專利名稱：一種基于信道測量的多徑信號分量提取方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信領(lǐng)域，具體涉及一種基于信道測量的多徑信號分量提取方法及裝置。
背景技術(shù)：
無線傳播信道存在的反射體及散射體，構(gòu)成了一個多徑傳播的環(huán)境。入射電磁波經(jīng)由不同路徑從不同的方向傳播到達接收端，具有不同的傳播時延。在空間中任一點的接收端收到的信號由這些多徑信號疊加而成，它們具有隨機分布的幅度、相位和入射角度。這些多徑成分被接收端天線按向量合并，從而使接收信號產(chǎn)生衰落。信道沖激響應(yīng)包含了用于模擬和分析信道中任何類型的無線電傳播的全部信息， 因而信道沖激響應(yīng)的測量為通信系統(tǒng)的設(shè)計提供了重要的參考信息。同時，在通過信道測量了解無線信道特性的工作中，從信道測量結(jié)果中抽取信道特性參數(shù)是分析信道特性的關(guān)鍵步驟，準確的參數(shù)提取可用于建立適合的信道模型，并為傳輸技術(shù)研究、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃等提供參考和指導(dǎo)。而從信道沖激響應(yīng)中提取有效的多徑信號分量，是進一步獲得路徑損耗、時延擴展、角度擴展、空間相關(guān)性等信道特征參數(shù)的前提和基礎(chǔ)。提取多徑信號分量的準確性決定了此后獲得信道特征參數(shù)乃至整個信道模型的準確性和可靠性。多徑信號分量的提取一般通過劃定一個門限來實現(xiàn)。目前，劃定噪聲分量門限的方法有統(tǒng)計特性判決法、峰值衰減法和噪底基準法。統(tǒng)計特性判決法利用噪聲一般服從高斯分布這一特點，經(jīng)數(shù)學(xué)分析估計出噪聲門限；峰值衰減法的原理是以相關(guān)峰為基準向下衰減一個常數(shù)值來劃定門限值，這一方法在噪聲動態(tài)范圍小的情況下會引入大量噪聲，從而增大虛警概率，影響信道分析的準確性；噪底基準法先通過平均等方法對相關(guān)結(jié)果預(yù)處理計算出噪底，在此噪底基礎(chǔ)上向上取一個常數(shù)作為門限值，這種方法的性能很大程度上取決于噪底選取的準確度以及常數(shù)選擇的合理性。同時，峰值衰減法和噪底基準法在信噪比小的情況下都不具備魯棒性。同時，如圖I所示，擴頻滑動相關(guān)信道檢測器作為一種常用的多徑信道測量儀器，發(fā)射端將載頻信號與一個偽噪聲序列(PN)相乘后發(fā)射出去。在接收端，由本地產(chǎn)生與發(fā)射端相同的PN序列進行滑動相關(guān)，從而得到相應(yīng)的沖激響應(yīng)，計算模值平方可進一步得到反應(yīng)信道時間色散特性的功率延遲譜(Power Delay Profile，PDP)。由于多徑信號具有不同時延，以及PN序列尖銳的自相關(guān)性，它們在不同時刻與PN序列達到最大相關(guān)。由于實際傳播環(huán)境中，傳輸時延不一定是PN序列碼片寬度的整數(shù)倍，因此為了提高多徑搜索精度，功率延遲譜中的時延單位一般是I/a碼片(功率時延譜中相鄰樣點的時延差為1/a碼片)。在多徑時延相差較大的信道環(huán)境下，一般可以給出合理的多徑提取結(jié)果。但如果多徑時延比較接近時，此時功率延遲譜中的相關(guān)峰的離散特性將不明顯，多徑提取性能明顯下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種基于信道測量的多徑信號分量提取方法及其裝置，充分利用數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性降低對某個特定參數(shù)值的依賴性，解決了多徑時延分布過密時多徑提取性能下降的問題，同時保障了多徑信號分量提取的準確性和有效性。本發(fā)明實施例揭示的基于信道測量的多徑信號分量提取方法，包括步驟在預(yù)先設(shè)定的時間內(nèi)對測量點進行測量，得到多組沖激響應(yīng)樣本，并篩選獲得有效樣本集；采用相關(guān)徑合并法更新有效樣本集，更新后的樣本集消除了多徑信道時延分布過密時造成的提取誤差；依據(jù)功率延遲譜的負指數(shù)分布特性，對有效樣本集的數(shù)據(jù)進行分布擬合，提取有 效的多徑信號分量；利用提取出的多徑信號分量，估計路徑損耗和信道時間色散參數(shù)(平均附加時延r、均方根時延擴展O T)等相關(guān)信道參數(shù)；對抽取的信道參數(shù)可進一步做統(tǒng)計分析。