CN100502268C - 智能天线上行波束形成方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种智能天线上行波束形成方法及其装置，涉及宽带码分多址系统中智能天线的接收技术。其中的方法，包括以下步骤：对阵列天线的每个阵元接收到的信号进行匹配滤波；对匹配滤波后的信号进行数字波束赋形；根据导频符号获得的信道估计对期望用户的多径输出信号进行Rake合成；求取误差信号并判断最小均方误差是否在收敛门限之内；采用简化的矩阵求逆与最小均方误差结合的算法求取优化权值；利用优化权值，处理专用数据信道信息，完成信息的接收。其中的装置，包括由N个天线阵元组成的天线阵列、N个射频通道、N个匹配滤波模块、波束赋形模块、信道估计和补偿及Rake合并模块、参数反馈模块、权值估计模块。本发明可以提高收敛速度，简化了系统结构。

Description

智能天线上行波束形成方法及其装置

技术领域

本发明涉及数字无线通讯中智能天线的接收技术，特别涉及一种宽带码分多址(WCDMA)系统智能天线基站的上行自适应波束形成方法及其装置。

背景技术

在数字无线通讯系统中，由于空间信道中存在各种噪声、多径以及衰落的干扰，所以接收机所接收到的信号的性质不十分理想。为了有效地接收信号，接收机系统中采用了多种技术来提高系统的接收性能，如CDMA系统中的RAKE合并技术等。所谓Rake合并就是使用相关接收机组，对每个路径使用一个相关接收机，各相关接收机与同一期望信号的一个延迟形式相关，然后这些相关接收机的输出根据它们的相对强度进行加权，并把加权后的各路输出相加，合成一个输出，加权系数的选择原则是使输出信噪比为最大。

在CDMA系统中，许多用户使用同一频带进行通信。由于不可能设计出完全互不相关的扩频码集合，所以不同用户之间仍存在相互干扰。一般来说，在一个频带内的用户数越多，干扰水平就越高，链路的通信质量就越差。因此，CDMA系统是一个干扰受限的无线通信系统，其每一个规定宽度的频带所能容纳的信道数是有限度的，以往的技术手段只能将通信系统的容量提高到一定程度，要想超过这个限度则必须增加其他的资源。

为了进一步利用不同信号的不同空间特性提高系统性能，人们研究了智能天线技术。智能天线采用两个以上的单天线阵元组成天线阵，每个阵元接收到的信号经过射频处理后用适当的权值进行加权求和，可以达到定向接收的效果，一个权矢量对应着一定的波束方向图。加权的实质是一种空间滤波，智能天线也可以认为是一种空分多址(SDMA)技术。在SDMA中通过天线阵列接收信号，并通过数字信号处理进行数字波束赋形，也就是通过调整天线阵列所接收信号的相位和幅度使所需信号得到加强，而其它干扰信号得以削弱，最终使所需信号的信噪比最大。

智能天线一般分为两种。一种是预多波束智能天线，即预先设定一些指向不同方向的波束权值，在通信过程中选择接收信号比较好的那些波束权值加权结果进行后续处理，例如美国Metawave公司的GSM Spotlight智能天线。这种方法的缺点是需要设计较多的预先权值，也没有充分利用具体时刻的信号空间分布特性，不能很好的提高接收信号的信干噪比。另一种是自适应智能天线，这种天线的权值不需要预先设置，而是根据信号空间分布特性的变化而按一定准则不断更新权值，权值的幅度和相位都可以自由的更新，当算法收敛时这种方法能充分利用期望用户信号和干扰信号的空间特性使接收到的信号的信干噪比达到最大。至今，人们提出了不少与智能天线技术相关的专利，如中国专利01130622(第三代移动通信WCDMA自适应相干接收方法及接收机)，该发明的方法是在信号测量基础上的自适应相干接收方法，它适用于的WCDMA系统的自适应相干接收方法。该方法在主公共导频信道(适用于下行接收机)或者上行专用物理控制信道(DPCCH，适用于上行接收机)去除扰码和信道化码影响，做某一长度SF的积分，产生输出比特，测量其信噪比Eb/It。再使用上述输出比特与经过匹配滤波器后的业务信道比特做相关接收，测量相关接收后数据流中的残留频差Δf。根据上述两个测量结果Eb/It和Δf，自适应决定下一周期内主公共导频信道或者上行链路DPCCH的积分长度SF。基于该方法而设计的WCDMA自适应相干接收机，包括可控积分长度的匹配滤波器，信噪比测量器，自适应算法控制器，时分开关，自适应刷新时钟，残留频差测量器，取共轭器，乘法器。此外，文献《用于移动通信的智能天线波束形成方法(SMART ANTENNA BASE STATION BEAMFORMERFOR MOBILE COMMUNICATIONS)》Journal of Radioelectronics 11，2000.中，最优权向量根据下式求得：

