專利名稱：一種陣列天線全自適應(yīng)權(quán)值更新方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無線蜂窩通信系統(tǒng)中，采用陣列天線的自適應(yīng)控制天線波束進行所需信號的接收和發(fā)送的設(shè)備及方法，本發(fā)明可以應(yīng)用于采用任何陣列方式和任何雙工方式的碼分多址(CDMA)接入方法的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。
碼分多址(CDMA)是一種多址接入方法，它基于擴頻技術(shù)并且近來已成為除現(xiàn)有FDMA和TDMA方法之外應(yīng)用于蜂窩無線系統(tǒng)的又一種多址方法。與現(xiàn)有方法相比，CDMA具有許多優(yōu)點，例如頻譜利用率高、規(guī)劃簡單等。正因如此，第三代移動通信中CDMA系統(tǒng)成為主流。
現(xiàn)在采用CDMA方法的系統(tǒng)主要有IS-95(Q-CDMA)系統(tǒng)，WCDMA系統(tǒng)，Cdma2000系統(tǒng)，TD-SCDMA系統(tǒng)，TD-CDMA系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)中采用了多碼擴頻技術(shù)或稱雙層擴頻碼分配技術(shù)，也就是說在這些CDMA系統(tǒng)中，從移動用戶到基站的反向鏈路的擴頻方式可以分為兩步，第一步是用互相關(guān)性能很好的正交函數(shù)(Walsh函數(shù)，OVSF碼)作為信道碼擴頻，本文中不妨把這一步稱作加擴，對應(yīng)接收端的恢復(fù)過程稱作解擴；第二步使用每個用戶唯一分配的自相關(guān)性能較好的偽隨機碼(PN序列，M序列，Gold序列)進一步擴頻，本文中可以把第二步稱作加擾，對應(yīng)接收端的恢復(fù)過程稱作解擾，上述的偽隨機碼稱作擾碼，用擾碼來區(qū)分不同的移動用戶。同樣，這些系統(tǒng)中從基站到移動用戶的前向鏈路的擴頻方式也分同樣的兩步，唯一的區(qū)別是前向鏈路中的擾碼用來區(qū)分基站或小區(qū)。不同的基站或小區(qū)的擾碼不同。
現(xiàn)有CDMA系統(tǒng)中，通常采用了導頻信道傳送導頻符號，其中有兩種方式，一種是專用導頻信道方式，這種方式連續(xù)發(fā)送導頻符號。另一種是插入導頻信道方式，這種方式把導頻符號和其它信息符號在時間上復(fù)用，有的時間段內(nèi)發(fā)送導頻符號，有的時間段內(nèi)沒有導頻被發(fā)送。
在一般的移動通信環(huán)境中，基站和移動臺之間的信號沿接收機和發(fā)射機之間的若干路徑進行傳播。這種多徑傳播現(xiàn)象主要是由信號在發(fā)射機和接收機周圍的物體表面的反射引起的。由于不同的傳播路徑的不同，沿不同路徑到達接收機的同一信號的不同多徑成分到達接收機的傳播時延和到達角度也不同，從而造成多徑干擾。在CDMA系統(tǒng)中，在信號的接收過程可以采用分集接收或分集發(fā)送方式抵抗多徑傳播。在CDMA系統(tǒng)中使用的接收機是一種多分支結(jié)構(gòu)的接收機，其中每一分支與沿某一單獨路徑傳播的多徑組分同步。每一分支是一個單獨的接收機元件，其功能是生成和解調(diào)期望接收信號分量。在傳統(tǒng)的CDMA系統(tǒng)中采用相干或不相干的方法合并不同接收機元件信號是有益的，可以改善接收信號質(zhì)量。
在CDMA系統(tǒng)中，許多用戶使用同一頻帶進行通信。由于不可能設(shè)計出完全互不相關(guān)的擴頻碼集合，所以不同用戶之間仍存在相互干擾。一般來說，在一個頻帶內(nèi)的用戶數(shù)越多，干擾水平就越高，鏈路的通信質(zhì)量就越差。因此，CDMA系統(tǒng)是一個干擾受限的無線通信系統(tǒng)，其每一個規(guī)定寬度的頻帶所能容納的信道數(shù)是有限度的，所以前述的各種技術(shù)手段只能將通信系統(tǒng)的容量提高到一定程度，要想超過這個限度則必須增加其他的資源?？臻g分集是增加系統(tǒng)容量與改善系統(tǒng)性能的最新發(fā)展技術(shù)，理論上分析表明只要正確地使用一組天線，形成新的自由度和空間，就能較大地增加系統(tǒng)容量。此外，采用空間分集還可以降低功耗、增加抗衰落和抗干擾能力，更有效地切換以及更好的安全性和系統(tǒng)魯棒性。
