專利名稱：碼分多址中波束形成與瑞克接收的聯(lián)合處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及CDMA系統(tǒng)中智能天線與瑞克接收相結(jié)合的聯(lián)合處理方法。
背景技術(shù)：
隨著無線網(wǎng)絡(luò)、多媒體技術(shù)和因特網(wǎng)的逐漸融合，人們對無線通信業(yè)務(wù)的類型和質(zhì)量的要求越來越高。為滿足無線多媒體和高速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，人們提出并開發(fā)了第三代移動通信系統(tǒng)(3G)。3G系統(tǒng)中，采用了碼分多址(CDMA)技術(shù)。然而CDMA系統(tǒng)是干擾受限系統(tǒng)，降低并消除CDMA系統(tǒng)中的同道干擾(CCI)、多徑衰落以及遠(yuǎn)近效應(yīng)等因素的影響成為提高CDMA系統(tǒng)容量的關(guān)鍵問題。
一般BF-瑞克接收系統(tǒng)采用了多個波束形成器203-1～203-N，如圖2所示，其工作原理為由多個天線200接收用戶載波信號，用戶載波信號經(jīng)射頻前端和基帶轉(zhuǎn)換單元202下變頻為基帶信號后送入多個波束形成器BF 203-1～203-N進(jìn)行空域波束形成，BF輸出信號經(jīng)解擴(kuò)單元(206)解擴(kuò)后送入瑞克接收機(jī)207進(jìn)行多徑合并，然后輸出到后續(xù)的處理單元，例如判決單元209等中。
瑞克接收機(jī)能夠在時域利用信號的多徑，提高系統(tǒng)的輸出信噪比，是CDMA系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的一種抗多徑技術(shù)。但一般的時域的瑞克接收機(jī)，只能分離時延超過一個碼片的不相關(guān)多徑信號，無法分辨時延小于一個碼片的相關(guān)多徑信號。
隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，人們把陣列信號處理技術(shù)引入到移動通信中，即智能天線技術(shù)。它可以從空域上抑制到達(dá)方向(DOA)與用戶的期望不同的干擾信號，從而提高系統(tǒng)的輸出信噪比。因此，在傳統(tǒng)的瑞克接收機(jī)前采用智能天線，引入一個新的空間維，形成空時聯(lián)合處理，能夠充分利用對用戶多徑信號的空間與時間的可分辨性，有效地抗多徑衰落和同道干擾，顯著提高系統(tǒng)容量和性能。
已有一些文獻(xiàn)研究了接收天線陣列與瑞克接收的聯(lián)合空時處理問題，在下面所列的文獻(xiàn)[2]提出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，均采用了對每個用戶的每條多徑均采用一個波束形成器中的方案，這種結(jié)構(gòu)存在系統(tǒng)復(fù)雜度高的缺點。為降低系統(tǒng)實現(xiàn)復(fù)雜度，本發(fā)明提出一種簡單實用的波束形成-瑞克(下稱BF-瑞克)接收機(jī)結(jié)構(gòu)。
參考文獻(xiàn)列表[1]Tanaka S、Miya K、Adachi F.發(fā)表在IEICE TransFundamentals，1997年E80-A(12)第2445～2453上的PilotSymbol-Assisted Decision-Directed Coherent Adaptive ArrayDiversity for DS-CDMA Mobile Radio Reverse Link[J]。
Rong Z、Rappaport T S、Petrus P等人發(fā)表在Proc 47th IEEEVehicular Technology Conf[C](菲尼克斯，亞利桑那州)IEEE Press，1997年第1-5頁上的Simulation of multitarget adaptive arrayalgorithms for wireless CDMA systems[A]。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種低復(fù)雜度的波束形成-瑞克接收系統(tǒng)方案。
