CN101399586B - 信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种信号处理方法，包括：根据用户的不同到达角用户信号的方向性矢量、所述用户对应的下行赋形矢量以及接收天线在不同到达角的方向性增益，确定所述用户的不同到达角用户信号的强度；根据所述不同到达角用户信号的强度，确定所述用户的方位估计值。另一种信号处理方法，包括：确定用户的方位估计值；根据设定的衰减门限对应的两个用户信号到达角的差，估算所述用户的方位估计值存在的偏差；利用估算出的偏差，对所述用户的方位估计值进行修正。本发明提供的两种方法，可以减少甚至消除用户方位估计值与真实值之间的偏差。

Description

信号处理方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术，特别涉及信号处理方法。

背景技术

基于用户位置的移动定位业务(LBS)的实现依赖于用户方位的准确估计。现有的用户方位估计方法，通常根据用户的多个来波方向的用户信号强度估计该用户的方位。具体的实现方法包括：

根据基站端天线阵列接收到的某一用户的信号估计信道冲击响应，计算下行赋形矢量；根据计算所得的下行赋形矢量，确定基站端天线阵列接收到的该用户在不同到达角的用户信号强度；将用户信号强度最大的到达角作为该用户的方位估计值。

其中，基站端天线阵列接收到用户的不同到达角信号的强度与对应天线阵列的方向性增益有关。在使用扇区天线的系统中，来自不同方向的用户信号在接收天线处的方向性增益不同，越靠近天线的法线方向，天线的方向性增益越大；相反越远离天线的法线方向，天线的方向性增益越小。上述这种方向性增益的不同导致不同到达角的用户信号的增益不均衡，也就是说，当来自用户的不同信号的强度相同时，如果这两个信号的到达角不同，则基站端天线阵列接收到的这两个信号的强度会由于方向性增益的不同而不同，进而造成用户方位估计的偏差。

比如，当用户发出的信号通过两个不同方向到达基站端天线阵列，这两个信号的强度相同，用户的真实方位靠近两个到达方向的中间角度。用户信号的一个到达方向在天线的法线方向，另一个到达方向在偏离法线方向约90度的方向，在这种情况下，因为靠近法线的方向性增益大，而远离法线的方向性增益小，因此基站端天线阵列接收到的两个信号的强度将差别很大，导致最后估计出的用户方位靠近法线方向，偏离真实值。

总之，由于在扇区天线系统中，存在天线的方向性增益差别，因此用户信号到达角的扩散范围越大，天线的方向性增益对用户方位估计值的准确性影响就越大。如果用户方位估计不准确，将直接影响基于用户位置的LBS业务的实现。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了两种信号处理方法，减少用户方位估计值与真实值之间的偏差。

本发明实施例提供的一种信号处理方法，包括：

根据用户的不同到达角用户信号的方向性矢量、所述用户对应的下行赋形矢量以及接收天线在不同到达角的方向性增益，确定所述用户的不同到达角用户信号的强度；

根据所述不同到达角用户信号的强度，确定所述用户的方位估计值。

本发明实施例提供的另一种信号处理方法，包括：

确定用户的方位估计值；

根据设定的衰减门限对应的两个用户信号到达角的差，估算所述用户的方位估计值存在的偏差；

利用估算出的偏差，对所述用户的方位估计值进行修正。

由以上技术方案的描述可知，本发明提供的第一种信号处理方法，在确定基站端天线阵列接收到的不同到达角的用户信号强度g_i时，考虑接收天线的方向性增益在不同到达角上的差异，之后再根据确定出的g_i确定用户方位估计值，进而可以减少用户方位的估计偏差。本发明提供的另一种信号处理方法，首先采用现有技术中的用户方位估计方法确定出用户方位估计值，然后再根据预设的衰减门限对应的两个用户信号到达角的差，估算用户方位估计值存在的偏差；利用估算出的偏差对确定出的用户方位估计值进行修正，从而可以减少用户方位估计值的偏差。

