本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種多級搜索SAGE方法。

背景技術(shù)：

信道模型是通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究的基礎(chǔ)。為了建立有效的信道模型，需要從信道測量數(shù)據(jù)中提取準(zhǔn)確描述信道特性的信道參數(shù)，因此，研究低計(jì)算復(fù)雜度的信道參數(shù)估計(jì)方法具有一定的意義。B.H.Fleury等人提出的空間選擇性廣義期望最大化算法SAGE(Space-Alternating Generalized Expectation-MaximizationAlgorithm)算法得到了廣泛的應(yīng)用，SAGE能聯(lián)合估計(jì)多徑的相對時(shí)延、入射方位角、多普勒頻率、復(fù)幅度的參數(shù)，而傳統(tǒng)SAGE算法由于M步中采用恒定的搜索步長從而使得該方其運(yùn)算量有待降低(B.H.Fleury,M.Tschudin,R.Heddergott.D.Dahlhaus,and K.L.Pedersen,Channel parameter estimation in mobile radio environments using the SAGE algorithm,IEEE Journal on Selected Areas in Communications,vol.17,no.3,pp.434-450,Mar.1999)。

綜上所述，傳統(tǒng)SAGE算法M步中采用恒定的搜索步長使得其運(yùn)算量較高，操作復(fù)雜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種多級搜索SAGE方法。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種多級搜索SAGE方法，所述多級搜索SAGE方法采用重新估計(jì)第l條波的參數(shù)時(shí)，在入射方位角、多普勒頻率的重新估計(jì)中采用逐級減小搜索步長進(jìn)行多級深度搜索，具體包括：

(1)在SAGE算法重新估計(jì)第l條入射波參數(shù)的迭代中，在M步中，先進(jìn)行時(shí)延的估計(jì)，即：

(2)重新估計(jì)第l條入射波方位角φ_l時(shí)，先采用第1級搜索步長Δφ₁在入射方位角搜索范圍內(nèi)搜索|z|的最大值，得到φ_l的第1級重新估計(jì)即：

(3)在附近以更小的第2級搜索步長Δφ₂搜索|z|的最大值，得到φ_l的第2級重新估計(jì)即：

(4)重新估計(jì)第l條入射波多普勒頻率ν_l時(shí)，先采用第1級搜索步長Δν₁在多普勒頻率搜索范圍內(nèi)搜索|z|的最大值，得到ν_l的第1級重新估計(jì)即：

(5)在附近以更小的第2級搜索步長Δν₂搜索|z|的最大值，得到ν_l的第2級重新估計(jì)即：

記

(6)計(jì)算第l條入射波復(fù)幅度的重新估計(jì)，即：

其中：

D_i表示第i個(gè)觀測窗口，I是觀測窗口數(shù)，τ、φ、ν分別表示時(shí)延、入射方位角、多普勒頻率，表示θ＝[θ₁,...,θ_L]的先前的估計(jì)，分別表示第l條波的時(shí)延、入射方位角、多普勒頻率、復(fù)幅度的重新估計(jì)，U₁是入射方位角搜索范圍內(nèi)包含的一個(gè)小的范圍，U₂是多普勒頻率搜索范圍內(nèi)包含的一個(gè)小的范圍，P_u是u(t)的功率，c(φ)是陣列的導(dǎo)向矢量，是相應(yīng)于第l條波的完全數(shù)據(jù)X_l(t)的估計(jì)；用去更新并相應(yīng)地更新進(jìn)一步，所述重新估計(jì)第l條波的參數(shù)時(shí)，在入射方位角、多普勒頻率的重新估計(jì)中采用逐級減小搜索步長的思路進(jìn)行多級深度搜索之前需要：計(jì)算相應(yīng)于第l條波的完全數(shù)據(jù)的估計(jì)。

進(jìn)一步，所述第l條波參數(shù)的迭代中，給定接收信號在觀測窗口D₀上的一個(gè)觀測Y(t)＝y(tǒng)(t)，先經(jīng)過E步，得到相應(yīng)于第l條波的完全數(shù)據(jù)X_l(t)的估計(jì)：

