OFDM信號時延與角度聯(lián)合估計技術(shù)研究

發(fā)布時間：2020-04-13 20:13

【摘要】：隨著OFDM技術(shù)的廣泛應(yīng)用和相應(yīng)通信網(wǎng)絡(luò)的日趨完善,人們在享用OFDM技術(shù)提供數(shù)據(jù)服務(wù)的同時,在軍民領(lǐng)域?qū)o線目標定位信息的需求也日益增加,無線定位參數(shù)估計技術(shù)逐漸向多維化、聯(lián)合化、高效化方向發(fā)展。時延與角度二維參數(shù)聯(lián)合估計在提高參數(shù)估計精度,減小接收節(jié)點數(shù)量等方面具有顯著優(yōu)勢,近年來得到了廣泛關(guān)注。開展精度高、性能好的OFDM信號時延與角度二維參數(shù)聯(lián)合估計技術(shù)研究具有重要的理論價值和應(yīng)用前景。為提高參數(shù)估計精度和時效性,本文針對OFDM信號時變特性和無線多徑環(huán)境,考慮接收陣元數(shù)目與多徑數(shù)目的相對大小、采樣快拍數(shù)的多少、參數(shù)估計精度、計算復(fù)雜度等多種因素,深入研究了多快拍多陣元、多快拍少陣元和單快拍數(shù)據(jù)下的時延與角度聯(lián)合估計方法,力求滿足定位系統(tǒng)效能化的需求。主要工作包括:1.對于靜止狀態(tài)或慢時變目標信號,在多徑數(shù)目小于陣元數(shù)目條件下,針對二維多重信號分類算法可以估計出系統(tǒng)的時延和到達角度參數(shù),但需要長時間二維譜峰搜索、難以實際應(yīng)用的問題,提出一種基于Hadamard積的快速時延與角度聯(lián)合估計算法。首先,通過各陣元上OFDM信號的信道頻域響應(yīng)矢量,構(gòu)造出包含定位參數(shù)信息Hadamard積形式的信道頻域響應(yīng)估計矢量。然后,計算其自相關(guān)矩陣和噪聲子空間,分別構(gòu)造時延與角度的多項式進行閉式解求解。最后,利用參數(shù)配對的方法實現(xiàn)了時延和到達角度定位參數(shù)的快速聯(lián)合估計。仿真結(jié)果表明,該方法能夠在獲得較高參數(shù)估計精度的同時,顯著降低計算復(fù)雜度,且對多徑環(huán)境具有一定的適應(yīng)性,提高了定位參數(shù)快速獲取的能力。2.為綜合利用二維信息優(yōu)勢,在不大幅增加復(fù)雜度的前提下,進一步提升參數(shù)估計性能,提出一種基于正交矩陣特性的時延與角度聯(lián)合估計算法。首先,根據(jù)OFDM信號數(shù)據(jù)模型的內(nèi)在關(guān)系,先利用旋轉(zhuǎn)因子估計角度參數(shù)。然后,利用正交矩陣運算組成的列對應(yīng)屬性以及交換法則構(gòu)建對應(yīng)的時延矢量矩陣。最后,通過對角線元素求解獲得時延參數(shù),所得二維參數(shù)均以閉式解求解且自動配對,提高了配對效率和準確性。仿真結(jié)果表明,在低信噪比下,該算法與現(xiàn)有算法相比,明顯具有更高的估計精度,性能相對更優(yōu)。3.對于靜止狀態(tài)或慢時變目標信號,在多徑數(shù)目大于陣元數(shù)目條件下,為避免二維譜峰搜索,根據(jù)兩陣元間的波程移相特點,給出一種基于修正傳播算子的時延與角度聯(lián)合估計算法。首先,對OFDM信號信道頻域響應(yīng)估計矢量維度進行擴展。然后,采用修正的傳播算子算法先估計出時延參數(shù)。最后,通過同一的特征向量關(guān)系矩陣再計算出角度參數(shù),從而實現(xiàn)了時延和角度參數(shù)的聯(lián)合估計。該算法既無需協(xié)方差分解,也無需譜峰搜索,時延和角度參數(shù)均以閉式解獲得,且二維參數(shù)能夠自動配對。仿真結(jié)果表明,所提算法不僅顯著降低了計算復(fù)雜度,還能夠?qū)崿F(xiàn)多徑數(shù)目大于和等于陣元數(shù)目條件下的高精度參數(shù)估計。4.對于突發(fā)信號或快速運動信號,接收到的有效數(shù)據(jù)僅為單快拍或幾次快拍數(shù)據(jù)。針對單快拍、小樣本數(shù)據(jù)僅能提供有限的信息量致使協(xié)方差矩陣不滿秩,無法直接利用傳統(tǒng)超分辨方法實現(xiàn)參數(shù)估計的問題,提出一種基于信息重構(gòu)矢量矩陣束的時延與角度聯(lián)合估計算法。首先,根據(jù)各陣元上的信道頻域響應(yīng)矢量,從頻率和空間兩個維度對含有時延和角度參數(shù)信息矢量的數(shù)據(jù)進行重構(gòu)。然后,構(gòu)建擴展陣元的增強型數(shù)據(jù)矩陣,并利用二維矩陣束算法估計時延和角度的參數(shù)矢量。最后,通過參數(shù)配對實現(xiàn)了時延和角度二維參數(shù)的聯(lián)合估計。仿真結(jié)果表明,該算法參數(shù)估計精度較高,具有一定的應(yīng)用價值。5.針對小樣本、單快拍數(shù)據(jù)使得依賴于協(xié)方差矩陣的子空間類定位參數(shù)估計算法失效,利用二維矩陣束算法在角度參量和時延參量分別獲得后仍需要參數(shù)配對的問題,給出一種基于廣義逆特征值的首達徑時延與角度聯(lián)合估計算法。該算法優(yōu)先估計出最小時延參數(shù),再通過特征向量關(guān)系計算出目標信號的到達角度參數(shù),從而避免了參數(shù)配對過程,明顯降低了復(fù)雜度的同時也能獲得較好的參數(shù)估計性能。仿真結(jié)果驗證了所提算法的有效性,相對地提高了參數(shù)獲取的計算效率。
【圖文】：

三維圖,聯(lián)合估計,陣元,多徑