专利名称：宽带无线通信信道频域多维参数化模型及建模方法
技术领域：
本发明属于无线通信技术领域，涉及一种宽带无线通信信道频域多维参数化模型 及建模方法。
背景技术：
近年来，第四代移动通信系统朝着宽带的技术方向发展。国际电信联盟(ITU)定 义的IMT-Advanced系统带宽可达100MHz，并能够支持城市微蜂窝、城市宏蜂窝、宏蜂窝高 速移动、室内等多种无线场景。同时，国际WRC 07-11大会为全球发展无线移动通信业务协 商了丰富的频谱资源，为形成规模化产业奠定了良好的基础。但是，由于无线通信系统各 种空中接口物理层所处的频段、应用场景不同，无线信道的衰落特征也大相径庭，尤其表现 在时延、多普勒频移、空间相关性等对于新一代蜂窝移动通信系统，譬如LTE、B3G、4G等关 键技术性能的影响以MIM0-0FDM系统为例，研究与试验证明高精度的无线信道模型对于准 确预估实际环境下信道的真实容量十分重要，直接影响实际环境中该类通信设备的性能优 化；此外，利用高精度无线信道模型进行衰落仿真也是许多测试仪器或仿真仪器迫切需要 的。基于实测获取高精度多维参数化的信道模型的信号处理过程十分复杂。本发明旨 在通过高速、实时、连续测量采集的海量信道传播数据，快速、准确地估计时_空高精度信 道参数，建立简洁、有效、符合于真实环境的宽带无线通信信道模型，使其适合于通信设备 优化、信道测试设备、仿真设备等应用，为改善系统性能、提高网络优化的效率，带来巨大的 便利。在实际应用环境中进行无线传播特性测量是了解真实无线信道特征的最佳途径。 通常的测量方法可以分为时域采样测量与频域采样测量。实际应用需求通常集中在某一频 点附近的一定带宽内，希望带内的测量信号能量尽可能高且平坦，带外尽可能被抑制。时域 采样测量通常采用周期性地发射PN序列的方法，然而这种测量方法获得的信号能量在带 内有起伏、在频域带外泄露严重；频域采样测量通常采用在测量频带内发射多个子载波信 号，这样可以使带内测试信号能量平坦且充分抑制带外泄露。在获得实测信道数据后需要对数据进行分析，提取实测信道参数。目前的实测信 道参数估计方法总体上可以为三类空间估计、基于子空间的参数化估计、确定参数估计。 这些算法的实现一般都是针对时域采样数据在时域上实现的。如果获得的是频域采样数 据，需要预先将频域采样数据变换到时域。这中算法增加了数据处理的步骤和复杂度，而且 人为量化信道参数的时域精度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种宽带无线通信信道频域多维参数化建模 方法，该方法可以从实测信道数据中估计出无线信道特征参数、全面描述无线信道，满足对 信道建模的参数需求；
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此外，本发明还提供一种根据上述方法建立的宽带无线通信信道频域多维参数化 模型。为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。一种宽带无线通信信道频域多维参数化建模方法，其特征在于，所述建模方法包 括步骤一，利用无线通信信道测量的发射信号频域数据和无线通信信道测量的接收 信号频域采集数据计算获得信道的实时频域冲激响应；步骤二，根据需要的时-频-空域的多维参数构建信道估计匹配函数和频域参数 化模型；步骤三，利用所述信道估计匹配函数和频域参数化模型，从所述信道的实时频域 冲激响应中搜索出多径，并初始化每条多径的多维参数；步骤四，对于每条多径，利用所述信道的实时频域冲激响应和信道估计匹配函数 计算最大似然估计，并通过迭代估计获取每条多径的多维参数值；步骤五，若每条多径的多维参数值满足收敛条件，则停止迭代估计，输出每条多径 最终估计的多维参数值；否则返回步骤四。作为本发明的一种优选方案，所述每条多径的多维参数为时延参数、多普勒频移 参数、波束到达俯仰角、波束到达方位角、波束离开俯仰角、波束离开方位角、复幅度参数中 的部分参数或全部参数。所述步骤一的实现方法为无线通信信道测量的发射信号频域数据X(f)和无线 通信信道测量的接收信号频域采集数据Y(f)通过矩阵除法运算H(f) = Y(f)/X(f)获得 信道的实时频域冲激响应H(f)，其中f为所述宽带无线通信信道的测量带宽内的频率采样