其中，β_l＝1。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種利用所述多級搜索SAGE方法的無線信道參數(shù)提取系統(tǒng)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及積極效果為：與傳統(tǒng)SAGE算法相比，使得在有效地估計(jì)出信道參數(shù)的同時(shí)可以使運(yùn)算量降低1個(gè)量級，多級搜索SAGE方法改善了原SAGE的計(jì)算復(fù)雜度。

相比于傳統(tǒng)上SAGE算法M步中采用的恒定搜索步長的方法，具有以下優(yōu)勢：

一、恒定搜索步長方法中，算法的估計(jì)準(zhǔn)確度隨所選的恒定搜索步長的增大而降低。與恒定搜索步長方法相比，當(dāng)運(yùn)算量相當(dāng)時(shí)，由于多級搜索方法采用多級搜索步長策略，所以多級搜索方法的估計(jì)準(zhǔn)確度更高，后面的仿真實(shí)驗(yàn)1對比了不同信噪比下兩種方法的估計(jì)準(zhǔn)確度；

二、恒定搜索步長方法中，算法的運(yùn)算量隨所選的恒定搜索步長的減小而大幅增加。當(dāng)恒定搜索步長減小1個(gè)量級時(shí)，算法的運(yùn)算量增加1個(gè)量級。與恒定步長搜索方法相比，當(dāng)所提方法的第2級搜索步長和恒定步長搜索方法中恒定搜索步長相同時(shí)，所提方法的運(yùn)算量降低1個(gè)量級，同時(shí)保證了估計(jì)的準(zhǔn)確度，后面的仿真實(shí)驗(yàn)2對此做以對比。此外，如果還想提高估計(jì)精度，可以類比上述思路在兩級搜索方法中再進(jìn)行入射方位角和多普勒頻率的第3，4，…級搜索。

三、仿真結(jié)果表明，兩種方法的估計(jì)準(zhǔn)確度相當(dāng)時(shí)，相比于采用恒定搜索步長方法，采用多級搜索方法時(shí)運(yùn)算量降低了1個(gè)量級。本發(fā)明提供的多級搜索SAGE信道參數(shù)估計(jì)方法，降低了原SAGE算法的計(jì)算復(fù)雜度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的多級搜索SAGE方法流程圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的100次蒙特卡羅仿真，2條多徑入射方位角估計(jì)的平均相對誤差關(guān)于信噪比曲線的示意圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的100次蒙特卡羅仿真，2條多徑多普勒頻率估計(jì)的平均相對誤差關(guān)于信噪比曲線的示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的應(yīng)用原理作詳細(xì)的描述。

如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的多級搜索SAGE方法包括以下步驟：

S101：計(jì)算相應(yīng)于第l條波的完全數(shù)據(jù)的估計(jì)；

S102：重新估計(jì)第l條波的參數(shù)時(shí)，在入射方位角、多普勒頻率的重新估計(jì)中采用逐級減小搜索步長的思路進(jìn)行多級深度搜索。

下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明的應(yīng)用原理作進(jìn)一步的描述。

實(shí)施例1：

本發(fā)明實(shí)施例的多級搜索SAGE算法包括以下步驟：

步驟一，計(jì)算相應(yīng)于第l條波的完全數(shù)據(jù)的估計(jì)；

計(jì)算相應(yīng)于第l條波的完全數(shù)據(jù)的估計(jì)按以下進(jìn)行：

探測信號可以表示為：

其中，是突發(fā)信號，[a₀,a₁,...,a_K-1]是長度為K的探測序列，p(t)是持續(xù)時(shí)間為T_p的成形脈沖，突發(fā)信號的持續(xù)時(shí)間T_a＝KT_p，探測信號的功率為P_u。

接收機(jī)配置M個(gè)位于的陣元，假定接收機(jī)處有L條鏡面反射的平面波。第l條波對于接收陣列輸出的M個(gè)基帶信號的貢獻(xiàn)可以表示為矢量：