W＝(E[XX^H])^-1E[aX]

其中X＝(x₁，x₂，…，x_N)为阵列接收信号，

d为阵元间距，λ为波长，θ为参考角。E[]表示相关运算，上角标H表示共轭转置运算。可见最优权向量的计算中包含有矩阵求逆运算，运算量很大。

总之，上述涉及自适应智能天线的专利和文献中，或则只是提出了系统实现的框架，没有具体的实现方法；或者所用自适适应控制方式繁琐复杂，难以用目前的硬件在实际无线通信领域中有效实现。

发明内容

本发明的目的是为了克服预多波束智能天线系统的缺点，解决自适应智能天线实现复杂的问题，提出一种简洁有效的自适应智能天线接收方法和相应的装置。

本发明的核心内容是对于期望用户，先将阵列天线的每个阵元接收到信号进行匹配滤波(即乘以期望用户不同时延的扩频码及扰码)，这样就在每个接收阵元上得到期望用户的多径信号，然后将这多径分别用自适应算法进行空间滤波，使得期望用户信号得到增强，而抑制其它用户的信号，得到期望用户的多径的输出，最后根据导频信号获得的信道估计对期望用户的多径输出信号进行最大比合成得到用户的最终输出，自适应算法所需的参考信号通过期望用户的输出判决得到，由判决信号和阵列输出得到误差变量来控制自适应权矢量的调整。从而减少运算量和简化系统结构，提高运算速度，可以实时跟踪用户的快速移动并且可以对抗多个干扰的自适应波束形成方法，从根本上克服现有技术的运算量大、实现难度高、速度慢以及系统结构复杂的缺点。

本发明中的智能天线上行波束形成方法，包括以下步骤：

1.1 对阵列天线的每个阵元接收到的信号进行匹配滤波；

1.2 对匹配滤波后的信号进行数字波束赋形；

1.3 根据导频符号获得的信道估计对期望用户的多径输出信号进行Rake合成；

1.4 求取误差信号并判断最小均方误差是否在收敛门限之内，若是，进行下面的步骤，若否，返回步骤1.1；

1.5 采用简化的矩阵求逆与最小均方误差结合的算法求取优化权值；

1.6 利用优化权值，处理专用数据信道信息，完成信息的接收。

在上述方案中，所述步骤1.1包括以下过程：

2.1 对阵列接收的信号进行时延搜索，并进行时延对齐；

2.2 对于期望用户k，将阵列天线的每个阵元接收到信号进行匹配滤波，即乘以期望用户k不同时延的扩频码及扰码，匹配滤波器的输出为X＝[x₁，x₂，…x_N]，其中N为接收天线的数量。

所述步骤1.2包括以下过程：

3.1 在每帧的第一个时隙的导频位期间，按简化的直接采样矩阵求逆的方式获得权矢量的初始值，初始权值为W＝E[X b_pilot ^*]，W为N维向量，b_pilot为已知的导频符号，*表示共轭运算；

3.2 根据计算出的权值W进行波束形成Y＝W^H×X，W为N维向量。

所述步骤1.3包括以下过程：

4.1 利用波束形成的结果估计Rake合并的第l条多径的复增益

$G_c\left(l\right)=\frac{1}{q}\underset{m=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}[b_m\·y\left(m\right)],$ 式中q为导频位位数，m为1、2…q即导频的序号，b_m为序号为m的导频符号，y(m)为波束形成后对应的输出；

4.2 进行信道补偿并对用户发送控制信息进行判决

$b=\mathrm{sign}\left(\mathrm{imag}\left(y\right)G_c^{*}\left(l\right)\right),$ 式中sign表示符号判决运算，imag表示取虚部运算。

