高级搜索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于循环匹配追踪的稀疏重构时延估计算法

崔维嘉 张鹏 巴斌

崔维嘉, 张鹏, 巴斌. 基于循环匹配追踪的稀疏重构时延估计算法[J]. 电子与信息学报, 2019, 41(3): 523-529. doi: 10.11999/JEIT180460
引用本文: 崔维嘉, 张鹏, 巴斌. 基于循环匹配追踪的稀疏重构时延估计算法[J]. 电子与信息学报, 2019, 41(3): 523-529. doi: 10.11999/JEIT180460
Weijia CUI, Peng ZHANG, Bin BA. Time of Arrival Estimation Based on Sparse Reconstruction Loop Matching Pursuit Algorithm[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2019, 41(3): 523-529. doi: 10.11999/JEIT180460
Citation: Weijia CUI, Peng ZHANG, Bin BA. Time of Arrival Estimation Based on Sparse Reconstruction Loop Matching Pursuit Algorithm[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2019, 41(3): 523-529. doi: 10.11999/JEIT180460

基于循环匹配追踪的稀疏重构时延估计算法

doi: 10.11999/JEIT180460
基金项目: 国家自然科学基金(61401513)
详细信息
    作者简介:

    崔维嘉:男,1976年生,博士,副教授,研究方向为移动通信、信号处理等

    张鹏:男,1993年生,硕士生,研究方向为通信信号处理、稀疏重构等

    巴斌:男,1987年生,博士,讲师,研究方向为阵列信号处理、参数估计等

    通讯作者:

    张鹏 ieu_zp@outlook.com

  • 中图分类号: TN911.7

Time of Arrival Estimation Based on Sparse Reconstruction Loop Matching Pursuit Algorithm

Funds: The National Natural Science Foundation of China (61401513)
  • 摘要:

    在单样本(SMV)、低信噪比条件下,稀疏重构方法可提升时延估计精度,但现有的重构算法在支撑集元素的选择中存在错选和漏选的情况,从而导致估计精度受限。针对上述问题,该文提出一种基于循环匹配追踪(LMP)的稀疏重构时延估计算法。该方法引入了“循环删除,匹配添加”的思想,有效提升了直达径的估计精度。算法首先建立信道冲激响应稀疏表示模型;然后在获得初始支撑集的前提下,先循环删除支撑集内的元素,再从支撑集补集中依据与当前残差内积值最大来匹配添加新元素,直至残差内积基本不变;最后利用时延值与稀疏支撑集的关系得到了时延的估计值。仿真结果表明,所提算法相比于传统稀疏重构时延估计算法具有更高的估计精度。同时基于USRP平台,利用实际信号对所提算法进行了有效性验证。

  • 图  1  基于稀疏重构的时延估计算法框图

    图  2  时延在时域的稀疏化表示

    图  3  SNR=15 dB, L=3条件下时延估计值分布图

    图  4  SNR=15 dB, L=3条件下时延误差值分布图

    图  5  SNR=0 dB, L=3条件下时延估计值分布图

    图  6  不同算法时延均方根误差对比图

    图  7  信号采集环境示意图

    表  1  OFDM系统参数设置

    参数数值
    FFT周期${T_{{\rm{FFT}}}}$3.2 μs
    系统带宽$B$20 MHz
    子载波数64个
    载波频率${f_c}$2.4 GHz
    下载: 导出CSV

    表  2  计算复杂度对比

    算法复杂度
    Root-Music$O\left( {{M^3}{\rm{ + 2}}{{\rm{M}}^2}{\rm{ + }}5M{\rm{ - }}LM} \right)$
    OMP$O\left( {{M^2}{L^2} + MNL} \right)$
    LMP$O\left( {2{M^2}{L^2} + 2MNL} \right)$
    CoSaMP$O\left( {3{M^2}{L^2} + MNL} \right)$
    NS$O\left( {{N^2} + ({M^2} + {L^2})N} \right)$
    下载: 导出CSV

    表  3  5种算法多径估计结果比较

    算法第1条径第2条径第3条径
    估计均值(m)标准差RMSE估计均值(m)标准差估计均值(m)标准差
    LMP50.01000.30150.301757.09000.380362.79000.3562
    OMP48.90001.43871.811156.84002.203761.56001.3537
    CoSaMP47.55002.59893.571758.48001.464859.82001.3563
    NS49.76000.65560.674255.89002.316260.51001.1623
    Root-Music49.82500.79150.792557.66000.946862.22000.9119
    下载: 导出CSV
  • CHEON J, HWANG H, KIM D, et al. IEEE 802.15.4 Zigbee-based time-of-arrival estimation for wireless sensor networks[J]. Sensors, 2016, 16(2): 203. doi: 10.3390/s16020203
    LI Xinya, DENG Zhiqun, RAUCHENSTEIN L T, et al. Contributed review: Source-localization algorithms and applications using time of arrival and time difference of arrival measurements[J]. Review of Scientific Instruments, 2016, 87(4): 921–960. doi: 10.1063/1.4947001
    ANASTOPOULOS C and SAVVIDOU N. Time-of-arrival correlations[J]. Physical Review A, 2017, 95(3): 100–105. doi: 10.1103/PhysRevA.95.032105
    AN S P, HU T Y, CUI Y F, et al. Cumulant-based time delay estimations based solution for statics correction of land data[C]. 79th EAGE Conference and Exhibition. Paris, France, 2017: 1–3.
    CHENG Lin, CHEN Gang, GAO Wenzhong, et al. Adaptive time delay compensator (ATDC) design for wide-area power system stabilizer[J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2014, 5(6): 2957–2966. doi: 10.1109/TSG.2014.2347401
    CHLMPAGNE B, EIZENMAN M, and PASUPATHY S. Exact maximum likelihood time delay estimation[C]. IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing, Washington, D.C., USA, 1991: 2633–2636.
    李雪梅, 陶然, 王越. 时延估计技术研究[J]. 雷达科学与技术, 2010, 8(4): 362–371. doi: 10.3969/j.issn.1672-2337.2010.04.015