其中，θ_l＝[τ_l,φ_l,ν_l,α_l]是包含第l條波的參數(shù)的矢量，第l條波以其相對時(shí)延τ_l、入射方位角φ_l、多普勒頻率ν_l、復(fù)幅度α_l表征；

c(φ)＝[c₁(φ),...,c_M(φ)]^T是天線陣列的導(dǎo)向矢量；

c_m(φ)＝f_m(φ)exp{j2πλ^-1<e(φ),r_m>},m＝1,...,M；

λ是波長，e(φ)是指向由φ決定的方向的單位向量，f_m(φ)是第m個(gè)陣元的復(fù)電場模式，<·，·>表示標(biāo)量積。[·]^T表示轉(zhuǎn)置。

天線陣列輸出的接收信號為：

其中，N(t)＝[N₁(t),...,N_M(t)]^T表示標(biāo)準(zhǔn)的M維復(fù)白高斯噪聲矢量，定義其中θ＝[θ₁,...,θ_L]。

在這樣一個(gè)窗口上觀測接收信號，該窗口包含I個(gè)之間有間隔的時(shí)間段D_i,i＝1,...,I，每個(gè)時(shí)間段長度為T_a，2個(gè)相鄰的時(shí)間段中心的距離為T_f≥T_a；則觀測時(shí)間為IT_a，觀測范圍為(I-1)T_f+T_a，觀測窗口可以表示為：

所提出的多級搜索SAGE算法在每次迭代中只重新估計(jì)待估參量θ＝[θ₁,...,θ_L]的所有L個(gè)分量中的1個(gè)分量，而保持其他分量不變。記θ的先前的估計(jì)為θ_l的重新估計(jì)為其他這兩種表示方式含義也是如此；在重新估計(jì)第l條波參數(shù)的迭代中，給定接收信號在觀測窗口D₀上的一個(gè)觀測Y(t)＝y(tǒng)(t)，先經(jīng)過E步，得到相應(yīng)于第l條波的完全數(shù)據(jù)X_l(t)的估計(jì)：

其中，β_l＝1。

步驟二，重新估計(jì)第l條波的參數(shù)時(shí)，在入射方位角、多普勒頻率的重新估計(jì)中采用逐級減小搜索步長的思路進(jìn)行多級深度搜索；

重新估計(jì)第l條波的參數(shù)時(shí)，在入射方位角、多普勒頻率的重新估計(jì)中采用逐級減小搜索步長的思路進(jìn)行多級深度搜索按以下進(jìn)行：

重新估計(jì)第l條波的參數(shù)時(shí)，在入射方位角、多普勒頻率的重新估計(jì)中采用逐級減小搜索步長的思路進(jìn)行多級深度搜索，具體方法如下：

在SAGE算法重新估計(jì)第l條入射波參數(shù)的迭代中，在M步中，先進(jìn)行時(shí)延的估計(jì)，即：

然后重新估計(jì)第l條入射波方位角φ_l時(shí)，先采用第1級搜索步長Δφ₁在入射方位角搜索范圍內(nèi)搜索|z|的最大值，得到φ_l的第1級重新估計(jì)即：

然后再在附近以更小的第2級搜索步長Δφ₂搜索|z|的最大值，得到φ_l的第2級重新估計(jì)即：

然后重新估計(jì)第l條入射波多普勒頻率ν_l時(shí)，先采用第1級搜索步長Δν₁在多普勒頻率搜索范圍內(nèi)搜索|z|的最大值，得到ν_l的第1級重新估計(jì)即：

然后再在附近以更小的第2級搜索步長Δν₂搜索|z|的最大值，得到ν_l的第2級重新估計(jì)即：

記

最后計(jì)算第l條入射波復(fù)幅度的重新估計(jì)，即：

其中：

D_i表示第i個(gè)觀測窗口，I是觀測窗口數(shù)，τ、φ、ν分別表示時(shí)延、入射方位角、多普勒頻率，表示θ＝[θ₁,...,θ_L]的先前的估計(jì)，分別表示第l條波的時(shí)延、入射方位角、多普勒頻率、復(fù)幅度的重新估計(jì)，U₁是入射方位角搜索范圍內(nèi)包含的一個(gè)小的范圍，U₂是多普勒頻率搜索范圍內(nèi)包含的一個(gè)小的范圍，P_u是u(t)的功率，c(φ)是陣列的導(dǎo)向矢量，是相應(yīng)于第l條波的完全數(shù)據(jù)X_l(t)的估計(jì)；用去更新并相應(yīng)地更新

