CN100369399C - 基于智能天线的cdma系统时空分集发射的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种基于智能天线的CDMA系统时空分集发射方法，分别利用与智能天线不同多径相对应的权值系数，得到多组不同天线阵元的发射信号；按一定的时间间隔将该信号经射频通道及天线发射；一种基于上述方法的时空分集发射装置，它至少包括：天线阵元及对应的射频通道、智能天线系统、RAKE接收机、接收-发射转换系统和时间-空间分集发射装置；本发明改变了现有技术中发射信号仅有一条路径的现状，克服了由此带来的各缺点，解决了接收端RAKE合并增益不明显及可能产生掉话的问题；本发明综合了空间分集和时间分集特性，在接收端获得了良好的接收性能。

Description

基于智能天线的CDMA系统时空分集发射的方法及装置

技术领域：

本发明涉及一种基于智能天线的CDMA系统时空分集发射的方法及装置，特别涉及一种在码分多址(CDMA)通信系统中的时间-空间分集的方法和装置；本发明可以用于码分多址(CDMA)系统，其中包括IS-95、WCDMA、CDMA2000以及TD-SCDMA系统，节点B以及多天线用户设备的发射机部分，属于无线通讯技术领域。

背景技术：

在移动通信中存在多径传输的现象，即信号从发射机发射经过多条传输路径到达接收机。每条传输路径具有不同的传输延时、不同的衰落及不同的相位；其多路接收信号混合到达接收机时会造成多径衰落现象。在码分多址(CDMA)系统中一般采用RAKE接收机技术对时间间隔大于一个码片的多径进行时间分集以及合并，以获得更好的接收性能。多径的情况如图1所示，图中纵向为时间方向，各个峰值(101-106)表示多径出现的时间以及强度。

为了进一步利用不同信号的不同空间特性提高系统性能，很多人研究了智能天线技术，也叫阵列天线技术。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，就能达到定向接收的效果，一个权值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(DBF)，使所需信号的信噪比最大。这是通过调整天线阵列所接收的信号的相位和幅度使所需信号通过相加求和得到加强，而其它干扰信号则通过相加求和被削弱实现的。

一般的智能天线系统结构如图2所示，各个天线阵元的输出信号以及智能天线的输出通过智能天线方法的处理，获得各个天线阵列相对应的一组权值；这一组权值乘以天线输出之后，将各个结果相加就可以得到智能天线系统的输出。无线信号通过天线阵列(20)进入系统，其中天线阵列(20)由多个天线阵元(201-203)构成。天线输出的信号分别通过各自的射频通道(210-213)，在信号合成单元(22)进行加权求和，形成一维信号后输入到以后的系统进行处理。而信号合成单元(22)中的权值系数，由智能天线方法模块(23)提供。

智能天线大体可分三种，一种是预多波束智能天线。这种方法是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。这种方法的缺点是需要设计较好、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，不能很好地提高接收信号的信噪比。

第二种是部分自适应智能天线，这种实现方案通常从接收的阵列信号中提取期望用户信号到达方向角(Direction of Arrive，简称DOA)信息，然后形成指向到达方向角的波束，到达方向角变化则权值跟着变化。这种方法的准则是使接收到的期望用户信号能量最大，同时有限地压制其它方向的干扰。相控阵就属于这样的技术，相控阵的所有幅度一样，不能改变，只有相位能自适应地改变。部分自适应智能天线的性能比预多波束智能天线要好，但还是没有完全利用信号空间信息，且自适应范围也有限，由于提取达到方向角的方法比较复杂，实时实现的难度非常大。

另一种是全自适应智能天线，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，并且该权值的幅度和相位都可以自由的更新；当更新算法收敛时，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噪比达到最大，而部分自适应智能天线一般不考虑干扰到达方向；显然，使用全自适应天线阵列的无线通信系统能达到最好的系统性能。

在目前的情况下，对于IS-95、WCDMA和CDMA2000标准中没有对采用智能天线的强制性要求。其一般用户设备(UE)中必须采用RAKE接收机技术，以达到标准中对该系统的性能要求。而对于TD-SCDMA系统，所述的标准中要求必须采用智能天线。由于智能天线本身就具有良好的接收和发射性能，在用户设备中可以选择或者不选择采用RAKE接收机。如果采用RAKE接收机，依然可以提高系统的性能。而无论采用何种标准，在基站侧的节点B均会采用RAKE接收机，保证系统满足标准的性能指标。