所述步骤1.4包括以下过程：

5.1 把判决输出的信号进行归一化处理；

5.2 计算迭代误差e＝r-Y，e是误差信号，r是迭代过程参量，Y是波束形成的输出。

5.3 判决最小均方误差是否在收敛门限之内。

所述步骤1.5中的求取优化权值，是指在每帧的其它导频位和所有信息位期间，以上步产生的权值为初值，利用最小均方误差迭代出新权值，迭代公式为

W′＝W+μ·e·X，式中，e是误差信号，μ是步长。

本发明中的实现智能天线上行波束形成方法的装置，包括由N个天线阵元组成的天线阵列、N个射频通道、N个匹配滤波模块、波束赋形模块、信道估计和补偿及Rake合并模块、参数反馈模块、权值估计模块；其中一个天线阵元对应一个射频通道和一个匹配滤波模块，每个射频通道输入端接一个阵元的输出端，射频通道的输出端接到一个匹配滤波模块的输入端；每一个匹配滤波的输出端一方面接到波束赋形模块的输入端，另一方面输入到所述权值估计模块中；所述的波束赋形模块的输入端除了匹配滤波过来的数字信号之外，还与接收所述权值估计模块的权值输出，其的输出端连到信道估计和补偿及Rake合并模块的输入端；所述信道估计和补偿及Rake合并模块的输出端连到参数反馈模块的输入端；所述的参数反馈模块的输出端连到权值估计模块的输入端。所述的射频通道完成低噪声放大，自动增益控制，解调，通道校正，基带转换，A/D采样等功能；所述的匹配滤波模块完成对每个阵元接收到信号进行解扰解扩的功能；所述的波束赋形模块完成用权值对匹配滤波后的信号进行复数加权求和的功能；所述的信道估计和补偿及Rake合并模块完成信道估计和补偿，对多径进行Rake合并，对信息比特进行判决的功能；所述的参数反馈模块完成形成迭代误差的功能；所述的权值估计模块完成权值估计算法得到新的一组复数权值，然后把这套复数权值输出送往所述波束赋形模块。

上述方案中的匹配滤波模块、波束赋形模块、信道估计和补偿及Rake合并模块、参数反馈模块和权值估计模块，可以用硬件模块实现，也可以和软件模块实现。

本发明由于采用了简化的矩阵求逆与最小均方误差结合的自适应波束形成方法，同现有的自适应波束形成方法相比具有很多的优点。本发明采用以最小均方误差的近似解替代维纳解作为初始值，在此基础上利用基于最小均方误差准则的迭代算法，在避免烦琐的大型矩阵相乘、矩阵求逆的同时，也提高了算法的收敛速度，从而极大的减少了算法的计算量。另外，本发明利用导频符号实现信道估计和补偿，避免了信道对参考信号的影响，使算法能有效的对抗信道的变化，得到更加精确的结果，同时简化了系统结构。而且本发明所述的方法和装置能跟踪用户的波达方向，自适应的调节权矢量；而且能在期望用户的波达方向形成波束最大指向，在干扰用户方向形成零陷，有效的抑制干扰的影响。

附图说明

图1是本发明中的智能天线上行波束形成方法的流程图；

图2是本发明中的实现智能天线上行波束形成方法的装置的一个实施例的结构图；

具体实施方式

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述，根据这些流程图和结构图，同一领域的技术人员可以很容易实现这些模块。

图1是本发明的方法流程图。在自适应方式智能天线中，对应空域或空、时域处理的权值可依据一定的自适应算法进行任意调整，以对当前的传输环境进行最大可能匹配，相应的智能天线接收波束可以是任意指向的。在实践中由于算法常常十分复杂，实现起来较为困难。因此，优化系统结构、减少算法计算量，是本发明的出发点。本发明所阐述的方法可按如下几个步骤实现：

第一步(101)，对天线阵列的每个阵元接收到的信号进行匹配滤波。首先，对经过天线阵列20及射频通道21接收的信号进行时延搜索，并进行时延对齐。一般来说，信号的多径时延通过搜索器是可以求出的，因此在下面的过程中假设多径时延已知，在不影响算法的前提下不考虑时延影响。其次，对于用户k，将来自射频通道211、212、…、21N的信号，经过对应的匹配滤波器221、222、…、22N进行匹配滤波(即乘以用户k不同时延的扩频码及扰码)，这样就得到用户k的l_k个多径信号，匹配滤波器的输出分别为x₁、x₂、…、x_N。

第二步(102)，进行数字波束赋形。在每帧的第一个时隙的导频位期间，按简化的直接采样矩阵求逆的方式获得权矢量的初始值，初始权值为W＝E[Xb_pilot ^*]，或表示为W＝[w₁，w₂，…，w_N]，将得到的权值估计模块26的权值分量w₁、w₂、…、w_N通过乘法器231、232、233与对应的滤波器模块22的输出x₁、x₂、…、x_N分别相乘，再在加法器30中相加，最后得到数字波束赋形的输出Y＝W^H×X。