為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個方案，提出了一種波束形成與瑞克接收的聯(lián)合處理方法，包括以下步驟通過天線陣列接收信號；利用一個波束形成器，對接收到的信號進(jìn)行空域處理，更新天線陣的權(quán)矢量；利用接收端已知的導(dǎo)頻符號和瑞克接收機(jī)的信道估計值獲得參考信號；對多個不相關(guān)多徑分量進(jìn)行解擴(kuò)，得到用戶的各條不相關(guān)多徑解擴(kuò)信號；以及利用瑞克接收機(jī)，在時域?qū)鈹U(kuò)信號進(jìn)行多徑合并，輸出所得到的信號。
優(yōu)選地，所述空域處理步驟包括以下步驟利用乘法器將所接收到的信號與對應(yīng)的權(quán)值相乘；利用加法器對所述乘法器的輸出進(jìn)行求和運(yùn)算，并輸出求和結(jié)果；以及利用接收端已知的導(dǎo)頻信號和信道估計信號，采用最小均方算法，自適應(yīng)地調(diào)整每個天線單元的權(quán)值。
優(yōu)選地，所述對多個不相關(guān)多徑分量進(jìn)行解擴(kuò)，得到用戶的各條不相關(guān)多徑解擴(kuò)信號的步驟包括步驟將每個用戶的擴(kuò)頻碼與波束形成器輸出的信號相乘；以及在信號持續(xù)時間內(nèi)對所得到的結(jié)果進(jìn)行積分運(yùn)算。
優(yōu)選地，所述在時域?qū)鈹U(kuò)信號進(jìn)行多徑合并的步驟包括步驟采用信道估計器估計出每徑信道增益；利用該增益對多徑進(jìn)行補(bǔ)償；和利用加法器對每徑信號進(jìn)行合并。
根據(jù)本發(fā)明的另一方案，提出了一種波束形成器，包括接收裝置，接收來自至少一個天線單元的信號以及接收端已知的導(dǎo)頻信號和信道估計信號；調(diào)整裝置，利用接收端已知的導(dǎo)頻信號和信道估計信號，自適應(yīng)地調(diào)整與每個天線單元相對應(yīng)的權(quán)值；乘法器，將所接收到的信號與對應(yīng)的權(quán)值相乘；以及加法器，對所述乘法器的輸出進(jìn)行求和運(yùn)算，并輸出求和結(jié)果。
優(yōu)選地，所述調(diào)整裝置采用最小均方算法自適應(yīng)調(diào)整與每個天線單元相對應(yīng)的權(quán)值。
根據(jù)本發(fā)明的另一方案，本發(fā)明還提出了一種包括上述波束形成器的基站。
根據(jù)本發(fā)明的另一方案，本發(fā)明還提出了一種包括上述波束形成器的波束形成與瑞克接收系統(tǒng)。
在本發(fā)明的BF-瑞克接收系統(tǒng)中，在基站端安裝陣列接收天線，接收到的用戶載波信號經(jīng)射頻前端和基帶轉(zhuǎn)換單元下變頻為基帶信號后送入一個波束形成器BF(智能天線)進(jìn)行空域波束形成，BF中采用最小均方(LMS)算法自適應(yīng)算法調(diào)整每個天線單元的權(quán)值，其輸出信號經(jīng)解擴(kuò)后送入RAKE接收機(jī)進(jìn)行多徑合并，然后輸出到后續(xù)的處理單元進(jìn)行解調(diào)、譯碼等。與一般的BF-RAKE接收機(jī)相比，本發(fā)明的主要區(qū)別在于它對每個用戶只采用了一個波束形成器，而一般BF-RAKE接收機(jī)采用了多個波束形成器。
BF-RAKE聯(lián)合處理主要包括兩個部分一是接收天線陣列在空域的干擾抑制及對期望信號的相關(guān)多徑分量的合成，二是RAKE接收機(jī)對期望信號的不相關(guān)多徑分量的合成。處理步驟為第一步，對接收信號進(jìn)行空域處理。在波束形成器中，把每個陣元信號與對應(yīng)的權(quán)值相乘后，采用加法器把各陣元的輸出相加。采用最小均方(LMS)算法自適應(yīng)地更新天線陣的權(quán)矢量，即根據(jù)期望的參考信號與接收信號的均方誤差最小原理來獲得最佳權(quán)矢量。在計算誤差信號的產(chǎn)生時需要參考信號，這時，利用接收端已知的導(dǎo)頻符號和RAKE接收機(jī)的信道估計值能夠獲得該參考信號。