本發(fā)明實施例揭示了基于信道測量的多徑信號分量提取的裝置，包括測量模塊，用于在預(yù)先設(shè)定的時間內(nèi)對信道上的測量點進行測量，采用擴頻滑動相關(guān)器信道檢測機制得到多組數(shù)據(jù)樣本；并采用有效樣本篩選機制對樣本集進行篩選，以提高整個樣本集的準確性和可靠性；多徑提取模塊，用于根據(jù)有效樣本數(shù)據(jù)合并相關(guān)候選徑，然后通過多次迭代進行分布擬合和修正過程，分離有效信號分量與噪聲分量，提取出有效多徑信號分量；參數(shù)處理模塊，用于根據(jù)得到的信道沖激響應(yīng)樣本進一步抽取時間色散參數(shù)；可選地，可以利用參數(shù)擬合子模塊將提取到的參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗按一定的分布進行擬合，得到擬合參數(shù)。本發(fā)明的上述實施例，對于任意一類信道條件，都可以使用統(tǒng)一的流程，從統(tǒng)計學(xué)的角度給出最優(yōu)多徑分量提取結(jié)果，通過分析實時數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性提取出多徑信號分量，使得算法對實測環(huán)境的信噪比具有更強的自適應(yīng)性，提高了算法的魯棒性和準確性，也使信道參數(shù)的提取更為準確。


此處所說明的附圖用以提供對本發(fā)明的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定，在附圖中圖I為擴頻滑動相關(guān)信道檢測器原理圖；圖2為本發(fā)明實施例基于信道測量的多徑信號分量提取方法的流程示意圖；圖3為本發(fā)明實施例基于信道測量的多徑信號分量提取方法多徑搜索子模塊的流程示意圖；圖4 圖8為本發(fā)明實施例的仿真圖；圖9為本發(fā)明實施例提供的用于實現(xiàn)基于信道測量的多徑信號分量提取的裝置結(jié)構(gòu)具體實施例方式為了說明的方便，特此說明下文中的mean表示取均值，{ }表示各元素構(gòu)成的集合。本發(fā)明涉及到一種迭代的估計方法，若干步驟將被重復(fù)調(diào)用，下面將結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明。如圖2為本發(fā)明實施例基于信道測量的多徑信號分量提取方法的流程示意圖，包括以下步驟步驟SOl，在信道相干時間內(nèi)，采用擴頻滑動相關(guān)檢測器對信道上的各測量點進行測量，得到多組信道沖激響應(yīng) 樣本h (t)，其中N，N為測量得到的樣本總數(shù)；步驟S02，對測量得到的所有樣本進行有效樣本選取，具體為首先由沖激響應(yīng)樣本Iii (t)得到功率延遲譜，同時為了后續(xù)處理方便，對功率延遲譜進行對數(shù)變換，記為Pi (t) = IOlog10 Ih1U) |2(dB),其I Si SN以Pi中的最強峰值為基準，優(yōu)選的，選擇一個15dB的動態(tài)范圍，若在此動態(tài)范圍內(nèi)P1 (t)存在除最強峰值以外的其它峰值，則將認定此樣本為有效樣本，以供后續(xù)的數(shù)據(jù)處理；最后，經(jīng)過篩選后得到有效樣本集(P1, P2,，其中M為有效樣本總數(shù)。步驟S03,計算初始能量差門限delta_0,具體方法是優(yōu)選的，將經(jīng)過步驟S02篩選出來的有效樣本Pm中包含的采樣點均分為10段，記為Pm k，計算并比較10段數(shù)據(jù)的均值，取均值的最小值作為噪底T，記為T = min {mean {Pm,J …mean {Pm, J …mean {Pm,1(l}},其中 I < k < 10將有效樣本Pm中小于T的米樣點視為純凈噪聲的樣本值n,將噪聲樣本值n從大到小降序排列In⑴，n⑵，n (3)…},計算均值mean {n⑵_n⑴，n (3) _n⑵，n (4) -n (3)…}，此均值即為初始化能量差門限delta_0，記為delta_0 = mean {n (i+1) _n (i)},其中 i = 1,2, 3...步驟S04，合并相關(guān)候選徑；一個碼片包含a個具有一定相關(guān)性的采樣點，即相關(guān)候選徑，通過以下方法對這些相關(guān)候選徑合并根據(jù)實測，雖然功率延遲譜中功率的大小與時延大小之間有時會存在一些偏差，但在統(tǒng)計意義上，功率延遲譜服從負指數(shù)分布，線性變換后則服從線性分布，記為P(t) = a T +b對T門限以上的采樣點，取一個碼片中包含的a個采樣點對應(yīng)的時延和功率分別作為直線的橫縱坐標進行擬合，得到擬合曲線方程y = kx+b'。