CN100355219C - 阵列收发系统中的参考信号发射接收方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阵列收发系统中的参考信号发射接收方法及其应用，参考信号选择在与阵列中其余阵元上的发射信道相关性模值之和最大的那个阵元上，从而使得在发射过程中选择在单个阵元上发射导频时，有针对性地明确在阵列的一个阵元上进行发射，能获得最优的性能；而在阵列接收时，考虑采用已知序列与信道因子之积作为参考信号时，选取与阵列中其余阵元的接收信道相关性模值之和最大的那个阵元上的信道因子，因此，使得在接收过程中，导频作为参考信号受到信道衰落变化的影响最小。本发明的发射接收方法能很好地应用于码分多址无线通信系统中，在阵列天线上发射公共导频信号和生成上行参考信号。

Description

阵列收发系统中的参考信号发射接收方法及其应用

技术领域

本发明涉及无线移动通信，更具体地指一种阵列收发系统中的参考信号发射接收方法及其应用。

背景技术

阵列接收和发射技术已经广泛应用在天线、声纳等系统中，用于信号的增强和噪声抑制。

在发射过程中，输送到各个发射阵元上的信号，被分别乘以一定的权值，调整各自的幅度和相位，使得在特定的接收端获得最优的信号质量。

在接收过程中，来自每个阵元的接收信号，用合适的权值先分别进行加权，然后累加合并，使得合并后的输出信号质量达到最优。

在阵列发射和接收中，关键都在于选择合适的加权值，由于每个阵元需要一个权值，所以需要优化的值是一组权值，这一组权值可以表示为一个权值向量，阵列发射和接收中需要考虑的关键技术就是这个权值向量的优化。现有的许多优化方法，都引入了参考信号来获取最优的权值，其原理是利用参考信号和各个阵元上信号的相关特性。

在现有的阵列发射和接收方法中，参考信号一般是一段收发端都已知的信号(简称为导频，即符号序列)，在发射和接收中的使用方法如下：

在发射过程中，导频在单个阵元上发射，或者和有用信号经过相同的加权处理后发射，而在接收过程中，直接使用这一导频作为接收信号的参考信号。

现有的方法存在如下缺点：

a，在发射过程中，当选择在单个阵元上发射导频时，没有明确在阵列的那个阵元上进行发射，随意的选择并不能获得最优的性能。

b，在接收过程中，直接采用已知的导频作为参考信号的方法受到信道衰落变化的影响，在很多通信环境下并不能很好的应用。

发明内容

针对现有的阵列收发系统中的参考信号，在发射和接收过程中存在的不能获得最优性能、受信道衰落变化影响大的缺点，本发明的目的是提出一种阵列收发系统中的参考信号发射方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种阵列收发系统中的参考信号发射方法，

