一種分布式信源二維中心波達角的估計方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于無線移動通信【技術領域】。本發(fā)明通過設置一個由兩個平行的均勻線陣組成的立體天線陣列，建立各分布式信源的數(shù)據(jù)矩陣，并采用兩陣列接收數(shù)據(jù)的互相關矩陣，有效地消除了加性噪聲對中心波達角估計性能的影響，提高了分布式信源的二維波達角在低信噪比時的估計精度；另外，利用特征值和特征向量一一對應的關系，對中心方位角和中心俯仰角分別進行估計，無需其它配對程序即可完成自動配對，而且配對成功率更高。本發(fā)明方法具有估計方法簡單、可靠，參數(shù)配對成功率和精確度高等特點。
【專利說明】-種分布式信源二維中心波達角的估計方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線移動通信【技術領域】，特別是涉及一種采用陣列天線估計多徑分布 式信源二維中也波達角的方法。

【背景技術】
[0002] 在現(xiàn)代無線移動通信系統(tǒng)中，信號的波達方向（direction of arrival,簡稱D0A) 是一個非常重要的參數(shù)。DOA參數(shù)的準確估計是實現(xiàn)通信系統(tǒng)其它功能（智能天線，無線定 位等）的關鍵和基礎。因而，DOA參數(shù)的估計精度對無線通信系統(tǒng)性能有著至關重要的影 響。
[0003] 在城區(qū)等密集通信環(huán)境中，移動端發(fā)射的信號會在空間上形成散射，尤其是當散 射發(fā)生在一個小區(qū)域內，周圍高大建筑物對信號也會形成繞射，該就形成了無線移動通信 的多徑傳播現(xiàn)象，導致信號的能量在空間中產(chǎn)生一定程度的分布擴展，形成空間分布式多 徑信號。該時目標信號已不能被簡單地等效為一個點源，而應用能夠反應信號空間分布特 性的數(shù)學模型描述它。該種數(shù)學模型被稱為分布式信源。分布式信源參數(shù)估計方法具有重 要的實際意義和廣闊的應用前景，吸引著無數(shù)的國內外學者投身于此項技術的研究。
[0004] 目前，已有幾種低計算復雜度的分布式信源的二維中也DOA估計技術，如MP 方法（ModiRed Propagator method)狂hi Zheng, Guangjun Li, Yunlong Teng.2D DOA estimator for multiple coherently distributed sources using modi円ed propagator. Circuits, Systems&Si即al Processing, 2012, 31 (1):255-270.) W 及 TLS-ESPRIT 方法 燈LS-ESPRIT method)狂hi Zheng, Guangjun Li, Yunlong Teng. Simpli円ed estimation of 2D DOA for coherently distributed sources. Wireless Personal Communications, 201 2, 62:907-922.)。其中，MP方法是利用H個平行的均勻線陣組成的立體天線陣列，建立數(shù)據(jù) 矢量矩陣及傳播算子矩陣，然后利用旋轉矩陣特征值的配對程序，確定分布式信源的中也 方位角和中也俯仰角，該技術雖然計算復雜度低，但是所需陣元數(shù)多，低信噪比時參數(shù)估計 性能低。TLS-ESPRIT方法是利用雙平行的均勻線陣的接收數(shù)據(jù)構建數(shù)據(jù)矢量矩陣，然后建 立旋轉矩陣，并通過總體最小二乘法得到包含分布式信源的二維中也DOA信息的特征值， 當存在多個信源時，需要采用額外的配對程序完成中也俯仰角和中也方位角的估計。該方 法所需陣元數(shù)較少，但是其它估計性能不如MP方法。盡管該兩種現(xiàn)有方法各有優(yōu)缺點，但 都需要額外的參數(shù)配對程序，而且配對成功率較低。


【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種分布式信源的二維中也波達角的估計方法，W達到降低 成本、提高分布式信源二維DOA的估計精度和自動配對的成功率W及應用于智能天線系統(tǒng) 中可提高智能天線系統(tǒng)在多徑環(huán)境中的性能及實際應用的價值等目的。
[0006] 本發(fā)明方法的流程如圖1所示，具體采用如下技術方案：
[0007] 步驟1 ;設置立體天線陣列，如圖2所示；該立體天線陣列由P陣列和Q陣列構成 的雙平行陣列結構組成，P陣列設于Z軸，Q陣列設于X-Z平面且平行于Z軸；所述P陣列 和Q陣列均為M元均勻線陣，且同一陣列中的相鄰陣元間隔W及陣列P與陣列Q之間的距 貿相問并均為d ;
[0008] 設有K化=1?M-1)個信號源發(fā)射的信號在多徑環(huán)境中傳播，經(jīng)由立體天線陣列 中的陣列P和陣列Q接收到的數(shù)據(jù)矢量可W分別表示為X (t)和Z (t)，具體如下所述：