設(shè)這a個采樣點對應(yīng)的時延起點為h終點為t2,以kl^+t^/^+b'作為這a個采樣點合并后的功率值,取a個采樣點中功率值與kai+tJ/2+b'差值最小的采樣點的時延作為合并后的時延。如此則消除了相關(guān)徑對最終結(jié)果的影響。最后根據(jù)合并后的結(jié)果更新有效樣本集。 步驟S05，根據(jù)步驟S03計算得到的初始化能量差deltaj)對每個有效樣本搜索多徑，S05的詳細流程圖參見圖3，具體方式是將有效樣本Pni中包含的采樣點按幅值大小降序排列成(Pni(I) ,Pni (2) ,P111OW，如步驟S04分別計算排序后相鄰兩采樣點的差值{Pffl (2) -Pffl(I)，Pffl (3) -Pffl (2)，Pffl(4) -Pffl (3)…}，將每次計算得到的差值與delta_0比較，若小于或等于delta_0，則停止搜索，并將滿足條件的采樣點對應(yīng)的相對時延T與功率信息Pm(T)記錄下來，否則繼續(xù)搜索；對有效樣本集(P1, P2, PfPfPJ搜索完畢后，得到多徑時延集{ T ml}及對應(yīng)的功率集{Pm( T ml)}，其中I彡I彡Lm，Lm為第m個有效樣本搜索得到的多徑數(shù)目，T ml表示第m個有效樣本搜索得到的第I徑時延，Pm(Tml)表示第m個有效樣本中時延集{ T ml}對應(yīng)的功率值。步驟S06，將步驟S05搜索得到的時延{ x ml}和功率{Pm( x ml)}進一步整合后進行線性擬合，具體過程如下將時延集{ Tj中相等的時延合并之后降序排列，統(tǒng)計分析同一時延值在所有有效樣本中出現(xiàn)的百分比，優(yōu)選地，當(dāng)百分比小于10%時，將此時延值剔除，最后得到新的時延集{>'」}，1彡j彡J，J是合并后時延集包含的時延個數(shù)。同時根據(jù)新的時延集{> ' j}同步更新匕卜一^得到妒'i)，P' j(x ^ J…p' j(T ^』.)}，其中P' j(x ^ j)=mean (P1 ( x ' j), P2 ( x ' +..PmO' j)…PmO' j) }, Pm( t ' j)表示第 m 個有效樣本中時延等于T ' j時相應(yīng)的功率值；根據(jù)步驟S04中對功率延遲譜統(tǒng)計特性的分析，利用功率延遲譜服從線性分布進行分布擬合，將{>'」}與{P' Jt' LP' j(t ^」)…P' j(t ^」)}分別作為T和P ( T )，按照P ( T ) = a T +b進行線性擬合后求得參數(shù)a和b。步驟S07，利用步驟S06得到的擬合結(jié)果可為第二次的多徑搜索過程劃定一個搜索窗和修正能量差門限，從而加速多徑信號分量門限估計的收斂速度和提高準確度。搜索窗的寬度可以通過將T代入擬合得到的方程得到，即 T = atau_l+b, tau_l = (T_b)/atau_l即為搜索窗的寬度；為了得到修正的能量差門限，令Pm(T，j) =0，即將有效樣本Pm中時延等于' j}的采樣點的功率置零，此操作的意義在于認為各有效樣本中在時延{> ' j}處包含有效的多徑分量，對這些點置零后有效樣本中剩余的采樣點均可視為純凈噪聲的樣本值n'，同步驟S03，將n'降序排列為{V (I)，n ' (2)，n ' (3)…}，計算mean In' (2)-n/ (I), n/ (3)-n/ (2), n/ (4) -n' (3)…,此均值即為修正后的能量差門限delta_l,記為delta_l = mean(n/ (i+1) -n/ (i)},其中 i = I, 2, 3...步驟S08，如圖2所示，啟動迭代搜索擬合過程，主要包括多徑搜索、線性擬合、收斂判斷、門限修正。其中多徑搜索的過程與步驟S05類似，其區(qū)別在于每次將用修正后的能量差門限delta_p替換上一次的門限值delta_(p_l) (p = I，2，3…表示迭代的次數(shù))，同時，每次多徑搜索的范圍限定在以排序后的第一個采樣點為起點的搜索窗內(nèi)，修正的能量差門限delta_p與搜索窗寬度tau_p都通過步驟S07所示的過程得到；每次迭代擬合得到的參數(shù)將與上一次擬合的參數(shù)進行比較，當(dāng)前后兩次擬合參數(shù)的差值一個很小的范圍內(nèi)時，認為算法已經(jīng)達到收斂，跳出迭代過程，否則繼續(xù)按多徑搜索、線性擬合、收斂判斷、門限修正的順序迭代。最后將達到收斂的最后一次迭代的擬合結(jié)果作為最終的多徑分離結(jié)果保存。通過上述步驟提取的多徑信號分量并非傳統(tǒng)地劃定一個門限值，而是根據(jù)功率延遲譜服從負指數(shù)分布、線性變換后服從線性分布的統(tǒng)計特性，對不符合這一統(tǒng)計特性的分量進行了刪除。步驟S09，根據(jù)上述方法分離出多徑信號分量后，可根據(jù)公式(I)至公式(3)進一步提取信道時間色散參 數(shù)(平均附加時延F、均方根時延擴展O T):
