收稿日期:20160801;修回日期:20160921 基金项目:国家自然科学基金资助项目(61401513)
作者简介:宗宇雷(1992),男,河南开封人,硕士,主要研究方向为室内无线定位技术(754290573@qq.com);任修坤(1979),男,副教授,硕
士,主要研究方向为无线通信技术;李珂(1991),女,硕士,主要研究方向为 WiFi定位技术;李海文(1980),男,博士研究生,主要研究方向为室
内无线定位技术.
基于 TK能量算子的 OFDM 时延估计算法
宗宇雷,任修坤,李 珂,李海文
(信息工程大学 导航与空天目标工程学院,郑州 450001)
摘 要:针对已有正交频分复用(OFDM)信号时延(TOA)估计算法抗噪声能力弱的问题,引入 TK能量算子,在
旋转不变技术(ESPRIT)算法基础上,提出一种 TKESPRIT算法进行 TOA估计。该算法利用 TK算子对瞬时信
号变化敏感的特点,首先对信号互相关函数进行处理,使相关函数峰值更加明显;然后构造特征矩阵,利用 ES
PRIT
算法完成 TOA估计。仿真结果表明,与已有算法相比,提出算法可以有效提高估计精度。
关键词:正交频分复用;TK能量算子;时延估计;旋转不变技术
中图分类号:TN919.3 文献标志码:A 文章编号:10013695(2017)11339903
doi
:10.3969/j.issn.10013695.2017.11.043
OFDM timeofarrivalestimationbasedonTKenergyoperator
ZongYulei,RenXiukun,LiKe,LiHaiwen
(CollegeofNavigation&AerospaceTargetEngineering,InformationEngineeringUniversity,Zhengzhou450001,China)
Abstract:InordertoimproveantinoiseperformanceofOFDMsignalTOAestimation,thispaperproposedTKESPRITalgo
rithmbyintroducingTKenergyoperatorbasedonESPRIT.TKoperatorcouldtracktheinstantaneouschangeofthesignal.
Withthischaracter
,TKESPRITalgorithmprocessedthesignalcorrelationfunctioninitiallyandmadethecorrelationfunction
peakmoreobvious,thenbuiltaneigenvaluematrix,andusedtheESPRITalgorithmtoperformTOAestimation.Thesimula
tionresultsshowthatTKESPRITalgorithmcaneffectivelyimproveestimationprecisioncomparedtocurrentlyalgorithm.
Keywords:orthogonalfrequencydivisionmultiplexing(OFDM);TKenergyoperator;TOAestimation;estimationofsignal
parametersviarotationalinvariancetechnique(ESPRIT)
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引言
正交频分复用 (orthogonalfrequencydivisionmultiplexing,
OFDM)技术是 B3G和 4G无线通信 网 络 中 的 关 键 技 术。以
OFDM信号为基础开展的定位技术研究,近年来吸引了大量研
究人员的关注。在相关研究文献中,以研究时延(timeofarri
val,TOA)参数和到达方向(directionofarrival,DOA)参数的文
献居多。对于无线信号的时延估计,由于多径、非视距传播、噪
声干扰等因素存在,导致定位精度下降
[1~4]
,OFDM 无线信号
的时延估计同样面临这些问题。
为了降低多径问题对
TOA估计误差的影响,研究人员将
现代谱估 计 算 法,如多 重 信 号 分 类 (multiplesignalclassifica
tion,MUSIC)算法、旋转不变技术(estimationofsignalparameters
viarotationalinvariancetechnique,ESPRIT)等应用在 OFDM信
号的 TOA估计中
[1~3]
。在此基础上,文献[4]在经典 ESPRIT
算法基础上,通过对降秩汉克近似矩阵进行迭代,提高 TOA估
计精度,但由于算法复杂度过高不利于实际应用,且易于受到
噪声干扰;文献[5]提出一种二维 ESPRIT偏移不变的 TOA估
计算法,在室内多径信道下算法表现出色,但是算法复杂度非
常高;针对这一情况文献 [
6]通过离散傅里叶变换进行一维
ESPRIT算法估计,大大降低了算法复杂度,能够根据信号变化
快速进行 TOA估计,但算法本身的抗噪声能力则有所下降。
为了提高算法的抗噪声能力、保证算法精度,本文将
TK
能量算子引入到 OFDM信号时延估计中
[7]
。TK能量算子最
初被用在语音信号处理领域进行信号能量检测。利用其对信
号瞬时变化敏感的特点,本文在 ESPRIT算法的基础上进行改
进,提出一种 TKESPRIT算法用于 TOA估计。首先对接收到
的信号与本地信号进行互相关,得到互相关函数;其次引入 TK
能量算子对互相关函数作处理,使互相关函数的峰值更加突
出;然后根据处理后的互相关函数构建特征矩阵,对特征矩阵
进行特征值分解,得到时延参数;最后通过仿真实验对算法的
性能进行分析比较。
"
系统模型
OFDM信号的时延估计系统如图 1所示。
有 N个正交子载波的 OFDM信号在时域上的传播模型可
以表示为
第 34卷第 11期
2017年 11月
计 算 机 应 用 研 究
ApplicationResearchofComputers
Vol.34No.11
Nov.2017