【權利要求】
1. 一種二維分布式信源中心波達角的估計方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1 :設置立體天線陣列，該立體天線陣列由P陣列和Q陣列構成的雙平行陣列結構 組成，P陣列設于z軸，Q陣列設于x-z平面且平行于z軸；所述P陣列和Q陣列均為M元 均勻線陣，且同一陣列中的相鄰陣元間隔以及陣列P與陣列Q之間的距離相同并均為d; 設有K(K= 1?M-1)個信號源發(fā)射的信號在多徑環(huán)境中傳播，經(jīng)由立體天線陣列中的 陣列P和陣列Q接收到的數(shù)據(jù)矢量分別表示為X(t)和ζ(t)，具體如下：
其中，+4!⑴，θk是中心方位角，禮=4 +4⑴，Φκ是中心俯仰角，4⑴、4(t) 分別是相對于中心方位角的角偏差、相對于中心俯仰角的角偏差；將原點處的陣元作為 空間相位的參考點，則有P陣列的MX1維導向矢量， ekl(t)為服從高斯分布的隨機復增益，L為多徑信號的總數(shù)，sk(t)為第k個隨機信號，nx(t)和^⑴為是加性高斯白噪聲，且噪聲與信號不相關，T為快拍數(shù)； 步驟2 :利用立體天線陣列接收到的數(shù)據(jù)矢量x(t)和建立相應的參數(shù)估計信 號模型；令，其中，廣義導向矢量可為）和變量Wk分別滿足 p(4)lj 式，表示為矩陣χ和矩陣z，具體如下：
其中，X= [Χ(1)，Χ(2)，···，Χ(Τ)]，Ζ= [Ζ(1)，Ζ(2)，···，Ζ(Τ)]，信號矩陣S=[s(I)，s(2)，· ··，s(T)],t時亥Ij的信號矢量s(t)= [S1(t)，s2 (t)，· · ·，sK (t)]τ， S⑷二[可為)，可么)，."，S(4)]，Φ=(^8(11"η2，···，nK),"k=e',2jrdMsek/1，其中Φ、nk均為 中間變量，隊和Nz均為高斯矩陣，= 步驟3 :由立體天線陣列的P陣列和Q陣列各接收T次信號所得的數(shù)據(jù)矢量，可得到MXM維互相關矩陣Rxz =E[XZH]，其中E[ ·]是期望運算； 步驟4 :對互相關矩陣Rxz進行奇異值分解，分別得到K個非零特征值對應的MXK維的 左、右奇異向量矩陣A和文，以及M-K個零奇異值對應的MX(M-K)維左、右奇異向量矩陣 4和夂；將向量矩陣A和夂合并成一個2MXK維矩陣W1，將向量矩陣屯和夂合并成一個 2MX(M-K)維矩陣W2，且滿MW1hW2=O;由于廣義導向矢量與噪聲子空間是正交的關系，可 知5：⑷Η?2=0和?2=0，將約和吞(0,妁合并成一個2MXK維矩陣C，且滿足CW2H=0; 進一步地，可得span(C) =Span(W1)，其中，span( ·)表示生成的列空間； 步驟5:利用步驟4所得的結果，可以確定一個KXK維的非奇異矩陣H使得ΗΦ?、,，其中，（·)+表示廣義逆，（·Γ表示逆；定義旋轉矩陣Ψ，令旋轉矩陣Ψ=?丨?,， 并對旋轉矩陣Ψ進行特征分解，得到旋轉矩陣Ψ的特征值A及其特征向量矩陣?; 步驟6 :由旋轉矩陣Ψ的特征值&的相位信息參數(shù)確定各分布式信源對應的中心方位 角； 步驟7 :利用旋轉矩陣Ψ的特征向量矩陣?，對導向矢量矩陣^而進行估計得到其估 計值矩陣人(妁=C1Cr，其中，人(沴) = [--(歡)，…,?(4)]，以戎）表示第k個信源導向矢量的估 計值； 步驟8 :利用導向矢量矩陣估計值矩陣的前M-I行和后M-I行構造近似旋轉不變 關系，確定各分布式信源對應的中心俯仰角。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種分布式信源二維中心波達角的估計方法，其特征在于， 所述的2MXK維矩陣W1JMX(M-K)維矩陣W2、2MXK維矩陣C的具體形式分別如下：
3. 根據(jù)權利要求1所述的一種分布式信源二維中心波達角的估計方法，其特征在于， 所述相對于中心方位角的角偏差4(t)和相對于中心俯仰角的角偏差&⑴的取值范圍都為 0。?10°，且相對于中心方位角的角偏差先⑴和相對于中心俯仰角的角偏差.元⑴均服從 對稱分布。
4. 根據(jù)權利要求1或3所述的一種分布式信源二維中心波達角的估計方法，其特征在 于，所述的相對于中心方位角的角偏差先⑴的分布形式是高斯分布、均勻分布、柯西分布、 指數(shù)分布中的一種。
5. 根據(jù)權利要求1或3所述的一種分布式信源二維中心波達角的估計方法，其特征在 于，所述的相對于中心俯仰角的角偏差i4i(t)的分布形式是高斯分布、均勻分布、柯西分布、 指數(shù)分布中的一種。
6. 根據(jù)權利要求1所述的一種分布式信源二維中心波達角的估計方法，其特征在于， 所述的接收數(shù)據(jù)的采樣次數(shù)T的范圍是50?1000次。
【文檔編號】G01S3/14GK104237843SQ201410450055
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月4日 優(yōu)先權日:2014年9月4日
【發(fā)明者】楊學敏, 鄭植, 周亮, 鐘朗 申請人:電子科技大學