無(wú)線移動(dòng)信道特征提取和場(chǎng)景判別

劉震 李莉 葉鵬

摘要： 基于三種已知場(chǎng)景無(wú)線信道脈沖響應(yīng)的時(shí)域?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法，提取有多徑效應(yīng)的信道平均多徑時(shí)延特征參數(shù)和無(wú)線信道響應(yīng)的時(shí)域幅值包絡(luò)特征.根據(jù)這些特征參數(shù)，給出不同場(chǎng)景無(wú)線信道的判別機(jī)制，再將無(wú)線信道場(chǎng)景判別機(jī)制應(yīng)用于給定的兩組未知場(chǎng)景實(shí)測(cè)無(wú)線信道響應(yīng)數(shù)據(jù)，通過(guò)將未知場(chǎng)景無(wú)線信道特征與已知場(chǎng)景無(wú)線信道特征進(jìn)行相關(guān)匹配，可以估計(jì)兩種未知場(chǎng)景屬于三種已知場(chǎng)景中的哪一種.

關(guān)鍵詞：

多徑效應(yīng)； 平均時(shí)延； 特征提??； 場(chǎng)景判別

中圖分類(lèi)號(hào)： TN 929文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)： 10005137（2018）02015608

Feature extraction of wireless mobile channel and the scene discrimination

Liu Zhen， Li Li*， Ye Peng

（The College of Information，Mechanical and Electrical Engineering，Shanghai Normal University，Shanghai 200234，China）

Abstract：

Based on the time domain impulse response measurements of wireless channel in three known multipath scenarios，the average time delay parameters and time domain amplitude envelope characteristics of wireless channel response were extracted by applying statistical method.The mechanism to discriminate different multipath scenarios was identified according to the characteristics of these parameters.Besides，by applying the proposed discrimination mechanism into two wireless channel impulse response data sets measured in unknown scenarios，the features of the wireless channel could be extracted.The unknown scenarios could be determined belonging to which one of the three known scenarios by comparing the features of the unknown wireless channel with those of the known wireless channel.

Key words：

multipath effect； average time delay； feature extraction； scenario discrimination

收稿日期： 20161128

作者簡(jiǎn)介： 劉震（1992-），男，碩士研究生，主要從事無(wú)線通信方面的研究.Email：18817955714@163.com

導(dǎo)師簡(jiǎn)介： 李莉（1962-），女，博士，教授，主要從事認(rèn)知無(wú)線通信頻譜感知、異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)干擾共存管理、通信信號(hào)隨機(jī)處理等方面的研究.Email：lilyxuan@shnu.edu.cn

*通信作者

引用格式： 劉震，李莉，葉鵬.無(wú)線移動(dòng)信道特征提取和場(chǎng)景判別 [J].上海師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，47（2）：156-163.

Citation format： Liu Z，Li L，Ye P.Feature extraction of wireless mobile channel and the scene discrimination [J].Journal of Shanghai Normal University （Natural Sciences），2018，47（2）：156-163.

無(wú)線信道的傳輸質(zhì)量與其周?chē)h(huán)境有很大關(guān)系，不同環(huán)境中的移動(dòng)信道具有不同的特點(diǎn)，甚至在同一環(huán)境下的不同路徑傳輸信號(hào)時(shí)也具有差異性.

在無(wú)線信道傳輸中，多徑效應(yīng)是指電磁波信號(hào)的傳輸路徑由許多因反射、衍射和散射而形成的路徑所構(gòu)成，在收發(fā)端，由于電磁波沿各條路徑的傳播距離不同，同一發(fā)射信號(hào)經(jīng)由各路徑到達(dá)接收端的多徑時(shí)延和多徑數(shù)目等參數(shù)各不相同.

由于多徑效應(yīng)的存在，現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景或區(qū)域內(nèi)的無(wú)線信道存在一定的差異化特征，導(dǎo)致每個(gè)無(wú)線信道的單位脈沖序列響應(yīng)（以下簡(jiǎn)稱“響應(yīng)”）有所不同[1].本文作者利用真實(shí)場(chǎng)景無(wú)線信道響應(yīng)數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法分析各場(chǎng)景下的平均時(shí)延變化趨勢(shì)和時(shí)域包絡(luò)，提取在多徑效應(yīng)作用下，平均多徑時(shí)延和測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)域幅度包絡(luò)特征，進(jìn)而分析并建立無(wú)線信道的特征模型.

