CN100423363C - 用于基站中的自适应天线阵的方向图形成方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于基站中的自适应天线阵的方向图形成方法和装置。该方法包括步骤：分别产生对于由天线阵接收到的与L个不同方向相关联的信号的复相关响应；分别计算与L个不同方向相关联的反向信道上的天线方向图的离散值；将所产生的复相关响应和与之相关的天线方向图的离散值合并起来；和产生前向信道上的天线阵权向量。从而实现了强干扰消除。

Description

用于基站中的自适应天线阵的方向图形成方法和装置

本申请要求名为“用于基站中的自适应天线阵的方向图形成方法和装置”，在俄罗斯知识产权局提出的并且指定序号为No.2002103215的申请为优先权，因此其内容在这里通过参考而被合并在一起。

技术领域

本发明总地涉及无线电工程，而更特别地，涉及在CDMA(Code DivisionMultiple Access，码分多址)蜂窝通信系统中利用自适应天线阵进行无线电信号的接收和发射的方法.而且，本发明可以应用于BTS(Base TransceiverStation，基站无线电收发站)接收装置，该装置在反向和前向信道上对于每个移动用户形成一个天线方向图。

背景技术

自适应天线阵在CDMA BTS中的应用显著地提高了通信质量和系统容量，并且扩展了BTS的覆盖面积.因此，所有的第三代(3G)标准都要求在BTS中使用自适应天线阵.

下面所介绍的用于在前向信道上形成智能天线的天线方向图的传统方法在本领域是公知的。

按照第一种方法，在反向信道上接收信号时所得到的天线阵元的权向量被用于前向信道上的信号发射。这种方法在下列文献中已被说明：Joseph C.Liberti和Theodore S.Rappapot的“用于无线通信的智能天线(Smart Antennasfor Wireless Communication)”，Prentice Hall出版公司，1999，和2000年2月29日授予Simon Saunders的名称为“天线阵中用于自适应波束形成的装置和方法(Apparatus and Method for Adaptive Beam forming in an Antenna Array)”的美国专利US6031877；以及2000年9月19日授予Hui Liu和Guanghan Xu的名称为“智能天线CDMA无线通信系统(Smart Antenna CDMA WirelessCommunication System)”的美国专利US6122260。这种方法对TDD(时分双工)通信系统很有效.

在TDD系统中，前向和反向信道在载频中被按时间分割及匹配。因此由MS信号确定的，从移动台(MS)向基站(BS)传播的信号的方向，与从BS向MS传播的信号的方向匹配。然而，对于FDD(频分双工)CDMA系统，应用这种方法几乎是不可能的，因为载频的变化可能在前向和反向信道上导致显著不同的多径性能。

按照基于校准信号的第二种方法，MS估计前向信道参数并且该估计结果通过反向信道被提供给BTS.基于这一估计结果，BTS校正前向信道上的SA(智能天线)权系数(weight factor)。这一方法在Ayman F.Naguib、Arogyaswami Paulrai和Thomas Kalath的论文“蜂窝CDMA中的基站天线阵容量的提高(Capacity Improvement with Base-Station Antenna arrays in CellularCDMA)”(IEEE Trans.Veh.Technol，vol.43 no.3，第691-698页，1994年8月)中，和1998年10月27日授予Bjom E.Ottersten、Craig H.Barratt、David M.Parish和Richard H.Roy的名为“采用时空处理的频谱有效的高容量无线通信系统(Spectrally Efficient High Capacity Wireless Communication System withSpatio-Temporal Processing)”的美国专利US5828658中已被说明了。上述文件引用于此，以资参考.

这一方法的缺点是，大量的数据必须经反向信道发射以提供反馈，并且需要很长的反馈响应时间.此外，对于某些蜂窝通信系统，尤其是3GPP2通信系统，使用反馈是不可能的，.

