专利名称：一种高精度无线信道参数化模型的联合估计方法
技术领域：
本发明涉及电波传播、无线通信技术领域。尤其涉及应用于无线通信信道测 量建模的一种高精度无线信道参数化测试模型的联合估计方法。
背景技术：
信道建模的方法一般分为三大类 一是理想的统计模型，其一般假设衰落信 道是独立同分布的复高斯信道，在丰富散射物的场景下对信道容量进行理论分析 一般采用这种模型，比如高斯广义平稳非相关才莫型、Saleh-Valenzuela统计模 型。二是通过建立无线信道中的散射体几何分布，采用射线跟踪等方法来研究建 模，如圆环分布牙莫型、Gesbert的双Rayleigh矢量信道才莫型、Von Mises角度 分布模型、双环模型、三环模型，以及典型3GPP SCM/SCME模型。但是实际无线 传播环境远比模拟建立的散射环境复杂得多，所以第三类建模方法基于实测的 信道参数化建模方法，能够获得更加接近于真实环境的无线信道模型，具有广泛 的应用价值。该方法基于对无线信道冲激响应的时-频-空高精度测量，利用时延 —功率谱等信道物理特性建立信道模型数学表达式，然后采用参数估计方法从大
量观测数据中提取信道模型参数。
参数估计方法是基于实测的信道参数化建模中重要的关键技术，总体上可以 为三类空间估计(spectral estimation )、基于子空间的参凄K匕估计 (parametric subspace-based estimation (PSBE))、 确定参数估计 (deterministic parametric estimation (DPE))。在第一类空间估计中值得一 提的是MUSIC (multiple signal classification)算法。ESPRIT (estimation of signal parameter via rotational invariance techniques )和Unitary ESPRIT算法属于子空间的参数化估计技术。这三中算法最先被发展用作反射径 的方位角估计。在确定参数估计方法中，具有代表型的就是最大化期望 (expectation-maximization (EM))算法，曾被用作反射径的时延或是方位角
5的估计。SAGE (space-alternating generalized EM)算法是EM算法的扩展， 由于其算法非常灵活，计算复杂度低，收敛速度快，同时不局限于使用的天线阵 列和阵元个数，所以SAGE算法在传统信道测量建;f莫中的到了广泛的应用。
但是，将上述信道测量建模方法应用到宽带信道测试模型时，特别是在具有 丰富散射条件的城市热点地区场景下，由于忽略了漫散射电波传播分量作用的影 响，对于反射电波传播分量的估计存在一定误差，这将导致对宽带信道沖激响应 参数估计不准确，或者因漫散射分量引发的高密度径之间的相关性而失效。
请参照
图1所示，图中曲线描述的是实测的J成市热点地区100MHz带宽信道 冲激响应结果，离散的直线表示采用仅考虑反射径的信道^f莫型估计的冲激响应， 其中反射径的作用明显。虽然估计的反射径以多达几十条，仍旧不能描述图中由 于漫散射引起的实测信道冲激响应连续的能量分布现象，并且在估计的反射径的 冲激响应中，也叠加了漫散作用的影响，所以估计的幅度和实际幅度相差较大。 由此可见，仅考虑到离散的反射径的冲激响应信道模型不仅已经不足以描述宽带 信道的特性。
现有对无线信道^t型参数估计方法，例如MUSIC算法、ESPRIT算法、EM算法、 SAGE算法等等，在无线信道模型惨忽视估计过程中忽略了漫散射电波传播分量的 影响，致使无线宽带信道建模精确度受到影响，严重情况下算法本身会失效，因 此，不太适合散射丰富的城市热点地区的宽带信道测试与建模应用。
