基于矩阵盖尔圆的发射天线数目盲估计方法

文档序号:10675470阅读:230来源:国知局
基于矩阵盖尔圆的发射天线数目盲估计方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于矩阵盖尔圆的发射天线数目盲估计方法,在频率选择性衰落信道和存在剩余频偏的条件下,并且不利用导频等先验信息,实现了MIMO?OFDM系统发射天线数目的有效估计。主要包括:(1)构造相邻两个子载波的接收信号矩阵;(2)计算协方差矩阵;(3)构造酉变换矩阵;(4)进行酉相似变换;(5)构造判决准则表达式;(6)确定发射天线数目。本发明解决了在频率选择性衰落信道,低信噪比和存在剩余频偏的恶劣条件下,发射天线数目盲识别的问题。
【专利说明】
基于矩阵盖尔圆的发射天线数目盲估计方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种发射天线数目的估计方法,具体设及一种在频率选择性衰落信道 下的MIM〇-〇FDM(Multiple I吨ut Multiple 0u1:put-0;rthogonal Frequen巧 Division Multiplexing,多输入多输出-正交频分复用)系统的发射天线数目的估计方法,可用于存 在剩余频偏的情况下,通信信号盲识别和认知无线电,属于无线通信技术领域。
【背景技术】
[0002] 新一代无线通信系统的发展目标为更高的传输速率、更好的服务质量、更高的频 谱利用率。而在移动无线通信系统中,存在频谱资源紧张和高速数据传输容易引起信道频 率选择性衰落的问题,因此MIM0-0抑Μ技术成为下一代无线传输链路中的主要方案。在非合 作通信系统中,需要对MIM0-0FDM通信信号参数进行盲估计和识别,其中发射天线数目估计 是后续盲信道估计、盲编码方式识别和盲信号解调等关键技术的重要前提。
[0003] 发射天线数目估计算法大多由信源数目估计算法中引入,可分为模式选择法和假 设检验法。2007年,Oren somelch等人在MILC0M上发表的 "Detecting the Number of Transmit Antennas with Unauthorized or Cognitive Receivers in ΜΙΜΟ Systems''中 引入基于信息论准则的模式选择方法。2011年K.Hessan等人在;[TS Telecommunications 上发表的('Blind detection the number of the transmitting antennas for spatially-correlated ΜΙΜΟ systems"中引入基于PET(Predicted Eigenvalue 化reshold,预测特征值上限)的假设检验方法。运两种方法仅适用于平坦信道下的ΜΙΜΟ系 统。
[0004] 2008年,沃达丰移动通信的Eckhard Ohlmer等人在Vehicular Technology Conference发表的 "Algorithm for Detecting the Number of Transmit Antennas in MIMO-0抑M Systems"中采用导频序列并结合假设检验来估计天线数目的方法,该方法需要 建立在良好的同步基础上,同时需要导频信号是相互正交的,并且不同天线发射的导频信 号都是不同的码字类。
[0005] 但是,在频率选择性衰落信道和存在剩余频偏的条件下,并且不利用导频等先验 信息时,上述Ξ种方法均无法实现对MIM0-0抑Μ系统进行精确的发射天线数目盲估计。

【发明内容】

[0006] 针对现有技术的不足,本发明旨在提供一种基于矩阵盖尔圆的发射天线数目盲估 计方法,主要利用盖尔圆定理,通过对接收信号协方差矩阵进行酉变换实现发射天线数目 的估计,不利用导频等先验信息,能够适应一定的剩余频偏,具有很强的鲁棒性。
[0007] 为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
[000引基于矩阵盖尔圆的发射天线数目盲估计方法,包含至少一个发射机、至少一个接 收机和至少一个侦听机;发送信号采用0抑Μ调制方式,记一帖OFDM信号中有Nsubcarrier个子 载波,利用Nframe帖(FDM信号来进行估计;信道为频率选择性衰落的ΜΙΜΟ信道,记其多径数为 Lmultipath,时频同步后仍存在一定的剩余频偏;
[0009] 侦听机进行如下步骤:
[0010] S1侦听机根据时域接收信号,得到子载波让的NrXNframe维接收信号矩阵Yi(l《i 《化ubcarrier) ;Nr为侦听机的接收天线数目;
[0011] S2根据步骤S1得到的子载波i的接收信号矩阵Yi及其相邻子载波i + l的接收信号 矩阵Yw构造为Nr X 2化rame维矩阵r i = [ Yi,Yi+1 ],并计算r i协方差矩阵;