第三步(103)，根据导频符号获得的信道估计对期望用户的多径输出信号进行Rake合成。首先，对数字波束赋形23的输出通过Rake合并模块241得到第l条多径的复增益 $G_c\left(l\right)=\frac{1}{q}\underset{m=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}[b_m\·y\left(m\right)];$ 其次，进行信道补偿并对用户发送控制信息通过判决模块242进行判决，判决输出为 $b=\mathrm{sign}\left(\mathrm{imag}\left(y\right)G_c^{*}\left(l\right)\right).$

第四步(104)，求取误差信号并判断最小均方误差是否满足要求。首先把判决模块242输出的信号通过幅值归一化模块251进行归一化处理；其次，将归一化模块251的输出通过乘法器252与信道估计模块241的输出相乘，乘法器252的输出为r(k)，其中k指用户k；然后，将r(k)与数字波束赋形模块23的输出Y通过加法器253相加，得到输出的误差信号e(k)(e(k)＝r(k)-Y)。

最后，判决最小均方误差是否在收敛门限之内，若符合要求，则继续进行处理；否则舍弃该数据。

第五步(105)，采用简化的矩阵求逆与最小均方误差结合的算法求取优化权值。对于权值估计模块26，在每帧的其它导频位和所有信息位期间，以上步产生的权值为初值，根据参数反馈模块25输出的误差信号e，以及匹配滤波模块22的输出X，利用最小均方误差迭代公式W′＝W+μ·e·X得出新权值W′。

第六步(106)，利用优化权值，处理专用数据信道信息。由于控制部分和数据部分的空中传播路径相同，这样由控制部分更新得到的权值对数据部分同样适用，于是根据得到的权值求得相应数据信息。

图2是实现本发明方法的智能天线接收装置结构图，天线阵列20由N个天线阵元201、202、…、20N组成，这些天线阵元的接收的信号分别经过N个射频通道211、212、…、21N，并通过匹配滤波器221、222、…、22N处理形成N路复数基带信号x₁、x₂、…、x_N。数字波束赋形模块23由N个复数乘法器231、232、…、23N和一个复数求和器230组成。基带信号x₁、x₂、…、x_N和权值分量w₁、w₂、…、w_N相乘求和得到输出信号y。对数字波束赋形模块23的输出通过Rake合并模块241得到第l条多径的复增益；再进行信道补偿并对用户发送控制信息通过判决模块242进行判决，把判决模块242输出的信号通过幅值归一化模块251进行归一化处理；将归一化模块251的输出通过乘法器252与信道估计模块241的输出相乘，乘法器252的输出为r(k)；将r(k)与数字波束赋形模块23的输出Y通过加法器253相，得到输出的误差信号e(k)；在权值估计模块26中，根据参数反馈模块25输出的误差信号e，以及匹配滤波模块22的输出X，利用最小均方误差迭代公式W′＝W+μ·e·X得出新权值。

本发明方法与传统的最小均方误差迭代自适应方法相比具有以下特点：

第一，利用已知导频符号求优化权值，作为最小均方误差迭代的初值，使得初值的选取更加接近理想权值，大大提高了收敛速度，满足了通讯系统实时处理的要求。

第二，算法避免了大型矩阵相乘和矩阵求逆，转而以简单的加法和乘法代替，降低了硬件实现的难度，更易于工程实现。

第三，在迭代过程中，通过信道估计、补偿和利用已知的导频符号，使参考信号更加独立于信道的影响，进而使算法能有效的对抗信道的变化，得到更加精确的结果。

第四，算法能应用各种场合，在多用户多条路径的情况下，实现难度不会加大，只是把单用户单条路径的实现框图简单叠加即可。

第五，算法能应用在各种信道环境下，如宏小区、微小区等ITU建议使用的几种信道环境，都能输出较高的信噪比和较低的误码率。

第六，算法能跟踪用户的波达方向，自适应的调节权矢量。能在期望用户的波达方向形成波束最大指向，而在干扰用户方向形成零陷，有效的抑制干扰的影响。

总之，采用本发明提供的方法实现自适应波束形成，不仅会使系统构成简化，技术难度和运算量大大降低，研发周期缩短，而且使宽带码分多址系统智能天线基站处理的性能大大提高，便于工程实现。

Claims (8)

