一种针对多径衰落的电磁波频谱选择方法和装置与流程

[0001]
本发明涉及无线通信网络领域，特别是涉及一种基于二分寻根算法的针对多径衰落的电磁波频谱选择方法和装置。


背景技术：

[0002]
电磁信号在发射机和接收机之间进行传播时，由于电磁信号在空间中传播会存在反射、绕射、衍射等，因此造成信号并不总是沿着视线直线传播的，而是可以经过多条路径到达接收端，而每个信号分量的时延、衰落和相位都不相同，会导致接收信号呈衰落状态，进而引起信号失真，甚至产生严重错误。
[0003]
无论是军用还是民用通信领域，都希望能够避免多径衰落的发生。然而，完全避免是有违自然规则的。目前的解决方案是通过无线电频谱管理来减轻这一现象所带来负面影响。无线电频谱管理通过对不同频率下多径传播的电磁信号的损耗情况进行分析，提取出损耗最小或者通信系统可接受的损耗的频段区间，再将这些频段进行科学的管理与合理的分配，实现对多径衰落的有效抑制。
[0004]
在移动通信迅猛发展的今天，如何快速分析已有的电磁信号损耗模型，高效提取可以使用的频段，为频谱管理系统提供重要数据参考，是目前需要解决的问题。


技术实现要素：

[0005]
有鉴于此，本发明提供一种针对多径衰落的电磁波频谱选择方法和装置，主要用于快速分析出多径传播情况下多径衰落引起的电磁信号损耗较小的频段，为频谱管理系统提供数据参考。并且该方法计算简单可靠，占用系统计算资源少。
[0006]
根据本申请的一个方面，提供了一种针对多径衰落的电磁波频谱选择方法，包括：设置一最大信道损耗允许值；
[0007]
一阶求导步骤，对电磁信号信道损耗值与频率的关系函数f(x)进行一阶求导，得到f
′
(x)；其中x为频率，f(x)为该频率对应的信道损耗值；
[0008]
获取最低损耗频率组步骤，对电磁信号频率进行采样，得到频率升序序列a1，a2......a
i
；对所述频率升序序列a1，a2......a
i
按照由小到大的顺序逐一代入所述f
′
(x)，计算f
′
(a
n
)，获取所有符合f
′
(a
n
)＞0且f
′
(a
n+1
)＜0的频率a
n
，为最低损耗频率组，记为a
n1
，a
n2
......a
nk
；
[0009]
获取第一初始参数步骤，从所述最低损耗频率组中选择频率a
nm
，所述频率a
nm
满足f(a
nm
)＜所述最大信道损耗允许值，设置所述频率a
nm
为基准频率，其中m为正整数，且m≤k；对所述频率升序序列按照a
nm
，a
nm-1
......a1由大到小的顺序逐一计算f(a
n
)，获取满足(f(a
nj+1
)-所述最大信道损耗允许值)
×
(f(a
nj
)-所述最大信道损耗允许值)＜0的频率a
nj
为所述第一初始参数；
[0010]
获取第二初始参数步骤，对所述频率升序序列按照a
nm
，a
nm+1
......a
i
由小到大的顺序逐一计算f(a
n
)，获取满足(f(a
nq-1
)-所述最大信道损耗允许值)
×
(f(a
nq
)-所述最大信
道损耗允许值)＜0的频率a
nq
为所述第二初始参数；
[0011]
二分寻根法步骤，配置一最大精度误差值；以所述基准频率a
nm
和所述第一初始参数a
ni
为二分寻根法的初值，通过使用二分寻根法迭代计算获取满足f(x
0a
)-所述最大信道损耗允许值≤所述最大精度误差值的第一端值x
0a
；以所述基准频率a
nm
和所述第二初始参数a
nq
为二分寻根法的初值，通过使用二分寻根法迭代计算获取满足f(x
0b
)-所述最大信道损耗允许值≤所述最大精度误差值的第二端值x
0b
；得到符合所述最大信道损耗允许值的频率区间为[x
0a
，x
0b
]；
[0012]
重复上述获取第一初始参数步骤、获取第二初始参数步骤和二分寻根法步骤，遍历所述最低损耗频率组，获得所有符合所述最大信道损耗允许值的频率区间。
[0013]
作为本发明实施方式的进一步的改进，所述二分寻根法步骤还设置有最大迭代次数，当二分寻根法计算迭代次数达到所述最大迭代次数时，停止所述二分寻根法迭代计算。
[0014]
作为本发明实施方式的进一步的改进，所述获取最低损耗频率组步骤还包括储存所述最低损耗频率组a
n1
，a
n2
......a
