基于矩陣蓋爾圓的發(fā)射天線數(shù)目盲估計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于矩陣蓋爾圓的發(fā)射天線數(shù)目盲估計(jì)方法，在頻率選擇性衰落信道和存在剩余頻偏的條件下，并且不利用導(dǎo)頻等先驗(yàn)信息，實(shí)現(xiàn)了MIMO?OFDM系統(tǒng)發(fā)射天線數(shù)目的有效估計(jì)。主要包括：(1)構(gòu)造相鄰兩個(gè)子載波的接收信號(hào)矩陣；(2)計(jì)算協(xié)方差矩陣；(3)構(gòu)造酉變換矩陣；(4)進(jìn)行酉相似變換；(5)構(gòu)造判決準(zhǔn)則表達(dá)式；(6)確定發(fā)射天線數(shù)目。本發(fā)明解決了在頻率選擇性衰落信道，低信噪比和存在剩余頻偏的惡劣條件下，發(fā)射天線數(shù)目盲識(shí)別的問(wèn)題。
【專利說(shuō)明】
基于矩陣蓋爾圓的發(fā)射天線數(shù)目盲估計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種發(fā)射天線數(shù)目的估計(jì)方法，具體設(shè)及一種在頻率選擇性衰落信道 下的MIM〇-〇FDM(Multiple I噸ut Multiple 0u1:put-0;rthogonal Frequen巧 Division Multiplexing,多輸入多輸出-正交頻分復(fù)用）系統(tǒng)的發(fā)射天線數(shù)目的估計(jì)方法，可用于存 在剩余頻偏的情況下，通信信號(hào)盲識(shí)別和認(rèn)知無(wú)線電，屬于無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 新一代無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)為更高的傳輸速率、更好的服務(wù)質(zhì)量、更高的頻 譜利用率。而在移動(dòng)無(wú)線通信系統(tǒng)中，存在頻譜資源緊張和高速數(shù)據(jù)傳輸容易引起信道頻 率選擇性衰落的問(wèn)題，因此MIM0-0抑Μ技術(shù)成為下一代無(wú)線傳輸鏈路中的主要方案。在非合 作通信系統(tǒng)中，需要對(duì)MIM0-0FDM通信信號(hào)參數(shù)進(jìn)行盲估計(jì)和識(shí)別，其中發(fā)射天線數(shù)目估計(jì) 是后續(xù)盲信道估計(jì)、盲編碼方式識(shí)別和盲信號(hào)解調(diào)等關(guān)鍵技術(shù)的重要前提。
[0003] 發(fā)射天線數(shù)目估計(jì)算法大多由信源數(shù)目估計(jì)算法中引入，可分為模式選擇法和假 設(shè)檢驗(yàn)法。2007年，Oren somelch等人在MILC0M上發(fā)表的 "Detecting the Number of Transmit Antennas with Unauthorized or Cognitive Receivers in ΜΙΜΟ Systems''中 引入基于信息論準(zhǔn)則的模式選擇方法。2011年K.Hessan等人在；[TS Telecommunications 上發(fā)表的('Blind detection the number of the transmitting antennas for spatially-correlated ΜΙΜΟ systems"中引入基于PET(Predicted Eigenvalue 化reshold，預(yù)測(cè)特征值上限）的假設(shè)檢驗(yàn)方法。運(yùn)兩種方法僅適用于平坦信道下的ΜΙΜΟ系 統(tǒng)。
[0004] 2008年，沃達(dá)豐移動(dòng)通信的Eckhard Ohlmer等人在Vehicular Technology Conference發(fā)表的 "Algorithm for Detecting the Number of Transmit Antennas in MIMO-0抑M Systems"中采用導(dǎo)頻序列并結(jié)合假設(shè)檢驗(yàn)來(lái)估計(jì)天線數(shù)目的方法，該方法需要 建立在良好的同步基礎(chǔ)上，同時(shí)需要導(dǎo)頻信號(hào)是相互正交的，并且不同天線發(fā)射的導(dǎo)頻信 號(hào)都是不同的碼字類(lèi)。