TXTIc XP(r*)r*F=氣=氣-式(I)
Z * Zp(r*)
A=IA=I^ -(疔式⑵
—Z 尸(r*)r*2其中r2=氣^ =氣-式⑶
K JjPirk)
A=IA=I可選的，完成多徑分離后，步驟S10，在樣本量足夠的情況下，可以利用時延參數(shù)的統(tǒng)計特性對步驟S09中提取的各參數(shù)進行分布擬合，擬合的結(jié)果可用于建立信道模型和對信道特性的評估。圖4 圖8為本發(fā)明實施例的仿真圖，其中，圖4 圖6為不同信噪比下單次的仿真結(jié)果，單獨分析圖4 圖6可見，在信噪比一定的情況下，隨著迭代次數(shù)的增加，擬合的效果逐漸逼近真實的信道，多徑分量提取也愈加準確。再對比圖4 圖6可見，隨著信噪比的增加，單次迭代以更快的速度逼近真實的信道，擬合效果逐漸得到提升。圖7和圖8是從斜率和截距兩個方面進一步比較不同信噪比和迭代次數(shù)之間的擬合效果，由圖可見，隨著信噪比和迭代次數(shù)的增加，擬合結(jié)果逐漸逼近真實信道，最終能達到很好的逼近效果。即使在低信噪比的情況下，擬合效果和迭代收斂也都比較理想?；谝陨戏抡娣治觯景l(fā)明的多徑分量提取方法在低信噪比的情況下具有很好的魯棒性，實現(xiàn)了多徑分量的準確提取。
權(quán)利要求
1.一種基于信道測量的多徑信號分量提取方法，其特征在于，包含以下步驟 在預(yù)先設(shè)定的時間內(nèi)對測量點進行測量，對測量數(shù)據(jù)進行處理后得到多組沖激響應(yīng)樣本，并篩選獲得有效樣本集； 采用相關(guān)徑合并法更新有效樣本集，合并相關(guān)徑后能有效減小多徑信道時延分布過密時造成的多徑提取誤差； 依據(jù)功率延遲譜的負指數(shù)分布特性，對有效樣本集的數(shù)據(jù)進行分布擬合，提取有效的多徑信號分量； 利用提取出的多徑信號分量，估計路徑損耗和信道時間色散參數(shù)(平均附加時延F、RMS時延擴展σ τ)等相關(guān)信道參數(shù)； 對抽取的信道參數(shù)做統(tǒng)計分析。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述的信道測量采用的擴頻滑動相關(guān)法先對接收信號進行采樣存儲，將存儲的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到預(yù)先搭建好的數(shù)據(jù)處理平臺進行滑動相關(guān)算法，得到信道沖激響應(yīng)樣本。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述的有效樣本集的獲取需要先通過分段搜索確定噪底，在此噪底基礎(chǔ)上選取動態(tài)范圍進行有效樣本的篩選，從而得到有效樣本集。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述的相關(guān)徑合并與多徑信號分量提取均基于功率延遲譜服從負指數(shù)分布、線性變換后服從線性分布的統(tǒng)計特性。
相關(guān)徑合并法通過線性擬合，將單個碼片中的相關(guān)候選徑合并成一徑；多徑信號分量提取并非傳統(tǒng)的劃定一個噪聲門限值，而是根據(jù)功率延遲譜的統(tǒng)計特性，刪除不符合統(tǒng)計特性的多徑信號分量。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，多徑信號分量的提取進一步包含以下操作內(nèi)容 將噪底以下的純凈噪聲排序后計算所有相鄰兩采樣點之間的能量差值，這些差值代表了噪聲的變化，相對于有效的多徑分量，噪聲采樣點之間的變化相對平穩(wěn)，因此把這些差值的均值作為初始化能量差門限delta_(ρ-l)(初始化ρ = I)，對排序后的有效樣本進行多徑搜索。
根據(jù)功率延遲譜服從負指數(shù)分布，信號功率隨著時延增大而遞減的規(guī)律，依次計算排序后相鄰兩徑的功率差，當(dāng)此差值與deltaj)相當(dāng)時，可認為已經(jīng)搜索到噪聲區(qū)域，停止多徑搜索。
