專(zhuān)利名稱(chēng)：信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)，它以認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)為背景，利用智能天線(xiàn)，對(duì)天線(xiàn)接收信號(hào)的波達(dá)方向進(jìn)行估計(jì)，從而可以為安全服務(wù)、商業(yè)服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)管理及與位置有關(guān)的信息服務(wù)提供技術(shù)依據(jù)。

背景技術(shù)：
近年來(lái)隨著移動(dòng)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中定位技術(shù)得到普遍的應(yīng)用。定位技術(shù)可以應(yīng)用于安全服務(wù)、商業(yè)服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)管理及與位置有關(guān)的信息服務(wù)。例如定位業(yè)務(wù)可用于地震、戰(zhàn)場(chǎng)等情況下的人員營(yíng)救，也可用于城市的交通導(dǎo)航、目標(biāo)跟蹤等領(lǐng)域。
根據(jù)不同的位置業(yè)務(wù)對(duì)定位精度的需求，定位系統(tǒng)的實(shí)施方案分為基于終端、基于網(wǎng)絡(luò)，以及兩者混合等三種不同的方案?；谝苿?dòng)終端(如手機(jī))的定位系統(tǒng)又稱(chēng)移動(dòng)臺(tái)自主定位系統(tǒng)，以GPS輔助定位等為代表。GPS定位利用的是衛(wèi)星信號(hào)，在室內(nèi)、地下室、隧道、地鐵等條件下定位效果不好。而基于網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線(xiàn)定位系統(tǒng)利用現(xiàn)有的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)端測(cè)試移動(dòng)臺(tái)發(fā)生的信號(hào)并估算信號(hào)的各種參數(shù)，如波達(dá)方向參數(shù)、到達(dá)時(shí)間和時(shí)間差參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)對(duì)目標(biāo)位置進(jìn)行估算。這類(lèi)方法的實(shí)施耗資少、見(jiàn)效快，是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中定位方法的主流。
其中根據(jù)信號(hào)的波達(dá)方向進(jìn)行定位的方法，利用信號(hào)在空間各個(gè)方向上的能量分布，對(duì)空間不同來(lái)向的信號(hào)進(jìn)行分辨。估計(jì)信號(hào)波達(dá)方向的傳統(tǒng)經(jīng)典方法包括多重信號(hào)分類(lèi)和旋轉(zhuǎn)不變子空間等方法。當(dāng)空間中的信號(hào)由于多條路徑傳播，以不同的時(shí)間延遲到達(dá)天線(xiàn)時(shí)，信號(hào)間產(chǎn)生相關(guān)性，導(dǎo)致上述方法不能有效估計(jì)信號(hào)的波達(dá)方向。傳統(tǒng)的空間協(xié)方差差分方法從最初只能估計(jì)信號(hào)的波達(dá)方向，到能估計(jì)相干信號(hào)的發(fā)展，都存在兩個(gè)重要缺點(diǎn)，一是要求天線(xiàn)陣元數(shù)M必須大于入射信號(hào)數(shù)q的兩倍，即M＞2q，二是在±θ處都形成譜峰，其中θ為信號(hào)的真實(shí)波達(dá)角。由于上面兩個(gè)缺點(diǎn)，導(dǎo)致傳統(tǒng)的方法在實(shí)際應(yīng)用中代價(jià)增加。