第二步，對幾個不相關(guān)多徑分量分別解擴(kuò)，得到用戶各條不相關(guān)多徑解擴(kuò)信號。在解擴(kuò)器中，利用各用戶擴(kuò)頻碼與波束形成器輸出的信號相乘，并進(jìn)行信號持續(xù)時間內(nèi)的積分運(yùn)算，然后得到解擴(kuò)后的信號，該信號輸入到瑞克接收機(jī)。
最后，在時域?qū)鈹U(kuò)信號利用瑞克接收機(jī)進(jìn)行多徑合并，輸出信號送入到解調(diào)、譯碼單元進(jìn)行解調(diào)和譯碼處理。在瑞克接收機(jī)內(nèi)，采用信道估計器估計出每徑的信道增益，利用該增益對多徑作補(bǔ)償后，采用加法器對每徑信號進(jìn)行合并，然后輸出到后續(xù)處理單元等。
本發(fā)明對每個用戶的所有多徑信號均采用一個波束形成器，只需進(jìn)行一次波束形成處理，大大降低了系統(tǒng)復(fù)雜度；且在相同信噪比情況下，根據(jù)本發(fā)明的方案的誤比特率BER性能優(yōu)于傳統(tǒng)方案。


下面，將參照附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進(jìn)行詳細(xì)的描述，其中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的BF-瑞克接收機(jī)結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2示出了傳統(tǒng)BF-瑞克接收機(jī)結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的BF-瑞克接收處理的流程圖；圖4(a)、4(b)和4(c)詳細(xì)示出了根據(jù)本發(fā)明的BF-瑞克接收處理的流程圖；以及圖5示出了本發(fā)明的接收機(jī)與傳統(tǒng)接收機(jī)的系統(tǒng)誤比特率(BER)性能的比較的曲線圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作具體說明。應(yīng)該指出，所描述的實施例僅是為了說明的目的，而不是對本發(fā)明范圍的限制。本發(fā)明以CDMA系統(tǒng)為例，但應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明并不局限于此，本發(fā)明能夠應(yīng)用于任何采用波束形成與瑞克接收方法的系統(tǒng)。
本發(fā)明提出的應(yīng)用于CDMA系統(tǒng)的BF-瑞克接收機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。BF-瑞克接收機(jī)包括陣列接收天線100、射頻單元RX 102、波束形成器103、解擴(kuò)器106，多個乘法器以及瑞克接收機(jī)107。波束形成器103中包括加法器104和權(quán)值更新單元105。
下面結(jié)合圖1說明根據(jù)本發(fā)明實施例的BF-瑞克接收機(jī)的操作。在基站端安裝陣列接收天線100，各陣元接收到的用戶載波信號可以表示為[r(1)…r(j)…r(N)]，接收的載波信號經(jīng)射頻單元RX 102下變頻為基帶信號，然后送入一個波束形成器BF(智能天線單元)103進(jìn)行空域波束形成。在波束形成器中，由權(quán)值更新單元105采用LMS算法自適應(yīng)地調(diào)整每個天線單元的權(quán)值wk，把每個陣元信號與對應(yīng)的權(quán)值相乘后(1、2、3)，采用加法器104把各陣元的輸出相加，其結(jié)果輸入到解擴(kuò)器106。在解擴(kuò)器106，利用乘法器6將各用戶擴(kuò)頻碼ck與波束形成器的輸出信號相乘，并在信號持續(xù)時間內(nèi)積分(∫110)運(yùn)算后得到解擴(kuò)后的信號，該信號輸入到瑞克接收機(jī)107。在瑞克接收機(jī)107內(nèi)，采用信道估計器111估計出每徑的信道增益，利用乘法器(7)該增益對多徑作補(bǔ)償后，采用加法器(∑112)把每徑信號合并后輸出到后續(xù)的處理單元，例如判決單元109等。
