專利名稱：無線通信系統(tǒng)上行接收陣列的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于無線通信系統(tǒng)上行接收陣列的自適應算法及設備。
長期以來，無線通信系統(tǒng)始終面臨著有限的可利用頻譜資源與不斷快速增長的用戶需求之間的矛盾。因此人們開始利用信道的空域特性，采用分集、扇區(qū)化以及最近提出的采用陣列天線的智能天線等技術，都能夠不同程度地改善無線通信系統(tǒng)的通信質量，提高了系統(tǒng)容量。
分集主要利用間距大于10個載波波長的不同天線所接收的信號是互不相關的特性，對各個天線接收的信號采用最大比合并，使系統(tǒng)抗多徑衰落性能得到改善。
扇區(qū)化方法是將小區(qū)分成3、6、9或12個扇區(qū)，每個扇區(qū)有各自配套的天線和預置的頻譜范圍。扇區(qū)化在一定程度上減小了同信道干擾，從而提高了系統(tǒng)的通信質量。
智能天線技術則通過調整多個天線陣元上信號的相位和幅度在信號方向上形成波束，提高信號質量。智能天線算法主要可分為兩類，一類是開關多波束方法。這類算法在不同方向形成固定波束覆蓋整個小區(qū)，基站檢測每個波束中期望信號的信號質量，選擇最好的波束進行接收。
另一類重要的智能天線算法為自適應陣列，它根據(jù)某種準則自適應地對各天線陣元接收的信號進行加權合并，增強信號，抑制干擾和噪聲，從而提高無線系統(tǒng)的整體性能。常見的自適應算法有基于最小均方誤差準則的最小均方(LMS)、遞歸最小二乘(RLS)、采樣矩陣求逆(SMI)等有師算法及基于最大輸出信干比準則的碼濾波等盲算法。
分集方法需要天線之間的間距較大(一般大于10個波長)，因此天線占用的空間較大。另外，采用最大比合并的分集方法雖然具有抗多徑衰落效果，但不能有效抑制干擾信號。
常見的扇區(qū)化方法是采用3扇區(qū)或6扇區(qū)，之所以沒有采用更多的扇區(qū)是因為扇區(qū)分裂得越多，每個扇區(qū)可利用的頻譜資源則越少，降低了中繼效率，且需要頻繁切換，降低系統(tǒng)效率。
開關多波束方法是一種次最優(yōu)的接收方法，它對色噪聲的抑制能力較差。另外，現(xiàn)有開關多波束系統(tǒng)的開關矩陣是由射頻開關器件實現(xiàn)的，增加了系統(tǒng)的硬件成本。
自適應天線陣在理論上可以使系統(tǒng)性能在某種準則下達到最優(yōu)。常用的準則多為最小均方誤差準則和最大輸出信噪比準則，一定條件下兩種準則是等價的。實際應用時，SMI、RLS和絕大多數(shù)盲算法的計算量都很大，用現(xiàn)有數(shù)字處理芯片很難實現(xiàn)?，F(xiàn)有的LMS算法雖然運算量小，但算法的收斂速度和穩(wěn)定性受信號環(huán)境、參考信號的選擇以及校正步長大小等因素的影響嚴重。
本發(fā)明的目的是為了克服上述現(xiàn)有技術的缺點而提供的一種無線通信系統(tǒng)上行接收陣列的方法及裝置，通過對歸一化最小均方(NLMS)算法的算法結構進行優(yōu)化，設計了小運算量而性能優(yōu)的自適應陣列接收方案，分析和仿真驗證了算法具有良好的性能。
實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術方案是無線通信系統(tǒng)上行接收陣列的方法，接收陣列的每根天線單元接收到的模擬信號經過模擬/數(shù)字轉換為陣列數(shù)字信號，陣列數(shù)字信號經過解擴得到解擴后的陣列信號數(shù)據(jù)流，利用解擴后的陣列數(shù)據(jù)信號形成陣列的加權向量，并用生成的權向量對解擴后的陣列信號加權求和形成波束，波束形成后的信號送到瑞克接收機相應的徑，由瑞克接收機在時域對信號進行最大比合并；其特點是，所述波束采用歸一化最小均加權求和方法形成，其步驟為(1)選取陣列初始權向量；(2)讀入第一個時隙的所有陣列信號數(shù)據(jù)樣本和第一個時隙的參考信號；(3)對第一個時隙的所有數(shù)據(jù)樣本重復以下(