学习报告项目名称：基于压缩感知的信道测试与估计院系电子与信息工程学院专业电子与通信工程学生姓名刘鹏学号20132281367指导教师葛俊祥二Ｏ一四年四月二十二日目录一．立项依据 (2)1.国内外现状、水平和发展趋势 (2)2.项目研发的目的、意义 (3)3.本项目达到的技术水平及市场前景 (3)二．研发内容和目标 (4)1.该项目主要研发内容、预期目标及解决的关键技术 (4)1.1该项目主要研发内容 (4)1.2该项目的预期目标 (4)1.3该项目解决的关键技术 (5)2.该项目主要技术创新之处 (5)3.该项目要达到的主要技术和经济指标 (6)三．研发试验方法及采用技术路线试验方案（含创新性）及其可行性分析 (6)1.研究思路和方法 (6)2.技术路线 (7)3.试验方案（含创新性） (12)4.可行性分析 (12)四．研发工作安排和进度 .. (12)1.总体安排 (12)2.进度 (13)五．现有研发条件和工作基础及经费预算 (13)1.研发基础 (13)2.工作条件 (14)3.工程概算 (14)一．立项依据1.国内外现状、水平和发展趋势目前关于信道估计的方法从整体上可分为非盲估计和盲估计。

非盲估计：在估计阶段首先借助导频或训练序列来获得导频信息，然后按照一定的估计准则确定待估计信道参数值。

盲估计：不使用导频信息，而是利用调制信号本身固有的、与承载信息比特无关的一些特征来获得信道估计值的方法。

盲估计与非盲估计相比能大幅度提高系统传输速率，但收敛速度慢，不利于在实际通信系统中的应用。

这些估计方法在无线信道路径丰富时估计性能较好，但是在信道路径个数稀少时，估计性能则会大大降低。

近年来的研究表明，无线多径信道的冲激响应往往呈现出数量相对较少的几簇重要路径集，尤其在传输带宽较大以及多天线时，这种稀疏特性会更加明显。

随着无线通信系统的宽带化和高速化发展，对稀疏信道估计的研究已成为热点。

随着技术的进步，不断增长的数据总量对模数转换设备和后续的数字信号处理器以及存储设备的要求都越来越高。

而传统信号处理的理论以奈奎斯特采样定理为信号的处理准则，该采样定理支配着所有信号及图像的获取、处理、存储和传输，要求采样率必须大于或等于信号带宽的两倍，从而给信号处理器带来很大压力。

在这种情况下，压缩感知理论应运而生。

压缩感知理论是建立在矩阵分析、统计概率论、优化与统筹学等众多数学理论基础上的一种新的信号描述与处理的理论框架。

压缩感知理论可以通过极低的速率实现信号的采样和处理，在降低数据存储、传输代价的同时减少信号处理时间和计算成本。

另一方面，这种压缩感知的思想也给高维数据分析带来新的方向。

该理论本身是一个将转换编码问题、欠定线性系统方程的稀疏解问题和利用高度不完备测量队信号进行重建的问题结合在一起的相关课题。

自从2006年被提出，压缩感知理论广泛应用于各个研究领域：压缩感知雷达、分布式压缩感知技术、医学图像处理、宽带信号处理、无线传感网络、频谱分析、生物传感、模信转换等。

当然压缩感知理论在通信中的应用也很广，比如认知无线电中的频谱感知、无线通信中的信道反馈等方面的应用已有很多成果。

到目前为止，压缩感知理论在通信领域的信道测试与估计方面的应用仍有很大发展空间。

多径无线通信的冲激响应往往是由少数几个主要路径主宰，尤其当信号带宽和信号间隔都比较大时，或者多天线系统的情况，这个特点将更加明显。

当大部分信道系数接近零或为零时，这种信道通常被称为稀疏信道，稀疏性是应用压缩感知进行信道估计的前提条件。

相较于传统的线性信道估计方法没有考虑无线信道的固有稀疏性，基于压缩感知的信道估计方法在获得同样信道估计性能的情况下，需要的导频信号数大大减少，从而在提高频谱利用率的同时大大减少了信道的重构误差。