發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的是提供一種信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)方法，該方法可以有效解除信號(hào)間的相關(guān)性，從而能夠精確估計(jì)到達(dá)天線(xiàn)信號(hào)的波達(dá)方向，并且能夠在有限天線(xiàn)傳感器數(shù)目下，估計(jì)更多的信號(hào)數(shù)目。
技術(shù)方案本發(fā)明旨在利用一種新的空間協(xié)方差差分方法，估計(jì)信號(hào)的波達(dá)方向，當(dāng)信號(hào)相干時(shí)，解除由于多徑等因素影響導(dǎo)致信號(hào)的相關(guān)性。本發(fā)明利用虛數(shù)j使傳統(tǒng)的方法性能得到提高，這里本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在三個(gè)方面一是陣元數(shù)M和入射信號(hào)數(shù)q滿(mǎn)足M＞q，二是只在信號(hào)波達(dá)角θ處形成譜峰，三是能夠消除噪聲影響，與空間平滑技術(shù)結(jié)合能估計(jì)相干信號(hào)的波達(dá)角。
本發(fā)明能夠解決色噪聲背景下信號(hào)的波達(dá)方向估計(jì)問(wèn)題，當(dāng)信號(hào)由于多徑等因素影響產(chǎn)生相干時(shí)，與空間平滑技術(shù)結(jié)合可以解除這種相關(guān)性，因此該發(fā)明也能估計(jì)相干信號(hào)的波達(dá)方向。
本發(fā)明的信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)方法利用空間協(xié)方差差分方法，估計(jì)信號(hào)的波達(dá)方向，當(dāng)信號(hào)相干時(shí)，解除由于多徑等因素影響導(dǎo)致信號(hào)的相關(guān)性，體現(xiàn)在三個(gè)方面一是陣元數(shù)M和入射信號(hào)數(shù)q滿(mǎn)足M＞q，二是只在信號(hào)波達(dá)角θ處形成譜峰，三是能夠消除噪聲影響，與空間平滑技術(shù)結(jié)合能估計(jì)相干信號(hào)的波達(dá)角； 該方法的具體步驟為 1.)根據(jù)天線(xiàn)陣列接收數(shù)據(jù)向量X(t)，按照式構(gòu)造數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣RX，其中N為數(shù)據(jù)快拍長(zhǎng)度，n為離散時(shí)間點(diǎn)，OH表示共軛轉(zhuǎn)置，X(n)為n時(shí)刻的接收數(shù)據(jù)， 2.)當(dāng)信號(hào)不相干時(shí)，為消除背景噪聲的影響，取協(xié)方差差分矩陣ΔRX為當(dāng)信號(hào)相干時(shí)，對(duì)于前向空間平滑協(xié)方差矩陣Rf，構(gòu)造新的協(xié)方差差分矩陣其中J為轉(zhuǎn)置矩陣，()*表示共軛運(yùn)算，ΔRXf稱(chēng)為Rf的協(xié)方差差分矩陣， 3.)對(duì)協(xié)方差差分矩陣ΔRX進(jìn)行特征分解，其中M個(gè)特征向量u1，u2，L，uM構(gòu)成矩陣U＝[u1，u2，L，uM]，以M個(gè)特征值λ1，λ2，L，λM為對(duì)角線(xiàn)元素，其余元素為零構(gòu)成對(duì)角矩陣∑＝diag(λ1，λ2，L，λM)，diag(·)表示以圓括號(hào)內(nèi)的元素為對(duì)角線(xiàn)值，其它元素為零的對(duì)角矩陣， 4.)將協(xié)方差差分矩陣的特征值按照降序排列，q個(gè)大特征值u1，u2，L，uq所對(duì)應(yīng)的特征向量構(gòu)成信號(hào)子空間的信號(hào)向量矩陣US＝[u1，u2，L，uq]；而M-q個(gè)小特征值uq+1，uq+2，L，uM對(duì)應(yīng)的特征向量則構(gòu)成噪聲子空間，即噪聲向量矩陣UN＝[uq+1，uq+2，L，uM]， 5.)把噪聲向量矩陣UN以及信號(hào)的導(dǎo)引向量a(θ)＝[1，e-j2πd(sinθ)/λ，L，e-j2πd(M-1)(sinθ)/λ]T代入這里，M為陣元數(shù)，λ為載波波長(zhǎng)，d為陣元間隔，P(θ)稱(chēng)為功率譜，當(dāng)θ從0到180度取不同的值時(shí)，求出不同的功率譜值，其中必然有與信號(hào)數(shù)目相等的q個(gè)極大值，這q個(gè)極大值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)就是所有q個(gè)信號(hào)的波達(dá)角度。
