NLOS環(huán)境下信道估計輔助的精確TOA估計論文
摘要：該文關注非視距（NLOS）環(huán)境下正交頻分復用系統(tǒng)中基于前導的到達時間（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，主要分為三個步驟。首先通過相關檢測得到粗整數(shù)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(shù)TOA估計。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。與現(xiàn)有的方法相比，仿真結(jié)果表明我們的方法實現(xiàn)了更高精度的TOA估計。
關鍵詞：關于信道估計的論文
近年來，無線網(wǎng)絡中的定位包括在室內(nèi)和室外環(huán)境，由于其潛在的應用，例如位置感知服務和資產(chǎn)與人員跟蹤，吸引了相當多的關注[1]。全球定位系統(tǒng) （GPS）可以提供移動接收機的全球定位信息，并且在戶外可以實現(xiàn)高精度的位置估計。然而，由于多徑效應對到達時間估計（TOA）的影響，GPS的定位性能在城市和室內(nèi)環(huán)境中會顯著下降。
為了彌補室內(nèi)GPS的缺陷，基于無線網(wǎng)絡通信系統(tǒng)的定位技術被大量研究。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。無線定位算法是基于無線網(wǎng)絡的定位參數(shù)測量，例如RSSI，AOA，TOA等。它們的精度對于整個定位系統(tǒng)的`性能是非常重要的[1]。TOA 是一種廣泛使用的方法，即測量信號在發(fā)射機與接收機之間的傳輸時間。
利用OFDM信號進行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利用相關矩陣的特征分解把信號與噪聲進行分離。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估計方法是相關檢測[1]，相關檢測是通過在接收端搜索接收信號與本地訓練序列相關運算產(chǎn)生的相關譜峰值來確定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)常會導致TOA延遲。因此，引導沿算法檢測相關譜的第一個峰值而不是最大峰值，其假定LOS的相關峰可能不是最大的而是第一個峰值[4][5]。
為了提高在NLOS環(huán)境下的TOA估計精度，本文為OFDM系統(tǒng)提出了一種基于信道估計的精確TOA估計方法。TOA估計方法包括三個階段：利用恒模零自相關序列（CAZAC）的粗整數(shù)TOA估計，聯(lián)合信道和精整數(shù)TOA估計和基于線性擬合的小數(shù)TOA估計。仿真結(jié)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OFDM系統(tǒng)，其具有[N]個子載波和循環(huán)前綴長度（CP）[Ng]。那么，一個OFDM符號的長度為[Ns=N+Ng]。假定循環(huán)前綴的長度大于信道的最大時延擴展。[Ts]表示整個OFDM塊的周期。系統(tǒng)的采樣間隔為[T]，[T=TsNs]一般的OFDM系統(tǒng)模型的信號幀結(jié)構如圖1所示，前導信號[P={p-Ng，p-Ng+1，...，p0，p1，...，pN-1}]，長度為[Ns]。
2 時頻TOA估計
在本章節(jié)，我們獲得時域的粗整數(shù)時延估計和信道估計，然后利用信道沖激響應改進粗整數(shù)時延估計得到精整數(shù)時延估計。利用CFR均衡受多徑干擾的導頻符號。經(jīng)過信道均衡，第[k]個子載波的相位旋轉(zhuǎn)[-2πkθF/N]與子載波索引[k]成線性關系。因此，我們采用線性擬合估計小數(shù)時延。
2.1 粗整數(shù)TOA估計
其中[C（d）]是代價函數(shù)。[θIc]表示粗整數(shù)估計使得代價函數(shù)最大。在視距傳播下，[θIc]對應于信號直達徑的傳輸時間。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信號將會導致大的估計誤差。因此，我們將進一步提出精整數(shù)TOA估計的方法。
2.2 聯(lián)合信道估計和精整數(shù)TOA估計
經(jīng)過粗整數(shù)TOA估計，我們由（10）得到使代價函數(shù)最大的索引。在多徑信道中，由于信道色散，[θIc]將會右移。那么FFT開窗的開始位置就會落在無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(shù)TOA估計應該被提前一些采樣點，即[6]：
3 仿真結(jié)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(shù)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的長度為32；4）蒙特卡羅仿真計算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。相關檢測方法是檢測相關譜峰的最大值，而不是第一個峰值，在NLOS信道下會造成系統(tǒng)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)過多徑干擾消除時的小數(shù)TOA估計。
4 結(jié)論
針對OFDM系統(tǒng)，本文提出了一種基于信道估計的高精度的TOA估計方法。基于信道估計，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，很大程度上提高了精度。仿真結(jié)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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