附图说明

图1为本发明信号处理方法实施例一的流程图；

图2为本发明实施例与现有技术相比g_i与到达角的曲线关系比较图；

图3为接收天线方向性增益函数曲线的具体实例；

图4为本发明信号处理方法实施例二的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明做进一步地详细说明。

本发明实施例提供的第一种信号处理方法，首先采用现有技术中的用户方位估计方法确定出用户方位估计值，然后再根据预设的衰减门限对应的两个用户信号到达角的差，估算用户方位估计值存在的偏差；利用估算出的偏差对确定出的用户方位估计值进行修正。

图1为本发明信号处理方法实施例一的流程图，该流程包括：

步骤101，确定用户方位估计值。

具体可以采用如下两种方式：

一种方式包括：

选择角度集合，如θ_i＝0～360°，i＝0，1，...，预先定义所选定角度的方向性矢量(steering vector)s_i，且满足‖s_i‖＝1，i＝0，1，.....；

根据基站端天线阵列接收到的某一用户的信号估计信道冲击响应，计算下行赋形矢量w；

采用公式(1)计算同一用户对应的不同到达角的信号的方向性矢量s_i与下行赋形矢量w的内积绝对值g_i，g_i表征基站端天线阵列接收到的不同到达角的用户信号的强度，但并不表示不同到达角信号到达基站天线阵列的实际强度。

g_i＝‖w^Hs_i‖；    (1)

其中，w^H为下行赋形矢量w的共轭转置，s_i为第i个用户信号对应的方向矢量。

选择使g_i取得最大值的角度

作为用户方位的估计值，如公式(2)所示：

$\widehat{\mathrm{\θ}}=\underset{{\mathrm{\θ}}_i}{\arg }\left\{\max \left(g_i\right)\right\};---\left(2\right)$

另一种方式包括：

采用与第一种方式相同的方法确定出同一用户对应的全部g_i，之后确定出大于设定门限值的g_i对应的所有角度，如公式(3)所示：

{θ_j；g_j≥max(g_i)-Δ}    (3)

然后，根据不同的权重，对确定出的所有角度进行加权平均，得出用户的方位估计值，如公式(4)所示：

$\widehat{\mathrm{\θ}}=\underset{{\mathrm{\θ}}_j;g_j\≥\max \left(g_i\right)-\mathrm{\Δ}}{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\θ}}_j{\mathrm{\α}}_j}---\left(4\right)$

其中，加权系数α_j和门限值Δ可以根据仿真结果确定，由系统预先设定，比如可以取Δ＝3～5dB。

步骤102，根据设定的衰减门限对应的两个用户信号到达角的差，估算用户方位估计值存在的偏差。

以图2中虚线所示的g_i与到达角的曲线关系为例，说明估算用户方位估计值所存在偏差的方法：

图2中虚线表示采用步骤101所述方式确定的g_i与到达角的曲线关系，从图中可见，虚线中最大g_i对应的角度为-40度，假设预先设定的衰减门限为3dB，则用最大g_i减去3dB，确定该值对应的两个到达角的差Ω，Ω为图2中虚线所示曲线在设定衰减门限对应的波束宽度，Ω越大，表示用户到达角的扩散程度越大，则接收天线的方向性增益的不平衡对用户方位估计的影响就越大。

将确定出的Ω代入公式(5)，估算用户方位估计值所存在偏差；

$\{G(\widehat{\mathrm{\θ}}-a\left(\mathrm{\Ω}\right))-G(\widehat{\mathrm{\θ}}+b\left(\mathrm{\Ω}\right))\}\×c,---\left(5\right)$

其中，

表示当到达角为

时，接收天线的方向性增益；

表示当到达角为

时，接收天线的方向性增益。

为步骤101确定出的用户方位估计值；a、b和c为预先设定的常数，这些常数随接收天线参数的变化而变化，其具体数值可以根据仿真结果确定。

需要说明的是，接收天线的方向性增益函数

表征接收天线的方向性增益随到达角的变化，通常到达角以天线的法线为0度。如图3所示为接收天线方向性增益函数曲线的具体实例。

另外，在实际实现中，即使用户信号的到达角扩展为0，其对应的波束宽度Ω也并非为0，而是趋向一个确定的最小值，为了进一步修正用户方位估计值，可以采用公式(6)，估算用户方位估计值所存在偏差；