無(wú)線信道的隨機(jī)性和時(shí)變性增加了無(wú)線信道的分析和建模難度，近年來(lái)涌現(xiàn)出很多關(guān)于無(wú)線信道特征參數(shù)估計(jì)的精確算法，如空間譜估計(jì)、參數(shù)估計(jì)算法及多重信號(hào)分類(lèi)算法等.目前常用的信道建模方法有正弦波疊加法和成型濾波器法兩種[1]，正弦波疊加法運(yùn)算量小，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但是用確定性過(guò)程去模擬隨機(jī)過(guò)程，性能不夠理想.成型濾波器法通過(guò)對(duì)高斯白噪聲濾波來(lái)模擬衰落信道的功率譜，能較好地模擬衰落信道的特性，但是算法復(fù)雜度高，消耗資源多.本文作者在成型濾波器法的基礎(chǔ)上利用離散時(shí)間線性系統(tǒng)建模.

1無(wú)線信道特征提取模型分析

1.1無(wú)線信道模型

無(wú)線信道可用離散時(shí)間線性系統(tǒng)建模[2]，在時(shí)域上可以用其單位取樣脈沖響應(yīng)表示.

在0時(shí)刻，發(fā)送一個(gè)單位脈沖信號(hào)δ（0），經(jīng)無(wú)線信道傳輸后，測(cè)量被接收到的信號(hào)，這一過(guò)程可被理解為對(duì)理想的無(wú)線信道脈沖響應(yīng)的測(cè)量.無(wú)線信道脈沖響應(yīng)測(cè)量數(shù)據(jù)包含反映其對(duì)應(yīng)的無(wú)線信道傳播特征的信息.

在實(shí)際無(wú)線通信系統(tǒng)中，為了提高信號(hào)傳播質(zhì)量，一般在無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端分別添加一個(gè)濾波器，假設(shè)濾波器的系統(tǒng)特征等效地采用單位取樣脈沖響應(yīng)函數(shù)g（k）建模，則此時(shí)實(shí)際無(wú)線信道接收數(shù)據(jù)的測(cè)量結(jié)果為[3]：

r（k）=h（k）*g（k）=∑M-1m=0h（k-m）*g（m），k=0，1，2，…，K-1，（1）

其中，r（k）表示無(wú)線信道時(shí)域中，測(cè)量的第k個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)值結(jié)果，“*”表示序列的卷積運(yùn)算，g（m） 表示濾波器系統(tǒng)特征函數(shù)的時(shí)域表達(dá)，m表示濾波器的抽頭序號(hào)，M表示濾波器的有效長(zhǎng)度，即g（m）的時(shí)間采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，K表示無(wú)線信道一次時(shí)域測(cè)量樣本的長(zhǎng)度，即無(wú)線信道時(shí)域測(cè)量中每條樣本有K個(gè)采樣數(shù)值.

由于多徑場(chǎng)景中多徑個(gè)數(shù)及多徑時(shí)延的影響，無(wú)線信道具有明顯的時(shí)變性.在實(shí)際測(cè)量中還引入了一定的噪聲，因此實(shí)際測(cè)量無(wú)線信道脈沖響應(yīng)時(shí)，（1）式可修改為 [4-5]：

r（k，n）=h（k，n）*g（k）+u（k，n）=∑M-1m=0h（k-m，n）*g（m）+u（k，n），

k=0，1，…，K-1，n=0，1，…，N-1，（2）

h（k，n）=∑L-1l=0hl（n）*δ（k-τl（n）），（3）

其中，n表示無(wú)線信道測(cè)量的樣本順序號(hào)，也對(duì)應(yīng)著測(cè)試時(shí)刻n，這里假設(shè)共有N個(gè)樣本，即共發(fā)送了N個(gè)單位取樣脈沖信號(hào)，hl（n）表示n時(shí)刻第l條路徑上的信道系數(shù)，通常是復(fù)數(shù)；τl（n）表示n時(shí)刻第l條路徑時(shí)間延遲，以折合的樣點(diǎn)數(shù)為時(shí)延單位，L表示無(wú)線移動(dòng)通信場(chǎng)景中的多徑數(shù)目；u（k，n）表示n時(shí)刻第k個(gè)樣點(diǎn)測(cè)試值上引入的復(fù)高斯白噪聲，r（k，n） 表示n時(shí)刻的單位脈沖依次經(jīng)發(fā)送濾波器、信道和接收濾波器后的實(shí)際接收信號(hào).