在发射过程中，

a，首先，输送到发射阵列上的各个发射阵元上的有用信号，被分别乘以一定的权值，调整各个阵元上信号的幅度和相位；

b，然后，寻找出阵列中的一个与其余阵元的发射信道相关性模值之和最大的阵元；

c，最后，在该阵元上发射作为参考信号的导频信号。

所述的步骤b中，在寻找发射参考信号的阵元中，选择以该阵元发射到接收端的信号经历的信道衰落与该阵列的其它阵元上发射到接收端的信道衰落的相关性模值之和最大的阵元。

在寻找阵列中一个与其余阵元的发射信道相关性模值之和最大的阵元时，选择阵列中诸阵元中最靠近中心的阵元，也即挑选出该阵元与阵列中其他阵元的平均距离为最小。

一种阵列收发系统中的参考信号接收方法，

在接收过程中，

接收阵列天线中的阵元接收由发射天线发出的或导频信号；

将所接收到的导频信号与特定阵元上的接收信号的信道因子之积作为参考信号。

所述的特定阵元的选择是以该阵元上的接收信号经历的信道衰落与接收阵列天线中的其它阵元上的接收信号经历的信道衰落的相关性模值之和最大。

在特定阵元的选择中，以所选的阵元与接收阵列天线中其它诸阵元的平均距离最小的阵元为特定阵元。

一种参考信号发射方法的应用，所述的参考信号发射方法应用于码分多址无线通信系统中，以此在该系统的阵列天线上发射公共导频信号。

一种参考信号接收方法的应用，所述的参考信号接收方法应用于码分多址无线通信系统中，以此在该系统的阵列天线上生成上行参考信号。

本发明采用了上述的技术方案，在阵列发射时，参考信号选择在与阵列中其余阵元上的发射信道相关性模值之和最大的那个阵元上，从而使得在发射过程中选择在单个阵元上发射导频时，有针对性地明确在阵列的一个阵元上进行发射，能获得最优的性能；而在阵列接收时，考虑采用已知序列与信道因子之积作为参考信号时，选取与阵列中其余阵元的接收信道相关性模值之和最大的那个阵元上的信道因子，因此，使得在接收过程中，导频作为参考信号受到信道衰落变化的影响最小。本发明的方法通过恰当的选择参考信号所处的阵元位置，能够获得最佳的阵列接收和发射性能。此外，本发明的发射接收方法能很好地应用于码分多址无线通信系统中，在阵列天线上发射公共导频信号和生成上行参考信号。

附图说明

图1为信道和信道空间相关性示意图。

图2为半波长间隔四阵元均匀直线阵列波束形成示意图。

图3为以一定角度范围内到达天线阵列的信号示意图。

具体实施方式

首先说明一下信道和信道空间相关性的概念。

如图1所示，左侧101指示的是n个天线排成的直线阵列，右侧102指示的是单个天线，所有的天线都可以用于发射或者接收，考察101指示的阵列天线发射，102指示的单个天线进行接收的情况(反之，即102指示的单个天线发射，101指示的阵列进行接收的情况)，在信号从阵列到接收端传播的过程中，由于无线传播以及移动通信中存在的各种衰落，信号到达102时受到了传播的信道环境的影响，对于接收信号的一个多径分支，从每个发射天线接收到的信号经历的信道衰落可以表示为一个复数量h_i，i＝0，...，n-1，可以排成列向量的形式：

$\stackrel{\→}{h}=\left[\begin{array}{c}{h}_0\\ h_1\\ \·\\ \·\\ \·\\ h_{n-1}\end{array}\right]---\left(1\right)$

由于实际环境中h_i，i＝0，...，n-1都是一些随机变量，可以求(1)表示的复随机向量的自相关矩阵：

其中的r_i，j(i，j＝0，...，n-1)代表从第i号天线与第i号天线上到达102天线的信号之间的相关性，可以看出矩阵的第i行即代表了第i号天线与阵列中的所有阵元间的相关性。