按照第三种方法，确定移动用户多径信号的最强分量所到达的方向(参见Joseph C.liberti和Theodore S.Rappapot的“用于无线通信的智能天线(SmartAntennas for Wireless Communication)”，Prentice Hall出版公司，1999，和2000年8月22日授予Shimon B.Scherzer的名为“用于增加CDMA通信容量的实用无线传播方法(Practical Space-Time Radio Method for CDMA CommunicationCapacity Enhancement)”的美国专利US6108565)。这个方向被认为是信号从BTS向MS传播的主方向.选择前向信道上的天线阵元的复系数以使前向信道天线方向图的主波瓣在这一方向上被确定。主瓣的宽度可以通过信号的角扇区确定.

第三种方法的一种可能的实施方式是一种在美国专利US6108565中公开的传统方法。在时空信号处理方法中，利用了交换波束形成方法。天线波瓣的宽度依赖于移动用户到BTS的距离。如果移动用户处在与BTS非常接近的位置上，相应于它们的波束瓣变得较宽。当移动用户远离BTS时，相应于它们的波瓣变得较窄。由于角度扩展估计的必然性质，这种方法需要到移动用户的距离信息，从而该方法不可能具有足够的精度。

美国专利US6108565中介绍了一种用于自适应天线阵的方向图形成方法，它是现有技术中最接近本发明所提出的解决方案的现有技术(下文中称为“原型”).

利用原型的方法将在下面做出说明。对于每个路径，天线阵元的权系数是为了周期性地执行下述的操作.首先，在天线阵元处解调输入信号，然后，对天线阵元处的已解调输入信号进行快速哈达玛(Hadamar)变换从而产生输入信号矩阵。输入信号矩阵与参考信号矩阵相乘，并且输入路径信号到达角度的估计是通过分析输入信号矩阵和参考信号矩阵的乘积来确定的。权向量的当前值被确定为相应于输入路径信号到达角度的估计的向量。路径的权向量的当前值被输出并用于确定自适应天线阵的方向图。参考信号的矩阵通过对应于预先确定的基于输入信号到达的角度的离散假定的信号来确定。

根据下面的公式1，输入信号到达的角度θ的估计确定一个权向量。

w＝[1，e^-jφ，e^-2jφ，...，e^-j(N-1)φ]，......(1)

其中 $\mathrm{\φ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}d\sin \mathrm{\θ},$ λ是波长，d是天线阵元之间的距离，而N是天线阵元的数量。

为了实现这种方法，使用了包括L个路径信号处理模块的原型(传统的)装置，在图1中示出。如图1所示，该装置包括L个路径信号处理模块。L个路径信号处理模块中的每一个包含有N个并联的信道，其包括顺序连接的相关器2和快速哈达玛变换器3，并且还包含有一个参考信号发生器1、一个矩阵乘法器及分析器4、反向信道天线阵权向量发生器5以及一个前向信道天线阵权向量发生器6.

相关器2.1-2.N的第一输入端是信号输入端并且也是该装置的输入端。第二输入端是参考输入端并且与参考信号发生器1的输出端相结合。每个快速哈达玛变换器3.1-3.N模块的输出端与相应的矩阵乘法器及分析器4的输入端相连接，矩阵乘法器及分析器4的输出端被作为反向信道天线阵权向量发生器5的输入端。反向信道天线阵权向量发生器5的第一输出端是反向信道的当前权向量的输出端以及该装置的路径信号处理模块的第一输出端。反向信道天线阵权向量发生器5的第二输出端被作为前向信道天线阵权向量发生器6的输入端.前向信道天线阵权向量发生器6的输出端是前向信道上的当前权向量的输出端以及该装置的路径信号处理模块的第二输出端.