nk
，及所述最低损耗频率组a
n1
，a
n2
......a
nk
所对应的信道损耗值组f(a
n1
)，f(a
n2
)......f(a
nk
)。
[0015]
根据本申请的一个方面，提供了一种针对多径衰落的电磁波频谱选择装置，包括：设置一最大信道损耗允许值；
[0016]
一阶求导模块，对电磁信号信道损耗值与频率的关系函数f(x)进行一阶求导，得到f
′
(x)；其中x为频率，f(x)为该频率对应的信道损耗值；
[0017]
获取最低损耗频率组模块，对电磁信号频率进行采样，得到频率升序序列a1，a2......a
i
；对所述频率升序序列a1，a2......a
i
按照由小到大的顺序逐一代入从所述一阶求导模块中获得的所述f
′
(x)，计算f
′
(a
n
)，获取所有符合f
′
(a
n
)＞0且f
′
(a
n+1
)＜0的频率a
n
为最低损耗频率组，记为a
n1
，a
n2
......a
nk
；
[0018]
获取第一初始参数模块，从所述获取最低损耗频率组模块中取得所述最低损耗频率组与所述频率升序序列，从所述最低损耗频率组中选择频率a
nm
，所述频率a
nm
满足f(a
nm
)＜所述最大信道损耗允许值，设置所述频率a
nm
为基准频率，其中m为正整数，且m≤k；对所述频率升序序列按照a
nm
，a
nm-1
......a1由大到小的顺序逐一计算f(a
n
)，获取满足(f(a
nj+1
)一所述最大信道损耗允许值)
×
(f(a
nj
)-所述最大信道损耗允许值)＜0的频率a
nj
为所述第一初始参数；
[0019]
获取第二初始参数模块，从所述获取最低损耗频率组模块中取得所述最低损耗频率组与所述频率升序序列，从所述第一初始参数模块中获取所述基准频率a
nm
，对所述频率升序序列按照a
nm
，a
nm+1
......a
i
由小到大的顺序逐一计算f(a
n
)，获取满足(f(a
nq-1
)-所述最大信道损耗允许值)
×
(f(a
nq
)-所述最大信道损耗允许值)＜0的频率a
nq
为所述第二初始参数；
[0020]
二分寻根法模块，从所述第一初始参数模块获取所述第一初始参数a
nj
，从所述第二初始参数模块获取所述第二初始参数a
nq
；配置最大精度误差值；以所述基准频率a
nm
和所述第一初始参数a
nj
为二分寻根法的初值，通过使用二分寻根法迭代计算获取满足f(x
0a
)-所述最大信道损耗允许值≤所述最大精度误差值的第一端值x
0a
；以所述基准频率a
nm
和所述第二初始参数a
nq
为二分寻根法的初值，通过使用二分寻根法迭代计算获取满足f(x
0b
)-所述最大信道损耗允许值≤所述最大精度误差值的第二端值x
0b
；得到符合所述最大信道损
耗允许值的频率区间为[x
0a
，x
0b
]；
[0021]
重复上述获取第一初始参数模块、获取第二初始参数模块和二分寻根法模块，遍历所述最低损耗频率组，获得所有符合所述最大信道损耗允许值的频率区间。
[0022]
作为本发明实施方式的进一步的改进，所述二分寻根法模块中还设置有最大迭代次数，当二分寻根法计算迭代次数达到所述最大迭代次数时，停止所述二分寻根法迭代计算。
[0023]
作为本发明实施方式的进一步的改进，所述获取最低损耗频率组模块中还包括储存模块，用于存储所述最低损耗频率组a
n1
，a
n2
......a
nk
，及所述最低损耗频率组a
n1
，a
n2
......a
nk
所对应的信道损耗值组f(a
n1
)，f(a
n2
)......f(a
nk
)。
[0024]
本发明的有益效果包括：
[0025]
(1)采用二分寻根算法与信道衰减曲线一阶求导相结合的方法，能够有效克服传统二分寻根算法可能出现的算法耗时过长、局部取优甚至无法收敛等问题，进而能够快速分析出多径衰落引起的电磁信号损耗较小的频段。计算快速可靠，占用计算机资源少。
[0026]
(2)将最低损耗及其对应的频率进行了储存，由于相同的信道条件下最低损耗及其对应频率的计算结果是一致的，储存后，需要时即可进行调用，减少重复计算的工作。
[0027]
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