與一般的BF-瑞克接收系統(tǒng)相比，本發(fā)明在結(jié)構(gòu)上的主要不同之處在于提出系統(tǒng)對每個用戶只采用了一個波束形成器，而一般BF-瑞克接收系統(tǒng)采用了多個波束形成器。
下面，將參照圖1、圖3和圖4對本發(fā)明的系統(tǒng)的操作進(jìn)行描述。
設(shè)系統(tǒng)的基站天線陣100采用N個陣元的均勻線陣(ULA)，假設(shè)陣列響應(yīng)矢量在觀測時間內(nèi)保持不變，則陣元j在t時刻的接收信號如公式(1)所示
x(j)(t)=Σk=1KΣl=1Lk2pk,lαk,l(t)bk(t-τk,l)ck(t-τk,l)×a(j)(θk,l)+n(j)(t),j=1,···,N·---(1)]]>式中K為小區(qū)內(nèi)激活用戶的數(shù)目；Lk為用戶k在t時刻到達(dá)基站天線陣的可分辨多徑數(shù)目；pk，l為用戶k的第l條多徑分量的平均功率；αk，l(t)為用戶k的第l條多徑分量的幅度衰落；τk，l為用戶k的第l條多徑分量的時延；用戶k的信息比特，bk(t)＝bm，mT≤t＜(m+1)T，bm∈{-1，1}，表示bm取值為1或-1，T為符號周期；用戶k的擴(kuò)頻碼ck(t)＝cn，nTc≤t＜(n+1)Tc，cn∈{-1，1}，表示cn取值為1或-1，Tc為擴(kuò)頻碼的碼片周期，處理增益P＝T/Tc；a(j)(θk，l)為第k個用戶的第l條多徑分量對基站天線陣的方向矢量a(θk，l)的第j個分量，且a(θk，l)＝[1，ejφ，ej2φ，...，ej(N-1)φ]T，φ=dsin(θk,l)λ2π,]]>d為ULA陣元間距，λ為工作波長；n(j)(t)為第j個陣元上的加性高斯白噪聲分量，設(shè)各陣元之間的噪聲互不相關(guān)；則x(t)＝[x(1)(t)，x(2)(t)，…，x(N)(t)]T表示整個陣列一個快拍的輸出。
BF-瑞克聯(lián)合處理包括兩個部分一是接收天線陣列100在空域的干擾抑制及對期望信號的相關(guān)多徑分量的合成(103)，二是瑞克接收機(jī)107對期望信號的不相關(guān)多徑分量的合成，下面分開討論。
首先，對接收信號進(jìn)行空域處理(S301)，設(shè)用戶k的陣列接收權(quán)矢量為wk＝[wk1，wk2，…，wkN]T，則用戶k的陣列輸出信號如公式(2)所示yk(t)=Σj=1Nwkj*x(j)(t)=wkHx(t),---(2)]]>這里，“*”、“H”分別表示矩陣(或向量)的復(fù)共軛和共軛轉(zhuǎn)置。陣列處理時，采用LMS算法更新權(quán)矢量(S301)。LMS算法的原理是根據(jù)期望的參考信號rk(m)與接收信號yk(m)＝wkHx(m)的均方誤差E{ek2(m)}最小的原理獲得最佳的權(quán)矢量。由于計算誤差信號的產(chǎn)生需要一個參考信號，利用接收端已知的導(dǎo)頻符號和信道估計值獲得該參考信號，并按以下公式(3)更新權(quán)矢量wk(m+1)＝wk(m)+μx(m)ek*(m+1)ek(m)＝rk(m)-yk(m) (3)
這里，μ表示步長；[x(m)N×P表示導(dǎo)頻符號P個快拍的陣列接收矢量；[rk(m)]1×P為參考信號；[ek(m)]1×P表示導(dǎo)頻符號的權(quán)矢量校正誤差矢量；[yk(m)]1×P為導(dǎo)頻符號的P個快拍的陣列輸出(設(shè)每碼片采樣一次)。
