NLOS環(huán)境下信道估計輔助的精確TOA估計論文
摘要：該文關(guān)注非視距（NLOS）環(huán)境下正交頻分復用系統中基于前導的到達時(shí)間（TOA）估計。在NLOS環(huán)境下，由于直達徑容易受到遮擋，直達徑的信號可能非常微弱。因此，TOA的估計性能將顯著(zhù)下降。該文提出了一種信道估計輔助的精確TOA估計方法，主要分為三個(gè)步驟。首先通過(guò)相關(guān)檢測得到粗整數TOA估計。其次，利用最大似然準則得到信道沖激響應，基于信道響應得到精整數TOA估計。最后，經(jīng)過(guò)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(xiàn)性擬合得到小數TOA估計。與現有的方法相比，仿真結果表明我們的方法實(shí)現了更高精度的TOA估計。
關(guān)鍵詞：關(guān)于信道估計的論文
近年來(lái)，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中的定位包括在室內和室外環(huán)境，由于其潛在的應用，例如位置感知服務(wù)和資產(chǎn)與人員跟蹤，吸引了相當多的關(guān)注[1]。全球定位系統 （GPS）可以提供移動(dòng)接收機的全球定位信息，并且在戶(hù)外可以實(shí)現高精度的位置估計。然而，由于多徑效應對到達時(shí)間估計（TOA）的影響，GPS的定位性能在城市和室內環(huán)境中會(huì )顯著(zhù)下降。
為了彌補室內GPS的缺陷，基于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信系統的定位技術(shù)被大量研究。OFDM信號本身具有抗多徑信道的魯棒性和高頻譜效率，已經(jīng)被廣泛應用于許多的通信標準中，例如IEEE802.11a/g，UWB，LTE/4G等。無(wú)線(xiàn)定位算法是基于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的定位參數測量，例如RSSI，AOA，TOA等。它們的精度對于整個(gè)定位系統的`性能是非常重要的[1]。TOA 是一種廣泛使用的方法，即測量信號在發(fā)射機與接收機之間的傳輸時(shí)間。
利用OFDM信號進(jìn)行TOA估計的方法之一是超分辨率算法，例如多重信號分離（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與噪聲進(jìn)行分離。但是其計算復雜度高，并且需要多徑的先驗知識。常用的OFDM 的TOA估計方法是相關(guān)檢測[1]，相關(guān)檢測是通過(guò)在接收端搜索接收信號與本地訓練序列相關(guān)運算產(chǎn)生的相關(guān)譜峰值來(lái)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 )導致TOA延遲。因此，引導沿算法檢測相關(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估計精度，本文為OFDM系統提出了一種基于信道估計的精確TOA估計方法。TOA估計方法包括三個(gè)階段：利用恒模零自相關(guān)序列（CAZAC）的粗整數TOA估計，聯(lián)合信道和精整數TOA估計和基于線(xiàn)性擬合的小數TOA估計。仿真結果驗證了本文提出算法的有效性。
1 信號模型
我們考慮一個(gè)OFDM系統，其具有[N]個(gè)子載波和循環(huán)前綴長(cháng)度（CP）[Ng]。那么，一個(gè)OFDM符號的長(cháng)度為[Ns=N+Ng]。假定循環(huán)前綴的長(cháng)度大于信道的最大時(shí)延擴展。[Ts]表示整個(gè)OFDM塊的周期。系統的采樣間隔為[T]，[T=TsNs]一般的OFDM系統模型的信號幀結構如圖1所示，前導信號[P={p-Ng，p-Ng+1，...，p0，p1，...，pN-1}]，長(cháng)度為[Ns]。
2 時(shí)頻TOA估計
在本章節，我們獲得時(shí)域的粗整數時(shí)延估計和信道估計，然后利用信道沖激響應改進(jìn)粗整數時(shí)延估計得到精整數時(shí)延估計。利用CFR均衡受多徑干擾的導頻符號。經(jīng)過(guò)信道均衡，第[k]個(gè)子載波的相位旋轉[-2πkθF/N]與子載波索引[k]成線(xiàn)性關(guān)系。因此，我們采用線(xiàn)性擬合估計小數時(shí)延。
2.1 粗整數TOA估計
其中[C（d）]是代價(jià)函數。[θIc]表示粗整數估計使得代價(jià)函數最大。在視距傳播下，[θIc]對應于信號直達徑的傳輸時(shí)間。然而，在非視距環(huán)境下，直達徑往往被遮擋，接收的視距信號不總是最強的。微弱的LOS信號和強大的NLOS信號將會(huì )導致大的估計誤差。因此，我們將進(jìn)一步提出精整數TOA估計的方法。
2.2 聯(lián)合信道估計和精整數TOA估計
經(jīng)過(guò)粗整數TOA估計，我們由（10）得到使代價(jià)函數最大的索引。在多徑信道中，由于信道色散，[θIc]將會(huì )右移。那么FFT開(kāi)窗的開(kāi)始位置就會(huì )落在無(wú)ISI的CP之外，這將導致ISI和影響信道與精確TOA估計。為了保持子載波間的正交性，粗整數TOA估計應該被提前一些采樣點(diǎn)，即[6]：
3 仿真結果與討論
為了評估所提TOA估計算法的性能，我們做了一些仿真。仿真參數為：1）OFDM信號的IFFT大小[N=512]，所有的子載波全部使用。2）前導符號采用CAZAC序列；3）CP的長(cháng)度為32；4）蒙特卡羅仿真計算RMSE的次數為[10000]次。我們考慮了兩種傳播場(chǎng)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 )造成系統誤差。當信噪比增大，RMSE性能仍然保持不變。圖4顯示了未經(jīng)過(guò)多徑干擾消除時(shí)的小數TOA估計。
4 結論
針對OFDM系統，本文提出了一種基于信道估計的高精度的TOA估計方法�；谛诺拦烙�，提出的方法性能優(yōu)于傳統的方法。經(jīng)過(guò)多徑干擾消除之后，小數TOA可以得到精確的估計，很大程度上提高了精度。仿真結果也驗證本文的方法。
參考文獻：
[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.
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