一般的基于智能天线的发射机技术方案为：首先，采用最大功率的智能天线权值作为参考，得到发射的权值；然后，将需要发射的信号，乘以发射权值得到各个天线阵元需要发射的信号；最后，通过射频通道以及天线进行发射。这种方案利用了智能天线的空间分集效应，大幅度的减少了不同用户之间的相互影响，提高了系统的性能指标。

因此，一般在接收机中会采用RAKE接收机进行时间分集，以提高接收效果。在以上仅仅基于单一权值进行发射的方案中，由于智能天线具有良好的指向性，所以无法产生多径传播，也就无法利用RAKE接收机的时间分集进一步提高系统的性能。在接收端的RAKE接收机部分，实际仅仅对一个实际有用的信号进行了运算(其中包括解扩解扰和积分求和处理)，而RAKE接收机中的其他运算资源则被闲置。并且在一些情况下，这些无用的信息还会对有用信息产生干扰，反而降低了接收端的性能。

进一步，如果所采用的智能天线模块对权值系数的获得出现错误判决，即所得到的权值相对应方向角并非实际信号到达的角度，则仅仅针对一个权值系数进行发射的方法，可能会产生接收端无法接收信号的情况。这种现象在无线通讯中，则为“掉话”现象，这是不能接受的。智能天线良好的定向性反而增加了系统掉话的可能性，这是在系统设计时所希望避免的。

发明内容：

本发明的主要目的在于改变现有技术中的发射信号中仅仅存在一条路径的现状，克服由此所带来的各种缺点，解决现有技术中存在的接收端RAKE合并增益不明显以及可能产生掉话问题。

本发明的另一目的在于综合智能天线的空间分集以及RAKE接收机的时间分集特性，利用接收端的RAKE接收机的合并增益，在接收端获得良好的系统接收性能。

本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：

一种基于智能天线的CDMA系统时空分集发射方法，分别利用与智能天线不同多径相对应的权值系数，得到多组不同天线阵元的发射信号；按照一定的时间间隔将该信号经过射频通道以及天线发射。

所述的发射方法具体包括如下步骤：

步骤1：获得用户信号的多径延时信息；

步骤2：利用智能天线系统分别得到各个多径对应的用户的空间信息；

步骤3：将用户接收空间信息转化为用户发射空间表示；

步骤4：参考多径的相对时间关系，将需要发射的信号按照一定的时间关系的原则，进行多个拷贝的信号发射。

上述步骤1中，用产信号的多径延时信息是通过RAKE接收机获得的。

所述的多径对应的用户的空间信息为在固定多波束系统或DOA智能天线系统中用户信号的到达角度。

所述的多径对应的用户的空间信息为在自适应智能天线系统中的权值向量。

所述的用户发射空间表示在固定多波束系统或DOA智能天线系统中为用户信号发射角度。

所述的用户发射空间表示在自适应智能天线系统中为一个权值向量。

所述的时间关系的原则为：发射的多径时间间隔大于一个码片，并且使信号在接收端的能量一致。

如上所述的使信号在接收端的能量一致的方法为：对于预多波束型智能天线，根据各个多径的信号接收能量，进行不同的放大幅度的调节；对于到达角度(DOA)型智能天线或全自适应型智能天线系统，则直接发射。

一种基于智能天线的CDMA系统时空分集发射装置，包括：

一个以上的天线阵元及与之相对应连接的射频通道，用于接收或发射多径信号；

智能天线系统，用于用适当的权值进行加权求和，实现定向接收；

RAKE接收机，用于对时间间隔大于一个码片的多径进行时间分集以及合并；

智能天线系统与RAKE接收机连接，其输出不同多径的天线权值系数到RAKE接收机；

接收-发射转换系统，用于完成发射角度或发射权值的处理；

时间-空间分集发射装置，用于完成具有相对时间关系的信号发射；

其中，

各天线阵元连接到与之相对应的射频通道；

各射频通道的输出接入到智能天线系统；

智能天线系统同时还与接收-发射转换系统连接，其输出接收用户空间信息到该接收-发射转换系统；

接收-发射转换系统的输出连接到时间-空间分集发射装置的输入端，其将系统发射的用户空间信息传送给时间-空间分集发射装置；

RAKE接收机的多径延时信号同时输出到智能天线系统和时间-空间分集发射装置；

发射信号直接输入到时间-空间分集发射装置，由该时间-空间分集发射装置同时参考RAKE接收机的多径延时信息及接收-发射转换系统的发射用户空间信息，进行时间以及空间的分集；