图1中说明的原型(传统的)装置以下述方式运转。

按照上面对原型的说明，在L个路径信号处理模块的每一个中，一个复输入信号被馈送给相关器2.1-2.N的第一(信号)输入端。一个参考PN序列被从参考信号发生器1提供给相关器2.1-2.N的第二(参考)输入端。参考信号发生器1的状态对应于将被接收的多径信号中的路径信号的时间位置值。由相关器2.1-2.N的输出端提供的复解调信号被馈送给相应的快速哈达玛变换器3.1-3.N的输入端，在这里对输入信号进行哈达玛基分解(basis decomposition)。快速哈达玛变换器3.1-3.N的输出端提供的输入信号的频谱被提供给矩阵乘法器及分析器4的N个输入端。在模块4中，参考信号矩阵与输入信号矩阵相乘。输入信号矩阵通过输入信号的频谱产生。参考信号矩阵由对应于预先确定的基于输入路径信号到达角度的离散假定的信号来确定。

此外，在矩阵乘法器及分析器4中，对输入信号矩阵和参考信号矩阵的相乘结果进行分析，并且确定输入路径信号到达的角度的估计。由矩阵乘法器及分析器4的输出端提供的输入路径信号到达的角度的估计被提供给反向信道天线阵权向量发生器5的输入端。反向信道天线阵权向量发生器5基于输入路径信号到达的角度的估计在其第一输出端产生反向信道路径的当前权向量。该权向量是该装置的第一输出信号。

由反向信道天线阵权向量发生器5的输出端提供的输入路径信号到达的角度的估计被馈送给前向信道天线阵权向量发生器6的输入端。前向信道天线阵权向量发生器6根据该输入路径信号到达角度的估计在其输出端产生前向信道路径的当前权向量.这个权向量是该装置的第二输出信号.

在前向信道上的天线波束瓣的宽度依赖于从移动用户到BTS的距离。如果移动用户处在很接近BTS的位置上，相应于它们的波瓣变得较宽。当移动用户远离BTS时，相应于它们的波瓣变得较窄。

由于角度扩展估计的相应特性，这种方法要求确定到移动用户的距离，从而该方法不可能具有足够的精度。

这种方法其它的缺点包括，由于来自其它用户(高速率用户，即，有高发射速率的用户)的强干扰的存在，希望得到的信号结果被干扰抵消了并且无法确定关于希望的信号的到达方向和角度范围的正确解决方案。

发明内容

因此，由于上述问题而设计了本发明，并且本发明的一个目的就是提高在存在对任意值希望信号的强干扰并且干扰角扇区包括大扇区的复杂干扰信号环境下的干扰消除效率。

两个用于BTS自适应天线阵的方向图形成方法和装置的实施例将在下面介绍。天线方向图形成方法的第一个实施例应用于用户信号的角度覆盖区域的随机值，而在第二个实施例中的方法应用于用户信号的角度覆盖区域的相对小的值(例如，小于30度)。

用于BTS自适应天线阵的方向图形成方法的第一个实施例中，共用导频信号由天线阵元中的一个发射并从所有的天线阵元向每一个用户发射信息信号，在接收用户信号期间，产生天线阵元的导频信号的复相关响应，产生反向信道上的天线阵元的复权系数，对于所研究的角区域的L个不同方向的每一个产生判决函数，确定判决函数最大值的方向，产生信号到达的平均角度的估计，考虑天线阵的几何形状并利用已产生的信号到达的平均角度的估计确定天线阵元的相位系数。在为每个用户产生天线阵元的导频信号的复相关响应之前，进行用户信号的搜索以确定路径信号的时间位置，选择其信号具有最大功率的路径，产生信号到达角估计序列，产生在产生了天线阵元的导频信号的复相关响应之后的信号到达角的估计，对于所研究的角范围的L个不同方向中的每一个，结合天线阵元的导频信号的复相关响应和相应的每个方向的复系数的乘积，在天线阵的输出端产生导频信号的复相关响应，在天线阵的输出端产生对于L个不同方向的导频信号的复相关响应的模并且求出最大模，在天线阵的输出端产生对于L个不同方向的导频信号的复相关响应的归一化模，以在天线阵的输出端对于L个不同方向求出导频信号的复相关响应的模与最大模之比.