有益效果本發(fā)明提出一種協(xié)方差差分方法，該方法能夠估計(jì)色噪聲背景下信號(hào)的波達(dá)方向，即假設(shè)未知色噪聲協(xié)方差矩陣具有對(duì)稱(chēng)的Toeplitz矩陣特性，根據(jù)這一特性，通過(guò)構(gòu)造兩個(gè)協(xié)方差矩陣的差值，從而消除色噪聲對(duì)信號(hào)波達(dá)角估計(jì)的影響。引進(jìn)虛數(shù)j使得該方法相對(duì)于傳統(tǒng)的方法，能夠大大減少天線(xiàn)陣元數(shù)，而且只在信號(hào)真實(shí)波達(dá)方向θ處形成波峰。該發(fā)明在實(shí)際應(yīng)用中能夠大大降低成本。



圖1給出均勻線(xiàn)陣接收信號(hào)模型； 圖2給出本發(fā)明實(shí)施流程圖。

具體實(shí)施例方式 對(duì)于未知色噪聲背景，我們假設(shè)噪聲協(xié)方差矩陣具有對(duì)稱(chēng)的Toeplitz矩陣性質(zhì)。天線(xiàn)陣列為均勻直線(xiàn)陣，每個(gè)陣元都是全向天線(xiàn)，陣元數(shù)為M，陣元間隔為d。假設(shè)q個(gè)窄帶遠(yuǎn)場(chǎng)非相干信號(hào)分別從方向θi，i＝1，L，q，入射到天線(xiàn)陣。
則在時(shí)刻t陣列接收數(shù)據(jù)向量可表示為 X(t)＝AS(t)+n(t) 其中X(t)＝[x1(t)，L，xM(t)]T為接收數(shù)據(jù)向量，A＝[a(θ1)，L，a(θq)]為M×q維方向矩陣，a(θ)＝[1，e-j2πd(sinθ)/λ，L，e-j2πd(M-1)(sinθ)/λ]T為對(duì)應(yīng)于入射角θ的導(dǎo)引向量，λ為信號(hào)波長(zhǎng)，S(t)＝[s1(t)，L，Sq(t)]T為q×1維信號(hào)向量，n(t)＝[n1(t)，L nM(t)]T為M×1維噪聲向量，()T表示轉(zhuǎn)置運(yùn)算。這里假設(shè)信號(hào)與陣元噪聲統(tǒng)計(jì)獨(dú)立。
假定xi(t)為零均值隨機(jī)過(guò)程，構(gòu)造陣列協(xié)方差矩陣為 RX＝E{X(t)XH(t)}＝ARSAH+Q 其中上標(biāo)號(hào)“H”表示矩陣共軛轉(zhuǎn)置，RS＝E{S(t)SH(t)}為q×q維信號(hào)協(xié)方差矩陣，Q為M×M維噪聲協(xié)方差矩陣。根據(jù)上述假設(shè)條件可知，矩陣RS滿(mǎn)秩，而矩陣Q具有對(duì)稱(chēng)Toeplitz性質(zhì)。
為敘述方便，引入下面三個(gè)定理 定理1矩陣C稱(chēng)為中央Hermitian矩陣，如果C滿(mǎn)足下面條件 C＝JC*J，其中J為置換矩陣，定義為 定理2如果C是對(duì)稱(chēng)Toeplitz矩陣，那么CH，CT和JCJ也是對(duì)稱(chēng)Toeplitz矩陣。