2.项目研发的目的、意义无线通信系统通常会受到阴影衰落、频率选择性衰落和多径效应的影响，其信道环境不同于有线信道，具有不确定性和极大的随机性，且不可预见。

于是对接收机的设计提出了更多要求，比如在接收端对信号引起的畸变进行估计矫正，需要知道无线信道中信道的阶数、多普勒频移和信道冲激响应等参数。

信道测试和估计的精度会直接影响整个系统性能，能否获得详细的信道信息实现接收端准确解调，是衡量无线通信系统性能优劣的重要指标，也是进行相关检测、解调和均衡等通信技术的基础。

因此，信道估计是实现无线通信系统的一项关键技术，对于信道参数估计的算法研究也是一项具有重要意义的工作。

在此背景下，研究基于压缩感知的信道测试和估计，充分利用信道的稀疏特性，在获取信号的同时对其进行压缩，极大地降低了信息处理时间和数据采集量，显著地降低了数据存储和计算成本，使得高分辨率信号的采集成为可能。

从而，利用有限的频谱资源实现无线通信高速率大容量业务的需求，通过信道测试和估计来实现对高速率数据在无线通信传输中经历的多径衰落进行补偿，从而改善系统性能，具有重要的学术意义和现实意义。

纵观国内外的研究动态，以及实际应用的需要，提出了“基于压缩感知的信道测试与估计”这一课题，针对基于压缩感知的稀疏信道估计理论进行深入研究，重点讨论了压缩感知技术在信道测试估计以及均衡中的可行性和应用价值，对提高整个通信系统的性能有着相当重要的研究价值。

通过该课题的实施，改变了传统Nyquist获取信息的方法，直接提取重要信息，避免了资源浪费，降低了导频开销，提高了估计精度，是信息处理领域的一次重大变革，适应于未来无线通信高速化、宽带化的发展需求，具有重要的研究意义和应用前景。

3.本项目达到的技术水平及市场前景本项目构造了基于WRHC混合智能控制算法的被动抗振和主动抗振相结合的抗振系统结构，将空气弹簧作为被动抗振元件, 将压电作动器（PZT）作为主动抗振元件，在主动抗振控制方面提出并应用一种新型的WRHC算法，该算法是基于小波分析理论和鲁棒控制理论的混合控制算法，用于光学超精密测试仪器抗振平台的智能抗振控制，最终所采用的主被动混合智能控制抗振平台系统可有效地隔离整个频率范围内的振动，从而提高光学超精密测试仪器的测试精度和测试稳定性。

二．研发内容和目标1.该项目主要研发内容、预期目标及解决的关键技术1.1该项目主要研发内容（1）应用压缩感知理论，以往的研究基本上都是假定信道是纯稀疏型的，然而，在实际信道测试中，不可避免会存在信道衰落，所以如何设计出能够反映出真实信道情况的MIMO 数学模型，进行有效估计非常重要。

加之相关算法的次优化性，使得信道估计的结果精度不高，计算复杂度较大，不能很好地恢复出原始信号，所以为了保证对信道性能的准确估测，必须使用新算法来对信道进行估计，高效重构初始信息。

（2）考虑到实际信道测试中不可避免会存在码间干扰，使得接收端信号产生失真，从而导致所得到的信息通常是不完整、不连续或者不精确的，此时如果建立特定情况下的应用模型，就能够在很大程度上消除码间干扰，使得接收端信号的不确定性大大降低。