对于所考虑的角范围的L个不同方向中的每一个，在反向信道上产生了天线阵的复权系数之后，产生反向信道上天线方向图的值，确定反向信道上天线方向图的所产生的值的最大值，对于L个不同方向产生反向信道上天线方向图的归一化值以求出天线方向图的值与最大值的比率，产生对于被研究的的角度范围的L个不同方向中的每一个的判决函数，以进行在天线阵的输出端的导频信号的复相关响应的归一化模和在反向信道上的天线方向图的归一化值的加权组合，在确定了判决函数最大值的方向时，得到信号到达角度的估计作为判决函数最大值的方向，所产生的信号到达角度估计序列被分成多个块，每一个具有M个信号到达角度估计，产生模块的信号到达角度的估计分布向量序列。在该情况中，对于每个模块，长度为L的模块的信号到达角度的估计分布向量是由M个产生的模块的信号到达角度的估计产生的；该向量的每个元素相应于所研究的角度范围中的L个方向中的一个，并且与给定方向的信号到达角度估计的数相等，使用滑动窗口，在模块的信号到达角度估计分布向量序列的基础上，产生信号到达角度的平均估计分布向量序列。

对于每个信号到达角度的平均估计分布向量，确定角信号范围的顶部和底部边界的估计，通过已得到的角信号范围的顶部和底部边界估计产生平均到达角的估计。

在天线阵元的相位系数被确定了之后，在已得到的角信号范围的顶部和底部边界的估计的基础上，产生天线阵元的信号的相关矩阵，

对已产生的相关矩阵进行Cholesky变换以得到下三角矩阵，确定天线阵各阵元的振幅系数和一个天线阵元的振幅系数的比例，利用已得到的下三角矩阵和天线阵各阵元的相位系数从该天线阵元发射导频信号，通过已得到的比例并考虑天线阵元的数量确定归一化系数，通过将归一化系数乘以天线阵元的振幅系数与发射导频信号的天线阵元的振幅系数的比来确定天线阵元的振幅系数，所产生的天线阵元的振幅和相位系数被用于向用户发射信息信号。

执行角信号范围的底部和顶部边界的估计，例如，如下所述：确定信号到达角度的平均估计分布向量的最大元素，确定作为信号到达角度的平均估计分布向量的元素组的边界的底部和顶部元素；在这一情况中，该元素组包括信号到达角度的平均估计分布向量的最大元素并且该组的元素都超过了门限值，然而，在最大元素的任一个方向上，一个单一的未超过门限值的元素，同样地，三个彼此靠近放置的元素中的一个或两个未超过门限值的组，是允许的，那些位于底部元素下面的信号到达角度的平均估计分布向量的元素的总和被确定，并且那些位于顶部元素上面的信号到达角度的平均估计分布向量的元素的总和也被确定，产生对底部元素的校正修正值，这个修正值依赖于那些位于底部元素下面的信号到达角度的平均估计分布向量的元素的总和，并且产生对于顶部元素的校正修正值，这个修正值依赖于那些位于顶部元素上面的信号到达角度的平均估计分布向量的元素的总和。

对底部和顶部元素都要确定修正值，该值依赖于信号到达角度的平均估计分布向量的最大元素的位置，信号角度范围底部边界的估计被确定为对应于底部元素的角坐标的差，并且对于底部元素和校正值确定校正值的总和。

角信号范围的顶部边界的估计被确定为与顶部元素对应的角坐标和对顶部元素的校正修正值以及校正值的总和。

产生信号到达的平均角度的估计，作为角信号范围的底部和顶部边界的估计的和的一半。

天线阵元的振幅系数和发射导频信号的天线阵元的振幅系数的比例可以彼此相等。该比例被确定为0到1的区间中的最大值，由此由用户接收到的信息信号模型的统计相干和统计不相干分量的平均功率的比例不超过给定值。

用于BTS自适应天线阵的前向信道方向图形成方法的第二个实施例包括：接收用户信号，同时产生天线阵元的导频信号的复相关响应，产生反向信道上的自适应天线阵元的复权系数，对于所研究的角度范围中的L个不同的方向中的每一个产生判决函数，确定判决函数最大值的方向以产生信号到达的平均角度的估计，考虑天线阵的几何结构并利用已产生的信号到达平均角度的估计确定天线阵元的相位系数。