i)～(V)的過程(i)用前一個樣本數(shù)據(jù)對應的權向量的共軛轉置和陣列接收信號的當前樣本作復共軛相乘求和加權運算；(ii)用當前樣本對應的參考信號和步驟(i)中所得到的值相減得到誤差信號；(iii)計算陣列接收信號當前樣本的模；(iv)選擇適當?shù)牟介L因子，對前一個樣本對應的權向量的每個分量并行地迭代更新；(v)將每個時隙最后一個樣本對應的最終更新的權矢量進行歸一化，并送入陣列加權模塊；(4)讀入下一個時隙的陣列信號數(shù)據(jù)和參考信號；(5)重復步驟(3)中(i)～(V)的過程，循環(huán)往復，最終使得權向量收斂。
上述無線通信系統(tǒng)上行接收陣列的方法，其中，所述步驟(iv)的步長因子的取值范圍為10-6≤步長因子≤0.1。
上述無線通信系統(tǒng)上行接收陣列的方法，其中，所述的參考信號由已知的發(fā)射導頻符號/訓練序列和估計的信道響應相乘得到。
上述無線通信系統(tǒng)上行接收陣列的方法，其中，所述的估計的信道響應是由利用天線的解擴信號估計的信道衰落響應。
一種天線陣列接收機，包括天線陣列、陣列數(shù)字信號生成模塊、數(shù)字波束形成模塊、以及Rake接收機；所述的陣列數(shù)字信號生成模塊包括接收單元及模擬到數(shù)字轉換單元；天線陣列輸入多徑信號到陣列數(shù)字信號生成模塊，數(shù)字波束形成模塊同時對一個信道的不同多徑信號分別形成波束，波束形成后的多徑信號送至Rake接收機相應的徑，Rake接收機對多徑信號進行最大比合并；其特點是所述的數(shù)字波束形成模塊包括多徑搜索單元、解擴單元、信道響應估計單元、參考信號生成單元、加權向量生成器、乘法器、加法器及再生導頻符號或訓練序列；多徑搜索及跟蹤模塊對每一個信道進行多徑搜索及跟蹤處理，將多徑時延信息提供給解擴單元；在每個徑中，解擴單元對指定的時延進行解擴，m路解擴后的信號分成兩路，一路進入加權向量生成器，一路作為被加權數(shù)據(jù)，準備與加權向量生成器輸出的加權因子W1～Wm通過乘法器進行乘法運算并最終經加法器進行加法合并后得到數(shù)字波束形成后的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)輸出到瑞克接收機相應的徑。
上述一種天線陣列接收機，其中，所述的導頻符號模塊在每個時隙中產生基站事先已知的各個移動臺的發(fā)射導頻，提供接收機對每個移動臺進行數(shù)字信號處理時的參考信號。
上述一種天線陣列接收機，其中，所述的信道響應估計模塊利用解擴單元輸出的一個陣元的數(shù)字信號和已知的導頻符號在每個時隙中相關，得到一個信道的不同多徑在每個時隙中信道衰落的粗略估計。
上述一種天線陣列接收機，其中，所述的參考信號生成模塊在每個時隙中利用信道響應估計模塊得到估計值和已知導頻符號相乘得到加權向量生成器所需的參考信號。
上述一種天線陣列接收機，其中，所述的加權向量生成器在每個時隙對陣列天線的權矢量更新，并將每個時隙更新的權矢量提供給乘法器進行波束加權。
由于本發(fā)明采用了以上的技術方案，使上行接收陣列的方法簡單，能有效抵抗路徑衰落效應，使系統(tǒng)信噪比增益接近陣列接收的最優(yōu)值，而且利用現(xiàn)有通用的DSP芯片等即可完成，可實現(xiàn)性強。
本發(fā)明的具體性能特征由以下的實施例及其附圖進一步說明。


圖1是現(xiàn)有的陣列接收機原理圖。
圖2是本發(fā)明對應一個多徑信號的Rake徑(finger)的NLMS數(shù)字波束形成模塊原理圖。
圖3是本發(fā)明方法的程序流程圖。
圖4是針對WCDMA系統(tǒng)的上行鏈路仿真結果。