為了增加系統(tǒng)容量改善系統(tǒng)性能，實現(xiàn)空間分集的一種直接方法是使用定向天線，將無線系統(tǒng)分為扇區(qū)。采用扇區(qū)的基站接收機中可以大幅度減少移動臺間的相互干擾。這是因為一般干擾均勻分布在不同的入射方向上，因而其數(shù)量可以通過扇區(qū)化減少。當然可以在傳輸?shù)膬蓚€方向上都實現(xiàn)扇區(qū)化，扇區(qū)化所提供的容量收益正比于扇區(qū)的數(shù)量。
扇區(qū)化可以采用一種特殊形式的軟切換，即更軟越區(qū)切換。其中移動臺通過同時與兩個扇區(qū)通信來執(zhí)行從其中一個扇區(qū)到另一個扇區(qū)的軟越區(qū)切換。盡管越區(qū)切換提高了連接質(zhì)量，扇區(qū)化增加了系統(tǒng)容量，可是多個移動臺的移動自然導致了這些移動臺執(zhí)行若干從一個扇區(qū)到另一個扇區(qū)的越區(qū)切換的次數(shù)，這增加了系統(tǒng)的負荷。若干越區(qū)切換也產(chǎn)生了幾個移動臺同時與多個扇區(qū)通信的情況，從而因為移動臺要在較寬的區(qū)域內(nèi)接收信號而喪失了扇區(qū)化所增加的系統(tǒng)容量的優(yōu)勢。
為了進一步利用不同信號的不同空間特性提高系統(tǒng)性能，很多人研究了智能天線技術(shù)，也叫陣列天線技術(shù)。智能天線采用兩個以上的單天線陣元組成天線陣，每個陣元的接收到的信號經(jīng)過射頻處理后進行用適當?shù)臋?quán)值進行加權(quán)求和，就能達到定向接收的效果。加權(quán)的實質(zhì)是一種空間濾波，智能天線也可以認為是一種空分多址(SDMA)技術(shù)。在SDMA中通過天線陣列接收信號，并通過數(shù)字信號處理進行數(shù)字波束賦形(DBF)，使所需信號的信噪比最大。這是通過調(diào)整天線陣列所接收的信號的相位使所需信號通過相加求和得到加強，而其它干擾信號通過相加求和得到削弱實現(xiàn)的。對采用CDMA多址方式的系統(tǒng)而言，使用SDMA比用其他空間分集技術(shù)，如扇區(qū)化，具有許多優(yōu)勢。如果在扇區(qū)化過程中為增加頻譜利用率而窄化扇區(qū)波束，則系統(tǒng)內(nèi)扇區(qū)之間的切換次數(shù)也隨著增加。這就相應(yīng)地增加了基站控制器的負荷。
智能天線大體可分三種。
一種是預(yù)多波束智能天線。這種方案是預(yù)先設(shè)定一些指向不同方向的波束權(quán)值，在通信過程中選擇接收信號比較好的那些波束權(quán)值加權(quán)結(jié)果進行后續(xù)處理。這種方法的缺點是需要設(shè)計較好較多的預(yù)先權(quán)值，也沒有充分利用具體時刻的信號空間分布特性，不能很好的提高接收信號的信干噪比。不過這種方法的實現(xiàn)思路很容易想到。
第二種是部分自適應(yīng)智能天線。這種實現(xiàn)方案通常從接收的陣列信號中提取期望用戶信號到達方向角信息，然后形成指向到達方向角的波束，到達方向角變化則權(quán)值跟著變化。這種算法的準則是使接收到的期望用戶信號能量最大，同時有限的壓制其它方向的干擾。相控陣就屬于這樣的技術(shù)，相控陣的所有幅度一樣，不能改變，只有相位能自適應(yīng)的改變。部分自適應(yīng)智能天線的性能比預(yù)多波束智能天線要好，但還是沒有完全利用信號空間信息，自適應(yīng)范圍也有限，而且提取達到方向角的算法比較復(fù)雜，能不能實時實現(xiàn)還是一個問題。也有不少這方面的專利。
另一種是全自適應(yīng)智能天線。這種天線的權(quán)值不需要預(yù)先設(shè)置，而是根據(jù)信號空間分布特性的變化而按一定準則不斷更新權(quán)值，權(quán)值的幅度和相位都可以自由的更新，當更新算法收斂時這種方法能充分利用期望用戶信號和干擾信號的空間特性使接收到的信號的信干噪比達到最大，而部分自適應(yīng)智能天線一般不考慮干擾到達方向。這是很令人向往的結(jié)果，可以說是智能天線的最高境界，也有人申請了這方面的專利。
顯然使用全自適應(yīng)天線陣列的無線通信系統(tǒng)能達到最好的系統(tǒng)性能，但目前在實際中應(yīng)用還需要解決一些關(guān)鍵的技術(shù)問題。其中自適應(yīng)更新權(quán)值算法的計算復(fù)雜度和收斂速度就是制約自適應(yīng)天線發(fā)展的難題之一。上述涉及全自適應(yīng)智能天線的專利中，要么只是提出了系統(tǒng)實現(xiàn)的框架，沒有具體的實現(xiàn)方法；要么提出了包含矩陣求逆運算的更新方法，這種方法的有效實現(xiàn)是很困難的。這也是為什么到目前為止，雖然有許多這方面的專利和研究，卻仍然沒有出現(xiàn)全自適應(yīng)智能天線產(chǎn)品的根本原因之一。即使是部分自適應(yīng)系統(tǒng)，由于到達方向角估計的計算復(fù)雜度和多徑傳播的現(xiàn)實情況，仍處于理論研究階段。所以，簡單有效的可實現(xiàn)的自適應(yīng)權(quán)值更新算法是智能天線發(fā)展的決定性核心技術(shù)。