[0028]
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
[0029]
图1示出了本发明的一种针对多径衰落的电磁波频谱选择方法中一示例电磁波双路径传播模型的电磁信号信道损耗与频率的关系函数图；
[0030]
图2示出了本发明的一种针对多径衰落的电磁波频谱选择方法中一示例电磁波双路径传播模型的最低损耗频率组示意图；
[0031]
图3示出了本发明提供的一种针对多径衰落的电磁波频谱选择方法中一示例电磁波双路径传播模型满足最大信道损耗允许值条件的频率区间示意图；
[0032]
图4示出了电磁波频谱选择方法中传统的二分寻根法原理示意图；
[0033]
图5示出了电磁波频谱选择方法中传统的二分寻根法流程图；
[0034]
图6示出了本发明提供的一种针对多径衰落的电磁波频谱选择方法的总体流程图。
具体实施方式
[0035]
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0036]
可以理解的是，本发明的说明书和权利要求书及附图中的方法及装置中的相关特征可以相互参考。另外，本发明的说明书和权利要求书及附图中的“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
[0037]
首先，在对本发明实施例进行描述的过程中出现的部分名词或者术语适用于如下解释：
[0038]
frequency：频率，单位ghz。
[0039]
channel loss：信道损耗值，单位db。
[0040]
本发明采用二分寻根算法与信道衰减曲线一阶求导相结合的方法，能够快速分析出多径衰落引起的电磁信号损耗较小的频段，为频谱管理系统提供数据参考。
[0041]
实施例1
[0042]
二分寻根法的主要思路是通过给定两个初始值a和b，使f(a)
×
f(b)＜0。参见图4二分寻根法原理示意图，可以看到如果f(x)是连续的，则必然在(a，b)内存在一个值x0，使f(x0)＜0或者小于一个给定的精度误差。从图5二分寻根法详细流程图可以看到二分寻根法的步骤如下：计算z0＝(a+b)
÷
2，如果f(x0)＝0或者小于一个预设最大精度误差值tol，则直接返回x0，否则继续进行迭代。规则：若f(a)
×
f(x0)＜0，则令b＝x0，否则令a＝x0。进一步的，还可以设置迭代次数nmax为最大的迭代次数，图5中i表示迭代的序数，当迭代次数已经达到最大迭代次数nmax时，停止迭代，直接返回x0。需要注意的是，二分求根算法对初值a和b的选取很重要，不合适的初值可能造成二分求根算法耗时过长、局部取优甚至无法收敛等问题。电磁信号的信道损耗与频率之间的关系并不是单调递增或递减，而由一段段的下凸曲线组成。如果直接使用传统的二分寻根算法，初值a和b是不容易判断的，因此本发明在运用传统的二分寻根算法之前引入求一阶导数的方式。
[0043]
1：一阶求导步骤
[0044]
电磁波信号在多路径传播时，电磁信号信道损耗与频率之间的关系并不是单纯的一段下凸曲线。为了便于说明，本实施例以一个典型的电磁波双路径传播模型为例，图1示出了一个典型电磁波双路径传播模型中电磁信号信道损耗与频率的关系函数图，本实施例模型中基站天线架高为50米，移动终端天线架高为1.5米，收发天线相隔距离为500米。从图1可以看出，双路径传播条件下，电磁信号的信道损耗与频率之间的关系并不是单调递增或递减，而由一段段的下凸曲线组成。常见的理论的双径衰减模型函数关系体现为多段下凸曲线，使用二分求根算法的关键点就在于如何快速有效地选取各段下凸曲线所对应的合适的初值a与初值b。
[0045]
图6示出了电磁波在双路径传播时，获取符合信道损耗条件的频率区间方法的总体流程图；
[0046]
本实施例中，如图6所示，先对电磁信号信道损耗与频率的关系函数进行一阶求导，对电磁信号信道损耗值与频率的关系函数f(x)进行一阶求导，得到f
′
(x)；其中x为频率，f(x)为该频率对应的信道损耗值；接着对频点进行逐一扫描。显然地，下凸曲线的最低点即为函数一阶导数由负数变为正数的频点。利用这一性质，可以很快地筛选出各频率区间内损耗最低的点所对应的频率。
[0047]