点ο所述步骤二的实现方法为选取时延参数τ和复幅度参数α构建每条多径1的
信道估计匹配函数碍(/IbA^Aexpi^v/V,},其中f为所述宽带无线通信信道的测量
带宽内的频率采样点，τ χ为多径1的时延参数，α χ为多径1的复幅度参数；若多径总共有 L条，则无线通信信道的频域参数化模型为
L
权利要求
一种宽带无线通信信道频域多维参数化建模方法，其特征在于，所述建模方法包括步骤一，利用无线通信信道测量的发射信号频域数据和无线通信信道测量的接收信号频域采集数据计算获得信道的实时频域冲激响应；步骤二，根据需要的时 频 空域的多维参数构建信道估计匹配函数和频域参数化模型；步骤三，利用所述信道估计匹配函数和频域参数化模型，从所述信道的实时频域冲激响应中搜索出多径，并初始化每条多径的多维参数；步骤四，对于每条多径，利用所述信道的实时频域冲激响应和信道估计匹配函数计算最大似然估计，并通过迭代估计获取每条多径的多维参数值；步骤五，若每条多径的多维参数值满足收敛条件，则停止迭代估计，输出每条多径最终估计的多维参数值；否则返回步骤四。
2.根据权利要求1所述的宽带无线通信信道频域多维参数化建模方法，其特征在于 所述每条多径的多维参数为时延参数、多普勒频移参数、波束到达俯仰角、波束到达方位 角、波束离开俯仰角、波束离开方位角、复幅度参数中的部分参数或全部参数。
3.根据权利要求2所述的宽带无线通信信道频域多维参数化建模方法，其特征在于， 所述步骤一的实现方法为无线通信信道测量的发射信号频域数据X(f)和无线通信信道 测量的接收信号频域采集数据Y(f)通过矩阵除法运算H(f) =Y(f)/X(f)获得信道的实时 频域冲激响应H(f)，其中f为所述宽带无线通信信道的测量带宽内的频率采样点。
4.根据权利要求2所述的宽带无线通信信道频域多维参数化建模方法，其特征在于， 所述步骤二的实现方法为选取时延参数τ和复幅度参数α构建每条多径1的信道估计匹配函数射/…辟片^^邓丨厂；？/！^，其中^为所述宽带无线通信信道的测量带宽内 的频率采样点，T1为多径1的时延参数，Ci1为多径1的复幅度参数；若多径总共有L条， 则无线通信信道的频域参数化模型为
5.根据权利要求4所述的宽带无线通信信道频域多维参数化建模方法，其特征在于， 所述步骤三包括以下详细步骤步骤Al，根据所述无线通信信道的频域参数化模型，令多径1的复幅度参数Ci1归一， 时延参数τ χ为最大似然估计变量，利用所述信道的实时频域冲激响应作最大似然估计，获/m得多径1的时延参数初始化值；其中最大似然估计函数为G(r,)= JX/)··^/^)，其
6.根据权利要求5所述的宽带无线通信信道频域多维参数化建模方法，其特征在于， 所述步骤四包括以下详细步骤步骤Bi，根据所述无线通信信道的频域参数化模型，令待迭代估计的所有多径的多维 参数值为上一次迭代估计的结果值，如果为首次迭代，则令所述各估计参数值为步骤三输 出的相应初始化值，重构信道频域冲激响应，并将除本次需要迭代估计的多径外的其他多 径的重构信道频域冲激响应负反馈给信道的实时频域冲激响应，获得更新的信道的实时频 域冲激响应Hupdate (f)；步骤B2，根据所述无线通信信道的频域参数化模型，令待迭代估计的多径1的复幅度 参数Q1归一，多径1的时延参数、作为最大似然估计的变量，利用步骤Bl所述的更新的 测量信道的实时频域冲激响应Hupdate⑴作最大似然估计，获得本次迭代估计的多径1的时 延参数值；其中最大似然估计函数为
7.根据权利要求2所述的宽带无线通信信道频域多维参数化建模方法，其特征在于， 所述步骤二的实现方法为选取时延参数τ、复幅度参数α、多普勒频移参数V、波束到达 俯仰角θ 2、波束到达方位角Φ2、波束离开俯仰角Q1、波束离开方位角Φ”构建每条多径1 的信道估计匹配函数