圖4(a)進(jìn)一步詳細(xì)描述了圖3中的步驟S301的操作流程。如圖4(a)所示，將每個陣元信號與對應(yīng)的權(quán)值相乘(S3011)，之后，采用加法器把各陣元的輸出相加(S3012)，以及利用接收端已知的導(dǎo)頻符號和信道估計值，采用最小均方(LMS)算法自適應(yīng)地更新天線陣權(quán)矢量(S3013)。
然后，對幾個不相關(guān)多徑分量分別進(jìn)行解擴(kuò)(106)(S302)。圖4(b)詳細(xì)描述了圖3中的步驟S302的流程。如圖4(b)所示，利用各用戶的擴(kuò)頻碼與波束形成器輸出的信號相乘(S3021)，之后，在信號持續(xù)時間內(nèi)對所得到的結(jié)果進(jìn)行積分運(yùn)算(S3022)。由此可得，用戶k的第l條不相關(guān)多徑在第m個符號的解擴(kuò)信號如公式(4)所示zk,l(m)=1T∫mT+τk,l(m+1)T+τk,lyk(t)ck(t-τk,l)dt---(4)]]>最后，在時域?qū)鈹U(kuò)信號利用瑞克接收機(jī)107進(jìn)行多徑合并(S303)。圖4(c)詳細(xì)描述了圖3中的步驟S303的流程。如圖4(c)所示，采用信道估計器估計出每徑信道增益(S3031)，利用該增益對多徑進(jìn)行補(bǔ)償(S3032)，最后，采用加法器把每徑信號合并后輸出(S3033)。
設(shè)信道估計器得到的用戶k的l徑的信道增益為Hk，l。若按最大比準(zhǔn)則進(jìn)行相干合并，即可得到用戶k的輸出zk(m)=Σl=1Lkzk,l(m)h*k,l,]]>它用于用戶k的后續(xù)解調(diào)、譯碼等處理。
綜上所述，整個處理步驟的流程如圖3所示，包括以下三步第一步(S301)，對接收信號進(jìn)行空域處理，采用最小均方適應(yīng)算法更新天線陣權(quán)矢量；第二步(S302)，對不相關(guān)多徑分量分別解擴(kuò)，得到用戶各條不相關(guān)多徑分量的解擴(kuò)信號；第三步(S303)，在時域?qū)鈹U(kuò)信號利用瑞克接收機(jī)合并多徑信號。
圖5示出了本發(fā)明的接收機(jī)與傳統(tǒng)接收機(jī)的系統(tǒng)誤比特率(BER)性能比較的曲線圖。
仿真參數(shù)為基站采用6陣元均勻線陣，相鄰陣元間的間隔為工作波長的一半；采用WCDMA系統(tǒng)參數(shù)，每幀周期為10ms，由15個時隙(包括導(dǎo)頻符號和數(shù)據(jù)符號)組成，系統(tǒng)擴(kuò)頻增益為32，碼片率為3.84Mchip/s，擴(kuò)頻碼選用偽隨機(jī)序列(PN序列)，多普勒頻移fd＝42Hz，BPSK調(diào)制。假定期望用戶和干擾用戶有兩條多徑(時延差5個碼片)。取權(quán)矢量的初始值為wk(1)(m)=1,wk(j)(m)=0(j>1),]]>迭代步長μ＝0.001。
仿真結(jié)果如圖5所示，為了比較，圖中示出了傳統(tǒng)系統(tǒng)中對每個用戶的每條多徑均采用一個波束形成器的方案的誤比特率(BER)性能?？梢钥吹剑谛旁氡认嗤那闆r下，本發(fā)明所提出的方案的BER性能優(yōu)于傳統(tǒng)方案。
同時，本發(fā)明的方案具有其優(yōu)點和合理性，這是因為·實際系統(tǒng)中，基站接收陣元數(shù)常選用4～8個，半波長情況下基站波束的主瓣3dB寬度為15～25度。在宏蜂窩系統(tǒng)中，期望用戶的角度擴(kuò)展很可能基本上位于該寬度之內(nèi)，所以一個波束形成器可以覆蓋所有多徑分量。
·采用多個波束形成器對每個多徑分量進(jìn)行波束形成時，如果有些波束沒有收斂或存在指向錯誤，會導(dǎo)致整體性能下降，而采用單個波束形成器可避免該問題。
·采用單個波束形成器時，只需進(jìn)行一次波束形成處理，故系統(tǒng)復(fù)雜度大大降低。
盡管已經(jīng)針對典型實施例示出和描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進(jìn)行各種其他的改變、替換和添加。因此，本發(fā)明不應(yīng)該被理解為被局限于上述特定實例，而應(yīng)當(dāng)由所附權(quán)利要求所限定。