在同一場(chǎng)景無(wú)線信道中，雖然參數(shù)的變化會(huì)導(dǎo)致離散時(shí)間線性系統(tǒng)函數(shù)h（k，n）有所差異，但由于處于同一場(chǎng)景，其不同特征參數(shù)的變化存在一定的規(guī)律，而且系統(tǒng)函數(shù)相近或存在一定的共性.對(duì)于不同場(chǎng)景而言，系統(tǒng)函數(shù)是有明顯差異的.因此，通過(guò)對(duì)不同無(wú)線信道脈沖響應(yīng)的測(cè)量樣本數(shù)據(jù)表示的系統(tǒng)函數(shù)進(jìn)行分類(lèi)，可以區(qū)分無(wú)線信道對(duì)應(yīng)的不同場(chǎng)景.

假定所有無(wú)線信道的濾波器系統(tǒng)特征函數(shù)統(tǒng)一為g（m），m=0，1，…，M-1，由（3）式可知，不同場(chǎng)景h（k，n）的差異可以通過(guò)接收信號(hào)r（k，n）反映.因此，不同無(wú)線通信場(chǎng)景的區(qū)分可以通過(guò)對(duì)接收信號(hào)r（k，n）的區(qū)分來(lái)實(shí)現(xiàn).

1.2無(wú)線信道脈沖響應(yīng)數(shù)據(jù)測(cè)量方案

假設(shè)信號(hào)源只有一個(gè)，發(fā)射的脈沖信號(hào)是單頻的，不考慮多頻率混合.每一樣本只反映當(dāng)前時(shí)刻無(wú)線信道脈沖信號(hào)響應(yīng)，樣本之間無(wú)相互影響，單一樣本采樣過(guò)程中多徑數(shù)目和通道系數(shù)保持不變.每個(gè)場(chǎng)景中的噪聲都為復(fù)高斯白噪聲且噪聲功率相同，無(wú)線信道脈沖響應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度強(qiáng)于噪聲信號(hào)，除復(fù)高斯白噪聲外不考慮其他干擾.實(shí)測(cè)中每個(gè)場(chǎng)景的濾波器數(shù)在誤差允許的范圍內(nèi)相同，假設(shè)測(cè)得的數(shù)據(jù)完全為接收信號(hào)數(shù)據(jù)，其模運(yùn)算的值表示信號(hào)強(qiáng)度，每個(gè)場(chǎng)景測(cè)量4組，每組1 500 條樣本.

通過(guò)一個(gè)固定的單頻信號(hào)源實(shí)時(shí)發(fā)送單位脈沖信號(hào)，單位脈沖信號(hào)時(shí)間間隔設(shè)為T(mén)p，在開(kāi)闊地、郊區(qū)街道、城市街道三種場(chǎng)景中選取采樣位置，測(cè)量接收的無(wú)線信道脈沖響應(yīng)數(shù)據(jù)，等效的采樣時(shí)間周期設(shè)為T(mén)s.每個(gè)場(chǎng)景測(cè)量得到4組1 500×100的矩陣數(shù)據(jù)，即每組數(shù)據(jù)包含N=1 500條樣本數(shù)據(jù)，每條樣本選取K=100個(gè)采樣點(diǎn).

假設(shè)每條樣本中每個(gè)樣點(diǎn)采樣時(shí)間周期 Ts非常短且遠(yuǎn)小于相鄰樣本的間隔時(shí)間Tp，可以將每條采樣樣本近似地對(duì)應(yīng)于一個(gè)時(shí)間點(diǎn)n.

在上述條件下，可進(jìn)一步測(cè)得未知場(chǎng)景的兩組測(cè)量數(shù)據(jù)，根據(jù)提取的無(wú)線信道特征進(jìn)行未知場(chǎng)景的判別.

1.3無(wú)線信道模型特征參數(shù)提取

無(wú)線信道平均多徑時(shí)延特征參數(shù)的分析，如（3）式所示，第n條測(cè)試樣本的平均多徑時(shí)延[6]

τn=∫∞0A（t，n）dt=1maxk（r（k，n））∑Kk=1k·r（k，n），（4）

其中，A（t，n）是n確定條件下，無(wú)線信道測(cè)量數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化的歸一化包絡(luò).

接收信號(hào)的功率定義為某場(chǎng)景下無(wú)線信道測(cè)量信號(hào)一條測(cè)試樣本的平均功率，當(dāng)n每取一個(gè)值時(shí)，基于測(cè)量接收的無(wú)線信道脈沖響應(yīng)為r（k，n）（k=1，2，…，100），接收信號(hào)的功率延遲分布[7]

AC（τn）=1K∑K-1k=0r（k，n）2，（5）

其中，τn為平均多徑時(shí)延.

