述N个稀疏程度不同的信号序列中选取一个信号序列作为结果；
所述从所述N个稀疏程度不同的信号序列中选取一个信号序列作为结果，具体为：选择模值大于阈值的数量，并且该数量小于多径的数量的信号序列作为结果，如果存在满足该条件的多条信号序列，选取首次出现波峰的信号序列；
所述从所述N个稀疏程度不同的信号序列中选取一个序列作为结果，具体为：如果所有信号序列大于该阈值的数量都大于多径数，则选取第一个出现明显大于其他序列曲线波峰的信号序列作为结果；如果第一个出现的波峰位置和大小接近，则先搁置保存，重复判断后续的信号序列，获得多径位置，根据所述多径位置从搁置保存的信号序列中选取一个信号序列作为结果；
所述根据一所述多径位置从搁置保存的信号序列中选取一个信号序列作为结果，具体为：选取两个波峰之间距离最接近多径的信号序列作为结果。
2.根据权利要求1所述的基于Lasso问题的多径时延估计方法，其特征在于，所述发送端产生数字比特信号，具体为：通过randi函数生成一个随机的二进制的原始信号。
3.根据权利要求1或2所述的基于Lasso问题的多径时延估计方法，其特征在于，所述对数字比特信号进行扩频，获得扩频后的数字比特信号，具体为：根据Walsh码和原始信号的对应关系对原始信号进行扩频。
4.根据权利要求3所述的基于Lasso问题的多径时延估计方法，其特征在于，所述在所述扩频后的数字比特信号中加入多径时延和噪声，具体为：对扩频后的原始信号加入多径时延，并添加高斯白噪声；添加的时延为10个码元间隔，信噪比为10dB。
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