$\{G(\widehat{\mathrm{\θ}}-a(\mathrm{\Ω}-{\mathrm{\Ω}}_0))-G(\widehat{\mathrm{\θ}}+b(\mathrm{\Ω}-{\mathrm{\Ω}}_0))\}\×c,---\left(6\right)$

其中Ω₀为用户信号的到达角扩展为0时，对应的波束宽度。Ω为设定的衰减门限对应的两个用户信号到达角的差；Ω₀为用户信号的到达角扩展为0时，对应的波束宽度，Ω₀为常数；

为步骤101确定出的用户方位估计值；

表示当到达角为

时，接收天线的方向性增益；

表示当到达角为

时，接收天线的方向性增益；a、b和c为设定的常数。a、b、c以及Ω₀随接收天线参数的变化而变化，其具体数值可以根据仿真结果确定。

步骤103，利用估算出的用户方位估计值存在的偏差，对步骤101确定出的方位估计值进行修正。

具体的实现方法可以为：利用公式(7)确定修正后的用户方位估计值值。

本发明实施例提供的第二种信号处理方法，在确定基站端天线阵列接收到的不同到达角的用户信号强度g_i时，考虑接收天线的方向性增益在不同到达角上的差异，之后采用步骤101中所述的两种方式中的任一种，根据确定出的g_i确定用户方位估计值。

当然，为了进一步提高用户方位估计值的精确度，还可以采用步骤102和步骤103所述的方法对确定的用户方位估计值进行修正。

图4为本发明信号处理方法实施例二的流程图，该流程包括：

步骤401，定义选定角度的方向性矢量s_i，使其满足‖s_i‖＝1，i＝0，1，.....。

步骤402，根据基站端天线阵列接收到的某一用户的信号估计信道冲击响应，计算该用户对应的下行赋形矢量w。

计算下行赋形矢量的方法为现有技术，这里不再赘述。

步骤403，根据该用户的不同到达角用户信号的方向性矢量、该用户对应的下行赋形矢量以及接收天线在不同到达角的方向性增益，确定该用户的不同到达角用户信号的强度g_i。

一种较佳的具体实现方式可以为：采用公式(8)确定基站端天线阵列接收到的某一用户的不同到达角用户信号的强度g_i。

$g_i=\left|\right|W^H{S}_i\left|\right|/\left|G\left({\mathrm{\θ}}_i\right)\right|---\left(8\right)$

其中，设定接收天线的方向性增益函数为G(θ)，|G(θ_i)|为到达角为θ_i时对应的接收天线方向性增益的绝对值。采用公式(8)计算出的g_i可以在一定程度上补偿由于接收天线的方向性增益差别造成的用户方位估计偏差。

当然，公式(8)给出的计算方式只是一种较佳方式，在实际实现中还可以采用其它方式考虑接收天线的方向性增益在不同到达角上的差异，使得确定出的用户信号强度g_i更接近真实值，进而减小用户方位估计的偏差。

步骤404，根据计算出的所有g_i，确定用户方位估计值。

具体的实现方式可以为：

选择使g_i取得最大值的角度

作为用户方位的估计值，如公式(2)所示

也可以为：

首先确定出大于设定门限值的g_i对应的所有角度，然后，根据设定的权重，对确定出的所有角度进行加权平均，得出用户的方位估计值，如公式(3)和(4)所示。

利用该实施例的方法实现简单，可以在一定程度上减小用户方位估计值的偏差。图2中实线所示曲线即为通过该方法确定的g_i与用户信号到达角的关系，图2所示曲线对应的用户的实际位置在-45度，利用现有技术方法确定的用户方位估计值如虚线所示为-40度，利用该实施例确定的用户方位估计值为-43度。由此可见该实施例提供的方法可以减小用户方位估计值的偏差。

