分布式信号波达方向-时延联合估计算法研究

摘要

无线信道空时参数联合估计是现代无线通信中的一个重要研究课题，也是智能天线技术在第三代移动通信系统中应用所面临的主要问题和基本需求。在复杂的移动通信环境中，信号因折射、绕射和散射等原因产生多径传播现象，由此导致信号在空间与时间上扩展，造成码间干扰和同信道干扰。这些干扰越来越成为影响现代移动通信质量的主要因素。在移动通信系统中采用空时联合处理技术可以抑制多径传播、增大系统容量、提高通信质量。而信道的空时参数联合估计正是空时联合处理中的基本技术之一，并可为空时联合处理中的其他技术提供所需求的基本参数，具有重要的理论意义和实用价值。 现代通信环境中，由建筑物、道路或其他因素导致的局部密集散射使得接收天线与发射终端之间常常不存在直达路线，信号传播更多地依赖于大量的非直达路线，因而导致信号在空间、时间上都产生一定程度的分布扩展，形成空时分布式多径信号(space-time distributed signals)，此种情况下，基于传统点源直达波模型的空时参数估计技术不再适用，甚至可能带来估计性能的恶化。本论文针对上述问题，以通信参数为主要研究对象，在深入分析现有模型的基础上，对空时分布式多径信号(分布式信号)的波达方向(DOA)-时延联合参数估计问题作了系统性的研究。主要创新之处如下： 1．对现有的空时分布式信号的接收模型和信道模型进行了细致的理论推导，并提出了一种带有观测噪声的信道模型，详细地分析了噪声对参数估计中某些技术方法(如信道的傅立叶变换和去卷积计算)的不利影响。 2．基于噪声模型的分析，提出了一种新的去卷积和获得空时联合信号子空间的方法，该方法可以避免由于对信道估计数据的傅立叶变换和去卷积计算而导致的噪声方差变大，从而空时联合信号子空间受到噪声污染的问题。 3．利用分布函数信息，改进了传统空时联合参数估计中的时-空-时MUSIC方法(TST-MUSIC)，改写了空间滤波矩阵和时延滤波矩阵，解决了点反射源方法估计分布式信号时的失效问题。 4．在搜索谱峰的参数估计方法中，提出抽取子空间的概念，通过在联合信号孑空间内分别抽取不同的行来构造空间搜索矩阵和时延搜索矩阵，并利用分布的对称性信息和搜索矩阵瑞利商的性质，将复杂的多维搜索降为两个一维搜索和一个配对过程，加快了算法的计算速度，并给出另外两种快速搜索方法。 5．具体分析了扩展分布对旋转不变性质的影响。给出了保证空、时流形向量相邻元素间相位上保持旋转不变性的条件，并以此为依据确定了阵元数和去卷积参数的取值范围。 6．给出了两种基于旋转不变性质具有闭式解的空时参数联合估计方法：抽取ESPRIT方法和时空矩阵方法。改变了对分布式信号空时参数估计中没有闭式表达式方法的现状。 7．在抽取ESPRIT算法的基础上改进了参数估计过程，提出了一种能够在一定程度上抑制非对称分布误差的参数估计方法，使算法降低了对非对称分布误差的敏感性。 8．在多条路径具有相同参数时(多路同参)，分析了空时参数联合估计方法中的参数兼并现象，证明了抽取ESPRIT方法对于非同参多径空、时参数估计的可能性，确定了独立多径的空时参数匹配关系。对于多路同参路径，提出了一种ESPRIT-MUSIC联合估计算法，解决了基于空间平滑技术的传统方法无法应用于分布式信号的问题，达到解参数兼并的目的。 与现有的基于最大似然准则的分布式信号DOA-时延联合估计方法相比，本文提出的基于谱估计和子空间分解的方法能够有效避免多维参数估计中的复杂优化问题，降低计算复杂性，并且可以给出闭式表达式，具有不敏感于信号分布特性和分辨率高的优点。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景和意义

1.2分布式多径信号DOA-时延二维联合估计的研究现状

1.2.1 DOA-时延二维联合估计的研究现状

1.2.2分布式多径信号参数估计研究现状

1.3本论文的主要工作和创新之处

1.4本论文的结构和内容安排

第二章分布式多径信号空时二维信道模型

2.1点源反射信号模型

2.2分布式多径信号模型

2.2.1空间分布模型

2.2.2时延分布模型

2.3信道估计噪声讨论

2.3.1带噪声信道模型

2.3.2噪声方差分析

2.3.3去卷积计算对噪声协方差矩阵的影响

2.4本章总结

第三章基于已知分布的二维联合搜索算法

3.1 TST(时-空-时)类搜索算法

3.1.1空间谱函数

3.1.2时延谱函数

3.1.3空时参数联合估计算法

3.1.4算法总结

3.2抽取子空间二维MUSIC搜索算法

3.2.1获取空时联合信号子空间

3.2.2构造空间谱函数

3.2.3构造时延谱函数

3.2.4空、时参数配对

3.2.5算法总结

3.3仿真实验与分析

3.4本章总结

第四章基于未知分布的一维搜索算法

4.1去卷积

4.2极小特征值搜索算法

4.2.1构造空间谱函数

4.2.2构造时延谱函数

4.2.3空、时参数配对

4.2.4算法总结

4.3空时联合二维快速搜索算法

4.3.1构造空时二维谱函数

4.3.2算法总结

4.4双一维快速搜索算法

4.4.1构造空间一维谱函数

4.4.2构造时延一维谱函数

4.4.3空、时参数配对

4.4.4算法总结

4.5仿真实验与分析

4.6本章总结

第五章基于旋转不变性质的联合估计算法

5.1分布参数分析及相关参数选择

5.1.1空间分布参数分析及阵元数选择

5.1.2时延分布参数分析及去卷积参数l选择

5.2抽取ESPRIT算法

5.2.1空间抽取ESPRIT算法

5.2.2时延抽取ESPRIT算法

5.2.3空、时参数配对

5.2.4算法总结

5.3时空矩阵算法

5.3.1算法推导

5.3.2算法总结

5.4分布误差抑制算法

5.4.1空间分布参数误差分析及中心DOA估计

5.4.2时延分布参数误差分析及中心时延估计

5.4.3算法总结

5.5仿真实验与分析

5.6本章总结

第六章多路径同参数的解缺秩算法

6.1 问题提出

6.2 ESPRIT-MUSIC联合算法

6.3关于独立路径空、时特征值、特征向量关系的证明

6.4仿真实验与分析

6.5本章总结

第七章结论和展望

7.1本论文研究总结

7.2前景展望

致 谢

参考文献

作者攻博期间取得的成果