8.根据权利要求7所述的宽带无线通信信道频域多维参数化建模方法，其特征在于， 所述步骤三包括以下详细步骤步骤Al’，根据所述无线通信信道的频域参数化模型，令多径1的复幅度参数α ！归一， 令多径1除时延参数τ χ和复幅度参数α χ之外的其他参数为0，以时延参数τ χ为最大似 然估计变量，利用所述信道的实时频域冲激响作最大似然估计，获得多径1的时延参数初 始化值；其中最大似然估计函数为所述信道的实时频域冲激响与相应的信道估计匹配函数 对应频点数据相乘后求和取模平方；步骤Α2’，根据所述无线通信信道的频域参数化模型，令多径1的复幅度参数α i归一， 令时延参数τ χ为步骤Al’估计的时延参数初始化值，令多径1除复幅度参数、时延参数和 多普勒频移参数之外的其他参数为0，以多径1的多普勒频移参数为最大似然估计变量，利 用所述信道的实时频域冲激响应作最大似然估计，获得多径的多普勒频移参数初始化值； 其中最大似然估计函数为所述信道的实时频域冲激响与相应的信道估计匹配函数对应频 点数据相乘后求和取模平方；步骤A3’，根据所述无线通信信道的频域参数化模型，令多径1的时延参数为步骤Al’ 估计的时延参数值，多普勒频移参数为步骤Α2’估计的多普勒频移参数值，复幅度参数归 一，令多径1除时延参数、多普勒频移参数、复幅度参数和波束到达方向矢量参数之外的其 他参数为0，以多径1的波束到达方向矢量参数为最大似然估计变量，利用所述信道的实时 频域冲激响应作最大似然估计，获得多径1的波束到达方向矢量参数初始化值；其中最大 似然估计函数为所述信道的实时频域冲激响与相应的信道估计匹配函数对应频点数据相 乘后求和取模平方；步骤Α4’，根据所述无线通信信道的频域参数化模型，令多径1的时延参数为步骤Al’ 估计的时延参数值、令多径1的多普勒频移参数为步骤Α2’估计的多普勒频移参数值、令多 径1的波束到达方向矢量为步骤A3’估计的波束到达方向矢量参数值，令多径1的复幅度 参数归一，以波束离开方向矢量参数为最大似然估计变量，利用所述信道的实时频域冲激 响应作最大似然估计，获得多径1的波束离开方向矢量参数初始化值；其中最大似然估计 函数为所述信道的实时频域冲激响与相应的信道估计匹配函数对应频点数据相乘后求和 取模平方；步骤Α5’，根据所述无线通信信道的频域参数化模型，令多径1的复幅度参数归一，采 用步骤Al’至Α4’估计的时延参数值、多普勒频移参数值、波束到达方向矢量参数值、波束 离开方向矢量参数值，重构信道频域冲激响应，并用重构后的信道频域冲激响应除以重构 前的信道频域冲激响应，获得多径1的复幅度参数初始化值；步骤Α6’，判断各参数值是否满足循环结束条件，如果满足条件则输出初始化参数结 果，如果不满足条件则继续进行步骤Α7’ ；循环结束条件是判断循环执行的次数是否等于 需要估计的多径数目；4步骤A7’，根据所述无线通信信道的频域参数化模型，采用步骤Al’至A5’估计的时延 参数值、多普勒频移参数值、波束到达方向矢量参数值、波束离开方向矢量参数值，复幅度 参数值重构信道频域冲激响应，并将重构后的信道频域冲击响应负反馈给信道的实时频域 冲激响应，获得更新的信道的实时频域冲激响应H(f)，返回步骤Al，。
9.根据权利要求7所述的宽带无线通信信道频域多维参数化建模方法，其特征在于， 所述步骤四包括以下详细步骤步骤ΒΓ，根据所述无线通信信道的频域参数化模型，令待迭代估计的所有多径的多维 参数值为上一次迭代估计的结果值，如果为首次迭代，则令所述各估计参数值为步骤三输 出的相应初始化值，重构信道频域冲激响应，并将除本次需要迭代估计的多径外的其他多 径的重构信道频域冲激响应负反馈给信道的实时频域冲激响应，获得更新的信道的实时频 域冲激响应Hupdate (f)；步骤B2’，根据所述无线通信信道的频域参数化模型，令待迭代估计的多径1除时延参 数外的各估计参数值为上一次迭代估计的结果值，如果为首次迭代，则令所述各估计参数 值为步骤三输出的相应初始化值，复幅度参数归一，以时延参数为最大似然估计变量，利用 所述更新的信道的实时频域冲激响应Hupdate (f)作最大似然估计，获得本次迭代估计的多径 1的时延参数值；其中最大似然估计函数为所述信道的实时频域冲激响与相应的信道估计 