對(duì)某個(gè)場(chǎng)景，選擇平均多徑時(shí)延估計(jì)值τ—來(lái)描述多徑效應(yīng)的特征參數(shù)，基于同一場(chǎng)景中的一組測(cè)量數(shù)據(jù)，當(dāng)測(cè)試樣本數(shù)n變化時(shí)，平均多徑時(shí)延估計(jì)值τ—為功率時(shí)延譜的一階距[7]，

τ—=∑Nn=1τnAC（τn）∑Nn=1AC（τn）.

（6）

歸納總結(jié)每個(gè)已知場(chǎng)景的4組測(cè)量數(shù)據(jù)的平均多徑時(shí)延τ—的特征[8-9]，可以找出已知的三個(gè)不同無(wú)線通信場(chǎng)景以無(wú)線信道平均多徑時(shí)延和時(shí)延擴(kuò)展為特征的區(qū)別機(jī)制.

本文作者通過(guò)響應(yīng)數(shù)據(jù)幅值特征提取多徑數(shù)目，給定同一場(chǎng)景，認(rèn)定幅值的峰值分布較集中部分對(duì)應(yīng)一個(gè)多徑分量，在r（k，n）已知的情況下，n取[0，1 499]，繪制以k為參數(shù)的時(shí)域幅值包絡(luò)圖，對(duì)每個(gè)r（k，n）先取絕對(duì)值，每間隔10取平均值，根據(jù)包絡(luò)特征提取多徑數(shù)目.幅值均值

r（k，n）=11 500∑1 500n=1r（k，n）.（7）

2無(wú)線信道響應(yīng)數(shù)據(jù)分析和結(jié)果討論

2.1已知場(chǎng)景無(wú)線信道響應(yīng)數(shù)據(jù)的時(shí)域分析

設(shè)每個(gè)場(chǎng)景測(cè)量4組數(shù)據(jù)，每一組測(cè)量數(shù)據(jù)包括1 500條樣本，相鄰樣本時(shí)間間隔Tp約為2/3 ms；每條樣本包括100個(gè)采樣點(diǎn)，樣本點(diǎn)采樣周期Ts約為65 ns.

不同場(chǎng)景無(wú)線信道的區(qū)分可以轉(zhuǎn)化為對(duì)無(wú)線信道多徑時(shí)延的區(qū)分.根據(jù)給定場(chǎng)景時(shí)域測(cè)試數(shù)據(jù)，由（5）式繪制出每個(gè)場(chǎng)景對(duì)應(yīng)的4組測(cè)量數(shù)據(jù)平均多徑時(shí)延的變化趨勢(shì)如圖1～3所示.

由圖1～3可得，三種場(chǎng)景中平均多徑時(shí)延變化趨勢(shì)分別為：場(chǎng)景一中，平均多徑時(shí)延隨時(shí)間采樣點(diǎn)延遲上下波動(dòng)明顯，并且不呈單調(diào)變化趨勢(shì)；場(chǎng)景二中，平均多徑時(shí)延隨時(shí)間采樣點(diǎn)延遲呈微弱下降趨勢(shì)；場(chǎng)景三中，平均多徑時(shí)延隨時(shí)間采樣點(diǎn)延遲呈微弱的上升趨勢(shì).

不同場(chǎng)景中無(wú)線信道的區(qū)分可以轉(zhuǎn)化為對(duì)信道多徑數(shù)目個(gè)數(shù)及比例的區(qū)分.提取無(wú)線信道接收數(shù)據(jù)的時(shí)域幅值包絡(luò)特征，可找出無(wú)線信道的傳播路徑，對(duì)場(chǎng)景或地理位置進(jìn)行有效劃分.將場(chǎng)景一中4組測(cè)量數(shù)據(jù)，分別繪制1 500條樣本的時(shí)域幅度如圖4所示.

由圖4可看出，場(chǎng)景一中的4組測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)在時(shí)域上幅值的包絡(luò)起伏集中在樣點(diǎn)順序號(hào)第45～60之間，并且在第45～55和第55～60個(gè)采樣點(diǎn)各出現(xiàn)一個(gè)峰值，因此場(chǎng)景一中存在2條主傳播路徑，多徑數(shù)目為2條，且多徑信道增益相當(dāng).

將場(chǎng)景二中4組測(cè)量數(shù)據(jù)，分別繪制1 500條樣本的時(shí)域幅度圖，如圖5所示.