[0012] S3将协方差矩阵Cl写成分块矩阵的形式,即
其中Cli是Cl的 Nr-1阶顺序主子矩阵,Nr-1维列向量C的元素为协方差矩阵Ci最右边一列前Nr-1个元素,cH为 C的共辆转置,£或,巧.为。第Nr行、Nr列的元素;对矩阵Cli进行特征值分解得到酉变换矩阵 Uli;然后根据酉变换矩阵Uli得到酉变换矩阵
[0013] S4通过酉变换矩阵化对协方差矩阵Cl进行酉变换得矩阵Si:
[0014]
[001引55利用步骤54得到的矩阵5鴻造对角矩阵^二成口客(|,1/;,,1/2,。.,,八,_1,/;、一,,)拥51 进行相似变换得到矩阵S^l:
[0016]
[0017] S6根据步骤S5得到的矩阵S/菊至晦个子载波对应的k个判决准现懷达式:
[001 引
[001 9 ] 其中,k = 1,2,…,Nr-1 ;将(Nsubcarrier-1 )个子载波的k个表达式累和可得:
[0020]
[0021] S7判决发射机的发射天线数目:MGDE化)按照k由小到大依次取值,MGDE化)取第一 个非正值时对应的k值减1估计为发射天线数目,即二A…1。
[0022] 需要说明的是,步骤S1的具体方法为:
[0023] 侦听机对接收到的时域信号进行OFDM解调,得到频域接收信号,并对频域接收信号进 行重采样,取出Nr根接收天线上第η帖(FDM信号的第i个子载波y(知)=[y(?冻y令A...,卢(M订. 构造 Nr X Nframe 维接收信号矩阵Yi = [y(l,i),y(2,i),...,y (Nframe,i ) ],1《n《Nframe。
[0024] 需要说明的是,步骤S2中,Y^i协方差矩阵计算如下:
[0025]
[0026] 其中(·)H表示共辆转置。
[0027] 本发明的有益效果在于:
[0028] 1、在本发明的方法中,取相邻子载波构造协方差矩阵进而求解判决口限。相比于 之前采用单一子载波的方法,在小信噪比条件下提高了估计的可靠性。
[0029] 2、在本发明的方法中,构造判决准则表达式时,可W把丫 kPk看作检测统计量,把
昏作检测统计量的口限值,相比于传统盖尔圆人工设置口限值的方法, 运里的口限值可自适应k的变化,具有更强的鲁棒性,确保估计的可靠性,大幅度提高了估 计的实时性,适用于快衰落的通信场景。
[0030] 3、在本发明的方法中,通过在频域利用盖尔圆的方法,解决了频率选择性衰落信 道和存在剩余频偏的条件下,发射天线数目的盲估计难题。
【附图说明】
[0031] 图1是本发明的方法使用的系统模型示意图;
[0032] 图2是本发明的方法的流程图;
[0033] 图3是本发明的方法在不同信噪比下正确识别概率仿真效果图。
【具体实施方式】
[0034] W下将结合附图对本发明作进一步的描述,需要说明的是,本实施例W本技术方 案为前提,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围并不限于本实 施例。
[0035] 参照图1,本发明假设:使用的系统模型包括一个发射机、一个接收机和一个侦听 机,运里主要关注侦听机的设计。
[0036] 侦听机的天线数目Nr = 8,发射机的天线数目Nt = 2,0FDM的系统调制子载波数 化ubcarrier = 64,估计所利用的(FDM信号帖个数Nframe = 40,信道阶数为多径数力日1即L〇rder = Lmultipath+l - 5 〇
[0037]本发明进行发射天线数目盲估计的过程如图2所示,侦听机具体实现步骤如下: [003引步骤1,根据时域接收信号得到子载波让的接收信号矩阵Yi(l《i《化ubcarrier):
[0039] 对接收到的时域信号进行OFDM解调,得到频域接收信号,并对频域接收信号进行 重采样,取出Nr根接收天线上第n( l《n《Nframe)帖OFDM信号的第i个子载波
构造 Nr X Nframe维接收信号矩阵Yi = [y ( 1,i ), y(2,i),...,y( rame , i)];
[0040] 步骤2,计算协方差矩阵Ci(l《i《化ubcarrie广1):
[0041 ]根据相邻子载波上的接收信号矩阵Yi和Yi + 1构造为Nr X 2Nframe维矩阵Υ/ i= [Yi, Yw]。它的协方差矩阵表示3
庚中(·)H表示共辆转置;
[0042] 步骤3,构造酉变换矩阵Ui ( 1《i《化ubcarrie广1 ):
[0043] 将协方差矩阵Cl写成分块矩阵的形式,即
其中Ch是Cl的Nr-1 阶顺序主子矩阵,Nr-1维列向量C的元素为协方差矩阵Ci最右边一列前Nr-1个元素,cH为C的 共辆转置,CW,,.W,为Cl第Nr行、Nr列的元素。对矩阵Cli进行特征值分解得到酉变换矩阵Uli;然 后根据酉变换矩阵Uli得到酉变换矩阵
[0044] 步骤4,通过酉变换构造矩阵Si:
