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      NLOS環(huán)境下信道估計(jì)輔助的精確TOA估計(jì)

      2016-05-19 13:42:43過傳龍陳隆亮
      電腦知識(shí)與技術(shù) 2016年8期
      關(guān)鍵詞:正交頻分復(fù)用

      過傳龍+陳隆亮

      摘要:該文關(guān)注非視距(NLOS)環(huán)境下正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中基于前導(dǎo)的到達(dá)時(shí)間(TOA)估計(jì)。在NLOS環(huán)境下,由于直達(dá)徑容易受到遮擋,直達(dá)徑的信號(hào)可能非常微弱。因此,TOA的估計(jì)性能將顯著下降。該文提出了一種信道估計(jì)輔助的精確TOA估計(jì)方法,主要分為三個(gè)步驟。首先通過相關(guān)檢測得到粗整數(shù)TOA估計(jì)。其次,利用最大似然準(zhǔn)則得到信道沖激響應(yīng),基于信道響應(yīng)得到精整數(shù)TOA估計(jì)。最后,經(jīng)過頻域的信道均衡和去除多徑干擾,為了突破采樣間隔的限制,利用線性擬合得到小數(shù)TOA估計(jì)。與現(xiàn)有的方法相比,仿真結(jié)果表明我們的方法實(shí)現(xiàn)了更高精度的TOA估計(jì)。

      關(guān)鍵詞:TOA估計(jì);信道估計(jì);正交頻分復(fù)用

      中圖分類號(hào):TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1009-3044(2016)08-0032-04

      近年來,無線網(wǎng)絡(luò)中的定位包括在室內(nèi)和室外環(huán)境,由于其潛在的應(yīng)用,例如位置感知服務(wù)和資產(chǎn)與人員跟蹤,吸引了相當(dāng)多的關(guān)注[1]。全球定位系統(tǒng) (GPS)可以提供移動(dòng)接收機(jī)的全球定位信息,并且在戶外可以實(shí)現(xiàn)高精度的位置估計(jì)。然而,由于多徑效應(yīng)對到達(dá)時(shí)間估計(jì)(TOA)的影響,GPS的定位性能在城市和室內(nèi)環(huán)境中會(huì)顯著下降。

      為了彌補(bǔ)室內(nèi)GPS的缺陷,基于無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的定位技術(shù)被大量研究。OFDM信號(hào)本身具有抗多徑信道的魯棒性和高頻譜效率,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于許多的通信標(biāo)準(zhǔn)中,例如IEEE802.11a/g,UWB,LTE/4G等。無線定位算法是基于無線網(wǎng)絡(luò)的定位參數(shù)測量,例如RSSI,AOA,TOA等。它們的精度對于整個(gè)定位系統(tǒng)的性能是非常重要的[1]。TOA 是一種廣泛使用的方法,即測量信號(hào)在發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的傳輸時(shí)間。

      利用OFDM信號(hào)進(jìn)行TOA估計(jì)的方法之一是超分辨率算法,例如多重信號(hào)分離(MUSIC)[2],最大似然(ML)[3]等。MUSIC利用相關(guān)矩陣的特征分解把信號(hào)與噪聲進(jìn)行分離。但是其計(jì)算復(fù)雜度高,并且需要多徑的先驗(yàn)知識(shí)。常用的OFDM 的TOA估計(jì)方法是相關(guān)檢測[1],相關(guān)檢測是通過在接收端搜索接收信號(hào)與本地訓(xùn)練序列相關(guān)運(yùn)算產(chǎn)生的相關(guān)譜峰值來確定TOA。但是,在NLOS的多徑衰落信道,由于延遲徑的幅度比首徑的幅度更大,這些方法經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致TOA延遲。因此,引導(dǎo)沿算法檢測相關(guān)譜的第一個(gè)峰值而不是最大峰值,其假定LOS的相關(guān)峰可能不是最大的而是第一個(gè)峰值[4][5]。

      為了提高在NLOS環(huán)境下的TOA估計(jì)精度,本文為OFDM系統(tǒng)提出了一種基于信道估計(jì)的精確TOA估計(jì)方法。TOA估計(jì)方法包括三個(gè)階段:利用恒模零自相關(guān)序列(CAZAC)的粗整數(shù)TOA估計(jì),聯(lián)合信道和精整數(shù)TOA估計(jì)和基于線性擬合的小數(shù)TOA估計(jì)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文提出算法的有效性。

      1 信號(hào)模型

      我們考慮一個(gè)OFDM系統(tǒng),其具有[N]個(gè)子載波和循環(huán)前綴長度(CP)[Ng]。那么,一個(gè)OFDM符號(hào)的長度為[Ns=N+Ng]。假定循環(huán)前綴的長度大于信道的最大時(shí)延擴(kuò)展。[Ts]表示整個(gè)OFDM塊的周期。系統(tǒng)的采樣間隔為[T],[T=TsNs]一般的OFDM系統(tǒng)模型的信號(hào)幀結(jié)構(gòu)如圖1所示,前導(dǎo)信號(hào)[P={p-Ng,p-Ng+1,...,p0,p1,...,pN-1}],長度為[Ns]。

