一種來波方向快速估計(jì)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種應(yīng)用于60GHz無線通信系統(tǒng)的來波方 向快速估計(jì)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來移動(dòng)通信事業(yè)在全球范圍內(nèi)得到了迅猛的發(fā)展，對帶寬的要求越來越高。 60GHz無線通信技術(shù)由于其超高速的數(shù)據(jù)傳輸能力、成本低、抗干擾性和安全性高、具有國 際通用性和免許可特性的特點(diǎn)，將成為第4代無線通信技術(shù)的代表。然而它面臨的最大挑 戰(zhàn)是過高的路徑損失。60GHz頻段的路徑損耗決定了其必須采用波束形成技術(shù)和來波方向 快速估計(jì)來改善鏈路質(zhì)量。來波方向（D0A)估計(jì)又可稱為來波方向估計(jì)或來波角度估計(jì)， 是陣列信號處理的一個(gè)重要分支。D0A估計(jì)的基本問題就是如何利用天線陣列的輸出，從背 景噪聲中檢測出同時(shí)處于空問某一區(qū)域內(nèi)的多個(gè)期望用戶的位置信息，即各個(gè)信號到達(dá)陣 列天線的入射角。D0A估計(jì)算法性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要包括：估計(jì)偏差、估計(jì)誤差、分辨力、成功 概率、計(jì)算量及給定陣元數(shù)目情況下算法可估計(jì)的信號數(shù)目。
[0003] D0A是陣列信號處理的一項(xiàng)重要內(nèi)容，其應(yīng)用涉及雷達(dá)、通信、聲納、地震、勘探、射 電天文以及生物醫(yī)學(xué)工程等眾多軍事及民用經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。D0A估計(jì)是利用一組按一定方式布 置在空間不同位置的傳感器對空間信源在時(shí)域和空域同時(shí)進(jìn)行采樣，再由傳感器陣列采樣 數(shù)據(jù)的分析處理來實(shí)現(xiàn)對空間信源的方位向估計(jì)。在D0A估計(jì)中，分辨力，精度，穩(wěn)健性，速 度，可分辨目標(biāo)數(shù)的多少等，決定了方位向估計(jì)性能的好壞。近幾十年，國內(nèi)外均開展了有 關(guān)D0A估計(jì)技術(shù)的理論和應(yīng)用研究，使得D0A估計(jì)理論得到迅速發(fā)展。但是，在實(shí)際應(yīng)用中， 由于受到物理器件水平和成本的影響，陣列孔徑不可能無限增大，D0A估計(jì)的分辨力始終受 到陣列孔徑的限制，最大可分辨目標(biāo)數(shù)受到陣元數(shù)的限制。
[0004] 中華人民共和國國家知識產(chǎn)權(quán)局于2007年04月25日公開了公告號為 CN1953348A的專利文獻(xiàn)，名稱是多扇區(qū)智能天線系統(tǒng)的來波方向估計(jì)方法，其包括以下步 驟：（1)利用譜估計(jì)算法對需要進(jìn)行來波方向估計(jì)的用戶進(jìn)行初始來波方向估計(jì)，得到估 計(jì)的來波功率譜最大值對應(yīng)的來波角度；（2)根據(jù)所述來波角度判斷用戶是否位于目標(biāo)扇 區(qū)的邊緣，若是，則分別計(jì)算用戶在和目標(biāo)扇區(qū)相鄰的兩個(gè)扇區(qū)內(nèi)的功率；（3)若所述來波 角度所在區(qū)域靠近功率值大的相鄰扇區(qū)，則所述來波角度即為最終的估計(jì)結(jié)果，否則，搜索 來波角度所在區(qū)域的相反區(qū)域，得到所述相反區(qū)域內(nèi)來波功率譜最大值對應(yīng)的來波角度即 為最終的估計(jì)結(jié)果。此方案仍然收到陣元數(shù)的限制，在分辨率和分辨度上都不夠理想。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的對信號入射角相差較小的信號分辨率低、對 入射信號低信噪比下分辨率不高、對入射信號的分辨度不高等的技術(shù)問題，提供一種應(yīng)用 于60GHz無線通信系統(tǒng)的D0A的快速計(jì)算方法，能在改善無線接收器、發(fā)送器性能的基礎(chǔ)上 降低波束形成算法的計(jì)算復(fù)雜度，提高分辨率，從而在保證高速通訊信號品質(zhì)的同時(shí)，大幅 度縮短了 DOA計(jì)算耗時(shí)。
[0006] 該D0A改進(jìn)算法，不僅具有空間平滑算法去強(qiáng)相干信號的效果，同時(shí)彌補(bǔ)其在低 信噪比下分辨率不高和對信號的分辨度不高的不足之處，另外，該算法也比空間平滑算法 的算法復(fù)雜度更小，大大減少了整個(gè)算法的運(yùn)算量，而且不犧牲天線的孔徑，比較實(shí)用，實(shí) 驗(yàn)證明了該算法的有效性。