[0005] 但是，在頻率選擇性衰落信道和存在剩余頻偏的條件下，并且不利用導(dǎo)頻等先驗(yàn) 信息時(shí)，上述Ξ種方法均無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)MIM0-0抑Μ系統(tǒng)進(jìn)行精確的發(fā)射天線數(shù)目盲估計(jì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在提供一種基于矩陣蓋爾圓的發(fā)射天線數(shù)目盲估 計(jì)方法，主要利用蓋爾圓定理，通過(guò)對(duì)接收信號(hào)協(xié)方差矩陣進(jìn)行酉變換實(shí)現(xiàn)發(fā)射天線數(shù)目 的估計(jì)，不利用導(dǎo)頻等先驗(yàn)信息，能夠適應(yīng)一定的剩余頻偏，具有很強(qiáng)的魯棒性。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[000引基于矩陣蓋爾圓的發(fā)射天線數(shù)目盲估計(jì)方法，包含至少一個(gè)發(fā)射機(jī)、至少一個(gè)接 收機(jī)和至少一個(gè)偵聽(tīng)機(jī);發(fā)送信號(hào)采用0抑Μ調(diào)制方式，記一帖OFDM信號(hào)中有Nsubcarrier個(gè)子 載波，利用Nframe帖(FDM信號(hào)來(lái)進(jìn)行估計(jì);信道為頻率選擇性衰落的ΜΙΜΟ信道，記其多徑數(shù)為 Lmultipath，時(shí)頻同步后仍存在一定的剩余頻偏；
[0009] 偵聽(tīng)機(jī)進(jìn)行如下步驟：
[0010] S1偵聽(tīng)機(jī)根據(jù)時(shí)域接收信號(hào)，得到子載波讓的NrXNframe維接收信號(hào)矩陣Yi(l《i 《化ubcarrier) ;Nr為偵聽(tīng)機(jī)的接收天線數(shù)目；
[0011] S2根據(jù)步驟S1得到的子載波i的接收信號(hào)矩陣Yi及其相鄰子載波i + l的接收信號(hào) 矩陣Yw構(gòu)造為Nr X 2化rame維矩陣r i = [ Yi，Yi+1 ]，并計(jì)算r i協(xié)方差矩陣；
[0012] S3將協(xié)方差矩陣Cl寫(xiě)成分塊矩陣的形式，即
其中Cli是Cl的 Nr-1階順序主子矩陣，Nr-1維列向量C的元素為協(xié)方差矩陣Ci最右邊一列前Nr-1個(gè)元素，cH為 C的共輛轉(zhuǎn)置，￡或，巧.為。第Nr行、Nr列的元素；對(duì)矩陣Cli進(jìn)行特征值分解得到酉變換矩陣 Uli;然后根據(jù)酉變換矩陣Uli得到酉變換矩陣
[0013] S4通過(guò)酉變換矩陣化對(duì)協(xié)方差矩陣Cl進(jìn)行酉變換得矩陣Si:
[0014]
[001引55利用步驟54得到的矩陣5鴻造對(duì)角矩陣^二成口客(|,1/;，,1/2，。.,，八，_1，/;、一，,)擁51 進(jìn)行相似變換得到矩陣S^l:
[0016]
[0017] S6根據(jù)步驟S5得到的矩陣S/菊至晦個(gè)子載波對(duì)應(yīng)的k個(gè)判決準(zhǔn)現(xiàn)懷達(dá)式：
[001 引
[001 9 ] 其中，k = 1，2，…，Nr-1 ;將(Nsubcarrier-1 )個(gè)子載波的k個(gè)表達(dá)式累和可得：
[0020]
[0021] S7判決發(fā)射機(jī)的發(fā)射天線數(shù)目：MGDE化)按照k由小到大依次取值，MGDE化)取第一 個(gè)非正值時(shí)對(duì)應(yīng)的k值減1估計(jì)為發(fā)射天線數(shù)目，即二A…1。
[0022] 需要說(shuō)明的是，步驟S1的具體方法為：