      2 時(shí)頻TOA估計(jì)

      在本章節(jié),我們獲得時(shí)域的粗整數(shù)時(shí)延估計(jì)和信道估計(jì),然后利用信道沖激響應(yīng)改進(jìn)粗整數(shù)時(shí)延估計(jì)得到精整數(shù)時(shí)延估計(jì)。利用CFR均衡受多徑干擾的導(dǎo)頻符號(hào)。經(jīng)過信道均衡,第[k]個(gè)子載波的相位旋轉(zhuǎn)[-2πkθF/N]與子載波索引[k]成線性關(guān)系。因此,我們采用線性擬合估計(jì)小數(shù)時(shí)延。

      2.1 粗整數(shù)TOA估計(jì)

      其中[C(d)]是代價(jià)函數(shù)。[θIc]表示粗整數(shù)估計(jì)使得代價(jià)函數(shù)最大。在視距傳播下,[θIc]對應(yīng)于信號(hào)直達(dá)徑的傳輸時(shí)間。然而,在非視距環(huán)境下,直達(dá)徑往往被遮擋,接收的視距信號(hào)不總是最強(qiáng)的。微弱的LOS信號(hào)和強(qiáng)大的NLOS信號(hào)將會(huì)導(dǎo)致大的估計(jì)誤差。因此,我們將進(jìn)一步提出精整數(shù)TOA估計(jì)的方法。

      2.2 聯(lián)合信道估計(jì)和精整數(shù)TOA估計(jì)

      經(jīng)過粗整數(shù)TOA估計(jì),我們由(10)得到使代價(jià)函數(shù)最大的索引。在多徑信道中,由于信道色散,[θIc]將會(huì)右移。那么FFT開窗的開始位置就會(huì)落在無ISI的CP之外,這將導(dǎo)致ISI和影響信道與精確TOA估計(jì)。為了保持子載波間的正交性,粗整數(shù)TOA估計(jì)應(yīng)該被提前一些采樣點(diǎn),即[6]:

      3 仿真結(jié)果與討論

      為了評估所提TOA估計(jì)算法的性能,我們做了一些仿真。仿真參數(shù)為:1)OFDM信號(hào)的IFFT大小[N=512],所有的子載波全部使用。2)前導(dǎo)符號(hào)采用CAZAC序列;3)CP的長度為32;4)蒙特卡羅仿真計(jì)算RMSE的次數(shù)為[10000]次。我們考慮了兩種傳播場景,8徑瑞麗衰落信道模型。功率時(shí)延分布如表1:

      從仿真結(jié)果可以得出,在信道1和信道2下,本文提出的方法的RMSE性能要比另外兩種方法好,特別是在LOS信道下。相關(guān)檢測方法是檢測相關(guān)譜峰的最大值,而不是第一個(gè)峰值,在NLOS信道下會(huì)造成系統(tǒng)誤差。當(dāng)信噪比增大,RMSE性能仍然保持不變。圖4顯示了未經(jīng)過多徑干擾消除時(shí)的小數(shù)TOA估計(jì)。

      4 結(jié)論

      針對OFDM系統(tǒng),本文提出了一種基于信道估計(jì)的高精度的TOA估計(jì)方法?;谛诺拦烙?jì),提出的方法性能優(yōu)于傳統(tǒng)的方法。經(jīng)過多徑干擾消除之后,小數(shù)TOA可以得到精確的估計(jì),很大程度上提高了精度。仿真結(jié)果也驗(yàn)證本文的方法。

      參考文獻(xiàn):

      [1] Chen H, Zhang X, Xu W. Next-Generation CDMA vs. OFDMA for 4G Wireless Applications[J]. IEEE Wireless Commun., 2007, 14(3): 6-7.

      [2] Li X, Pahlavan K. Super-resolution TOA estimation with diversity for indoor geolocation[J]. Wireless Communications, IEEE Transactions on, 2004, 3(1): 224-234.

      [3] Voltz P J, Hernandez D. Maximum likelihood time of arrival estimation for real-time physical location tracking of 802.11 a/g mobile stations in indoor environments[C]//Position Location and Navigation Symposium, 2004. PLANS 2004. IEEE, 2004: 585-591.

      [4] Yamasaki R, Ogino A, Tamaki T, et al. TDOA location system for IEEE 802.11 b WLAN[C]//Wireless Communications and Networking Conference, 2005 IEEE. IEEE, 2005, 4: 2338-2343.

      [5] Wang C L, Wang H C. On joint fine time adjustment and channel estimation for OFDM systems[J]. Wireless Communications, IEEE Transactions on, 2009, 8(10): 4940-4944.

      [6] Minn H, Bhargava V K, Letaief K. A robust timing and frequency synchronization for OFDM systems[J]. Wireless Communications, IEEE Transactions on, 2003, 2(4): 822-839.

      [7] Yang J, Wang X, Park S I, et al. Optimal direct path detection for positioning with communication signals in indoor environments[C]//Communications (ICC), 2012 IEEE International Conference on. IEEE, 2012: 4798-4802.

      [8] ETSI L T E. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); User Equipment (UE) radio transmission and reception[J]. ETSI TS, 136(101): V9.

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