匹配函数对应频点数据相乘后求和取模平方；步骤B3’，根据所述无线通信信道的频域参数化模型，令待迭代估计的多径1除多普勒 频移参数外的各估计参数值为上一次迭代估计的结果值，如果为首次迭代，则令所述各估 计参数值为步骤三输出的相应初始化值，复幅度参数归一，以多普勒频移参数为最大似然 估计变量，利用所述更新的信道的实时频域冲激响应HupdatJf)作最大似然估计，获得本次 迭代估计的多径1的多普勒频移参数值；其中最大似然估计函数为所述信道的实时频域冲 激响与相应的信道估计匹配函数对应频点数据相乘后求和取模平方；步骤B4’，根据所述无线通信信道的频域参数化模型，令待迭代估计的多径1除波束 到达方向矢量参数外的各估计参数值为上一次迭代估计的结果值，如果为首次迭代，则令 所述各估计参数值为步骤三输出的相应初始化值，复幅度参数归一，以波束到达方向矢量 参数为最大似然估计变量，利用所述更新的信道的实时频域冲激响应Hupdate (f)作最大似然 估计，获得本次迭代估计的多径1的波束到达方向矢量参数值；其中最大似然估计函数为 所述信道的实时频域冲激响与相应的信道估计匹配函数对应频点数据相乘后求和取模平 方；步骤B5’，根据所述无线通信信道的频域参数化模型，令待迭代估计的多径1除波束 离开方向矢量参数外的各估计参数值为上一次迭代估计的结果值，如果为首次迭代，则令 所述各估计参数值为步骤三输出的相应初始化值，复幅度参数归一，以波束离开方向矢量 参数为最大似然估计变量，利用所述更新的信道的实时频域冲激响应Hupdate (f)作最大似然 估计，获得本次迭代估计的多径1的波束离开方向矢量参数值；其中最大似然估计函数为 所述信道的实时频域冲激响与相应的信道估计匹配函数对应频点数据相乘后求和取模平 方；步骤B6’，根据所述无线通信信道的频域参数化模型，采用步骤B2’至B5’估计的时延 参数值、多普勒频移参数值、波束到达方向矢量参数值、波束离开方向矢量参数值，令复幅度参数归一，重构信道频域冲激响应，并将重构后的信道频域冲激响应与所述更新的信道 的实时频域冲激响应Hupdate⑴相除，获得本次迭代估计的多径1的复幅度参数值；步骤B7’，判断是否满足收敛条件，如果满足收敛条件则输出多径1本次迭代的参数估 计结果；如果不满足条件则返回步骤B2’ ；所述收敛条件是判断各参数的迭代次数是否等于 需要估计的多径数目。
10. 一种宽带无线通信信道频域多维参数化模型，其特征在于，所述模型包括 利用无线通信信道测量的发射信号频域数据和无线通信信道测量的接收信号频域采 集数据计算获得信道的实时频域冲激响应的实测信道冲激响应生成模块；根据模型参数需求建立无线通信信道的频域参数化模型和信道估计匹配函数的频域 匹配建模模块；利用所述频域参数化模型和信道估计匹配函数从所述信道的实时频域冲激响应中搜 索出多径，并初始化每条多径的参数的频域多径搜索模块；对于每条多径，利用所述的实测信道频域冲激响应和信道估计匹配函数计算最大似然 估计，并通过迭代估计获取每条多径的多维参数值的频域模型参数迭代估计模块； 判断是否循环执行迭代估计的估计参数稳定性判定模块。
全文摘要
本发明公开了一种宽带无线通信信道频域多维参数化模型及建模方法，该方法包括步骤一，利用无线通信信道测量的发射信号频域数据和无线通信信道测量的接收信号频域采集数据计算获得信道的实时频域冲激响应；步骤二，根据需要多维参数构建信道估计匹配函数和频域参数化模型；步骤三，从信道的实时频域冲激响应中搜索出多径，初始化每条多径的多维参数；步骤四，计算最大似然估计，并通过迭代估计获取每条多径的多维参数值；步骤五，若每条多径的多维参数值满足收敛条件，则停止迭代估计，输出每条多径最终估计的多维参数值；否则返回步骤四。本发明满足宽带无线通信信道高精度多维参数化建模的需求，实现复杂度低并且收敛速度快。
文档编号H04L25/02GK101982953SQ20101053271
公开日2011年3月2日 申请日期2010年11月4日 优先权日2010年11月4日
发明者李颖哲, 王萍 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所