时间-空间分集发射装置的输出分别连接到各射频通道，其将进行了时间以及空间的分集的发射信号通过各射频通道和与该射频通道连接的天线阵元发射。

如上所述的时间-空间分集发射装置至少包括：移位寄存器组和抽头延时判决及权值系数转换模块，发射信号输入到移位寄存器组的输入端，该移位寄存器组的各输出抽头连接到抽头延时判决及权值系数转换模块，多径延时信号和发射用户空间信号也连接到该抽头延时判决及权值系数转换模块，抽头延时判决及权值系数转换模块输出发射信号到与之连接的、与各天线阵元相对应的射频通道。

所述的移位寄存器组由门电路或可编程门阵列构成。

所述的抽头延时判决及权值系数转换模块由门电路或可编程门阵列构成。

本发明改变了现有技术中的发射信号中仅仅存在一条路径的现状，克服了由此所带来的各种缺点，解决现有技术中存在的接收端RAKE合并增益不明显以及可能产生掉话问题；同时，本发明综合了智能天线的空间分集以及RAKE接收机的时间分集特性，利用接收端的RAKE接收机的合并增益，在接收端获得了良好的系统接收性能。

本发明采用RAKE接收机获得的的时间信息以及智能天线中的空间信息，通过空时联合发射的思想，获得了一种具有良好性能的CDMA发射的方法与装置。该方法通过不同时间、不同角度发射多个需要发射信号的拷贝，充分利用接收机端的RAKE的接收增益，获得了更加理想的系统性能。由于RAKE接收机的增益，可以考虑将各个发射信号拷贝的发射功率降低。如此可以减少了射频通道以及天线系统中线性功率放大器的动态范围以及总功率。可以降低发射设备的制造价格。

本发明中，由于采用新的空时分集发射技术，人为引入多径信号，从而使信号接收端RAKE接收的性能得到体现，最终提高了整个系统的性能指标。

下面结合附图及具体的实施例对本发明提出的技术方案作进一步的详细说明：

附图说明：

图1为多径信号示意图。

图2为智能天线系统示意图。

图3为本发明的空间-时间联合接收系统示意图。

图4为本发明装置一实施例的整体结构示意图。

图5为本发明一实施例的时间-空间分集发射装置的结构示意图。

具体实施方式：

一般的智能天线系统结构如图2所示，各个天线阵元的输出信号以及智能天线的输出通过智能天线算法的处理，获得各个天线阵列相对应的一组权值；这一组权值乘以天线输出之后，将各个结果相加就可以得到智能天线系统的输出。无线信号通过天线阵列(20)进入系统，其中天线阵列(20)由多个天线阵元(201-203)构成。天线输出的信号分别通过各自的射频通道(210-213)，在信号合成单元(22)进行加权求和，形成一维信号后输入以后的系统进行处理。而信号合成单元(22)中的权值系数，由智能天线算法模块(23)提供。

在接收机系统中，通过智能天线接收机可以得到用户信号的空间信息，通过RAKE接收机能够获得用户信号的时间信息。综合这两种信息、对用户信号进行处理的接收机成为空-时联合接收机。空-时联合接收机的结构如图3所示，其中利用RAKE接收机获得的多径信息，得到对应各个多径的智能天线权值，多个智能天线的输出相加作为RAKE接收机的输入，RAKE接收机的输出作为系统输出提供后端处理。这类接收机完全利用了用户信号的时间以及空间信息，可以达到十分良好的接收性能。无线信号通过天线阵列(30)进入系统，而天线阵列由阵元(301-303)组成。天线阵列(30)的输出经过射频通道(311-313)以及不同的延时环节(321-323)进入对应的智能天线系统，获得对应不同多径的天线权值系数。各个智能天线(321-323)的输出，经过加法单元(33)输入RAKE接收机(34)。而RAKE接收机中的多径延时信息，则反馈给对应的延时环节(321-323)。

参见图4，通过上述有关基于智能天线的CDMA系统时空分集发射方法，可以得到基于智能天线的CDMA系统时空分集发射装置。接收-发射转换装置完成发射角度或者发射权值的形成功能，时间-空间分集发射装置完成具有相对时间关系的信号发射功能。各个发射拷贝之间的时间间隔，可以为实际RAKE接收机获得的多径的相对延时。

无线信号通过天线阵列(40)进入系统，而天线阵列由天线阵元(401-403)组成。天线阵列(40)的输出经过射频通道(411-413)进入对应的智能天线(42)系统，获得对应不同多径的天线权值系数。智能天线(42)的输出输入RAKE接收机(43)。而RAKE接收机(43)中的多径延时信息，则反馈给对应的智能天线(42)。以上构成了空-时联合接收机。通过智能天线(42)得到的接收用户的空间信息，经过接收-发射转换系统(44)，将接收权值系数转换为发射的权值系数，即系统发射的用户空间信息。系统需要发射的信号输入至时间-空间分集发射装置(45)完成处理后，再通过射频通道(411-413)以及天线阵列(40)发射出去。时间-空间分集发射装置(45)同时参考RAKE接收机(43)的多径延时信息以及接收-发射转换系统(44)的发射用户空间信息，进行时间以及空间的分集工作。