在对每一个用户的天线阵元导频信号的复相关响应产生之前，进行用户信号的搜索以确定路径信号的时间位置，选择其上的信号具有最大功率的一个路径，周期性地产生用户信号到达的平均角度的估计。此后，反向信道上的天线阵元的导频信号的复相关响应发生之后，对于所研究的角度范围中的L个不同方向的每一个，结合天线阵元的导频信号的复相关响应和每个方向的相应的复系数的乘积，在天线阵的输出端发生导频信号的复相关响应，对于L个不同方向在天线阵的输出端产生导频信号的复相关响应的模，结合对于L个不同方向在天线阵的输出端的导频信号的复相关响应的模，在天线阵的输出端产生导频信号的已求和相关响应，并确定模的最大值，对于L个不同方向在天线阵的输出端产生导频信号的归一化已求和相关响应，以确定对于L个不同方向在天线阵输出端的导频信号的已求和相关响应与已求和相关响应的最大值之间的比值.

在产生了反向信道上的天线阵元的复权系数之后，对于所研究的角度范围中的L个不同方向中的每一个，在反向信道上产生天线方向图的各个值，求出反向信道上所产生的天线方向图的最大值，对于L个不同方向在反向信道上产生天线方向图的归一化值，从而求出天线阵的值和最大值的比值，产生针对所研究的角度范围的L个不同方向中的每一个的判决函数，以进行在天线阵的输出端的导频信号的归一化已求和相关响应和在反向信道上的天线阵归一化值间的加权合并。在产生了信号到达平均角度和天线阵元的相位系数之后，天线阵各阵元的振幅系数被设置为彼此相等，天线阵元的振幅和相位系数被用于向用户发射信号。

在进行对于L个不同的方向在天线阵的输出端的导频信号的复相关响应的模的合并时，分量的数量不是被设定为常数就是依赖于信号衰减频率的估计被自适应地选择。为了解决这一问题，用于BTS自适应天线阵的前向信道方向图形成装置的第一个实施例包含有N个相关器、参考信号发生器、信号到达角度估计器、反向信道上天线阵的权向量发生器以及产生前向信道上天线阵的权向量发生器，其中相关器的第一输入端为信号输入端并与本装置的输入端相连接，相关器的第二输入端是参考输入端并与参考信号发生器的输出端相连接。

L个对于不同方向的判决函数的计算模块，每一个包含有N-1个乘法器、第一合并器、模计算模块、复方向系数模块以及反向信道上的天线方向图的离散值的计算模块.并且还加入了以下模块：搜索模块、控制器、第一和第二归一化模块、第二合并器、定标(scaling)模块、信号到达角度的估计分布向量、信号到达角度的平均估计分布向量发生器、信号到达角度的平均估计分布向量的分析器，这里搜索模块的第一输入端与本装置的第一输入端相连接，搜索模块的第二输入端是控制端并连接到本装置的输出端，搜索模块的输出端是搜索判决函数的输出端并被连接到控制器的输入端，参考信号发生器的输入端是控制端并与控制器的输出端相连接，以提供本装置的各模块的同步操作，N-1个乘法器的第一输入端和第一合并器的第一输入端是方向的判决函数的计算器的第一输入端并被连接到相应的相关器的输出端。

在这些输出端产生天线阵元的导频信号的相关响应，各乘法器的输出端与第一合并器的输入端相连接，从第二个到第N个，第一合并器的输出端是在天线阵的输出端的给定方向的导频信号的复相关响应的输出端，并且被连接到模计算模块的输入端，每个方向判决函数计算器的第一输出端与第一归一化模块的相应输入端相连接，反向信道上的天线阵离散值计算器的第一输入端是每个方向判决函数计算器的第二输入端并被连接到反向信道上的天线阵权向量发生模块的输出端，以产生反向信道上的天线阵元的权系数，反向信道上的天线阵的权向量发生模块的信号输入端被连接到本装置的输入端，反向上的天线方向图的离散值计算模块的第二输入端和N-1个乘法器的各个第二输入端被合并并与复方向系数模块的输出端相连接，复方向系数模块的输出端输出给定方向的复系数，作为方向判决函数计算模块的第二输出端和给定方向的反向信道上的天线阵方向图的值的输出端的反向信道上的天线方向图的离散值的计算模块的输出端被连接到第二归一化模块的相应输入端。