1、一种智能天线上行波束形成方法，包括以下步骤：

1.1 对阵列天线的每个阵元接收到的信号进行匹配滤波；

1.2 对匹配滤波后的信号在每帧的第一个时隙的导频位期间，按简化的直接采样矩阵求逆的方式获得权矢量的初始权值W，对初始权值W进行数字波束赋形；

1.3 对数字波束赋形的输出Y估计Rake合并的多径的复增益，再进行信道补偿并对用户发送控制信息进行判决，判决输出b；

1.4 求取误差信号并判断最小均方误差是否在收敛门限之内，若是，进行下面的步骤，若否，返回步骤1.1；

1.5 采用简化的矩阵求逆与最小均方误差结合的算法求取优化权值；

1.6 利用优化权值，处理专用数据信道信息，完成信息的接收。

2、如权利要求1所述的智能天线上行波束形成方法，其特征在于，所述步骤1.1包括以下过程：

2.1 对阵列接收的信号进行时延搜索，并进行时延对齐；

2.2 对于期望用户k，将阵列天线的每个阵元接收到信号进行匹配滤波，即乘以期望用户k不同时延的扩频码及扰码，匹配滤波器的输出为X＝[x₁，x₂，…x_N]。

3、如权利要求1所述的智能天线上行波束形成方法，其特征在于，初始权值W通过公式W＝E[X b_pilot ^*]计算，b_pilot为已知的导频符号，*表示共轭运算；

数字波束赋形的输出Y通过公式Y＝W^H×X计算，H表示共轭转置运算。

4、如权利要求1所述的智能天线上行波束形成方法，其特征在于，第l条复增益G_c(l)通过公式 $G_c\left(l\right)=\frac{1}{q}\underset{m=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}[b_m\·y\left(m\right)]$ 计算，其中q为导频位位数，b_m为序号为m的导频符号，y(m)为波束形成后对应的输出；

判决输出b通过公式 $b=\mathrm{sign}\left(\mathrm{imag}\left(y\right)G_c^{*}\left(l\right)\right)$ 计算，式中sign表示符号判决运算，imag表示取虚部运算。

5、如权利要求1所述的智能天线上行波束形成方法，其特征在于，所述步骤1.4包括以下过程：

5.1 把判决输出的信号进行归一化处理；

5.2 计算迭代误差e＝r-Y，e是误差信号，r是迭代过程参量，Y是波束形成的输出；

5.3 判决最小均方误差是否在收敛门限之内。

6、如权利要求1所述的智能天线上行波束形成方法，其特征在于，所述步骤1.5中的求取优化权值，是指在每帧的其它导频位和所有信息位期间，以上步产生的权值为初值，利用最小均方误差迭代出新权值，迭代公式为W′＝W+μ·e·X，e是误差信号，μ是步长。

7、一种实现智能天线上行波束形成方法的装置，包括由N个天线阵元组成的天线阵列(20)、N个射频通道(21)、N个匹配滤波模块(22)、波束赋形模块(23)、信道估计和补偿及Rake合并模块(24)、参数反馈模块(25)、权值估计模块(26)；其中一个天线阵元对应一个射频通道和一个匹配滤波模块，每个射频通道输入端接一个阵元的输出端，射频通道的输出端接到一个匹配滤波模块的输入端；每一个匹配滤波的输出端一方面接到波束赋形模块(23)的输入端，另一方面输入到所述权值估计模块(26)中；所述的波束赋形模块(23)的输入端除了匹配滤波过来的数字信号之外，还与接收所述权值估计模块(26)的权值输出，其的输出端连到信道估计和补偿及Rake合并模块(24)的输入端；所述信道估计和补偿及Rake合并模块(24)的输出端连到参数反馈模块(25)的输入端；所述的参数反馈模块(25)的输出端连到权值估计模块(26)的输入端；

所述的射频通道(21)完成低噪声放大，自动增益控制，解调，通道校正，基带转换，A/D采样等功能；所述的匹配滤波模块(22)完成对每个阵元接收到信号进行解扰解扩的功能；所述的波束赋形模块(23)完成用权值对匹配滤波后的信号进行复数加权求和的功能；所述的信道估计和补偿及Rake合并模块(24)完成信道估计和补偿，对多径进行Rake合并，对信息比特进行判决的功能；所述的参数反馈模块(25)完成形成迭代误差的功能；所述的权值估计模块(26)完成权值估计算法得到新的一组复数权值，然后把这套复数权值输出送往所述波束赋形模块(23)。

8、如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述的匹配滤波模块(22)、波束赋形模块(23)、信道估计和补偿及Rake合并模块(24)、参数反馈模块(25)和权值估计模块(26)用硬件模块实现，或软件模块实现。

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