该项目中充分利用具有码间干扰信道模型的特殊性，对信道估计以及均衡采用新的策略，在恢复初始信号的同时，很好地抑制了码间干扰，提高数据传输性能。

（3）阵列信号处理中的DOA估计已得到广泛应用，然而，随着人们对所需求的信息量越来越大，传统采样方法在技术开销和资源浪费上以及越来越不能满足人们的要求。

而作为一种将数据压缩和数据采集融为一体的压缩感知理论，将其应用到DOA估计中，不仅可以节省信号处理时的开销，而且在高性能参数估计的基础上降低了资源的浪费。

同时结合具体的阵列模型，利用不同的算法对频谱进行分析，研究多传感器阵列所构成的处理系统对感兴趣的空间信号的多种参数进行准确估计的能力，提取估计信号的空域参数和信源位置。

1.2该项目的预期目标本项目将压缩感知理论应用到MIMO稀疏信道估计中，采用SL0（Smoothed L0）算法对其进行测试估计；针对无线通信中存在符号间干扰ISI（Inter Symbol Interference）的稀疏多径信道，在对SL0算法进行相关改进的同时，研究了符号间干扰对稀疏信道估计的影响及其相应的均衡改进措施；考虑到空域内的稀疏信号，构建DOA（Direction of Arrival）压缩感知模型，采用压缩感知重构算法进行DOA高分辨估计。

1.3该项目解决的关键技术（1）MIMO信道的设计以及新算法的适应性策略由于压缩感知的特殊性，信道的冲激响应个数与信道抽头需要满足特定的关系，才能进行准确的信道估计。

实际信道中不可避免存在噪声，噪底值的准确确定有助于统计稀疏度。

采用新算法，验证其有效性，结合实际信道的具体特征，以达到估计值精确化的目的。

（2）码间干扰稀疏信道模型的建立、均衡优化算法的研究在对存在码间干扰的带限信道处理中，采用特定的信号调制方法以及脉冲成型，同时在接收端增加滤波器，以改善信道损伤对带限信道影响的程度。

接收系统在得到信道的脉冲响应后，利用优化后的均衡补偿方法，克服了传统均衡器复杂度较高的缺陷，在一定程度上解决码间干扰的问题。

（3）空域稀疏信号估计的算法设计及其天线阵采样系统的研究在与传统的DOA算法对比之下，应用压缩感知理论进行DOA估计算法体现出更加优越的估计性能，如何设计出更佳的算法是筮待解决的关键性问题。

对于不同的阵元系统，如何重构一个稀疏的角空间场景，采用稀疏思想获得DOA估计理论分辨率也需要得到深入讨论。

通过解决这些问题，将推动相关方法和应用的研究。

2.该项目主要技术创新之处（1）研究方法新颖，集成度高——将被动抗振和主动抗振相结合的混合控制技术应用于光学超精密测试仪器抗振平台系统中，将空气弹簧作为被动抗振元件, 将压电作动器（PZT）作为主动抗振元件，构建了采用被动抗振和主动抗振相结合的混合控制技术的光学超精密测试仪器智能抗振平台系统。

（2）在控制算法理论方面有一定的创新——建立了一种新型WRHC算法将光学超精密测试仪器抗振平台的随机振动信号进行时频分析后得到低频全局信息，以便主动抗振系统对低频振动信号进行抑制。

该混合算法的特点是采用小波分析方法将随机振动信号进行时频分析后得到低频全局信息，以便于鲁棒控制算法有针对性的控制主动抗振系统对低频振动进行抑制。

使得抗振系统能够有效地抑制结构的不确定性和振动的干扰，主被动抗振系统相结合可有效地隔离整个频率范围内的振动。

（3）用实际系统进行实验验证——构建光学超精密测试仪器抗振实验系统，以光学移相干涉仪为实验对象验证WRHC算法对于光学超精密测试仪器抗振平台的抗振效果。

综上所述，本课题所研究的问题是跨学科的复杂工程系统的控制问题，部分研究的内容在国内外仍是较少有人甚至无人涉足的研究领域，因此，本课题必然具有很强的理论价值和应用价值。

3.该项目要达到的主要技术和经济指标（1）构建光学超精密测试仪器抗振系统的结构模型，应用WRHC算法对光学超精密测试仪器抗振系统进行信号分析及鲁棒控制器设计仿真，获得有价值的理论和应用成果。