参见图5，本发明的一实施例的时间-空间分集发射装置采用了一个移位寄存器组完成对需要发射的信号的延时工作。该装置中通过对RAKE接收机多径延时信息的判决，选择当前时刻需要发射的信号在位置移位寄存器组中的抽头位置，进行叠加发射，完成时间分集发射装置的功能。

系统需要发射的信号进入一个移位寄存器组(50)，进行若干次单位延时处理。移位寄存器组(50)由单一的移位寄存器(501-506)串联实现。信号的多径延时信息以及发射用户空间信息，被输入至抽头延时判决以及权值系数转换模块(51)中。通过不同抽头的选择完成对信号的时间分集，通过不同发射权值系数的选择完成对信号的空间分集。两者结合，共同完成对发射信号的时间-空间分集发射任务。

本发明采用了空间发射分集和时间发射分集思想相结合的思想，即分别利用智能天线对应不同多径的相对应的权值系数，得到多组不同天线阵元的发射信号。经过射频通道以及天线，将这些信号按照一定的时间间隔发射出去。如此，人为地在接收机端形成多径，充分利用系统中已经存在的RAKE接收机，达到更加理想的接收效果。具体有关发射的原则是：达到发射的多径时间间隔比较大并且在接收端的能量一致。有关达到发射的多径时间间隔比较大的要求，由于发射端信号可以认为是同时发射的，通过RAKE接收机的多径时间信息可以获得各个多径的路径传播延时的信息，再通过发射延时的即可达到该目的。关于在接收端的能量一致，则与智能天线的类项有关。对于预多波束型智能天线，由于其不对权值系数的幅度进行调节，所以需要根据各个多径的信号接收能量，进行不同的放大幅度的调节。对于到达角度(DOA)型智能天线和全自适应型智能天线系统，由于方法本身即对信号的幅度进行了调节，所以不必再进行任何调节，可以直接完成发射任务。

通过以上的方发步骤，可以在不同的方向上，人为地发射若干份对于用户具有不同到达时间的信号。这些信号，对于RAKE接收机而言即为不同的多径。因为RAKE接收机具有对多径估计合并的增益，所以以上方案可以在用户端获得更加良好的接收效果。

通过上述有关基于智能天线的CDMA系统时空分集发射方法中的步骤，可以得到基于智能天线的CDMA系统时空分集发射装置。接收-发射转换装置完成发射角度或者发射权值的形成功能，时间-空间分集发射装置完成具有相对时间关系的信号发射功能。各个发射拷贝之间的时间间隔，可以为实际RAKE接收机获得的多径的相对延时。

无线信号通过天线阵列进入系统，而天线阵列由多个天线阵元组成。天线阵列的输出经过射频通道进入对应的智能天线系统，获得对应不同多径的天线权值系数。智能天线系统的输出信号输入到RAKE接收机。而RAKE接收机中的多径延时信息，则反馈给对应的智能天线系统。由此构成了空-时联合接收机。通过智能天线系统得到的接收用户的空间信息，经过接收-发射转换系统，将接收权值系数转换为发射的权值系数，即系统发射的用户空间信息。系统需要发射的信号输入至时间-空间分集发射装置完成处理后，再通过射频通道以及天线阵列发射出去。时间-空间分集发射装置同时参考RAKE接收机的多径延时信息以及接收-发射转换系统的发射用户空间信息，进行时间以及空间的分集工作。

本实施例的装置结构被分隔为相对独立的几个部分。每个部分可以结合其计算的特点，采用相同或者不同的硬件设备实现。对于与本发明直接有关的时间分集发射装置，文中给出了非常方便硬件电路(门电路或者FPGA)实现的方案，消耗极小的代价就可以实现所有功能。

本发明采用RAKE接收机获得的的时间信息以及智能天线中的空间信息，通过空时联合发射的思想，获得了一种具有良好性能的CDMA发射的方法与装置。该方法通过不同时间、不同角度发射多个需要发射信号的拷贝，充分利用接收机端的RAKE的接收增益，获得更加理想的系统性能。由于RAKE接收机的增益，可以考虑将各个发射信号拷贝的发射功率降低。如此可以减少了射频通道以及天线系统中线性功率放大器的动态范围以及总功率。可以降低发射设备的制造价格。