对于102指示的单个天线发射，101指示的阵列进行接收的情况，同样可以获得如(2)式的信道相关矩阵。

为了改善参考信号在阵列收发中的性能，本发明考虑了阵列上每个阵元上的信号之间的相关性，提出了如下的发射和接收方法。

其中，阵列收发系统中的参考信号发射方法步描述如下：

一种阵列收发系统中的参考信号发射方法，

在发射过程中，

a，首先，输送到发射阵列上的各个发射阵元上的有用信号，被分别乘以一定的权值，调整各个阵元上信号的幅度和相位；

b，然后，寻找出阵列中的一个与其余阵元的发射信道相关性模值之和最大的阵元；

c，最后，在该阵元上的发射参考信号或者导频信号。

所述的步骤b中，在寻找发射参考信号的阵元中，选择以该阵元发射到接收端的信号经历的信道衰落与该阵列的其它阵元上发射到接收端的信道衰落的相关性模值之和最大的阵元。

在寻找阵列中一个与其余阵元的发射信道相关性模值之和最大的阵元时，选择阵列中诸阵元中最靠近中心的阵元，也即挑选出该阵元与阵列中其他阵元的平均距离为最小。

阵列收发系统中的参考信号接收方法步描述如下：

一种阵列收发系统中的参考信号接收方法，

在接收过程中，

接收阵列天线中的阵元接收由发射天线发出的参考信号或导频信号；

将所接收到的导频信号与特定阵元上的接收信号的信道因子之积作为参考信号。

所述的特定阵元的选择是以该阵元上的接收信号经历的信道衰落与接收阵列天线中的其它阵元上的接收信号经历的信道衰落的相关性模值之和最大。

在特定阵元的选择中，以所选的阵元与接收阵列天线中其它诸阵元的平均距离最小的阵元为特定阵元。

在发射过程中，当导频在单个阵元上发射时，在阵列中应该这样选择发射导频的阵元：经过信道的传播后，该阵元发射到接收端的信号经历的信道衰落与阵列其他阵元上发射到接收端的信道衰落的相关性模值之和最大。由于相关性模值大小在一定的信道环境下主要取决于阵元之间的间距，间距越大，相关性模值越小，因此，在大多数情况下，选择的阵元是阵列中到其他阵元的平均距离最小的。

在接收过程中，参考信号采用已知的导频和特定阵元上的接收信号的信道因子之积，对这里的特定阵元的选择方法是：该阵元上的接收信号经历的信道衰落与阵列其他阵元上的接收信号经历的信道衰落的相关性模值之和最大。由于相关性在一定的信道环境下主要取决于阵元之间的间距，间距越大，相关性模值越小，因此，在大多数情况下，选择的阵元是阵列中到其他阵元的平均距离最小的。

下面将以应用半波长间隔四阵元均匀直线阵列为例，对接收和发射方法进行来详细说明。

在图1中，201～204指示了天线阵列的四个阵元，每个阵元的发射和接收特性是相同的，205指示的双向箭头表明了发射或者接收信号，四个阵元均匀的排列在由206指示的虚线段AB上，AB线段称为阵列的轴线，相邻阵元的间隔是天线阵列工作频点对应的波长的一半，即图中说明的Wavelengh/2，由207指示的线段CD与AB垂直，称为阵列的法线，208和209指示了从两个不同方向到达天线阵列的信号，他们到达的方向与阵列的法线CD的夹角分别是210和211，角度以逆时针旋转为正方向。

在图1表示的阵列前提下，按照本发明提出的方法，则参考信号的发射和接收方法应该是：

供接收端使用的导频选在202(或者203)阵元上发射。

在接收中，参考信号采用导频和202(或者203)阵元上信号的信道因子之积。

上述的发射和接收方法表明，在均匀直线阵列情况下，参考信号应该选择在阵列中最靠近中心的阵元，这样挑选出的阵元与阵列中其他阵元的平均距离最小，满足相关性模值之和最小的要求。

对此，我们可按照一种相关性原理来验证了上述选择在202(或者203)时满足相关性模值之和最小。

以阵列接收为例，当到达阵列的信号不是平面波，而是从一个角度范围内到达时，如图3所示：

301指示的虚线上的四个天线组成了半波长间隔均匀直线阵列，信号从303指示的∠BOC角范围内到达阵列，信号中心方向与阵列的法线方向夹角为302指示的∠AOD。

假设信号在到达的角度范围内是均匀分布的，一种近似计算-的方法为：

$\stackrel{\→}{R}=\underset{q=Q/2}{\overset{Q/2}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\→}{a}({\mathrm{\θ}}_o+q\×\mathrm{\Δ}/Q){\stackrel{\→}{a}}^{\mathrm{II}}({\mathrm{\θ}}_0+q*\mathrm{\Δ\φ}/Q)---\left(3\right)$

$\stackrel{\→}{a}\left(\mathrm{\φ}\right)=\left[\begin{array}{c}1\\ e^{-j2\mathrm{\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}\sin \mathrm{\φ}}\\ e^{-j2\mathrm{\π}\frac{2d}{\mathrm{\λ}}\sin \mathrm{\φ}}\\ e^{-j2\mathrm{\π}\frac{3d}{\mathrm{\λ}}\sin \mathrm{\φ}}\end{array}\right]---\left(4\right)$