该实施例实现简单，但其没有考虑用户信号到达角的分布和用户方位对用户方位估计值的影响。为了进一步提高用户方位估计值的精确度，还可以在步骤404确定出用户方位估计值后，进一步采用步骤102和103所述的方法对确定出的用户方位估计值进行修正。

以图2实线所示g_i与到达角的曲线关系为例，说明估算用户方位估计值所存在偏差的方法：

图2中实线表示采用步骤301-303所述方法确定的g_i与到达角的曲线关系，从图中可见，实线曲线中最大g_i对应的角度为-43度，假设预先设定的衰减门限为3dB，则用最大g_i减去3dB，确定该值对应的两个到达角的差Ω，Ω为图2中实线所示曲线在设定衰减门限对应的波束宽度，Ω越大，表示用户到达角的扩散程度越大，则扇区天线的方向性增益的不平衡对用户方位估计的影响就越大。

将确定出的Ω代入公式(5)或公式(6)，估算用户方位估计值所存在偏差；之后再利用估算出的用户方位估计值存在的偏差，对步骤404确定出的方位估计值进行修正，具体可以利用公式(7)确定修正后的用户方位估计值。通过公式(7)修正后的用户的方位估计偏差几乎为0，因此，利用本发明实施例提供的信号处理方法可以显著提高用户方位估计值的精确度，为基于用户位置的LBS业务的实现提供了保证。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种信号处理方法，其特征在于，包括：

根据用户的不同到达角用户信号的方向性矢量、所述用户对应的下行赋形矢量以及接收天线在不同到达角的方向性增益，确定所述用户的不同到达角用户信号的强度；

根据所述不同到达角用户信号的强度，确定所述用户的方位估计值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定用户的不同到达角用户信号的强度，具体为：

所述用户的一个到达角用户信号的强度，等于所述用户的下行赋形矢量的共轭转置与所述用户的该到达角用户信号的方向性矢量的内积绝对值，再除以该到达角接收天线的方向性增益的绝对值。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定用户的方位估计值，具体为：

选择所述不同到达角用户信号的强度中，最大值对应的到达角；

或者，首先确定出大于设定门限值的所述用户信号的强度对应的角度，然后，根据设定的权重，对确定出的所有角度进行加权平均。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定出所述用户的方位估计值后，该方法进一步包括：

根据设定的衰减门限对应的两个用户信号到达角的差，估算所述用户的方位估计值存在的偏差；

利用估算出的偏差，对所述用户的方位估计值进行修正。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，估算所述用户的方位估计值存在的偏差，具体为：

采用下述公式计算所述偏差，

$\{G(\widehat{\mathrm{\θ}}-a\left(\mathrm{\Ω}\right))-G(\widehat{\mathrm{\θ}}+b\left(\mathrm{\Ω}\right))\}\×c,$

其中，Ω为设定的衰减门限对应的两个用户信号到达角的差；

为所述用户的方位估计值；

表示当到达角为

时，接收天线的方向性增益；

表示当到达角为

时，接收天线的方向性增益；a、b和c为设定的常数。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，估算所述用户的方位估计值存在的偏差，具体为：

采用下述公式计算所述偏差，

$\{G(\widehat{\mathrm{\θ}}-a(\mathrm{\Ω}-{\mathrm{\Ω}}_0))-G(\widehat{\mathrm{\θ}}+b(\mathrm{\Ω}-{\mathrm{\Ω}}_0))\}\×c,$

其中，Ω为设定的衰减门限对应的两个用户信号到达角的差；Ω₀为所述用户的用户信号的到达角扩展为0时，对应的波束宽度；

为所述用户的方位估计值；表示当到达角为时，接收天线的方向性增益；

表示当到达角为

时，接收天线的方向性增益；a、b和c为设定的常数。

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