鉴于此，现提出一种基于实测的无线通信信道参数化模型的估计方法，利用 "负反馈，，结构对无线通信信道冲激响应中混叠在一起的电波传播分量进行分析 估计。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种高精度无线信道参数化模型的联合 估计方法，用于解决无线通信信道冲激响应中混叠的两种分量联合估计问题，使 得每一种分量的估计更为准确。
为解决上述技术问题，本发明釆用如下技术方案 一种高精度无线信道参数化模型的联合估计方法，该方法包括以下循环迭代步骤
1) 将原始观测信号(a)叠加上重建的漫散射信号分量的负反馈(g)，获得 待估计的反射信号分量(b);
2) 反射径分量参数估计；
对输入的反射信号分量(b )运用参数估计算法，进行反射径沖激响应参 数估计，输出估计的反射径分量参数集('c);
3) 反射信号分量重建；
利用输入估计的反射径分量参数集(c)重建反射信号分量，输出重建的 反射信号分量(d );
4) 将原始观测信号(a)叠加上重建的反射信号分量的负反馈(d)，获得待 估计的漫散射信号分量(e);
5) 漫散射径分量参数估计；
对输入的漫散射信号分量(e )运用参数估计算法，估计漫散射径冲激响 应参数，统计其时域的幅度统计分布，输出漫散射径冲激响应分量估计的时 域统计参数集(f );
6) 漫散射信号分量重建；
利用输入的漫散射径冲激响应分量估计的时域统计参数集(f ),预测时 域漫散射信号分量，输出为(g);
7) 重复步骤1 )至步骤6 ),直至估计的无线通信信道模型参数收敛至理想值， 输出无线信道模型参数(p);
本发明中采用反射径分量参数估计的输出，通过反射信号分量重建，负反4t 到漫散射径分量参数估计的输入；漫散射径分量参数估计的输出，通过漫散射信 号分量统计预测重建，负反馈到反射径分量参数估计的输入；通过这种"蝶形负 反馈"交叉迭代机制，两个参数估计器的输出端自洽地估计出信道模型独立分量 各自的参数，从而提高了宽带无线信道参数化模型的分辨精度。本发明可应用于 WIMAX、 LTE、 B3G、 4G、 UWB、 DYB等宽带无线通信系统、数字广播系统等的高精 度信道测试与建模。附闺说明
图1为现有仅考虑到离散的反射径的冲激响应信道模型中一次实测的100MHz 带宽信道沖激响应；
图2为本发明"蝶形负反冲贵"独立分量参数联合估计结构图3为本发明多个独立分量的"蝶形负反馈"独立分量参数联合估计结构
图4为本发明具体实施例结构框图5为本发明中100MHz宽带实测信道冲激响应；
图6为本发明中漫散射径的冲激响应分量；
图7为本发明中反射径的冲激响应分量；
图8为本发明中漫散射径的冲激响应分量。
主要元件符号说明
a原始观测信号 b 反射信号分量
c反射径估计出的参数集d 重建的反射信号分量 e漫散射信号分量 f 漫散射经冲激响应分量估计的时域
统计参数集
g重建的漫散射信号分量p 无线信道模型参数
具体实施例方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施步骤。 一种高精度无线信道参数化模型的联合估计方法，用于解决无线通信信道沖 激响应中混叠的两种分量联合估计问题。包括如下具体步骤
1) 将原始观测信号(a)叠加上重建的漫散射信号分量的负反馈(g),获得 待估计的反射信号分量(b);
2) 反射径分量参数估计； '
对输入的反射信号分量(b )运用参数估计算法，进行反射径冲激响应参 数估计，输出估计的反射径分量参数集(c);
83) 反射信号分量重建；
利用输入估计的反射径分量参数集(C)重建反射信号分量，输出重建的
反射信号分量(d);