請參閱圖1，本發(fā)明一種用于碼分多址無線通信系統(tǒng)的陣列接收裝置，包括天線陣列101、陣列數(shù)字信號生成模塊102、數(shù)字波束形成模塊103以及Rake接收機104；在服務小區(qū)范圍內，天線單元之間的間距可以選擇為載波中心頻率對應波長的一半。陣列數(shù)字信號生成模塊將接收到的陣列模擬信號轉換成可供數(shù)字處理的陣列數(shù)字信號，該陣列數(shù)字信號生成模塊包括接收單元105及模擬到數(shù)字轉換單元106。數(shù)字波束形成模塊對一個信道的不同多徑信號分別形成波束，波束形成后的信號送到瑞克接收機相應的徑，由瑞克接收機在時域對信號進行最大比合并。所述的波束采用歸一化最小均加權求和方法形成。
請參閱圖2，這是本發(fā)明對應一個多徑信號的Rake徑(finger)的NLMS數(shù)字波束形成模塊原理圖，所述的數(shù)字波束形成模塊包括多徑搜索單元201、解擴單元202、加權向量生成器207、乘法器208、加法器209、導頻符號副本/訓練序列提供單元205、信道響應估計單元204和參考信號生成單元206。其中導頻符號模塊205在每個時隙中產生基站事先已知的各個移動臺的發(fā)射導頻，提供接收機對每個移動臺進行數(shù)字信號處理時的參考信號。
參考信號生成模塊206在每個時隙中利用信道響應估計模塊得到估計值和已知導頻符號相乘得到加權向量生成器所需的參考信號。本發(fā)明的一個重要方面就在生成參考信號中之所以融入了信道響應補償?shù)乃枷?，主要存在兩個好處，在估計接收信號與參考信號的互相關向量Rxd時可以使得信號相參積累，同時降低噪聲的影響，最終可以提高NLMS方法的性能。
信道響應估計模塊204利用解擴單元輸出的一個陣元的數(shù)字信號和已知的導頻符號在每個時隙中相關，得到一個信道的不同多徑在每個時隙中信道衰落的粗略估計(這里假定信道衰落在一個時隙的短時間中保持不變)。
多徑搜索及跟蹤模塊201對每一個信道進行多徑搜索及跟蹤處理，將多徑時延信息提供給解擴單元。
加權向量生成器207是任何采用陣列接收機的核心部分，本發(fā)明采用基于最小均方誤差準則的NLMS方法形成加權向量W1～Wm。本發(fā)明裝置中，所述的加權向量生成器每個時隙對陣列天線的權矢量更新，并將每個時隙更新的權矢量提供給乘法器進行波束加權。
在每個徑中，解擴單元202對指定的時延進行解擴，m路解擴后的信號各分成兩路，一路進入加權向量生成器207，一路作為被加權數(shù)據(jù)，準備與加權向量生成器輸出的加權因子W1～Wm通過乘法器208進行乘法運算并最終經加法器209進行加法合并后得到數(shù)字波束形成后的數(shù)據(jù)108，該數(shù)據(jù)輸出到瑞克接收機相應的徑。瑞克接收機接收到來自一個通道的不同多徑的波束形成信號后，估計多徑的信道響應(這里信道響應估計較204中得到是要精確很多)，然后用最大比準則實現(xiàn)同一通道不同多徑的時域合并。信道響應估計單元204利用某根天線的解擴信號(圖中標出了第一根天線的解擴信號203 1)估計信道的衰落響應，參考信號生成單元206則利用204估計的信道響應和再生導頻符號或訓練序列產生加權向量生成器207中NLMS方法的參考信號。
NLMS方法相對SMI、RLS和碼濾波等方法要簡單的多，加權向量生成器中的NLMS方法每一步所需的運算量僅為(21m+18)×N個浮點加/乘運算。另一方面，其穩(wěn)定性和收斂速度也明顯優(yōu)于LMS方法。
例如將一個通道陣列接收數(shù)字信號表示為x=Σl=1La(θl)hl(t)Cs(t-τl)s(t-τl)+n(t)----(1)]]>其中l(wèi)＝1，2，...，L為多徑數(shù)，a(θl)為第l條多徑信號的陣列響應，θl是第l條多徑的波達方向DOA；hl(t)是第l條多徑信號經歷的衰落；s(t)是發(fā)射的期望信號，Cs(t)是對應期望信號的擴頻碼，τ1是第l條多徑信號的時延；n(t)是陣列干擾和噪聲信號，每個天線上的噪聲看作獨立不相關的零均值加性高斯白噪聲。