    LI Xuemei, TAO Ran, and WANG Yue. Research on time delay estimation technology[J]. Radar Science and Technology, 2010, 8(4): 362–371. doi: 10.3969/j.issn.1672-2337.2010.04.015
    DOGAN M C, and MENDEL J M. Applications of cumulants to array processing. I. aperture extension and array calibration[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 1995, 43(5): 1200–1216. doi: 10.1109/78.382404
    HÄCKER P and YANG B. Single snapshot DOA estimation[J]. Advances in Radio Science, 2010, 8(2): 251–256. doi: 10.5194/ars-8-251-2010
    WANG Fangqiu and ZHANG Xiaofei. Joint estimation of TOA and DOA in IR-UWB system using sparse representation framework[J]. Etri Journal, 2014, 36(3): 460–468. doi: 10.4218/etrij.14.0113.0555
    冷雪冬, 巴斌, 逯志宇, 等. 基于回溯筛选的稀疏重构时延估计算法[J]. 物理学报, 2016, 65(21): 88–96. doi: 10.7498/aps.65.210701

    LENG Xuedong, BA Bin, LU Zhiyu, et al. Backtracking-based sparse reconstruction delay estimation algorithm[J]. Acta Physica Sinica, 2016, 65(21): 88–96. doi: 10.7498/aps.65.210701
    NAFIE M, TEWFIK A H, ALI M, et al. Deterministic and iterative solutions to subset selection problems[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 2002(7): 1591–1601. doi: 10.1109/tsp.2002.1011200
    李智勇. 基于压缩感知的脉冲超宽带系统窄带干扰抑制问题研究[D]. [博士论文], 山东大学, 2014: 17–21.

    LI Zhiyong. Research on narrowband interference suppression in pulsed ultra-wideband systems based on Compressed Sensing[D]. [Ph.D. dissertation], Shandong University, 2014: 17–21.
    张宏洲. 稀疏场景合成孔径雷达图像压缩研究[D]. [博士论文], 上海交通大学, 2010: 13–15.

    ZHANG Hongzhou. Research on image compression of sparse scene synthetic aperture radar[D]. [Ph.D. dissertation], Shanghai Jiao Tong University, 2010: 13–15.
    胡南. 基于稀疏重构的阵列信号波达方向估计算法研究[D]. [博士论文], 中国科学技术大学, 2013: 20–26.

    HU Nan. Research on direction of arrival estimation of array signals based on sparse reconstruction[D]. [Ph.D. dissertation], University of Science and Technology of China, 2013: 20–26.
    王方秋, 张小飞, 汪飞. IR-UWB系统中基于root-MUSIC算法的TOA和DOA联合估计[J]. 通信学报, 2014, 35(2): 137–145. doi: 10.3969/j.issn.1000-436x.2014.02.018

    WANG Fangqiu, ZHANG Xiaofei, and WANG Fei. Joint estimation of TOA and DOA based on Root-MUSIC algorithm in IR-UWB system[J]. Journal of Communications, 2014, 35(2): 137–145. doi: 10.3969/j.issn.1000-436x.2014.02.018
    巴斌, 郑娜娥, 朱世磊, 等. 利用蒙特卡罗的最大似然时延估计算法[J]. 西安交通大学学报, 2015, 49(8): 24–30. doi: 10.7652/xjtuxb201508005

    BA Bin, ZHENG Nae, ZHU Shilei, et al. A maximum likelihood time delay estimation algorithm using Monte Carlo method[J]. Journal of Xian Jiaotong University, 2015, 49(8): 24–30. doi: 10.7652/xjtuxb201508005
    MATTBEWS. GAST. Definitive Guide to 802.11 Wireless Networks[M]. Nanjing: Southeast University Press, 2007: 293–297.
  • 加载中
图(7) / 表(3)
计量
  • 文章访问数:  2485
  • HTML全文浏览量:  827
  • PDF下载量:  89
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2018-05-14
  • 修回日期:  2018-10-24
  • 网络出版日期:  2018-11-14
  • 刊出日期:  2019-03-01

目录

    /

    返回文章
    返回