[0023] 偵聽(tīng)機(jī)對(duì)接收到的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行OFDM解調(diào)，得到頻域接收信號(hào)，并對(duì)頻域接收信號(hào)進(jìn) 行重采樣，取出Nr根接收天線上第η帖(FDM信號(hào)的第i個(gè)子載波y(知)=[y(?凍y令A(yù)...，盧(M訂. 構(gòu)造 Nr X Nframe 維接收信號(hào)矩陣Yi = [y(l，i)，y(2，i)，...，y (Nframe，i ) ]，1《n《Nframe。
[0024] 需要說(shuō)明的是，步驟S2中，Y^i協(xié)方差矩陣計(jì)算如下：
[0025]
[0026] 其中（·）H表示共輛轉(zhuǎn)置。
[0027] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0028] 1、在本發(fā)明的方法中，取相鄰子載波構(gòu)造協(xié)方差矩陣進(jìn)而求解判決口限。相比于 之前采用單一子載波的方法，在小信噪比條件下提高了估計(jì)的可靠性。
[0029] 2、在本發(fā)明的方法中，構(gòu)造判決準(zhǔn)則表達(dá)式時(shí)，可W把丫 kPk看作檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量，把
昏作檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量的口限值，相比于傳統(tǒng)蓋爾圓人工設(shè)置口限值的方法， 運(yùn)里的口限值可自適應(yīng)k的變化，具有更強(qiáng)的魯棒性，確保估計(jì)的可靠性，大幅度提高了估 計(jì)的實(shí)時(shí)性，適用于快衰落的通信場(chǎng)景。
[0030] 3、在本發(fā)明的方法中，通過(guò)在頻域利用蓋爾圓的方法，解決了頻率選擇性衰落信 道和存在剩余頻偏的條件下，發(fā)射天線數(shù)目的盲估計(jì)難題。
【附圖說(shuō)明】
[0031] 圖1是本發(fā)明的方法使用的系統(tǒng)模型示意圖；
[0032] 圖2是本發(fā)明的方法的流程圖；
[0033] 圖3是本發(fā)明的方法在不同信噪比下正確識(shí)別概率仿真效果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034] W下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述，需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例W本技術(shù)方 案為前提，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于本實(shí) 施例。
[0035] 參照?qǐng)D1，本發(fā)明假設(shè):使用的系統(tǒng)模型包括一個(gè)發(fā)射機(jī)、一個(gè)接收機(jī)和一個(gè)偵聽(tīng) 機(jī)，運(yùn)里主要關(guān)注偵聽(tīng)機(jī)的設(shè)計(jì)。
[0036] 偵聽(tīng)機(jī)的天線數(shù)目Nr = 8,發(fā)射機(jī)的天線數(shù)目Nt = 2,0FDM的系統(tǒng)調(diào)制子載波數(shù) 化ubcarrier = 64,估計(jì)所利用的(FDM信號(hào)帖個(gè)數(shù)Nframe = 40,信道階數(shù)為多徑數(shù)力日1即L〇rder = Lmultipath+l - 5 〇
[0037]本發(fā)明進(jìn)行發(fā)射天線數(shù)目盲估計(jì)的過(guò)程如圖2所示，偵聽(tīng)機(jī)具體實(shí)現(xiàn)步驟如下： [003引步驟1，根據(jù)時(shí)域接收信號(hào)得到子載波讓的接收信號(hào)矩陣Yi(l《i《化ubcarrier):