再次利用功率延遲譜的統(tǒng)計分布特性，對搜索得到的多徑進行分布擬合，得到擬合方程的參數(shù)。利用這個參數(shù)劃定一個搜索窗，重新啟動多徑搜索，但多徑搜索將限定在這個搜索窗范圍內(nèi)，同時修正delta_(ρ-l)得到一個新的能量差門限delta_p作為后續(xù)搜索多徑的門限值。多徑搜索按以上操作迭代下去，直至前后兩次迭代的擬合方程的差距在一定范圍內(nèi)，則停止迭代搜索。
6.一種基于信道測量的多徑信號分量提取裝置，其特征在于，包括 測量模塊，用于在預(yù)先設(shè)定的時間內(nèi)對信道上的測量點進行測量，采用擴頻滑動相關(guān)器信道檢測機制得到多組數(shù)據(jù)樣本；并采用有效樣本篩選機制對樣本集進行篩選，以提高整個樣本集的準確性和可靠性；多徑提取模塊，用于根據(jù)有效樣本數(shù)據(jù)合并相關(guān)候選徑，然后通過多次迭代進行分布擬合和修正，分離有效信號分量與噪聲分量，提取出有效多徑信號分量； 參數(shù)處理模塊，用于根據(jù)得到的信道沖激響應(yīng)樣本進一步抽取路徑損耗和時間色散參數(shù)；可選地，可以利用參數(shù)擬合子模塊將提取到的參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗按一定的分布進行擬合，得到擬合參數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述，其特征在于，所述測量模塊包括滑動相關(guān)模塊、提取功率延遲譜模塊、有效樣本篩選模塊。其中滑動相關(guān)模塊能提供的多徑分辨率為發(fā)送PN序列的碼片覽度。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述，其特征在于，多徑提取模塊包含以下子模塊初始能量差門限計算子模塊、合并相關(guān)徑子模塊、搜索子模塊、擬合子模塊、修正子模塊； 初始能量差門限計算子模塊，用于計算噪聲差值的均值以求得初始能量差門限； 合并相關(guān)徑子模塊，用于將一個碼片中的相關(guān)候選徑通過擬合處理合并為一徑； 擬合子模塊，用于各操作環(huán)節(jié)中所需的線性擬合操作； 修正子模塊，用于根據(jù)上一次的擬合結(jié)果輸出一個修正的能量差門限，修正的能量差門限用于搜索子模塊進行新一輪的多徑搜索。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述，其特征在于，為了分離出最后的有效多徑分量，采用迭代算法的過程中多徑提取模塊中的各個子模塊多次被調(diào)用。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述，其特征在于，參數(shù)處理模塊包括以下子模塊參數(shù)計算子模塊和參數(shù)擬合子模塊。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于信道測量的多徑信號分量提取方法及裝置，該方法包括(1)在預(yù)先設(shè)定的時間內(nèi)對測量點進行測量，對測量數(shù)據(jù)進行處理后得到多組沖激響應(yīng)樣本，并篩選獲得有效樣本集；(2)采用相關(guān)徑合并法更新有效樣本集；(3)依據(jù)功率延遲譜的負指數(shù)分布特性，對有效樣本集的數(shù)據(jù)進行分布擬合，刪除不符合統(tǒng)計特性的分量，進而提取出有效的多徑信號分量；利用提取出的多徑信號分量，估計路徑損耗和信道時間色散參數(shù)；(4)對抽取的信道參數(shù)可進一步做統(tǒng)計分析。本發(fā)明充分利用了數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性，能夠更準確地提取多徑信號分量，提高了信道參數(shù)提取的有效性和準確性。
文檔編號H04B1/711GK102638290SQ201210068809
公開日2012年8月15日 申請日期2012年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月15日
發(fā)明者于得水, 華堯, 周攀峰, 張殿寶, 張皎, 徐春秀, 武穆清, 王婷婷, 祁利濤, 胡騫, 葛淑云, 賀媛, 賈貴源, 趙敏, 邸士萍, 鄒鵬, 鄭倩倩, 郭嵩, 郭起霖 申請人:北京郵電大學(xué)