[0007] 本發(fā)明針對上述技術(shù)問題主要是通過下述技術(shù)方案得以解決的：一種來波方向快 速估計(jì)的方法，包括以下步驟：
[0008] S01、天線陣接收原始信號；
[0009] S02、對信號進(jìn)行預(yù)處理；
[0010] S03、構(gòu)造協(xié)方差矩陣；
[0011] S04、權(quán)向量迭代；
[0012] S05、構(gòu)造空間譜函數(shù)；
[0013] S06、求出空間譜函數(shù)譜峰Θ域的最優(yōu)解；
[0014] S07、判斷空間譜函數(shù)是否收斂，如果收斂，則所得最優(yōu)解即為入射信號的估計(jì)值； 如果不收斂，則返回步驟S04。
[0015] 假設(shè)有K個(gè)信號，其中前Kc個(gè)信號為相關(guān)信號，其余信號為獨(dú)立信號且與前Kc個(gè) 信號相互獨(dú)立，入射到均勻天線陣，該天線陣由Μ = 2N+1個(gè)間距為d的全向陣元組成，并將 陣元〇作為參考陣元，則第i個(gè)陣元的輸出信號矢量可表示為
[0017] 式中，sk(t)為第k個(gè)信號的復(fù)包絡(luò)，λ為中心波長，d為陣元間距，P 多徑衰 落系數(shù)，ni(t)是加性高斯噪聲。
[0018] 則陣列的輸出信號矢量可表示為
[0019] X (t) = [x N (t), ···, X ! (t), x0 (t), Xi (t), ···, xN (t) ]T
[0020] = A ( Θ ) s (t) +n (t) (2)
[0021] 式中，A( Θ ) = [a ( Θ丄a ( Θ 2), ···，a ( Θ k)]為陣列方向矩陣，s(t)為陣列接收 信號矢量，n(t)為噪聲矢量。其中，a (0k)對應(yīng)的方向矢量為
[0023] 根據(jù)式（2)估計(jì)陣列輸出信號矢量的協(xié)方差矩陣，即
[0025] 其中：
[0026] N為全向陣元總個(gè)數(shù)的一半，總?cè)蜿囋獋€(gè)數(shù)為2N+1 (其中包括作為參考陣元的0 陣元）；
[0027] x = [x(-N)，…，x(0),…，x(N)]是陣列的輸出信號矢量；
是陣列的輸出信號的協(xié)處理信號，用于信號預(yù)測和 部分信號的補(bǔ)充；Η為矩陣共輒轉(zhuǎn)置符號；T為矩陣轉(zhuǎn)置符號；
[0029] 構(gòu)造新的協(xié)方差矩陣Rx，即
[0031] 式中：J為MXM的反向單位矩陣，巧為息的共輒。
[0033] 特征分解上面得到的協(xié)方差矩陣Rx，即
[0034] [U, S, V] = SVD (Rx)
[0035] 取￥"=1](:，0+1滿來構(gòu)造噪聲子空間向量Vn。SVD表示奇異值分解，U(:，D+1:M) 表示矩陣U中的任何一行，其列從D+1到Μ。
[0036] 把滿秩矩陣馬用低秩矩陣替代，構(gòu)造出新的協(xié)方差矩陣，然后對新的協(xié)方差矩 陣特征分解，再次構(gòu)造得到噪聲子空間向量Vnn。
[0037] 計(jì)算得到的平均噪聲子空間，設(shè)為％，即
[0039] 構(gòu)造空間譜函數(shù)，即
[0041] 其中：
[0042] ξ為權(quán)向量系數(shù)；α ( Θ )為陣列方向矩陣；
[0043] Γ是校正函數(shù)，
Ρ為信號矢量系數(shù)，Ω為噪聲矢量系數(shù)；
[0045] j為虛數(shù)單位，m為矩陣的行編號，也可以看作是對天線元件的編號；k為矩陣的列 編號，也可以看作是對波束的編號，K為波束數(shù)量；floor函數(shù)表示取小于或者等于括號內(nèi) 指定表達(dá)式的最大整數(shù);mod表示取余運(yùn)算函數(shù)，mod (X，Y)為X除以Y所得的余數(shù)；
[0046] 從式（5)求出戶(扔譜峰Θ域的最優(yōu)解，在空間譜函數(shù)收斂的情況下所得到譜峰 Θ即為入射信號D0A的估計(jì)，如果不收斂則繼續(xù)迭代計(jì)算。
[0047] 本發(fā)明提供的60GHz無線通信系統(tǒng)D0A快速計(jì)算方法，所述D0A快速計(jì)算方法應(yīng) 用在超高帶寬60GHz無線接收器的控制程序中。
[0048] 在60GHz無線通信系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，由于外部干擾阻擋的存在，如發(fā)送和接收 之間瞬間被障礙物阻擋等等，天線接收到的信號中可能存在某種比較少見、一般情況不考 慮的干擾信號，以及其他無法預(yù)知的有效信號迅速衰減，通過本方法的處協(xié)理信號火/)、權(quán) 矢量中的
校正函數(shù)的綜合的補(bǔ)償和調(diào)整作用，可以有效消除這些干 擾。
[0049]