根據(jù)多徑搜索及跟蹤模塊201提供的多徑時延信息，對于某一確定的可分多徑信號解擴可以得到陣列解擴信號X(n)＝Gda(θd)hd(n)s(n)+n′(n)(2)式(2)中n′(n)的是解擴以后時延為τ1的其他多徑信號、干擾信號以及噪聲信號的總和，Gd為擴頻增益。在圖2的NLMS方法中參考信號取為d＝hd(n)s(n)(3)理論上NLMS方法的權值收斂于維那解Wopt=RXX-1*rxd----(4)]]>其中Rxx-1為接收陣列數(shù)據(jù)向量的自相關矩陣，rxd為陣列接收向量與參考信號的互相關rxd=GdE[|hd|2]a(θd)+E[hd]*E[n′s*]----(5)]]>從(5)式可以看出參考信號按(3)式選取即可保證信號的相干積累同時又可以減小噪聲項對估計Rxd的影響，能夠提高Rxd的估計精確性，因而算法的性能可以得到較大地改善。
NLMS方法的程序流程圖見圖3。圖3中的μ為NLMS方法的步長因子，取值范圍為10-6≤μ≤0.1，步長取值大小決定了算法的穩(wěn)定性和收斂速度，N代表導頻符號/訓練序列的個數(shù)。
接收陣列的每根天線單元接收到的數(shù)據(jù)信號經過解擴得到解擴后的陣列信號數(shù)據(jù)流X(n)＝[X(1，n)…，X(M，n)]T，同時利用估計出的信道響應和導頻符號或訓練序列產生參考信號d(n)，這里M是陣列的陣元數(shù)，上標T表示向量和矩陣轉置，并用生成的權向量對解擴后的陣列信號加權求和形成波束。本發(fā)明采用NLMS方法形成波束的步驟為(1)取初始權向量的值為W(0)＝
T，向量的維數(shù)為M；(2)讀入第一個時隙的陣列信號數(shù)據(jù)樣本X(1)，....X(N)和第一個時隙的參考信號d(1)，....d(N)，(N代表導頻符號/訓練序列的個數(shù))；(3)對第一個時隙的所有數(shù)據(jù)樣本(從n＝1到n＝N)重復以下(i)～(V)的過程(i)用前一個樣本數(shù)據(jù)對應的權向量W(n-1的共軛轉置WH(n-1和陣列接收信號的當前樣本X(n作復共軛相乘求和加權運算y(n)＝WH(n-1)X(n)；(ii)用當前樣本對應的參考信號d(n)和步驟(i)中得到的y(n)相減得到誤差信號e(n)＝d(n)-y(n；(iii)計算陣列接收信號X(n的模 ，上標H表示標量的共軛；(iv)選擇適當?shù)牟介L因子，在當前權矢量的基礎上采用迭代更新同時并行地更新權矢量的每個分量Wi(n)=Wi(n-1)+u1+||X(n)||2e*(n)X(i,n);]]>(v)將每個時隙最后一個樣本對應的最終更新得到的權矢量W(N)＝[W1(N)，…，M(N)]T進行歸一化W(N)＝W(N)/‖W(N)‖送到加權模塊中；(4)讀入下一個時隙的陣列信號數(shù)據(jù)X(N+1)，…，X(2N)和參考信號d(N+1)，…，d(2N)；(5)從n＝N+到n＝2重復步驟(3)的過程，循環(huán)往復，最終使得權向量收斂。
圖4是針對WCDMA系統(tǒng)的上行鏈路仿真結果。其中多徑環(huán)境參數(shù)如下表所示仿真參數(shù)
圖中
表示單天線結果▲為NLMS方法結果從該圖可以看出，對于4陣元陣列接收機采用本發(fā)明，系統(tǒng)性能接近最優(yōu)。
本發(fā)明提出的在無線通信系統(tǒng)中應用的一種改進的低運算量而性能優(yōu)的自適應陣列接收的方法，雖然是針對CDMA系統(tǒng)，但稍加改動即適用于所有無線通信系統(tǒng)。
權利要求
1.無線通信系統(tǒng)上行接收陣列的方法，接收陣列的每根天線單元接收到的模擬信號經過模擬/數(shù)字轉換為陣列數(shù)字信號，陣列數(shù)字信號經過解擴得到解擴后的陣列信號數(shù)據(jù)流，利用解擴后的陣列數(shù)據(jù)信號形成陣列的加權向量，并用生成的權向量對解擴后的陣列信號加權求和形成波束，波束形成后的信號送到瑞克接收機相應的徑，由瑞克接收機在時域對信號進行最大比合并；其特征在于，所述波束采用歸一化最小均加權求和方法形成，其步驟為(1)選取陣列初始權向量；(2)讀入第一個時隙的所有陣列信號數(shù)據(jù)樣本和第一個時隙的參考信號；(3)對第一個時隙的所有數(shù)據(jù)樣本重復以下(i)～(V)的過程(i)用前一個樣本數(shù)據(jù)對應的權向量的共軛轉置和陣列接收信號的當前樣本作復共軛相乘求和加權運算；(ii)用當前樣本對應的參考信號和步驟(i)中所得到的值相減得到誤差信號；(iii)計算陣列接收信號當前樣本的模；(iv)選擇適當?shù)牟介L因子，對前一個樣本對應的權向量的每個分量并行地迭代更新；(v)將每個時隙最后一個樣本對應的最終更新的權矢量進行歸一化，并送入陣列加權模塊；(4)讀入下一個時隙的陣列信號數(shù)據(jù)和參考信號；(5)重復步驟(3)中(i)～(V)的過程，循環(huán)往復，最終使得權向量收斂。