定理3如果n×n階矩陣C為中央Hermitian矩陣，則其相應(yīng)元素滿(mǎn)足 通信環(huán)境中由于噪聲的存在，使得對(duì)信號(hào)波達(dá)方向的估計(jì)受到嚴(yán)重影響。已有的協(xié)方差差分方法利用噪聲協(xié)方差矩陣Q的結(jié)構(gòu)先驗(yàn)知識(shí)，采用一種合理的方式變換陣列協(xié)方差矩陣RX，在這個(gè)變換中，噪聲部分不變，而信號(hào)部分得到變化。通過(guò)變換前后的協(xié)方差矩陣作差，去除噪聲的影響，從而得到新的協(xié)方差矩陣。傳統(tǒng)協(xié)方差差分方法去除噪聲的同時(shí)，卻帶來(lái)了兩個(gè)大的缺點(diǎn)，一是陣元數(shù)M和信號(hào)數(shù)q必須滿(mǎn)足M＞2q，二是在±θ處形成對(duì)稱(chēng)的譜峰。這兩個(gè)缺點(diǎn)導(dǎo)致傳統(tǒng)方法在實(shí)際應(yīng)用中遇到很大的麻煩，應(yīng)用代價(jià)大增。為此我們提出新的協(xié)方差差分方法. 為了消除噪聲的影響，傳統(tǒng)協(xié)方差差分法構(gòu)造了下面的方法 ΔRX＝RX-JRXJ 這種方法構(gòu)造的協(xié)方差矩陣是負(fù)反對(duì)稱(chēng)矩陣，此矩陣特點(diǎn)是特征值總是正負(fù)成對(duì)出現(xiàn)，結(jié)果導(dǎo)致上述的缺點(diǎn)，為了解決上面的缺點(diǎn)，我們發(fā)明了如下新方法，令新的協(xié)方差差分矩陣為 這里j的引入使得ΔRX變?yōu)橹醒際ermitian矩陣，使得新構(gòu)造的協(xié)方差矩陣不再如傳統(tǒng)反對(duì)稱(chēng)矩陣特征值正負(fù)出現(xiàn)，因此本方法估計(jì)的信號(hào)功率譜只有q個(gè)譜峰，即只在真實(shí)的信號(hào)入射方向θi處形成譜峰。同時(shí)，新方法要求陣元數(shù)M和信號(hào)數(shù)q滿(mǎn)足M＞q即可。簡(jiǎn)化后可得 上面的方法只適合信號(hào)不高度相關(guān)或者不相干的情況，當(dāng)信號(hào)由于多徑等因素相干時(shí)，傳統(tǒng)方法失效，我們利用前向空間平滑技術(shù)的思想和本方法相結(jié)合，產(chǎn)生適合相干條件下的波達(dá)方向估計(jì)問(wèn)題，亦即令 其中Rf為前向平均空間平滑協(xié)方差矩陣。代入并簡(jiǎn)化方程得 從上面兩種新方法可以看出，噪聲部分經(jīng)過(guò)差分后已完全從新構(gòu)造的協(xié)方差中消除，從而可以消除噪聲對(duì)信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)的影響。
最后對(duì)構(gòu)造的新協(xié)方差矩陣ΔRX或ΔRXf，進(jìn)行特征值分解，可得q個(gè)非零特征值和M-q個(gè)零特征值，其中對(duì)應(yīng)于M-q零特征值的特征向量張成噪聲子空間，構(gòu)造如下功率譜譜估計(jì)公式 其中Un＝[u1，L，uM-q]，u1，L，uM-q為噪聲子空間的特征向量。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
1.)根據(jù)天線(xiàn)陣列接收數(shù)據(jù)向量X(t)得到數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣RX 2.)為消除噪聲的影響，當(dāng)信號(hào)不相干時(shí)，構(gòu)造新的協(xié)方差差分矩陣當(dāng)信號(hào)相干時(shí)，構(gòu)造協(xié)方差差分矩陣 3.)對(duì)ΔRX進(jìn)行特征分解， 4.)確定信號(hào)子空間US與噪聲子空間UN， 5.)根據(jù)噪聲子空間UN，求出功率譜 6.)當(dāng)θ從0到180度取不同的值時(shí)，求出不同的功率譜值，q個(gè)極大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)就是q個(gè)信號(hào)的入射方向。
權(quán)利要求
1.一種信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)方法，其特征在于該方法利用空間協(xié)方差差分方法，估計(jì)信號(hào)的波達(dá)方向，當(dāng)信號(hào)相干時(shí)，解除由于多徑等因素影響導(dǎo)致信號(hào)的相關(guān)性，體現(xiàn)在三個(gè)方面一是陣元數(shù)M和入射信號(hào)數(shù)q滿(mǎn)足M＞q，二是只在信號(hào)波達(dá)角θ處形成譜峰，三是能夠消除噪聲影響，與空間平滑技術(shù)結(jié)合能估計(jì)相干信號(hào)的波達(dá)角；