2：获取最低损耗频率组步骤
[0048]
对电磁信号频率进行采样，得到频率升序序列a1，a2......a
i
；对频率升序序列a1，a2......a
i
按照由小到大的顺序逐一计算f
′
(a
n
)，获取所有符合f
′
(a
n
)＞0且f
′
(a
n+1
)＜0的频率a
n
为最低损耗频率组，记为a
n1
，a
n2
......a
nk
；
[0049]
图2示出了电磁波双路径传播情况下的最低损耗频率组示意图，本实施例中各频率区间内损耗最低的频率为：1.45ghz，其对应的信道损耗是83.85db；2.45ghz，其对应的信道损耗是88.43db；3.5ghz，其对应的信道损耗是91.38db；4.5ghz，其对应的信道损耗是93.57db；5.5ghz，其对应的信道损耗是95.32db。获取各频率区间内损耗最低的频率为最低损耗频率组，在本实施例中最低损耗频率组为(1.45ghz，2.45ghz，3.5ghz，4.5ghz，5.5ghz)
[0050]
返回参考图6，可以注意到，本发明的算法将最低损耗频率组以及其对应的损耗值进行了储存，这体现图6中存储{a
n
，f(a
n
)}。这是由于相同的信道条件下最低损耗及其对应频率的计算结果是一致的，储存后，需要时即可进行调用，减少重复计算的工作。
[0051]
3：获取第一初始参数步骤
[0052]
从最低损耗频率组中选择频率a
nm
，频率a
nm
满足f(a
nm
)＜最大信道损耗允许值l
ca
，设置频率a
nm
为基准频率，其中m为正整数，且m≤k；对频率升序序列a1，a2......a
i
按照a
nm
，a
nm-1
......a1由大到小的顺序逐一计算f(a
n
)，获取符合(f(a
nj+1
)-最大信道损耗允许值l
ca
)
×
(f(a
nj
)-最大信道损耗允许值l
ca
)＜0的频率a
nj
为第一初始参数；
[0053]
本实施例中预设通信系统所能承受的最大信道损耗允许值l
ca
为90db，首先，从上述最低损耗频率预选组中筛选出对应信道损耗小于最大信道损耗允许值l
ca
的频率，本实施例中符合要求的频率为1.45ghz和2.45ghz，它们所对应的信道损耗值为83.85db和88.43db，参见图2的左边两段下凸曲线。
[0054]
图3是一示例电磁波双路径传播模型满足最大信道损耗允许值条件的频率区间示意图，在本实施例提供的典型的电磁波双路径传播模型中，选择一个频率1.45ghz作为二分寻根法的其中一个初值a
nm
，以该频率为基准点，频率值由基准点开始递减，对于每个频点比较其所对应的信道损耗值与最大信道损耗允许值l
ca
的大小关系，找到第一个满足信道损耗值大于最大信道损耗允许值l
ca
的频率点，也就是满足(f(a
nj+1
)-l
ca
)
×
(f(a
nj
)-l
ca
)＜0的频率点作为二分寻根法的另一个初值a
nj
。
[0055]
4：获取第二初始参数步骤
[0056]
对频率升序序列按照a
nm
，a
nm+1
......a
i
由小到大的顺序逐一计算f(a
n
)，获取符合(f(a
nq-1
)-所述最大信道损耗允许值l
ca
)
×
(f(a
nq
)-所述最大信道损耗允许值l
ca
)＜0的频率a
nq
为第二初始参数；
[0057]
返回参考图3，在本实施例提供的典型的电磁波双路径传播模型中，在最低损耗频率组选择一个频率1.45ghz作为二分寻根法的其中一个初值a
nm
，以该频率为基准点，频率值由基准点开始递增，对于每个频点比较其所对应的信道损耗值与最大信道损耗允许值l
ca
的大小关系，找到第一个满足信道损耗值大于最大信道损耗允许值l
ca
的频率点，也就是满足(f(a
nq-1
)-l
ca
)
×
(f(a
nq
)-l
ca
)＜0的频率点作为二分寻根法的另一个初值a
nq
。
[0058]
5：二分寻根法步骤
[0059]
二分寻根法步骤，配置一最大精度误差值；以基准频率a
nm
和第一初始参数a
nj
为二分寻根法的初值a和b，通过使用二分寻根法迭代计算获取满足f(x
0a
)-最大信道损耗允许值
≤最大精度误差值的第一端值x
0a
；以基准频率a
nm
和第二初始参数a
nq