權(quán)利要求
1.一種波束形成與瑞克接收的聯(lián)合處理方法，包括以下步驟通過天線陣列接收信號；利用一個波束形成器，對接收到的信號進(jìn)行空域處理，更新天線陣的權(quán)矢量；利用接收端已知的導(dǎo)頻符號和瑞克接收機(jī)的信道估計值獲得參考信號；對多個不相關(guān)多徑分量進(jìn)行解擴(kuò)，得到用戶的各條不相關(guān)多徑解擴(kuò)信號；以及利用瑞克接收機(jī)，在時域?qū)鈹U(kuò)信號進(jìn)行多徑合并，輸出所得到的信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波束形成與瑞克接收的聯(lián)合處理方法，其特征在于所述空域處理步驟包括以下步驟利用乘法器將所接收到的信號與對應(yīng)的權(quán)值相乘；利用加法器對所述乘法器的輸出進(jìn)行求和運(yùn)算，并輸出求和結(jié)果；以及利用接收端已知的導(dǎo)頻信號和信道估計信號，采用最小均方算法，自適應(yīng)地調(diào)整每個天線單元的權(quán)值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述對多個不相關(guān)多徑分量進(jìn)行解擴(kuò)，得到用戶的各條不相關(guān)多徑解擴(kuò)信號的步驟包括步驟將每個用戶的擴(kuò)頻碼與波束形成器輸出的信號相乘；以及在信號持續(xù)時間內(nèi)對所得到的結(jié)果進(jìn)行積分運(yùn)算。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述在時域?qū)鈹U(kuò)信號進(jìn)行多徑合并的步驟包括步驟采用信道估計器估計出每徑信道增益；利用該增益對多徑進(jìn)行補(bǔ)償；和利用加法器對每徑信號進(jìn)行合并。
5.一種波束形成器，包括接收裝置，接收來自天線單元的信號以及接收端已知的導(dǎo)頻信號和信道估計信號；調(diào)整裝置，利用接收端已知的導(dǎo)頻信號和信道估計信號，自適應(yīng)調(diào)整與每個天線單元相對應(yīng)的權(quán)值；乘法器，將所接收到的信號與對應(yīng)的權(quán)值相乘；以及加法器，對所述乘法器的輸出進(jìn)行求和運(yùn)算，并輸出求和結(jié)果。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的波束形成器，其中所述調(diào)整裝置采用最小均方算法自適應(yīng)調(diào)整與每個天線單元相對應(yīng)的權(quán)值。
7.一種基站，其特征在于包括一個根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的波束形成器。
8.一種波束形成與瑞克接收系統(tǒng)，其特征在于包括一個根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的波束形成器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于碼分多址(CDMA)系統(tǒng)中的智能天線與瑞克接收機(jī)相結(jié)合的聯(lián)合處理方法。它對每個用戶的所有多徑信號只采用一個波束形成器，在陣列處理部分采用最小均方(LMS)自適應(yīng)算法更新陣元權(quán)矢量，該方案的誤比特率性能優(yōu)于一般方法中對每個用戶的每條多徑均采用一個波束形成器的方案，且降低了系統(tǒng)實現(xiàn)復(fù)雜度。
文檔編號H04J13/00GK1801666SQ20051000423
公開日2006年7月12日 申請日期2005年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月7日
發(fā)明者黎海濤, 李繼峰 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社