該方法的具體步驟為
1.)根據(jù)天線(xiàn)陣列接收數(shù)據(jù)向量X(t)，按照式構(gòu)造數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣RX，其中N為數(shù)據(jù)快拍長(zhǎng)度，n為離散時(shí)間點(diǎn)，H表示共軛轉(zhuǎn)置，X(n)為n時(shí)刻的接收數(shù)據(jù)，
2.)當(dāng)信號(hào)不相干時(shí)，為消除背景噪聲的影響，取協(xié)方差差分矩陣ΔRX為當(dāng)信號(hào)相干時(shí)，對(duì)于前向空間平滑協(xié)方差矩陣Rf，構(gòu)造新的協(xié)方差差分矩陣其中J為轉(zhuǎn)置矩陣，()*表示共軛運(yùn)算，ΔRXf稱(chēng)為Rf的協(xié)方差差分矩陣，
3.)對(duì)協(xié)方差差分矩陣ΔRX進(jìn)行特征分解，其中M個(gè)特征向量u1，u2，L，uM構(gòu)成矩陣U＝[u1，u2，L，uM]，以M個(gè)特征值λ1，λ2，L，λM為對(duì)角線(xiàn)元素，其余元素為零構(gòu)成對(duì)角矩陣∑＝diag(λ1，λ2，L，λM)，diag(·)表示以圓括號(hào)內(nèi)的元素為對(duì)角線(xiàn)值，其它元素為零的對(duì)角矩陣，
4.)將協(xié)方差差分矩陣的特征值按照降序排列，q個(gè)大特征值u1，u2，L，uq所對(duì)應(yīng)的特征向量構(gòu)成信號(hào)子空間的信號(hào)向量矩陣US＝[u1，u2，L，uq]；而M-q個(gè)小特征值uq+1，uq+2，L，uM對(duì)應(yīng)的特征向量則構(gòu)成噪聲子空間，即噪聲向量矩陣UN＝[uq+1，uq+2，L，uM]，
5.)把噪聲向量矩陣UN以及信號(hào)的導(dǎo)引向量
a(θ)＝[1，e-j2πd(sinθ)/λ，L，e-j2πd(M-1)(sinθ)/λ]T代入
這里，M為陣元數(shù)，λ為載波波長(zhǎng)，d為陣元間隔，()T表示轉(zhuǎn)置運(yùn)算，P(θ)稱(chēng)為功率譜，當(dāng)θ從0到180度取不同的值時(shí)，求出不同的功率譜值，其中必然有與信號(hào)數(shù)目相等的q個(gè)極大值，這q個(gè)極大值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)就是所有q個(gè)信號(hào)的波達(dá)角度。
全文摘要
本發(fā)明提出一種信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)方法，該方法假設(shè)未知噪聲協(xié)方差矩陣具有對(duì)稱(chēng)的Toeplitz矩陣特性，根據(jù)傳統(tǒng)的協(xié)方差矩陣差分思想，引進(jìn)虛數(shù)j使得新構(gòu)造的協(xié)方差矩陣變?yōu)橹醒際ermitian矩陣，從而使其特征分解能夠得到與入射信號(hào)數(shù)相同的波達(dá)方向。本發(fā)明大大減少了估計(jì)信號(hào)來(lái)波方向所必需的天線(xiàn)陣元個(gè)數(shù)，并且只在信號(hào)真實(shí)的波達(dá)方向處形成波峰。該發(fā)明在實(shí)際應(yīng)用中能夠極大地降低成本。
文檔編號(hào)H04Q7/38GK101325807SQ20081002265
公開(kāi)日2008年12月17日 申請(qǐng)日期2008年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月24日
發(fā)明者艷 郭, 寧 李, 劉學(xué)亮, 王金龍 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)