4) 将原始观测信号(a)叠加上重建的反射信号分量的负反馈(d),获得待 估计的漫散射信号分量(e);
5) 漫散射径分量参数估计；
对输入的漫散射信号分量(e )运用参数估计算法，估计漫散射径沖激响 应参数，统计其时域的幅度统计分布，输出漫散射径冲激响应分量估计的时 域统计参数集(f );
6) 漫散射信号分量重建；
利用输入的漫散射径沖激响应分量估计的时域统计参数集(f)，预测时 域漫散射信号分量，输出为(g);
7) 重复步骤1 )至步骤6 )，直至估计的无线通信信道模型参数收敛至理想值， 输出无线信道模型参数(p);
本发明方法步骤1)和步骤4 )中，利用上一次迭代估计出两个分量互为对 方的负反馈，形成"蝶形负反馈"结构，解决了原始观察信号中混叠的两个独立 分量的联合估计问题，使得两个分量估计的结杲都更为准确。
本发明方法步骤2)中利用反射信号分量对反射径进行参数估计，运用基于 最大似然估计算法的迭代估计能取得较好的效果，为了减小计算复杂度，通常采 用SAGE算法，引入缺失空间轮流迭代来实现。
本发明方法步骤5)中利用漫散射信号分量对漫散射经参数进行估计，同样 应用SAGE算法对其每个时间分辨间隔内的幅度这一个参数进行估计。完成对一 次的样本完整的估计后，在时域统计估计其时延-幅度的分布关系，获得其时域 统计分布参数，这样在保障估计精度的同时，步骤1)和步骤6)中计算量大大 减小。
本发明方法在迭代的初始化时，可以令负反馈分量为零，利用原始信号直接 进行步骤2 )的估计。
本发明中，分离估计的独立成分不仅仅局限于反射径和漫散射径，可以应用于其它电波传播机理。
本发明中，步骤(2):"对输入反射径信号分量运用参数估计算法，进行反 射径沖激响应参数估计。"在实施例中采用了 SAGE算法具体实现。该步骤可以由 其他参数估计算法MUSIC算法、ESPRIT算法、Unitary ESPRIT算法、EM算法 代替实现该步骤功能。
本发明中，步骤(6):"利用输入的漫散射经冲激响应分量估计的时域统计 参数集，预测时域漫散射信号分量。"在实施例中采用均值预测的方法实现。该 步骤可以采用其他预测方法，例如二次方预测、三次方预测。
本发明中，以分离两个独立成分为例，还可以扩展为多个独立成分的联合估 计，如图3所示。
本发明基于独立分量联合估计实现高精度的宽带无线信道参数化建^t,并通 过"蝶形负反馈"结构的交叉迭代机制，在两个并行的参数估计器输出端自洽 地估计出两种独立分量的信道模型各自的参数；反射径分量参数估计包括计算每 个反射径缺失空间，估计反射径参数，迭代更新直至收敛；漫散射径分量参数估 计包括计算每个漫散射径缺失空间，估计漫散射径参数，迭代更新直至收敛；将 反射径分量参数估计的输出信号，通过输入巻积运算重构反射径信号，并将其负 反馈到漫散射径参数估计的输入端；将漫散射径分量参数估计的输出信号，通过 统计均值预测重构漫散射信号，并将其负反馈到反射径参数估计的输入端；迭代 的初始化时，令负反馈分量为零，利用经过预处理的原始测量数据进行缺失空间 的初始化计算与参数估计。
具体的实现步骤
1)初始化
将原始信号进行预处理，初步去除噪声，滤除测量错误等无用信号。
A.反射径分量参数估计
1)利用已知原始观测量以及预测重建的漫散射径分量均值，估计^g^射径分 量样本，即原始观测量叠加上预测重建的漫散射径分量均值的负反馈。 2)已知上一次迭代估计的反射径参数矢量集&['-1]，根据SAGE算法原理
估计第Z条反射径的缺失空间样本。
103 ) 采用最大似然估计算法在缺失空间中联合估计第/条反射径参数。 重复步骤2)至3),完成丄条反射径的估计，获得本次迭代的反射径参数集
A、w。其中，下标^表示反射径，上标[z']表示第；次迭代，/为离散的反射径的 序号，Z为离散的反射径总数。