为二分寻根法的初值a和b，通过使用二分寻根法迭代计算获取满足f(x
0b
)-最大信道损耗允许值≤最大精度误差值的第二端值x
0b
；得到符合所述最大信道损耗允许值的频率区间为[x
0a
，x
0b
]。
[0060]
在二分寻根法步骤中，还可以设置有最大的迭代次数，当二分寻根法计算迭代次数达到所述最大迭代次数时，停止所述二分寻根法迭代计算，获取计算结果。设置合适的最大迭代次数可以有效提高二分寻根法的效率。返回参考图6，可以注意到最大迭代次数为nmax，二分寻根法的每次迭代计算之前判断是否超过最大迭代次数。
[0061]
在本实施例提供的典型的电磁波双路径传播模型中，以基准频率a
nm
＝1.45ghz和a
nj
作为二分寻根法的初值，使用二分寻根法迭代(总迭代次数不大于最大迭代次数)计算获取所对应的信道损耗值最接近最大信道损耗允许值l
ca
的一个频率x
0a
，满足f(x
0a
)-l
ca
≤最大精度误差值，频率x
0a
即为频率1.45ghz所属的一段下凸曲线中满足最大信道损耗允许值l
ca
＝90db的精确频率区间的左端点。
[0062]
以基准频率a
nm
＝1.45ghz和a
nq
作为二分寻根法的初值，使用二分寻根法迭代(总迭代次数不大于最大迭代次数)计算获取所对应的信道损耗值最接近最大信道损耗允许值l
ca
的一个频率x
0b
，频率x
0b
即为频率1.45ghz所属的一段下凸曲线中满足最大信道损耗允许值l
ca
＝90db的精确频率区间的右端点。
[0063]
6：重复以上获取第一初始参数步骤、获取第二初始参数步骤与二分寻根法步骤，遍历最低损耗频率组中的每个频率，就可以得到所有满足最大信道损耗允许值l
ca
的精确频率区间。
[0064]
返回参考图3，本实施例所提供的示例中，获取满足信道损耗条件的频率区间为[1.13ghz，1.80ghz]和[2.29ghz，2.66ghz]。
[0065]
本方法实施例采用双路径传播模型是为了描述的简洁与清晰，双路径以及多路径信号传播损耗模型由于环境、设备条件的不同是千变万化的，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，在其他双路径以及多路径信号传播损耗模型中可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再逐一分析。
[0066]
实施例2
[0067]
进一步的，作为对上述实施例所示方法的实现，本发明另一实施例还提供了一种针对多径衰落的电磁波频谱选择装置。该装置实施例与前述方法实施例对应，为便于阅读，本装置实施例不再对前述方法实施例中的细节内容进行逐一赘述，但应当明确，本实施例中的装置能够对应实现前述方法实施例中的全部内容。
[0068]
本实施例实现一种针对多径衰落的电磁波频谱选择装置，包括：
[0069]
一阶求导模块，对应于前述实施例1中一阶求导步骤；
[0070]
获取最低损耗频率组模块，对应于前述实施例1中获取最低损耗频率组步骤；
[0071]
获取第一初始参数模块，对应于前述实施例1中获取第一初始参数步骤；
[0072]
获取第二初始参数模块，对应于前述实施例1中获取第二初始参数步骤；
[0073]
二分寻根法模块，对应于前述实施例1中获取二分寻根法步骤；
[0074]
重复上述获取第一初始参数模块、获取第二初始参数模块和二分寻根法模块，遍历所述最低损耗频率组，获得所有符合所述最大信道损耗允许值的频率区间。
[0075]
在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备固有相关。
各种通用系统也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本发明也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本发明的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本发明的最佳实施方式。
[0076]
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。