本發(fā)明的目的之一是提出一種適用于CDMA系統(tǒng)的簡單有效的權(quán)值更新方法。
本發(fā)明的目的之二是提出這種全自適應(yīng)權(quán)值更新的實現(xiàn)裝置，使之既適合于采用插入導頻信道的通信系統(tǒng)，也適合于采用專用導頻信道的通信系統(tǒng)。
本發(fā)明所述的方法的核心思想是在接收導頻符號的時間段內(nèi)(或是有專用導頻的情況)，對根據(jù)上層提供的已知導頻符號用與發(fā)送端相應(yīng)的擴頻碼擴頻，然后以擴頻后的序列作為參考序列，以解擾后解擴前的含有導頻信息的接收序列作為輸入序列，根據(jù)一段時間內(nèi)最小均方誤差準則，對陣列權(quán)值進行最陡下降算法更新。在非導頻時間段內(nèi)(或者通信系統(tǒng)中根本不傳送導頻符號的情況)，對解擾解擴嘗試判決得到的符號重新擴頻，然后以擴頻后的序列作為參考序列，以解擴前的相應(yīng)接收序列作為輸入序列，也根據(jù)一段時間內(nèi)最小均方(LMS)誤差準則，對陣列權(quán)值進行最陡梯度下降算法更新。
本發(fā)明提出一種陣列天線全自適應(yīng)權(quán)值更新方法，包括以下步驟第一步射頻前端處理，即將空中的無線信號轉(zhuǎn)化為基帶數(shù)字信號供后續(xù)模塊處理；
第二步將所得到的數(shù)據(jù)用當前的波束權(quán)值進行加權(quán)求和；第三步對第二步得到的信號進行解擾，得到解擾后解擴前的信息數(shù)據(jù)；第四步將第三步得到的信息數(shù)據(jù)和相應(yīng)的參考信號等數(shù)據(jù)送入權(quán)值更新模塊；第五步進行權(quán)值更新。
為了應(yīng)用于采用插入導頻的通信系統(tǒng)，本發(fā)明提出一種陣列天線全自適應(yīng)權(quán)值更新裝置，包括天線陣列、射頻通道，所述天線陣列包括兩個或兩個以上的天線陣元，其輸出端接到射頻通道的輸入端；所述射頻通道與所述天線陣列相對應(yīng)，接收來自所述天線陣列的信號，完成低噪聲放大，自動增益控制，解調(diào)，通道校正，基帶轉(zhuǎn)換，A/D采樣，匹配濾波；所有射頻通道的輸出端一方面接到數(shù)字波束賦形模塊的輸入端，另一方面接到權(quán)值更新模塊的輸入端；其特征在于，還包括數(shù)字波束賦形模塊、解擾器、解擴器、嘗試判決模塊、權(quán)值更新模塊；所述數(shù)字波束賦形模塊用權(quán)值對射頻通道輸出的信號進行加權(quán)求和，其輸入端除了射頻通道過來的數(shù)字信號之外，還與所述權(quán)值更新模塊的權(quán)值輸出端相連，其輸出端連到所述解擾器的輸入端；所述解擾器對加權(quán)求和后的數(shù)據(jù)進行解擾，解擾后的數(shù)據(jù)一方面送到所述解擴器的輸入端，另一方面送到權(quán)值更新模塊的輸入端；用解擾后解擴前的數(shù)據(jù)作為輸入信號，可以使權(quán)值更新算法的計算量更少。
所述解擴器對解擾后的數(shù)據(jù)進行解擴積分，解擴后的數(shù)據(jù)一方面送往嘗試判決模塊，另一方面送往后續(xù)處理模塊；所述嘗試判決模塊，對解擴積分后的數(shù)據(jù)進行嘗試判決，判決后輸出要么是1要么是-1的二值數(shù)據(jù)，判決后的數(shù)據(jù)送到權(quán)值更新模塊的輸入端；所述權(quán)值更新模塊，其輸入信號有射頻通道的輸出數(shù)據(jù)、解擾之后的含有導頻信息的一路數(shù)據(jù)、嘗試判決后的結(jié)果數(shù)據(jù)(插入導頻系統(tǒng)中)、擾碼數(shù)據(jù)、導頻符號數(shù)據(jù)；通過權(quán)值更新算法得到新的一組復(fù)數(shù)權(quán)值，然后把這套復(fù)數(shù)權(quán)值輸出送往數(shù)字波束賦形模塊。
