[發明專利]一種基于波束空間矩陣束的三維參數估計方法

有效

• 申請號: 202111498167.1
• 申請日: 2021-12-09
• 公開（公告）號: CN114185002B
• 公開（公告）日: 2022-10-25
• 發明（設計）人: 楊小龍;李權臣;周牧;謝良波;王勇;聶偉
• 申請（專利權）人: 重慶郵電大學
• 主分類號: G01S5/02
• 分類號: G01S5/02;H04W4/33;H04W64/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提出了一種基于波束空間矩陣束的三維參數估計方法。首先，將采集到信道狀態信息數據包構建成一個三維矩陣，并進行平滑處理。其次，構造離散傅里葉變換矩陣和選擇矩陣，進行降維運算。然后利用選擇矩陣和左奇異向量求解矩陣特征值。最后進一步反解出三維參數到達角(Angle of Arrival,AoA)、飛行時間(Time of Flight,ToF)、多普勒頻移(Doppler FrequencyShift,DFS)的估計值。本發明設計的三維參數聯合估計方法不僅具有較高估計精度，還能通過合理的降維處理來減少計算復雜度，為Wi?Fi室內高精度實時跟蹤定位等應用提供了良好的技術儲備。

技術領域

本發明涉及陣列多維參數估計領域，具體涉及一種利用波束空間矩陣束來進行三維參數聯合估計的方法。

背景技術

近年來，無線感知因其具有保護個人隱私、對光線不敏感、穿透障礙物等優勢發展迅速，引起了研究人員的廣泛關注。傳統的紅外傳感器或者攝像頭都受到可視角度的限制，只能在有限的角度內監測目標，且不能應對煙霧、遮擋乃至視覺欺騙的情況。而利用陣列信號多維參數估計方法進行無線感知彌補了傳統傳感器的局限性，能夠很好地實現人員入侵檢測和定位等感知功能，為用戶提供更好的服務。

在陣列信號多維參數估計中，現有的方法通常是對二維波達方向(Direction ofArrival，DoA)、DoA與頻率、DoA與時延等進行聯合估計。其采用的方法包括最大似然法、多重信號分類(Multiple Signal Classification，MUSIC)算法、旋轉不變性的信號參數估計技術(Estimation of Signal Parameters Via Rotational Invariance Techniques，ESPRIT)等等。最大似然法具有優異的統計特性和較好的估計性能，但是該方法需要對一個高度非線性的代價函數做高維度搜索，計算量巨大。MUSIC算法的參數估計精度高，但也存在對多個維度進行空間譜搜索而帶來的高計算復雜度的問題。ESPRIT算法參數估計的性能優越，且無需搜索譜峰，但應用于多維參數估計上其復雜度也需要進一步降低。

同時，研究人員也嘗試著通過對多個物理參數進行聯合估計的方式來進一步提升感知精度、提高魯棒性、拓展應用場景，然而上述方法在高精度估計和低復雜計算之間不能同時兼得。因此，針對上述問題，本發明提出了一種利用波束空間矩陣束來進行到達角(Angle of Arrival,AoA)、飛行時間(Time of Flight,ToF)、多普勒頻移(DopplerFrequency Shift,DFS)的聯合估計方法。該方法估計精度高，分辨力強，且計算復雜度低，能應用于室內定位、追蹤、檢測等方面。

發明內容

本發明的主要解決的技術問題是為無線感知技術進一步提升感知精度、提高魯棒性、拓展應用場景，而提供一種基于波束空間矩陣束的三維聯合估計方法，該方法滿足高精度估計性能的同時，大幅度減小復雜度。

本發明所述的基于波束空間矩陣束的三維參數聯合估計方法如下。

(1).信號模型

考慮在空間中的均勻線陣，陣列元素之間的距離為d。第l(0≤l≤L)個波長為λ信號源入射到均勻線陣，信號的方位角和飛行時間分別為θ_l和τ_l，移動速度為ν_l，數據包時間間隔為Δt，子載波間隔為Δf。接收端第m(1≤m≤M)根天線，第n(1≤n≤N)個子載波上第i(1≤i≤I)個包的信道頻率響應(Channel Frequency Response，CFR)表示為

其中，表示噪聲，α_l為第l個信號的復增益，

(2).構造數據矩陣