以上实施例仅用以说明本发明而非限制，尽管参照以上较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明进行修改、变形或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (12)

1.一种基于智能天线的CDMA系统时空分集发射方法，其特征在于：分别利用与智能天线不同多径相对应的权值系数，得到多组不同天线阵元的发射信号；按照一定的时间间隔将该信号经过射频通道以及天线发射；

具体包括如下步骤：

步骤1：获得用户信号的多径延时信息；

步骤2：利用智能天线系统分别得到各个多径对应的用户的空间信息；

步骤3：将用户接收空间信息转化为用户发射空间表示；

步骤4：参考多径的相对时间关系，将需要发射的信号按照一定的时间关系的原则，进行多个拷贝的信号发射。

2.根据权利要求1所述的基于智能天线的CDMA系统时空分集发射方法，其特征在于：所述的用户信号的多径延时信息通过RAKE接收机获得。

3.根据权利要求1所述的基于智能天线的CDMA系统时空分集发射方法，其特征在于：所述的多径对应的用户的空间信息为在固定多波束系统或到达方向角DOA智能天线系统中用户信号的到达角度。

4.根据权利要求1所述的基于智能天线的CDMA系统时空分集发射方法，其特征在于：所述的多径对应的用户的空间信息为在自适应智能天线系统中的权值向量。

5.根据权利要求1所述的基于智能天线的CDMA系统时空分集发射方法，其特征在于：所述的用户发射空间表示在固定多波束系统或DOA智能天线系统中为用户信号发射角度。

6.根据权利要求1所述的基于智能天线的CDMA系统时空分集发射方法，其特征在于：所述的用户发射空间表示在自适应智能天线系统中为一个权值向量。

7.根据权利要求1所述的基于智能天线的CDMA系统时空分集发射方法，其特征在于：所述的时间关系的原则为：发射的多径时间间隔大于一个码片，并且使信号在接收端的能量一致。

8.根据权利要求7所述的基于智能天线的CDMA系统时空分集发射方法，其特征在于：使信号在接收端的能量一致的方法为：对于预多波束型智能天线，根据各个多径的信号接收能量，进行不同的放大幅度的调节；对于到达方向角(DOA)型智能天线或全自适应型智能天线系统，则直接发射。

9.一种基于智能天线的CDMA系统时空分集发射装置，包括：

一个以上的天线阵元及与之相对应连接的射频通道，用于接收或发射多径信号；

智能天线系统，用于用适当的权值进行加权求和，实现定向接收；

RAKE接收机，用于对时间间隔大于一个码片的多径进行时间分集以及合并；

智能天线系统与RAKE接收机连接，其输出不同多径的天线权值系数到RAKE接收机；

其特征在于：它还包括：

接收-发射转换系统，用于完成发射角度或发射权值的处理；

时间-空间分集发射装置，用于完成具有相对时间关系的信号发射；

其中，

各天线阵元连接到与之相对应的射频通道；

各射频通道的输出接入到智能天线系统；

智能天线系统同时还与接收-发射转换系统连接，其输出接收用户空间信息到该接收-发射转换系统；

接收-发射转换系统的输出连接到时间-空间分集发射装置的输入端，其将系统发射的用户空间信息传送给时间-空间分集发射装置；

RAKE接收机的多径延时信号同时输出到智能天线系统和时间-空间分集发射装置；

发射信号直接输入到时间-空间分集发射装置，由该时间-空间分集发射装置同时参考RAKE接收机的多径延时信息及接收-发射转换系统的发射用户空间信息，进行时间以及空间的分集；

时间-空间分集发射装置的输出分别连接到各射频通道，其将进行了时间以及空间的分集的发射信号通过各射频通道和与该射频通道连接的天线阵元发射。

10.根据权利要求9所述的基于智能天线的CDMA系统时空分集发射装置，其特征在于：所述的时间-空间分集发射装置至少包括：移位寄存器组和抽头延时判决及权值系数转换模块，发射信号输入到移位寄存器组的输入端，该移位寄存器组的各输出抽头连接到抽头延时判决及权值系数转换模块，多径延时信号和发射用户空间信号也连接到该抽头延时判决及权值系数转换模块，抽头延时判决及权值系数转换模块输出发射信号到与之连接的、与各天线阵元相对应的射频通道。

11.根据权利要求10所述的基于智能天线的CDMA系统时空分集发射装置，其特征在于：所述的移位寄存器组由门电路或可编程门阵列构成。

12.根据权利要求10所述的基于智能天线的CDMA系统时空分集发射装置，其特征在于：所述的抽头延时判决及权值系数转换模块由门电路或可编程门阵列构成。

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