為了應(yīng)用于采用專用導頻的通信系統(tǒng)，本發(fā)明還提出另一種陣列天線全自適應(yīng)權(quán)值更新裝置，包括天線陣列、射頻通道，所述天線陣列包括兩個或兩個以上的天線陣元，其輸出端接到射頻通道的輸入端；所述射頻通道與所述天線陣列相對應(yīng)，接收來自所述天線陣列的信號，完成低噪聲放大，自動增益控制，解調(diào)，通道校正，基帶轉(zhuǎn)換，A/D采樣，匹配濾波；所有射頻通道的輸出端一方面接到數(shù)字波束賦形模塊的輸入端，另一方面接到權(quán)值更新模塊的輸入端；其特征在于，還包括數(shù)字波束賦形模塊、解擾器、權(quán)值更新模塊；所述數(shù)字波束賦形模塊用權(quán)值對射頻通道輸出的信號進行加權(quán)求和，其輸入端除了射頻通道過來的數(shù)字信號之外，還與所述權(quán)值更新模塊的權(quán)值輸出端相連，其輸出端連到所述解擾器的輸入端；所述解擾器對加權(quán)求和后的數(shù)據(jù)進行解擾，解擾后的數(shù)據(jù)一方面送到所述解擴器的輸入端，另一方面送到權(quán)值更新模塊的輸入端；所述權(quán)值更新模塊，其輸入信號有射頻通道的輸出數(shù)據(jù)、解擾之后的含有導頻信息的一路數(shù)據(jù)、擾碼數(shù)據(jù)、導頻符號數(shù)據(jù)；通過權(quán)值更新算法得到新的一組復(fù)數(shù)權(quán)值，然后把這套復(fù)數(shù)權(quán)值輸出送往數(shù)字波束賦形模塊。
本發(fā)明所述方法和裝置，與現(xiàn)有智能天線技術(shù)相比，一方面避免了矩陣求逆等很難實現(xiàn)的計算，也不必進行波束綜合算法，更不必進行復(fù)雜的信號到達方向角判定計算，本發(fā)明的實現(xiàn)復(fù)雜度是較低的；另一方面本發(fā)明直接實現(xiàn)了接收信號性能最優(yōu)的全自適應(yīng)智能天線方案，不僅能在期望用戶信號的到達方向形成很強的波束增益，而且能適應(yīng)無線信號環(huán)境，對干擾信號作很客觀的壓制，本發(fā)明的接收信號性能最優(yōu)的。
下面結(jié)合根據(jù)附圖的例子更詳細地描述本發(fā)明所述裝置和方法，其中

圖1是一般的智能天線結(jié)構(gòu)圖。
圖2是本發(fā)明裝置的一種結(jié)構(gòu)框圖。
圖3是無線信道中多徑傳播的一個例子。
圖4是利用本發(fā)明得到的波束方向圖的一個示例。
圖5是本文權(quán)值更新方法一個應(yīng)用例子中的收斂效果圖。
圖6是在插入導頻信道系統(tǒng)中本發(fā)明權(quán)值更新方法的流程圖。
下面結(jié)合附圖對技術(shù)方案的實施作進一步的詳細描述。雖然本發(fā)明可用于各種CDMA系統(tǒng)的基站和移動臺中，但為了敘述方便，下面將以應(yīng)用于WCDMA系統(tǒng)的基站中為背景，詳細地描述根據(jù)本發(fā)明的方法和設(shè)備。由于下面的描述對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言是顯而易見的，所以本發(fā)明的描述并不局限于WCDMA系統(tǒng)的基站。
圖1是一般的智能天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，天線陣元101，102，103等按一定的幾何結(jié)構(gòu)排列組成天線陣列，天線陣列中有兩個以上(包括兩個)的天線陣元。104，105，106等為射頻通道，完成信號從射頻到基帶轉(zhuǎn)化過程中的一系列處理，最后輸出復(fù)數(shù)數(shù)字信號。107，108，109，110，111，112等為復(fù)數(shù)乘法器，用每個用戶的權(quán)值進行加權(quán)處理，113，114為求和器，把每個用戶各自的多路加權(quán)結(jié)果加在一塊，得到每個用戶各自的接收數(shù)據(jù)供后續(xù)模塊處理。其中乘法器107，108，109等與求和器113構(gòu)成了一個數(shù)字波束賦形模塊；乘法器110，111，112等與求和器114構(gòu)成另一個用戶的數(shù)字波束賦形模塊。115，116是兩個結(jié)構(gòu)相同的自適應(yīng)權(quán)值調(diào)整算法模塊，每個用戶至少有一個這樣的自適應(yīng)權(quán)值調(diào)整算法模塊。
圖2是本發(fā)明裝置的一種結(jié)構(gòu)框圖，可以原封不動的應(yīng)用在WCDMA系統(tǒng)基站中。若要在其它場合應(yīng)用，只需根據(jù)具體情況作適應(yīng)性修改即可。