作为所有L个方向的天线阵的输入端的导频信号的复相关响应的归一化模的输出端的第一归一化模块的输出端被连接到第二合并器的第一输入端，第二归一化模块的输出端是所有L个方向上在反向信道上的天线阵方向图的归一化值的输出端并与定标模块的输入端相连接，定标模块的输出端是对L个方向在反向信道上的天线阵方向图的加权归一化值的输出端并与第二合并器的第二输入端相连接，第二合并器的输出端是对于L个方向的判决函数的值的输出端并被连接到信号到达角度估计器的输入端，信号角度估计器的输出端是信号到达平均角度的估计的输出端并被连接到信号到达的角度的估计分布向量发生模块的输入端，在该输出端产生信号到达角度的估计分布向量序列，信号到达角度的估计分布向量的发生模块的输出端被连接到信号到达角度的平均估计分布向量的发生模块的第一输入端，其第二输入端是控制端并与控制器的输出端相连接，信号到达角度平均估计分布向量的发生模块的输出端是信号到达角度的平均估计分布向量序列的输出端并被连接到信号到达角度的估计分布向量的分析模块的输入端，以产生角度信号范围的顶部和底部边界的估计，信号到达角度的估计分布向量的分析模块的输出端被连接到前向信道上的天线阵方向图的权向量发生模块的相应输入端，前向信道上的天线阵方向图的权向量发生模块的输出端是天线阵元的振幅和相位系数的输出端。

为了解决所指出的问题，用于BTS自适应天线阵的前向信道方向图形成装置的第二个实施例包括；N个相关器、参考信号发生器、信号到达角度估计器、反向信道天线阵的权向量产生模块以及前向信道天线阵权向量产生模块，其中相关器的第一输入端为信号输入端并与本装置的输入端相连接，相关器的第二输入端是参考输入端并与参考信号发生器的输出端相连接。

L个对于不同方向的判决函数的计算模块，每一个包含有N-1个乘法器、第一合并器、模计算模块、复位合并器、复方向系数模块以及反向信道上的天线方向图的离散值计算模块。并且还加入了以下模块：搜索模块、控制器、第一和第二归一化模块、第二合并器、定标模块，这里搜索模块的第一输入端与本装置的第一输入端相连接，搜索模块的第二输入端是控制端并连接到控制器的输出端，搜索模块的输出端是搜索判决函数的输出端并被连接到控制器的输入端，参考信号发生器的输入端是控制端并与控制器的输出端相连接，以提供本装置的各模块的同步操作。

N-1个乘法器的第一输入端和第一合并器的第一输入端是方向判决函数计算模块的第一输入端并被连接到相应相关器的输出端，以在这些输出端产生天线阵元的导频信号的相关响应，各乘法器的输出端与第一合并器的输入端相连接，从第二个到第N个，第一合并器的输出端是在天线阵的输出端的给定方向的导频信号的复相关响应的输出端并且被连接到模计算模块的输入端，其输出端是在天线阵的输出端的给定方向的导频信号的复相关响应的模的输出端并与复位合并器的第一输入端相连接，其第二输入端是复位信号的输入端并被连接到控制器的输出端，复位合并器的输出端是在天线阵的输出端的给定方向的导频信号复相关响应的输出端以及每个方向判决函数的计算模块的第一输出端并被连接到第一归一化模块的相应的输入端，反向信道上的天线阵离散值计算模块的第一输入端是每个方向判决函数计算模块的第二输入端并被连接到反向信道上的天线阵权向量发生模块的输出端，以在天线阵的输出端产生反向信道上的天线阵元的权系数，反向信道上的天线阵的权向量发生模块的信号输入端被连接到本装置的输入端，反向信道上的天线方向图的离散值计算模块的第二输入端和N-1个乘法器的各个第二输入端被合并，并与复方向系数模块的输出端相连接，复方向系数模块的输出端是给定方向的复系数的输出端，作为方向判决函数计算模块的第二输出端和反向信道上的天线阵方向图的值的输出端的反向信道上的天线阵方向图的离散值的计算模块的输出端被连接到第二归一化模块的相应输入端。