[0045] 利用矩阵化对协方差矩阵Cl进行酉变换得:
[0046]
[0047] 步骤5,对矩阵Si进行相似变换:
[004引由上式盖尔圆圆屯、构造对角矩阵尸二成(塔(^乃,72,…,7JVf_i、C、,vv^),对Si进行相似 变换,整理得:
[0049]
[0化日]步骤6,构造判决准则表达式:
[0051 ]每个子载波对应的k个判决准测表达式为:
[0化2]
[00对其中,k=l,2,…,Nr-1;将(Nsubcarrier-1)个子载波的k个表达式累和可得:
[0化4]
[0055] 步骤7,判决发射天线数目:
[0056] MGDE化)按照k由小到大依次取值,MGDE化)取第一个非正值时对应的k值减1估计 为发射天线数目,即或,=表-U
[0057] 本发明的方法所带来的有益效果可W通过W下仿真来进一步进行说明。
[005引一、仿真条件
[0059] 1个具有2天线的发射机,1个具有8天线的侦听机,OFDM调制子载波数为64。发射机 和侦听机之间的信道为频率选择性信道,信道阶数为5,剩余归一化频偏为0.005。并且假 设信道是块衰落的,在20帖OFDM符号的时间内信道保持不变。发射机采用VBLAST模式,发射 信号调制方式为4QAM。
[0060] 二、仿真内容及仿真结果
[0061] 仿真本发明的方法在不同信噪比条件下,发射天线数目正确估计的概率曲线。如 图3所示,本发明的方法可W实现有效估计,满足通信信号盲识别的工程要求。由此可见,本 发明的方法解决了在频率选择性衰落信道,低信噪比和存在剩余频偏的恶劣条件下,发射 天线数目盲识别的问题。
[0062] 本发明的方法可用于通信信号盲识别和认知无线电,也可W用于军事通信对抗的 场景。
[0063] 对于本领域的技术人员来说,可W根据W上的技术方案和构思,作出各种相应的 改变和变形,而所有的运些改变和变形都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。
【主权项】
1.基于矩阵盖尔圆的发射天线数目盲估计方法,其特征在于,包含至少一个发射机、至 少一个接收机和至少一个侦听机;发送信号采用OFDM调制方式,记一帧OFDM信号中有 Nsubcarrier个子载波,利用Nframe帧OFDM信号来进行估计;信道为频率选择性衰落的MM0信道, 记其多径数为Lmultipath,时频同步后仍存在一定的剩余频偏; 侦听机进行如下步骤: S1根据时域接收信号,得到子载波i上的NrXNframe维接收信号矩阵¥1(1<1< Nsubcarrier) ;Nr为侦听机的接收天线数目; S2根据步骤S1得到的子载波i的接收信号矩阵其相邻子载波i + Ι的接收信号矩阵 Yi+i构造为Nr X 2Nframe维矩阵r i = [ Yi,Yi+1 ],并计算Y' i协方差矩阵; S3将协方差矩阵Ci写成分块矩阵的形式,,其中Cli是Ci的Nr-1阶 顺序主子矩阵,Nr-1维列向量c的元素为协方差矩阵Q最右边一列前Nr-1个元素,c H为c的共 辄转置,为(^第队行、Nr列的元素;对矩阵Ch进行特征值分解得到酉变换矩阵Uh;然后 根据酉变换矩阵瓜^导到酉变换矩阵S4通过酉变换矩阵仏对协方差矩阵G进行酉变换得矩阵S1;S5利用步骤S4得到的矩阵Si构造对角矩阵 相似变换得到矩阵Υ1:S6根据步骤S5得到的矩阵S' ^导到每个子载波对应的k个判决准测表达式:其中,k=l,2,···,Nr-l ;将(Nsubcarrier-1 )个子载波的k个表达式累和可得:S7判决发射机的发射天线数目:MGDE(k)按照k由小到大依次取值,MGDE(k)取第一个非 正值时对应的k值减1估计为发射天线数目&,即/?% = -1 =2. 根据权利要求1所述的基于矩阵盖尔圆的发射天线数目盲估计方法,其特征在于,步 骤S1的具体方法为: 侦听机对接收到的时域信号进行OFDM解调,得到频域接收信号,并对频域接收信号进 行重米样,取出Nr根接收天线上第n倾OFDM信号的第i个子载波y(+?,0 = [/(叫>2(β,0,…,/^^·(>α.丨」'》构 造 Nr X Nf rame 维接收信号矩阵 Yi = [y(l,i),y(2,i),...,y( Nf rame,i) ],1 彡 η 彡 Nf 道e 〇3. 根据权利要求1所述的基于矩阵盖尔圆的发射天线数目盲估计方法,其特征在于,步 骤S2中,V ,协方差矩阵计算如下:其中(·)H表示共辄转置。
【文档编号】H04B7/04GK106059639SQ201610454204
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月21日
【发明人】李勇朝, 李涛, 高明君, 张海林
【申请人】西安电子科技大学
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