4 )
B. 反射径信号分量重建
5)利用估计获得的参数^'i，构建反射径信号的冲激响应，再通过和原 始发射信号的巻积运算，计算重建接收到的反射径信号分量。
C. 漫散射径分量参数估计
6) 利用在已知原始观测量和重建的接收反射径信号分量，估计漫散射 径分量样本为，即原始观测量叠加上重建的接收反射径信号分量 的负反馈。
7 ) 已知上一次迭代估计的漫散射径参数矢量集"，根据SAGE算法原 理，计算漫散射径在各时间间隔&内对应的漫散射径缺失空间样 本。
8) 采用最大似然估计算法在漫散射径缺失空间样本中估计漫散射径参 数
9) 重复步骤7)至8)循环估计完^个Ar内的累加漫散射径，获得本次 迭代的漫散射径参数矢量集&'],同时获得漫散射径冲激响应。
其中，下标^表示漫散射径，上标W表示第"欠迭代，Ar为最小时间分辨间 隔，W' Ar为沖激响应幅值大于在噪声门限的持续时间，^为该持续时间细分为 Ar的个数。
D. 漫散射信号分量均值预测
10) 利用最小二乘法估计漫散射径幅度的统计参数，利用估计获得的参 数《'1，构建预测漫散射径冲激响应分量均值预测，再通过和原始发射信 号的巻积运算，计算接收到漫散射信号分量的均值预测。
E. 双迭代
11)迭代1 )至10 )步骤，对漫散射径分量和反射径分量计算，直至收
ii敛。
如图5所示为4*106个样本点的100MHz宽带无线信道测量实测教:据，/人1000 个沖激响应快照中，可以观察到在相对时延为3000ns、 5500ns和6500ns处分别 有明显的反射径存在。图6为采用本发明的方法，去除反射径后的噪声环境中漫 散射径的冲激响应，可以观察出其幅度随时延呈现统计衰落。图7，图8分别为 采用本发明的方法估计出的反射径分量和漫散射径分量的参数化模型，这两者的 叠加准确地描述了宽带无线信道完整的冲激响应。
本发明可以用于无线信道建才莫估计领域，以从实测的信道测量数据中获得高 精度的信道模型。本发明通过"蝶形负反馈"联合估计方法解决了如何从接收到 的噪声环境下的观测量中估计出无线通信信道沖激响应中混叠的独立分量参数 问题，使得每一种分量的估计结果更为准确，从而提高了无线信道参数化模型的 精度。本发明特别适用于宽带无线通信信道冲激响应参数化模型的精确估计，应 用于WIMAX、 LTE、 B3G、 4G、 UWB、 DVB等无线应用的高精度信道建模。
上述实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。任何不脱离本发明精神 和范围的技术方案均应涵盖在本发明的专利申请范围当中。
权利要求
1.一种高精度无线信道参数化模型的联合估计方法，其特征在于，该方法包括以下循环迭代步骤1)将原始观测信号(a)叠加上重建的漫散射信号分量的负反馈(g)，获得待估计的反射信号分量(b)；2)反射径分量参数估计；对输入的反射信号分量(b)运用参数估计算法，进行反射径冲激响应参数估计，输出估计的反射径分量参数集(c)；3)反射信号分量重建；利用输入估计的反射径分量参数集(c)重建反射信号分量，输出重建的反射信号分量(d)；4)将原始观测信号(a)叠加上重建的反射信号分量的负反馈(d)，获得待估计的漫散射信号分量(e)；5)漫散射径分量参数估计；对输入的漫散射信号分量(e)运用参数估计算法，估计漫散射径冲激响应参数，统计其时域的幅度统计分布，输出漫散射径冲激响应分量估计的时域统计参数集(f)；6)漫散射信号分量重建；利用输入的漫散射径冲激响应分量估计的时域统计参数集(f)，预测时域漫散射信号分量，输出为(g)；7)重复步骤1)至步骤6)，直至估计的无线通信信道模型参数收敛至理想值，输出无线信道模型参数(p)；。