天線陣元201、202、203等排列成一定結(jié)構(gòu)(可以是直線陣或圓陣等任意結(jié)構(gòu)方式)的天線陣列204。205、206、207等為射頻通道，把天線陣列204耦合近來的模擬信號轉(zhuǎn)換到基帶數(shù)字信號。與圖1類似，圖2中的復(fù)數(shù)乘法器208、209、210等與求和器211構(gòu)成了數(shù)字波束賦形模塊212，這個模塊完成加權(quán)求和處理實現(xiàn)空間濾波功能。解擾器213把數(shù)字波束賦形模塊212過來的復(fù)數(shù)信號進行復(fù)數(shù)解擾，解擾器輸出I路實數(shù)信號11和Q路實數(shù)信號10。本發(fā)明中利用Q路數(shù)據(jù)信息10進行權(quán)值更新，I路數(shù)據(jù)11直接送到后續(xù)常規(guī)處理模塊進行處理。Q路數(shù)據(jù)一方面直接送到權(quán)值更新模塊216，另一方面送到解擴器214。
對于采用插入導頻的通信系統(tǒng)中，解擴器214實現(xiàn)解擴積分功能，把積分結(jié)果一方面送到嘗試判決模塊215，一方面供后續(xù)傳統(tǒng)處理模塊用。嘗試判決模塊216判決后的數(shù)據(jù)送到權(quán)值更新模塊216中使用。權(quán)值更新模塊216還要有205、206、207等射頻通道的輸出數(shù)據(jù)輸入，另外，在實際的算法中還要有相應(yīng)的擾碼數(shù)據(jù)等系統(tǒng)信息12輸入。利用這些輸入數(shù)據(jù)進行本發(fā)明所述的最小梯度下降算法調(diào)整復(fù)數(shù)權(quán)值矢量，把新的權(quán)值矢量通過數(shù)據(jù)線13送給波束賦形模塊212中。與圖1相比，圖2中的213、214、215、216等模塊作為一個整體就相當于圖1中的115模塊。把多個圖2中的這些模塊按圖1的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，就構(gòu)成了一種在插入導頻通信系統(tǒng)的多用戶智能天線接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
對于采用專用導頻的通信系統(tǒng)中，因為所有時間都能接收到導頻符號，所以不需要嘗試判決結(jié)果當參考信號?？梢詫D2的裝置稍作修改去掉嘗試判決模塊215及與其相連的信號連線。解擴器214可以照常使用為后續(xù)傳統(tǒng)模塊提供解擴后的信號。權(quán)值更新模塊216還要有205、206、207等射頻通道的輸出數(shù)據(jù)輸入，另外，在實際的算法中還要有相應(yīng)的擾碼數(shù)據(jù)等系統(tǒng)信息12輸入。利用這些輸入數(shù)據(jù)進行本發(fā)明所述的最小梯度下降算法調(diào)整復(fù)數(shù)權(quán)值矢量，把新的權(quán)值矢量通過數(shù)據(jù)線13送給波束賦形模塊212中。與圖1相比，圖2中的213、216等模塊作為一個整體就相當于圖1中的115模塊。把多個圖2中的這些模塊按圖1的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，就構(gòu)成了一種在專用導頻通信系統(tǒng)中的多用戶智能天線接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
圖3是用來說明蜂窩系統(tǒng)中傳送的信號的典型的多徑傳播現(xiàn)象。它示出了基站設(shè)備305及與該基站設(shè)備進行通信的移動臺301。在蜂窩無線通信系統(tǒng)中，移動臺一般以全向天線模式進行發(fā)射。由于移動臺的天線都比較低，往往處在許多高大物體的包圍之中，這些物體包括高大建筑物，山脈丘陵以及其它物體等。這些物體的表面能夠反射和散射無線電波。圖3示出了由移動臺發(fā)出的無線電波被物體302，303的表面反射后沿不同路徑21、22到達基站設(shè)備305的天線。由于多徑所走的路徑不同，因而到達基站設(shè)備到達方向和傳播時延一般也不同(也可能相同或相近)。移動臺301與基站設(shè)備305之間的物體303阻擋了基站設(shè)備307和移動臺301之間的直接通路。
圖4說明了利用本發(fā)明的方法和裝置得到的波束方向圖。在時延相近的兩個信號到達方向形成了兩個主波束401和402。在其它干擾方向上形成了零陷或較低的旁瓣403，404、405。通過本發(fā)明所述方法可以使波束達到接收信號和參考信號之間的誤差在最小均方誤差準則下最小。