2.根據(jù)權利要求1所述的無線通信系統(tǒng)上行接收陣列的方法，其特征在于，所述步驟(iv)的步長因子的取值范圍為10-6≤步長因子≤0.1。
3.根據(jù)權利要求1所述的無線通信系統(tǒng)上行接收陣列的方法，其特征在于，所述的參考信號由已知的發(fā)射導頻符號/訓練序列和估計的信道響應相乘得到。
4.根據(jù)權利要求1所述的無線通信系統(tǒng)上行接收陣列的方法，其特征在于，所述的估計的信道響應是由利用天線的解擴信號估計的信道衰落響應。
5.一種天線陣列接收機，包括天線陣列、陣列數(shù)字信號生成模塊、數(shù)字波束形成模塊、以及Rake接收機；所述的陣列數(shù)字信號生成模塊包括接收單元及模擬到數(shù)字轉換單元；天線陣列輸入多徑信號到陣列數(shù)字信號生成模塊，數(shù)字波束形成模塊同時對一個信道的木同多徑信號分別形成波束，波束形成后的多徑信號送至Rake接收機相應的徑，Rake接收機對多徑信號進行最大比合并；其特征在于所述的數(shù)字波束形成模塊包括多徑搜索單元、解擴單元、信道響應估計單元、參考信號生成單元、加權向量生成器、乘法器、加法器及再生導頻符號或訓練序列；多徑搜索及跟蹤模塊對每一個信道進行多徑搜索及跟蹤處理，將多徑時延信息提供給解擴單元；在每個徑中，解擴單元對指定的時延進行解擴，m路解擴后的信號各分成兩路，一路進入加權向量生成器，一路作為被加權數(shù)據(jù)，準備與加權向量生成器輸出的加權向量通過乘法器進行乘法運算并最終經加法器進行加法合并后得到數(shù)字波束形成后的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)輸出到瑞克接收機相應的徑。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種天線陣列接收機，其特征在于，所述的導頻符號模塊在每個時隙中產生基站事先已知的各個移動臺的發(fā)射導頻，提供接收機對每個移動臺進行數(shù)字信號處理時的參考信號。
7.根據(jù)權利要求1所述的一種天線陣列接收機，其特征在于，所述的信道響應估計模塊利用解擴單元輸出的一個陣元的數(shù)字信號和已知的導頻符號在每個時隙中相關，得到一個信道的不同多徑在每個時隙中信道衰落的粗略估計。
8.根據(jù)權利要求1所述的一種天線陣列接收機，其特征在于，所述的參考信號生成模塊在每個時隙中利用信道響應估計模塊得到估計值和已知導頻符號相乘得到加權向量生成器所需的參考信號。
9.根據(jù)權利要求1所述的一種天線陣列接收機，其特征在于，所述的加權向量生成器在每個時隙對陣列天線的權矢量更新，并將每個時隙更新的權矢量提供給乘法器進行波束加權。
全文摘要
本發(fā)明無線通信系統(tǒng)上行接收陣列的方法及其裝置,接收陣列的每根天線單元接收到的數(shù)據(jù)信號經過解擴后的陣列信號數(shù)據(jù)流,對解擴后的陣列信號加權向量求和形成波束,波束形成后的信號送到瑞克接收機相應的徑,由瑞克接收機在時域對信號進行最大比合并;其特點是,所述形成波束的加權向量采用歸一化最小均方法取得,使系統(tǒng)信噪比增益接近陣列接收的最優(yōu)值,有效抵抗路徑衰落效應,且計算量低。
文檔編號H04J13/00GK1351429SQ00125899
公開日2002年5月29日 申請日期2000年10月31日 優(yōu)先權日2000年10月31日
發(fā)明者吳和兵, 李江, 張勁林, 丁齊, 郭俊峰 申請人:華為技術有限公司