一種高階累積量來波方向快速估計的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及通信技術領域，尤其是涉及一種應用于60GHz無線通信系統的來波方 向快速估計的方法。
【背景技術】
[0002] 近年來移動通信事業在全球范圍內得到了迅猛的發展，對帶寬的要求越來越高。 60GHz無線通信技術由于其超高速的數據傳輸能力、成本低、抗干擾性和安全性高、具有國 際通用性和免許可特性的特點，將成為第4代無線通信技術的代表。然而它面臨的最大挑 戰是過高的路徑損失。60GHz頻段的路徑損耗決定了其必須采用波束形成技術和來波方向 快速估計來改善鏈路質量。來波方向（D0A)估計又可稱為來波方向估計或來波角度估計， 是陣列信號處理的一個重要分支。D0A估計的基本問題就是如何利用天線陣列的輸出，從背 景噪聲中檢測出同時處于空間某一區域內的多個期望用戶的位置信息，即各個信號到達陣 列天線的入射角。D0A估計算法性能評價標準主要包括：估計偏差、估計誤差、分辨力、成功 概率、計算量及給定陣元數目情況下算法可估計的信號數目。
[0003] D0A是陣列信號處理的一項重要內容，其應用涉及雷達、通信、聲納、地震、勘探、射 電天文以及生物醫學工程等眾多軍事及民用經濟領域。D0A估計是利用一組按一定方式布 置在空間不同位置的傳感器對空間信源在時域和空域同時進行采樣，再由傳感器陣列采樣 數據的分析處理來實現對空間信源的方位向估計。在D0A估計中，分辨力，精度，穩健性，速 度，可分辨目標數的多少等，決定了方位向估計性能的好壞。近幾十年，國內外均開展了有 關D0A估計技術的理論和應用研究，使得D0A估計理論得到迅速發展。但是，在實際應用中， 由于受到物理器件水平和成本的影響，陣列孔徑不可能無限增大，D0A估計的分辨力始終受 到陣列孔徑的限制，最大可分辨目標數受到陣元數的限制。
[0004] 中華人民共和國國家知識產權局于2007年04月25日公開了公告號為 CN1953348A的專利文獻，名稱是多扇區智能天線系統的來波方向估計方法，其包括以下步 驟：（1)利用譜估計算法對需要進行來波方向估計的用戶進行初始來波方向估計，得到估 計的來波功率譜最大值對應的來波角度；（2)根據所述來波角度判斷用戶是否位于目標扇 區的邊緣，若是，則分別計算用戶在和目標扇區相鄰的兩個扇區內的功率；（3)若所述來波 角度所在區域靠近功率值大的相鄰扇區，則所述來波角度即為最終的估計結果，否則，搜索 來波角度所在區域的相反區域，得到所述相反區域內來波功率譜最大值對應的來波角度即 為最終的估計結果。此方案仍然收到陣元數的限制，在分辨率和分辨度上都不夠理想。
【發明內容】
[0005] 本發明主要是解決現有技術所存在的對信號入射角相差較小的信號分辨率低、對 入射信號低信噪比下分辨率不高、對入射信號的分辨度不高等的技術問題，提供一種應用 于60GHz無線通信系統的D0A的快速計算方法，能在改善無線接收器、發送器性能的基礎上 降低波束形成算法的計算復雜度，提高分辨率，從而在保證高速通訊信號品質的同時，大幅 度縮短了 DOA計算耗時。
[0006] 該D0A改進算法，不僅具有空間平滑算法去強相干信號的效果，同時彌補其在低 信噪比下分辨率不高和對信號的分辨度不高的不足之處，另外，該算法也比空間平滑算法 的算法復雜度更小，大大減少了整個算法的運算量，而且不犧牲天線的孔徑，比較實用，實 驗證明了該算法的有效性。
[0007] 本發明針對上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的：一種改進的D0A 估計的方法，包括以下步驟：
[0008] S01、天線陣接收原始信號；
[0009] S02、構造2q階累積量矩陣，并對構造的2q階累積量矩陣進行旋轉變換；
[0010] S03、對累積量矩陣取均值，得到空間平滑處理后的2q階累積量矩陣；
[0011] S04、進行特征值分解，得到信號子空間和噪聲子空間
[0012] S05、構造空間譜函數；
[0013] S06、判斷空間譜函數是否收斂，如果不收斂，則對權向量進行迭代；如果收斂，則 進入步驟S07 ;
[0014] S07、求出空間譜函數譜峰Θ域的最優解。
[0015] q為初始值為1的正整數，每迭代一次增大1。
[0016] 步驟S02及后續步驟的具體過程如下：
[0017] 1、根據下式（1)構造2q階累積量矩陣C2q,x;
[0019] 其中：
[0020] Β(θ)是廣義方向矢量矩陣，Β(θ) = [b(0 0,13(0 2)，…，b(0k)];
[0021] C2q，s(l)是信號s(t)的2q階累積量矩陣，
，cum是累積量符號；
是陣列的輸入信號的協處理信號，用于信
[0024] 號預測和部分信號的補充；
[0025] Η為矩陣共輒轉置符號；
[0026] 2、根據下式（2)得到旋轉后的2q階累積量矩陣C2q,x' ；
[0028] 其中：
[0029] J是一個MqXMq的置換陣；
[0030]
[0031] 矩陣B ( θ )經過旋轉后變成
[0032] 矩陣:##)經過旋轉后變成，
[0033] Φ為旋轉矩陣，表示為
[0036] Η為矩陣共輒轉置符號；
[0037] 3、對式（1)與式（2)的累積量矩陣取均值，得到空間平滑處理后的2q階累積量矩 陣為
[0039] 其中
[0041] 4、對2q階累積量矩陣進行平滑處理后，再對C (1)進行特征值分解，得到信號子空 間隊和噪聲子空間Un。構造空間譜函數，即
[0043] 其中：
[0044] ξ為權向量系數；α ( Θ )為陣列方向矩陣；
[0045] Γ是校正函數，
Ρ為信號矢量系數，Ω為噪聲矢量系數；
[0047] j為虛數單位，m為矩陣的行編號，也可以看作是對天線元件的編號；
[0048] k為矩陣的列編號，也可以看作是對波束的編號，K為波束數量；floor函數表示取 小于或者等于括號內指定表達式的最大整數;mod表示取余運算函數，mod(X，Y)為X除以Y 所得的余數；
[0049] 判斷空間譜函數是否收斂，如果不收斂，則對權向量進行迭代，q增大1以后重復 步驟S02到S05 ;如果收斂，則從式（5)求出譜函數/⑦)的Θ域的最優解，所得到Θ即為 入射信號DOA的估計。
[0050] 本發明提供的60GHz無線通信系統改進的D0A快速計算方法，所述D0A快速計算 方法應用在超高帶寬60GHz無線接收器的控制程序中。
[0051] 在60GHz無線通信系統的實際應用中，由于外部干擾阻擋的存在，如發送和接收 之間瞬間被障礙物阻擋等等，天線接收到的信號中可能存在某種比較少見、一般情況不考 慮的干擾信號，以及其他無法預知的有效信號迅速衰減，通過本方法的處協理信號
、 權矢量中的
校正函數的綜合的補償和調整作用，可以有效消除這 些干擾。
[0052] 本發明提供的60GHz無線通信系統改進的D0A快速計算方法，其基本思想就是首 先構造2q階累積量矩陣，并對構造的2q階累積量矩陣進行旋轉變換，然后對累積量矩陣取 均值，得到空間平滑處理后的2q階累積量矩陣，再進行特征值分解，得到信號子空間和噪 聲子空間。利用譜函數求出最優解。上述改進優化