[0039] 對(duì)接收到的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行OFDM解調(diào)，得到頻域接收信號(hào)，并對(duì)頻域接收信號(hào)進(jìn)行 重采樣，取出Nr根接收天線上第n( l《n《Nframe)帖OFDM信號(hào)的第i個(gè)子載波
構(gòu)造 Nr X Nframe維接收信號(hào)矩陣Yi = [y ( 1，i )， y(2,i),...,y( rame , i)];
[0040] 步驟2,計(jì)算協(xié)方差矩陣Ci(l《i《化ubcarrie廣1):
[0041 ]根據(jù)相鄰子載波上的接收信號(hào)矩陣Yi和Yi + 1構(gòu)造為Nr X 2Nframe維矩陣Υ/ i= [Yi， Yw]。它的協(xié)方差矩陣表示3
庚中（·）H表示共輛轉(zhuǎn)置；
[0042] 步驟3，構(gòu)造酉變換矩陣Ui ( 1《i《化ubcarrie廣1 ):
[0043] 將協(xié)方差矩陣Cl寫(xiě)成分塊矩陣的形式，即
其中Ch是Cl的Nr-1 階順序主子矩陣，Nr-1維列向量C的元素為協(xié)方差矩陣Ci最右邊一列前Nr-1個(gè)元素，cH為C的 共輛轉(zhuǎn)置，CW,，.W,為Cl第Nr行、Nr列的元素。對(duì)矩陣Cli進(jìn)行特征值分解得到酉變換矩陣Uli;然 后根據(jù)酉變換矩陣Uli得到酉變換矩陣
[0044] 步驟4,通過(guò)酉變換構(gòu)造矩陣Si:
[0045] 利用矩陣化對(duì)協(xié)方差矩陣Cl進(jìn)行酉變換得：
[0046]
[0047] 步驟5，對(duì)矩陣Si進(jìn)行相似變換：
[004引由上式蓋爾圓圓屯、構(gòu)造對(duì)角矩陣尸二成(塔(^乃，72，…，7JVf_i、C、,vv^)，對(duì)Si進(jìn)行相似 變換，整理得：
[0049]
[0化日]步驟6，構(gòu)造判決準(zhǔn)則表達(dá)式：
[0051 ]每個(gè)子載波對(duì)應(yīng)的k個(gè)判決準(zhǔn)測(cè)表達(dá)式為：
[0化2]
[00對(duì)其中，k=l，2,…，Nr-1;將(Nsubcarrier-1)個(gè)子載波的k個(gè)表達(dá)式累和可得：
[0化4]
[0055] 步驟7，判決發(fā)射天線數(shù)目：
[0056] MGDE化)按照k由小到大依次取值，MGDE化)取第一個(gè)非正值時(shí)對(duì)應(yīng)的k值減1估計(jì) 為發(fā)射天線數(shù)目，即或,=表-U
[0057] 本發(fā)明的方法所帶來(lái)的有益效果可W通過(guò)W下仿真來(lái)進(jìn)一步進(jìn)行說(shuō)明。
[005引一、仿真條件
[0059] 1個(gè)具有2天線的發(fā)射機(jī)，1個(gè)具有8天線的偵聽(tīng)機(jī)，OFDM調(diào)制子載波數(shù)為64。發(fā)射機(jī) 和偵聽(tīng)機(jī)之間的信道為頻率選擇性信道，信道階數(shù)為5,剩余歸一化頻偏為0.005。并且假 設(shè)信道是塊衰落的，在20帖OFDM符號(hào)的時(shí)間內(nèi)信道保持不變。發(fā)射機(jī)采用VBLAST模式，發(fā)射 信號(hào)調(diào)制方式為4QAM。
[0060] 二、仿真內(nèi)容及仿真結(jié)果
[0061] 仿真本發(fā)明的方法在不同信噪比條件下，發(fā)射天線數(shù)目正確估計(jì)的概率曲線。如 圖3所示，本發(fā)明的方法可W實(shí)現(xiàn)有效估計(jì)，滿足通信信號(hào)盲識(shí)別的工程要求。由此可見(jiàn)，本 發(fā)明的方法解決了在頻率選擇性衰落信道，低信噪比和存在剩余頻偏的惡劣條件下，發(fā)射 天線數(shù)目盲識(shí)別的問(wèn)題。
[0062] 本發(fā)明的方法可用于通信信號(hào)盲識(shí)別和認(rèn)知無(wú)線電，也可W用于軍事通信對(duì)抗的 場(chǎng)景。