圖5說明了利用本發(fā)明方法提高通信系統(tǒng)接收性能的情況。這是利用圖2的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于WCDMA系統(tǒng)基站的一個典型例子。曲線501是解擾后信號的信干噪比(沒有轉(zhuǎn)化為dB值的功率比)，曲線502是平均每個采樣點解擾后信號和參考信號的誤差。時間橫坐標的單位是符號比特(66.67us)，此例中每個符號比特更新一次權(quán)值，所以權(quán)值更新次數(shù)也是橫坐標的單位。縱坐標的單位無量綱。初始權(quán)值為全向權(quán)值，其效果與全方向單天線一樣，此時的接收效果對應(yīng)于圖5中最左邊的情況，這時信干噪比低于0.1，誤差約為2，短短十次權(quán)值更新后(相當于一個時隙)，信干噪比迅速上升到2.5左右，同時誤差下降到0.4以下，基本達到了收斂值。接下來的收斂趨緩，波束權(quán)值也逐漸穩(wěn)定下來，最后的信干噪比的收斂值約為3，誤差的收斂值約為0.3?？梢?，采用本發(fā)明的權(quán)值更新算法，其收斂速度是非?？斓?，其性能是非常好的。
圖6為本發(fā)明所提出方法應(yīng)用在插入導頻信道CDMA系統(tǒng)中的示例性流程圖。對于專用導頻信道的CDMA系統(tǒng)，這個流程圖也基本適用，只要把虛線框604中的內(nèi)容替換為“直接以已知的相應(yīng)導頻符號作為參考信號送入權(quán)值更新模塊”即可。
處理框601對應(yīng)于前面技術(shù)方案所描述方法的第一步，處理框602對應(yīng)于第二步，處理框603對應(yīng)于第三步，虛線框604對應(yīng)于第四步，處理框605對應(yīng)于第五步。具體過程如下第一步，射頻前端處理；這一步包括陣列天線接收，射頻通道處理，基帶轉(zhuǎn)換，A/D采樣等，這一步的作用是把空中的無線信號轉(zhuǎn)化為基帶數(shù)字信號供后續(xù)模塊處理。
第二步，對第一步得到的數(shù)據(jù)用現(xiàn)有的波束權(quán)值進行加權(quán)求和；這一步的作用是對第一步得到的數(shù)據(jù)進行空間濾波，在期望用戶信號到達方向上形成主波束，對其它方向的信號進行壓制。
第三步，對第二步得到的信號進行解擾；這一步的作用一方面是完成了通常的解擾算法，另一方面是為權(quán)值更新模塊提供解擾后解擴前的信息數(shù)據(jù)。
第四步，對于插入導頻信道的CDMA系統(tǒng)這一步先判斷一下當前處理的信息數(shù)據(jù)是否處于導頻符號時間段，如果是處于導頻符號時間段，則以已知的相應(yīng)導頻符號作為參考信號送入權(quán)值更新模塊，如果是處于非導頻時間段，則對第三步得到的數(shù)據(jù)進行解擴積分嘗試判決，把判決結(jié)果作為參考信號送入權(quán)值更新模塊。
第五步，利用最陡梯度下降法進行權(quán)值更新；這一步又可以分為以下幾步1.確定收斂因子大??；收斂因子大小可以在整個系統(tǒng)初始化的時候根據(jù)理論和試驗硬性設(shè)定，然后不用改變，這時在系統(tǒng)運行中可以省略這一步。收斂因子大小也可以根據(jù)實時信號能量大小和算法收斂條件實時調(diào)整，則在算法更新之前需要進行這一步工作。
2.如果權(quán)值更新所利用的含有導頻符號的這路數(shù)據(jù)所對應(yīng)的擴頻碼不是全1碼，則需要對第四步得到的參考信號用此擴頻碼進行重新擴頻，重新擴頻得到的數(shù)據(jù)序列當作參考序列；如果擴頻碼是全1碼，則不需要進行重新擴頻，用第四步得到的參考信號本身就可以了。
3.以第2小步得到的數(shù)據(jù)序列作為參考序列，以第三步得到的信息數(shù)據(jù)序列作為輸入序列，應(yīng)用第1小步設(shè)定的收斂因子大小，進行最陡梯度下降法進行波束權(quán)值更新；由于這一步相對計算量比較大，可以通過算法優(yōu)化，在進行第一步到第四步的同時完成一些可行的前期運算。更新后的權(quán)值送入數(shù)字波束賦形模塊中。
這第五步的作用是通過權(quán)值更新算法更新數(shù)字波束賦形模塊212中的波束權(quán)值。
這樣，天線陣列不斷的接收期望用戶的時變信號，自適應(yīng)算法從第一步到第五步不斷地更新權(quán)值適應(yīng)新的無線信道環(huán)境。對于某一小段數(shù)據(jù)，第一步到第五步是有時間先后順序的，但對于宏觀上的智能天線系統(tǒng)，這五步中的每一步基本上是如流水線作業(yè)般同時都在工作的，直至沒有期望用戶信號為止。