給定2條多徑，其參數(shù)如表1所示。載波頻率為2GHz,接收天線陣列采用M＝10陣元的線性陣，陣元間距為波長的一半，a(t)采用511的PN碼，碼片寬度為3.69μs，每個(gè)碼片釆4個(gè)樣點(diǎn)，采樣間隔T_s＝0.9225μs。

表1給定的多徑參數(shù)

下面結(jié)合仿真對本發(fā)明的應(yīng)用效果作詳細(xì)的描述。

仿真實(shí)驗(yàn)1

1.估計(jì)準(zhǔn)確度的比較

1.1采用恒定搜索步長方法

入射方位角、多普勒頻率的搜索范圍分別為[0,180°]、[-50Hz,50Hz]，恒定搜索步長分別為3°、2Hz，搜索步數(shù)分別為時(shí)，進(jìn)行100次蒙特卡羅仿真，2條多徑入射方位角和多普勒頻率估計(jì)的平均相對誤差關(guān)于信噪比的曲線如圖2和圖3所示，相對誤差按公式計(jì)算，其中b表示估計(jì)值，a表示真實(shí)值。

1.2采用多級搜索的方法

入射方位角、多普勒頻率的第1級搜索步長為3.6°、2.5Hz，搜索范圍分別為[0,180°]、[-50Hz,50Hz]，第2級搜索步長采用第1級搜索步長的即分別為0.72°、0.5Hz時(shí)，搜索范圍分別為以相應(yīng)的入射方位角、多普勒頻率的第1級重新估計(jì)為中心，以3.6°、2.5Hz為半徑的鄰域，相應(yīng)的搜索步數(shù)分別為進(jìn)行100次蒙特卡羅仿真，2條多徑入射方位角和多普勒頻率估計(jì)的平均相對誤差關(guān)于信噪比的曲線如圖2和圖3所示。

仿真結(jié)果表明，信噪比在[-10dB,15dB]范圍時(shí)，兩種方法的M步中入射方位角、多普勒頻率的搜索步數(shù)均分別為時(shí)，相比于采用恒定搜索步長方法，采用多級搜索方法時(shí)估計(jì)準(zhǔn)確度更高。

仿真實(shí)驗(yàn)2

1運(yùn)算量的比較

1.1采用恒定搜索步長方法

入射方位角和多普勒頻率的搜索步長分別采用0.1°、0.1Hz，搜索范圍分別為[0,180°]、[-50Hz,50Hz]，M步中入射方位角、多普勒頻率的搜索運(yùn)算量步數(shù)分別為信噪比為15dB,使用2G內(nèi)存的計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真，算法運(yùn)行時(shí)間約為2800秒,估計(jì)結(jié)果如表2所示。

1.2采用多級搜索的方法

入射方位角、多普勒頻率的第1級搜索步長為1°、1Hz，搜索范圍分別為[0,180°]、[-50Hz,50Hz]，第2級搜索步長為0.1°、0.1Hz，搜索范圍分別為以相應(yīng)的入射方位角、多普勒頻率的第1級重新估計(jì)為中心，以1°、1Hz為半徑的鄰域。M步中入射方位角、多普勒頻率的搜索運(yùn)算量步數(shù)為信噪比為15dB.使用2G內(nèi)存的計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真，算法運(yùn)行時(shí)間約為260秒，估計(jì)結(jié)果如表3所示。

表2恒定搜索步長方法估計(jì)出的多徑參數(shù)

表3多級搜索方法估計(jì)出的多徑參數(shù)

仿真結(jié)果表明，兩種方法的估計(jì)準(zhǔn)確度相當(dāng)時(shí)，相比于采用恒定搜索步長方法，采用多級搜索方法時(shí)運(yùn)算量大大降低。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。