2.如权利要求1所述的一种高精度无线信道参数化模型的联合估计方法， 其特征在于，所述步骤2)中的反射径分量参数估计包括a.利用已知原始观测信号以及重建的漫散射径分量，估计反射径分量样本；b. 已知上一次迭代估计的反射径参数矢量集^['-1]，根据SAGE算法原理估计 第Z条反射径的缺失空间样本；c. 采用最大似然估计算法在缺失空间中联合估计第Z条反射径参数；d.重复步骤b)至c)，完成i条反射径的估计，获得本次迭代的反射径参其中，下标々表示反射径，上标[/]表示第z次迭代，/为离散的反射径的序 号，丄为离散的反射径总数。
3. 如权利要求1所述的一种高精度无线信道参数化模型的联合估计方法， 其特征在于，所述步骤3 )中的反射信号分量重建包括利用估计获得的参数3/J, 构建反射径信号的冲激响应，再通过和原始发射信号的巻积运算，计算重建接收 到的反射信号分量；其中，下标々表示反射径，上标[/]表示第/次迭代。
4. 如权利要求1所述的一种高精度无线信道参数化模型的联合估计方法， 其特征在于，所述步骤5)中的漫散射径分量参数估计包括A. 利用在已知原始观测信号和重建的反射信号分量，估计漫散射径分量样本；B. 已知上一次迭代估计的漫散射径参数矢量集&'-",根据SAGE算法原理， 计算漫散射径在各时间间隔&内对应的漫散射径缺失空间样本；C. 采用最大似然估计算法在漫散射径缺失空间样本中估计漫散射径参数；D. 重复步骤B)至C)循环估计完^个Ar内的累加漫散射径，获得本次迭 代的漫散射径参数矢量集4"，同时获得漫散射径冲激响应；其中，下标w表示漫散射径，上标[/]表示第!'次迭代，Ar为最小时间分辨间 隔，iV.Ar为冲激响应幅值大于在噪声门限的持续时间，^为该持续时间细分为 Ar的个数。
5. 如权利要求1所述的一种高精度无线信道参数化模型的联合估计方法，其 特征在于，所述步骤6)中的漫散射信号分量重建包括利用最小二乘法估计漫 散射径幅度的统计参数，利用估计获得的参数&'1，构建漫散射径冲激响应分量 均值预测，再通过和原始发射信号的巻积运算，计算接收到漫散射信号分量的均 值预测；其中，下标M表示漫散射径，上标[/]表示第,'次迭代。
6. 如权利要求1所述的一种高精度无线信道参数化模型的联合估计方法，其 特征在于，所述步骤2 )中的参数估计算法包括MUSIC算法、ESPRIT算法、Uni taryESPRIT算法或EM算法。
7.如权利要求1所述的一种高精度无线信道参数化模型的联合估计方法，其 特征在于，所述步骤6)中预测时域漫散射信号分量包括均值预测、二次方预测 或三次方预测。
全文摘要
本发明提出了一种高精度无线信道参数化模型的联合估计方法，其主要组成包括以下步骤反射径分量参数估计、漫散射径分量参数估计、反射信号分量重建、漫散射信号分量重建。反射径分量参数估计的输出，通过反射信号分量重建，负反馈到漫散射径分量参数估计的输入；漫散射径分量参数估计的输出，通过漫散射信号分量统计预测重建，负反馈到反射径分量参数估计的输入；通过这种“蝶形负反馈”交叉迭代机制，两个参数估计器的输出端自洽地估计出信道模型独立分量各自的参数，从而提高了宽带无线信道参数化模型的分辨精度。本发明可应用于WIMAX、LTE、B3G、4G、UWB、DVB等宽带无线通信系统、数字广播系统等的高精度信道测试与建模。
文档编号H04L25/02GK101588328SQ20091005464
公开日2009年11月25日 申请日期2009年7月10日 优先权日2009年7月10日
发明者李颖哲, 萍 王 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所