綜上所述，本發(fā)明的方法及其裝置，屬于全自適應(yīng)智能天線，對復(fù)數(shù)權(quán)值矢量的相位和幅值都可以自由調(diào)整，對各種無線環(huán)境都能以最小均方準則最大程度的提高信干噪比，如果系統(tǒng)中有導頻符號就充分利用了導頻符號調(diào)整權(quán)值，與預(yù)多波束智能天線和部分適應(yīng)智能天線相比，本發(fā)明能達到好得多的信號接收性能。另一方面，本發(fā)明所述方法不需要進行相關(guān)矩陣特征值估計、矩陣求逆、信號子空間處理、波束綜合、信號到達角估計等復(fù)雜的算法，最小梯度下降法的運算就是一種簡單的乘法加法簡單運算，與上述算法比計算量比較小，實現(xiàn)起來很簡單。同時，由于射頻通道過來的信號已經(jīng)經(jīng)過自適應(yīng)增益控制，其統(tǒng)計特性相對比較穩(wěn)定，所以在最小梯度下降算法中可以很好的控制算法穩(wěn)定性和算法收斂速度，從圖5中可以看出，本發(fā)明可以達到非常快的收斂速度。另外本發(fā)明所述方法和裝置，可以采用任何陣列結(jié)構(gòu)，可以適用于各種CDMA系統(tǒng)中，可以應(yīng)用于基站或者移動臺，也可以適用于任何雙工方式(時分雙工TDD和頻分雙工FDD)中，具有非常廣的適用性。
權(quán)利要求
1.一種陣列天線全自適應(yīng)權(quán)值更新方法，其特征在于，包括以下步驟第一步射頻前端處理，即將空中的無線信號轉(zhuǎn)化為基帶數(shù)字信號供后續(xù)模塊處理；第二步將所得到的數(shù)據(jù)用當前的波束權(quán)值進行加權(quán)求和；第三步對第二步得到的信號進行解擾，得到解擾后解擴前的信息數(shù)據(jù)；第四步將第三步得到的信息數(shù)據(jù)和相應(yīng)的參考信號等數(shù)據(jù)送入權(quán)值更新模塊；第五步進行權(quán)值更新。
2.如權(quán)利要求1所述的陣列天線全自適應(yīng)權(quán)值更新方法，其特征在于，所述第五步的對權(quán)值更新，包括以下步驟(1)確定收斂因子大小；(2)如果權(quán)值更新所利用的含有導頻符號的這路數(shù)據(jù)所對應(yīng)的擴頻碼不是全1碼，則需要對所述參考信號用此擴頻碼進行重新擴頻，以重新擴頻得到的數(shù)據(jù)序列當作參考序列；如果擴頻碼是全1碼，則直接利用所述參考信號本身作為參考序列；(3)以所述參考序列以及所述信息數(shù)據(jù)序列作為輸入序列，結(jié)合已設(shè)定的收斂因子，進行最陡梯度下降法的波束權(quán)值更新，更新后的權(quán)值送入數(shù)字波束賦形模塊中。
3.權(quán)利要求1所述的陣列天線全自適應(yīng)權(quán)值更新方法，其特征在于，所述射頻前端處理，包括對陣列天線接收，射頻通道處理，基帶轉(zhuǎn)換，A/D采樣等處理。
4.如權(quán)利要求1所述的陣列天線全自適應(yīng)權(quán)值更新方法，其特征在于，所述參考信號的選取，包括下列步驟判斷是否為具有插入導頻信道的CDMA系統(tǒng)或是具有專用導頻信道的CDMA系統(tǒng)；對于插入導頻信道的CDMA系統(tǒng)，再判斷當前處理的信息數(shù)據(jù)是否處于導頻符號時間段，如果是處于導頻符號時間段，則以已知的相應(yīng)導頻符號作為參考信號送入權(quán)值更新模塊，如果是處于非導頻時間段，則對解擾后解擴前的信息數(shù)據(jù)進行解擴積分嘗試判決，把判決結(jié)果作為參考信號送入權(quán)值更新模塊；對于專用導頻信道的CDMA系統(tǒng)，則直接以已知的相應(yīng)導頻符號作為參考信號送入權(quán)值更新模塊。
5.一種陣列天線全自適應(yīng)權(quán)值更新裝置，包括天線陣列、射頻通道，所述天線陣列包括兩個或兩個以上的天線陣元，其輸出端接到射頻通道的輸入端；所述射頻通道與所述天線陣列相對應(yīng)，接收來自所述天線陣列的信號，完成低噪聲放大，自動增益控制，解調(diào)，通道校正，基帶轉(zhuǎn)換，A/D采樣，匹配濾波；所有射頻通道的輸出端一方面接到數(shù)字波束賦形模塊的輸入端，另一方面接到權(quán)值更新模塊的輸入端；其特征在于，還包括數(shù)字波束賦形模塊(212)、解擾器(213)、解擴器(214)、嘗試判決模塊(215)、權(quán)值更新模塊(216)；所述數(shù)字波束賦形模塊(212)用權(quán)值對射頻通道輸出的信號進行加權(quán)求和