这里的θ_o为图3中的302角，(在一般计算中取100)是303的角度范围内均匀选取的方向个数，Δφ表示303角的大小，是相邻阵元之间的间隔，λ是天线阵列接收信号的波长。

在(3)，(4)中，令θ₀＝0，Δφ＝30°，Q＝100，d/λ＝1/2，那么(3)式的-的值为：

$\stackrel{\→}{R}=\left[\begin{array}{cccc}1.0& 0.8904& 0.6040& 0.2488\\ 0.8904& 1.0& 0.8904& 0.6040\\ 0.6040& 0.8904& 1.0& 0.8904\\ 0.2488& 0.6040& 0.8904& 1.0\end{array}\right]---\left(5\right)$

从

矩阵的第一行或第一列可以看出第0号天线上信号与其他几根天线上信号的相关性特性，比较第二行或第二列代表的第1号天线上信号与其他几根天线上信号的相关性特性，显然后者总共要大于前者。在这种情况下，采用第1号天线上的信号作为其他几根天线上接收信号的参考信号，应用在各种接收方法中，便可以获得优于以第0号天线为参考的性能。

本发明的参考信号发射方法和接收方法可应用于码分多址无线通信系统中，以此在该系统的阵列天线上发射公共导频信号和生成上行参考信号。

本发明应用在宽带码分多址系统中，经过了仿真验证证明了优于现有的其它的技术方案所得到的性能。

Claims (8)

1、一种阵列收发系统中的参考信号发射方法，其特征在于：

在发射过程中，

a，首先，输送到发射阵列上的各个发射阵元上的有用信号，被分别乘以一定的权值，调整各个阵元上信号的幅度和相位；

b，然后，寻找出阵列中的一个与其余阵元的发射信道相关性模值之和最大的阵元；

c，最后，在该阵元上发射作为参考信号的导频信号。

2、如权利要求1所述的阵列收发系统中的参考信号发射方法，其特征在于：所述的步骤b中，在寻找发射参考信号的阵元中，选择以该阵元发射到接收端的信号经历的信道衰落与该阵列的其它阵元上发射到接收端的信道衰落的相关性模值之和最大的阵元。

3、如权利要求1所述的阵列收发系统中的参考信号发射方法，其特征在于：在寻找阵列中一个与其余阵元的发射信道相关性模值之和最大的阵元时，选择阵列中诸阵元中最靠近中心的阵元，也即挑选出该阵元与阵列中其他阵元的平均距离为最小。

4、一种如权利要求1-3中任一项参考信号发射方法的应用，其特征在于：所述的参考信号发射方法应用于码分多址无线通信系统中，以此在该系统的阵列天线上发射公共导频信号。

5、一种阵列收发系统中的参考信号接收方法，其特征在于：

在接收过程中，

接收阵列天线中的阵元接收由发射天线发出的导频信号；

将所接收到的导频信号与特定阵元上的接收信号的信道因子之积作为参考信号，其中，所述的特定阵元的选择是阵列中的一个与其余阵元的接收信道相关性模值之和最大的阵元。

6.如权利要求5所述的阵列收发系统中的参考信号接收方法，其特征在于，所述特定阵元的选择是以该阵元上的接收信号经历的信道衰落与接收阵列天线中的其它阵元上的接收信号经历的信道衰落的相关性模值之和最大。

7、如权利要求5所述的阵列收发系统中的参考信号接收方法，其特征在于：所述特定阵元的选择是以所选的阵元与接收阵列天线中其它诸阵元的平均距离最小的阵元为特定阵元。

8、一种如权利要求5-7中任一项所述的参考信号接收方法的应用，其特征在于：所述的参考信号接收方法应用于码分多址无线通信系统中，以此在该系统的阵列天线上生成上行参考信号。

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