由圖5可看出，場(chǎng)景二中4組測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)在時(shí)域上幅值的包絡(luò)起伏集中在樣點(diǎn)順序號(hào)第45～55個(gè)之間，并且均只出現(xiàn)一個(gè)峰值，因此場(chǎng)景二中存在1條主傳播路徑，多徑數(shù)目為1.

將場(chǎng)景三中4組測(cè)量數(shù)據(jù)，分別繪制1 500條樣本的時(shí)域幅度，如圖6所示.

由圖6可看出，場(chǎng)景三中的4組測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)在時(shí)域上幅值的包絡(luò)起伏集中在時(shí)間采樣點(diǎn)第45～60個(gè)之間，并且在第45～55和第55～60個(gè)采樣點(diǎn)各出現(xiàn)一個(gè)峰值，因此場(chǎng)景三中存在2條主傳播路徑，且兩條多徑信道的增益差異明顯.

綜上，時(shí)域中無(wú)線信道的平均時(shí)延和多徑數(shù)目的變化規(guī)律及數(shù)值特征，可以作為無(wú)線信道特征，也即場(chǎng)景的判斷機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)景一、場(chǎng)景二和場(chǎng)景三的區(qū)分.

2.2基于無(wú)線信道響應(yīng)測(cè)量數(shù)據(jù)的未知場(chǎng)景判別

采用相同統(tǒng)計(jì)方法，以信號(hào)的平均多徑時(shí)延、多徑數(shù)目作為無(wú)線信道特征，提取兩個(gè)未知場(chǎng)景無(wú)線信道響應(yīng)測(cè)量數(shù)據(jù)（test_data1和test_data2）中的平均多徑時(shí)延變化趨勢(shì)，如圖7、8所示.

由圖7、8可以看出：測(cè)量數(shù)據(jù)test_data1的平均多徑時(shí)延隨時(shí)間采樣點(diǎn)延遲上下波動(dòng)明顯，和已知場(chǎng)景一數(shù)據(jù)的平均時(shí)延變化特征相符；測(cè)量數(shù)據(jù)test_data2的平均多徑時(shí)延隨時(shí)間采樣點(diǎn)延遲呈不明顯的下降趨勢(shì)，和已知場(chǎng)景二數(shù)據(jù)的平均時(shí)延變化特征相符.

用兩個(gè)未知場(chǎng)景無(wú)線信道響應(yīng)測(cè)量數(shù)據(jù)，分別繪制采樣點(diǎn)時(shí)域幅值包絡(luò)波形，如圖9、10所示.

圖9測(cè)量數(shù)據(jù)test_data1的時(shí)域幅度包絡(luò)圖

圖10測(cè)量數(shù)據(jù)test_data2的時(shí)域幅度包絡(luò)圖

由圖9可看出，測(cè)量數(shù)據(jù)test_data1對(duì)應(yīng)在時(shí)域上繪制的幅值包絡(luò)起伏集中在樣點(diǎn)順序號(hào)第45～60個(gè)之間，并且在第45～55和第55～60個(gè)采樣點(diǎn)各出現(xiàn)一個(gè)峰值，因此對(duì)應(yīng)場(chǎng)景中存在2條主傳播路徑，二者所占信道比例相當(dāng).參照2.1節(jié)的判斷機(jī)制可知：在時(shí)域上，測(cè)量數(shù)據(jù)test_data1對(duì)應(yīng)場(chǎng)景在誤差允許的范圍內(nèi)，可判別為場(chǎng)景一.

由圖10可看出，測(cè)量數(shù)據(jù)test_data2對(duì)應(yīng)在時(shí)域上繪制的幅值包絡(luò)起伏集中在樣點(diǎn)順序號(hào)第45～55個(gè)之間，并且僅出現(xiàn)一個(gè)峰值，因此場(chǎng)景中存在1條傳播路徑，多徑數(shù)目為1.參照2.1節(jié)的判斷機(jī)制可知：在時(shí)域上，測(cè)量數(shù)據(jù)test_data2對(duì)應(yīng)場(chǎng)景在誤差允許的范圍內(nèi)，可判別為場(chǎng)景二.

3結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)無(wú)線信道接收信號(hào)時(shí)域響應(yīng)數(shù)據(jù)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法提取信號(hào)特征來(lái)判別不同的場(chǎng)景，在一定程度能有效地進(jìn)行不同場(chǎng)景的分類(lèi)，但實(shí)驗(yàn)的約束條件較為苛刻，在實(shí)際操作中誤差較大.

參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：包震宇，馮珍珍）