，其輸入端除了射頻通道過來的數(shù)字信號之外，還與所述權(quán)值更新模塊(216)的權(quán)值輸出端相連，其輸出端連到所述解擾器(213)的輸入端；所述解擾器(213)對加權(quán)求和后的數(shù)據(jù)進行解擾，解擾后的數(shù)據(jù)一方面送到所述解擴器(214)的輸入端，另一方面送到權(quán)值更新模塊的輸入端；所述解擴器(214)對解擾后的數(shù)據(jù)進行解擴積分，解擴后的數(shù)據(jù)一方面送往嘗試判決模塊，另一方面送往后續(xù)處理模塊；所述嘗試判決模塊(215)，對解擴積分后的數(shù)據(jù)進行嘗試判決，判決后輸出1或-1的二值數(shù)據(jù)，判決后的數(shù)據(jù)送到權(quán)值更新模塊的輸入端；所述權(quán)值更新模塊(216)，其輸入信號有射頻通道的輸出數(shù)據(jù)、解擾之后的含有導頻信息的一路數(shù)據(jù)、嘗試判決后的結(jié)果數(shù)據(jù)、擾碼數(shù)據(jù)、導頻符號數(shù)據(jù)；通過權(quán)值更新算法得到新的一組復(fù)數(shù)權(quán)值，然后把這套復(fù)數(shù)權(quán)值輸出送往數(shù)字波束賦形模塊(212)。
6.如權(quán)利要求5所述的陣列天線全自適應(yīng)權(quán)值更新裝置，其特征在于，在所述權(quán)值更新模塊(216)的輸入信號中，如果含有導頻信息的信道的擴頻碼不固定，還需要輸入擴頻碼數(shù)據(jù)。
7.一種陣列天線全自適應(yīng)權(quán)值更新裝置，包括天線陣列、射頻通道，所述天線陣列包括兩個或兩個以上的天線陣元，其輸出端接到射頻通道的輸入端；所述射頻通道與所述天線陣列相對應(yīng)，接收來自所述天線陣列的信號，完成低噪聲放大，自動增益控制，解調(diào)，通道校正，基帶轉(zhuǎn)換，A/D采樣，匹配濾波；所有射頻通道的輸出端一方面接到數(shù)字波束賦形模塊(212)的輸入端，另一方面接到權(quán)值更新模塊的輸入端；其特征在于，還包括數(shù)字波束賦形模塊、解擾器(213)、權(quán)值更新模塊(216)；所述數(shù)字波束賦形模塊用權(quán)值對射頻通道輸出的信號進行加權(quán)求和，其輸入端除了射頻通道過來的數(shù)字信號之外，還與所述權(quán)值更新模塊(216)的權(quán)值輸出端相連，其輸出端連到所述解擾器(213)的輸入端；所述解擾器(213)對加權(quán)求和后的數(shù)據(jù)進行解擾，解擾后的數(shù)據(jù)一方面送到所述解擴器(214)的輸入端，另一方面送到權(quán)值更新模塊的輸入端；所述權(quán)值更新模塊(216)，其輸入信號有射頻通道的輸出數(shù)據(jù)、解擾之后的含有導頻信息的一路數(shù)據(jù)、擾碼數(shù)據(jù)、導頻符號數(shù)據(jù)；通過權(quán)值更新算法得到新的一組復(fù)數(shù)權(quán)值，然后把這套復(fù)數(shù)權(quán)值輸出送往數(shù)字波束賦形模塊(212)。
8.如權(quán)利要求7所述的陣列天線全自適應(yīng)權(quán)值更新裝置，其特征在于，在所述權(quán)值更新模塊(216)的輸入信號中，如果含有導頻信息的信道的擴頻碼不固定，還需要輸入擴頻碼數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種陣列天線全自適應(yīng)權(quán)值更新方法及其裝置，所述方法包括射頻前端處理；將所得到的數(shù)據(jù)用當前的波束權(quán)值進行加權(quán)求和；對前一步得到的信號進行解擾，得到解擾后解擴前的信息數(shù)據(jù)；將相應(yīng)的參考信號送入權(quán)值更新模塊；進行權(quán)值更新。所述裝置既適合于采用插入導頻信道的通信系統(tǒng)，也適合于采用專用導頻信道的通信系統(tǒng)。本發(fā)明可應(yīng)用于采用任何陣列方式和任何雙工方式的碼分多址(CDMA)接入方法的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。
文檔編號H04B7/02GK1392692SQ0111310
公開日2003年1月22日 申請日期2001年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月20日
發(fā)明者丁杰偉, 李鯤鵬, 吳濤 申請人:深圳市中興通訊股份有限公司