[0063] 對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可W根據(jù)W上的技術(shù)方案和構(gòu)思，作出各種相應(yīng)的 改變和變形，而所有的運(yùn)些改變和變形都應(yīng)該包括在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于矩陣蓋爾圓的發(fā)射天線數(shù)目盲估計(jì)方法，其特征在于，包含至少一個(gè)發(fā)射機(jī)、至 少一個(gè)接收機(jī)和至少一個(gè)偵聽(tīng)機(jī)；發(fā)送信號(hào)采用OFDM調(diào)制方式，記一幀OFDM信號(hào)中有 Nsubcarrier個(gè)子載波，利用Nframe幀OFDM信號(hào)來(lái)進(jìn)行估計(jì);信道為頻率選擇性衰落的MM0信道， 記其多徑數(shù)為L(zhǎng)multipath，時(shí)頻同步后仍存在一定的剩余頻偏； 偵聽(tīng)機(jī)進(jìn)行如下步驟： S1根據(jù)時(shí)域接收信號(hào)，得到子載波i上的NrXNframe維接收信號(hào)矩陣￥1(1<1< Nsubcarrier) ;Nr為偵聽(tīng)機(jī)的接收天線數(shù)目； S2根據(jù)步驟S1得到的子載波i的接收信號(hào)矩陣其相鄰子載波i + Ι的接收信號(hào)矩陣 Yi+i構(gòu)造為Nr X 2Nframe維矩陣r i = [ Yi，Yi+1 ]，并計(jì)算Y' i協(xié)方差矩陣； S3將協(xié)方差矩陣Ci寫(xiě)成分塊矩陣的形式，，其中Cli是Ci的Nr-1階 順序主子矩陣，Nr-1維列向量c的元素為協(xié)方差矩陣Q最右邊一列前Nr-1個(gè)元素，c H為c的共 輒轉(zhuǎn)置，為(^第隊(duì)行、Nr列的元素;對(duì)矩陣Ch進(jìn)行特征值分解得到酉變換矩陣Uh;然后 根據(jù)酉變換矩陣瓜^導(dǎo)到酉變換矩陣S4通過(guò)酉變換矩陣仏對(duì)協(xié)方差矩陣G進(jìn)行酉變換得矩陣S1;S5利用步驟S4得到的矩陣Si構(gòu)造對(duì)角矩陣 相似變換得到矩陣Υ1:S6根據(jù)步驟S5得到的矩陣S' ^導(dǎo)到每個(gè)子載波對(duì)應(yīng)的k個(gè)判決準(zhǔn)測(cè)表達(dá)式：其中，k=l，2，···，Nr-l ;將(Nsubcarrier-1 )個(gè)子載波的k個(gè)表達(dá)式累和可得：S7判決發(fā)射機(jī)的發(fā)射天線數(shù)目：MGDE(k)按照k由小到大依次取值，MGDE(k)取第一個(gè)非 正值時(shí)對(duì)應(yīng)的k值減1估計(jì)為發(fā)射天線數(shù)目&，即/?% = -1 =2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于矩陣蓋爾圓的發(fā)射天線數(shù)目盲估計(jì)方法，其特征在于，步 驟S1的具體方法為： 偵聽(tīng)機(jī)對(duì)接收到的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行OFDM解調(diào)，得到頻域接收信號(hào)，并對(duì)頻域接收信號(hào)進(jìn) 行重米樣，取出Nr根接收天線上第n傾OFDM信號(hào)的第i個(gè)子載波y(+?，0 = [/(叫>2(β，0,…,/^^·(>α.丨」'》構(gòu) 造 Nr X Nf rame 維接收信號(hào)矩陣 Yi = [y(l，i)，y(2，i)，...，y( Nf rame，i) ]，1 彡 η 彡 Nf 道e 〇3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于矩陣蓋爾圓的發(fā)射天線數(shù)目盲估計(jì)方法，其特征在于，步 驟S2中，V ,協(xié)方差矩陣計(jì)算如下：其中（·）H表示共輒轉(zhuǎn)置。
【文檔編號(hào)】H04B7/04GK106059639SQ201610454204
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年6月21日
【發(fā)明人】李勇朝, 李濤, 高明君, 張海林
【申請(qǐng)人】西安電子科技大學(xué)