NLOS環(huán)境下信道估計(jì)輔助的精確TOA估計(jì)

過傳龍+陳隆亮

摘要：該文關(guān)注非視距（NLOS）環(huán)境下正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中基于前導(dǎo)的到達(dá)時(shí)間（TOA）估計(jì)。在NLOS環(huán)境下，由于直達(dá)徑容易受到遮擋，直達(dá)徑的信號(hào)可能非常微弱。因此，TOA的估計(jì)性能將顯著下降。該文提出了一種信道估計(jì)輔助的精確TOA估計(jì)方法，主要分為三個(gè)步驟。首先通過相關(guān)檢測得到粗整數(shù)TOA估計(jì)。其次，利用最大似然準(zhǔn)則得到信道沖激響應(yīng)，基于信道響應(yīng)得到精整數(shù)TOA估計(jì)。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(jì)。與現(xiàn)有的方法相比，仿真結(jié)果表明我們的方法實(shí)現(xiàn)了更高精度的TOA估計(jì)。

關(guān)鍵詞：TOA估計(jì)；信道估計(jì)；正交頻分復(fù)用

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）08-0032-04

近年來，無線網(wǎng)絡(luò)中的定位包括在室內(nèi)和室外環(huán)境，由于其潛在的應(yīng)用，例如位置感知服務(wù)和資產(chǎn)與人員跟蹤，吸引了相當(dāng)多的關(guān)注[1]。全球定位系統(tǒng) （GPS）可以提供移動(dòng)接收機(jī)的全球定位信息，并且在戶外可以實(shí)現(xiàn)高精度的位置估計(jì)。然而，由于多徑效應(yīng)對到達(dá)時(shí)間估計(jì)（TOA）的影響，GPS的定位性能在城市和室內(nèi)環(huán)境中會(huì)顯著下降。

為了彌補(bǔ)室內(nèi)GPS的缺陷，基于無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的定位技術(shù)被大量研究。OFDM信號(hào)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(yīng)用于許多的通信標(biāo)準(zhǔn)中，例如IEEE802.11a/g，UWB，LTE/4G等。無線定位算法是基于無線網(wǎng)絡(luò)的定位參數(shù)測量，例如RSSI，AOA，TOA等。它們的精度對于整個(gè)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(hào)在發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的傳輸時(shí)間。

利用OFDM信號(hào)進(jìn)行TOA估計(jì)的方法之一是超分辨率算法，例如多重信號(hào)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(hào)與噪聲進(jìn)行分離。但是其計(jì)算復(fù)雜度高，并且需要多徑的先驗(yàn)知識(shí)。常用的OFDM 的TOA估計(jì)方法是相關(guān)檢測[1]，相關(guān)檢測是通過在接收端搜索接收信號(hào)與本地訓(xùn)練序列相關(guān)運(yùn)算產(chǎn)生的相關(guān)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(huì)導(dǎo)致TOA延遲。因此，引導(dǎo)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(jì)精度，本文為OFDM系統(tǒng)提出了一種基于信道估計(jì)的精確TOA估計(jì)方法。TOA估計(jì)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(shù)TOA估計(jì)，聯(lián)合信道和精整數(shù)TOA估計(jì)和基于線性擬合的小數(shù)TOA估計(jì)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文提出算法的有效性。

1 信號(hào)模型

我們考慮一個(gè)OFDM系統(tǒng)，其具有[N]個(gè)子載波和循環(huán)前綴長度（CP）[Ng]。那么，一個(gè)OFDM符號(hào)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(shí)延擴(kuò)展。[Ts]表示整個(gè)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(hào)幀結(jié)構(gòu)如圖1所示，前導(dǎo)信號(hào)[P={p-Ng，p-Ng+1，...，p0，p1，...，pN-1}]，長度為[Ns]。

2 時(shí)頻TOA估計(jì)

在本章節(jié)，我們獲得時(shí)域的粗整數(shù)時(shí)延估計(jì)和信道估計(jì)，然后利用信道沖激響應(yīng)改進(jìn)粗整數(shù)時(shí)延估計(jì)得到精整數(shù)時(shí)延估計(jì)。利用CFR均衡受多徑干擾的導(dǎo)頻符號(hào)。經(jīng)過信道均衡，第[k]個(gè)子載波的相位旋轉(zhuǎn)[-2πkθF/N]與子載波索引[k]成線性關(guān)系。因此，我們采用線性擬合估計(jì)小數(shù)時(shí)延。

2.1 粗整數(shù)TOA估計(jì)

其中[C（d）]是代價(jià)函數(shù)。[θIc]表示粗整數(shù)估計(jì)使得代價(jià)函數(shù)最大。在視距傳播下，[θIc]對應(yīng)于信號(hào)直達(dá)徑的傳輸時(shí)間。然而，在非視距環(huán)境下，直達(dá)徑往往被遮擋，接收的視距信號(hào)不總是最強(qiáng)的。微弱的LOS信號(hào)和強(qiáng)大的NLOS信號(hào)將會(huì)導(dǎo)致大的估計(jì)誤差。因此，我們將進(jìn)一步提出精整數(shù)TOA估計(jì)的方法。

2.2 聯(lián)合信道估計(jì)和精整數(shù)TOA估計(jì)

經(jīng)過粗整數(shù)TOA估計(jì)，我們由（10）得到使代價(jià)函數(shù)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開窗的開始位置就會(huì)落在無ISI的CP之外，這將導(dǎo)致ISI和影響信道與精確TOA估計(jì)。為了保持子載波間的正交性，粗整數(shù)TOA估計(jì)應(yīng)該被提前一些采樣點(diǎn)，即[6]：

3 仿真結(jié)果與討論

為了評估所提TOA估計(jì)算法的性能，我們做了一些仿真。仿真參數(shù)為：1）OFDM信號(hào)的IFFT大小[N=512]，所有的子載波全部使用。2）前導(dǎo)符號(hào)采用CAZAC序列；3）CP的長度為32；4）蒙特卡羅仿真計(jì)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(shí)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(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(tǒng)誤差。當(dāng)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(shí)的小數(shù)TOA估計(jì)。

4 結(jié)論

針對OFDM系統(tǒng)，本文提出了一種基于信道估計(jì)的高精度的TOA估計(jì)方法?；谛诺拦烙?jì)，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(jì)，很大程度上提高了精度。仿真結(jié)果也驗(yàn)證本文的方法。

參考文獻(xiàn)：

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