作为所有L个方向的在天线阵的输出端的导频信号的复相关响应的归一化复模的输出端的第一归一化模块的输出端被连接到第二合并器的第一输入端，第二归一化模块的输出端是所有L个方向的在反向信道上的天线阵方向图的归一化值的输出端并与定标模块的输入端相连接，定标模块的输出端是对L个方向的在反向信道上的天线阵方向图的加权归一化值的输出端并与第二合并器的第二输入端相连接，第二合并器的输出端是对于L个方向的判决函数的值的输出端并被连接到信号到达角度估计器的输入端，信号到达角度估计器的输出端是信号到达平均角度的估计的输出端并与前向信道上天线阵方向图的权向量发生模块的输入端相连接，前向信道上的天线阵方向图的权向量的发生模块的输出端是天线阵元的振幅和相位系数的输出端。

通过对基站自适应天线阵方向图的生成方法和装置的第一和第二实施例与原型所做的比较分析可以看出，本申请所提出的发明与原型有着显著的区别，这是由于本发明实施例提高了在复杂的干扰信号环境下的干扰消除能力。

附图说明

通过下面所阐述的并与附图相结合的详细说明，本发明的上述的以及其它的特征、目的和优点将变得更加清楚，附图中相同的标号所代表的内容全文一致，其中：

图1是现有装置的框图；

图2表示在前向信道上的天线阵方向图的形成过程；

图3表示用于得到一个信号到达角度的估计分布的平均向量的滑动窗口用法的一个例子；

图4表示确定顶部和底部元素的例子；

图5表示在强干扰的影响下被较大增加的底部元素的一个例子；

图6表示天线阵元的编号顺序的一个例子；

图7本发明第一实施例的框图；

图8表示在图7中所示的信号到达角估计分布向量发生器的一个实施例；

图9表示在图7中所示的信号到达平均估计分布向量发生器的一个实施例；

图10表示在图7中所示的信号到达平均估计分布向量分析器的一个实施例；

图11表示前向信道天线阵权系数向量发生器的一个实施例；

图12表示天线阵元振幅系数的比值发生器的运算算法；

图13是本发明的第二实施例的框图；

图14表示前向信道的天线方向图，其中 $\widehat{\mathrm{\θ}}=\mathrm{\π}/2,$ $\widehat{\mathrm{\Δ}}=\mathrm{\π}/2,$ μ＝0.13；

图15表示前向信道的天线方向图，其中 $\widehat{\mathrm{\θ}}=\mathrm{\π}/3,$ $\widehat{\mathrm{\Δ}}=\mathrm{\π}/3,$ μ＝0.49

图16表示前向信道的天线方向图，其中 $\widehat{\mathrm{\θ}}=\mathrm{\π}/3,$ $\widehat{\mathrm{\Δ}}=2\mathrm{\π}/3,$ μ＝0.14

具体实施方式

本发明的优选实施例将在下面参考附图详细说明。在下面的说明中，对包含在这里的公知的功能和结构的详细说明，如果对说明本发明的主题不是必须的，则将被省略。

在本发明的第一个实施例中，下面将首先介绍BS自适应天线阵的天线方向图形成的第一种方法，其中共用导频信号由天线阵元中的一个发射而信息信号由全部天线阵元发射给每个用户。

对于每个用户，对用户信号的搜索是通过确定路径信号的时间位置而进行的。选取其功率为最大值的信号。接下来，确定信号到达角度的估计序列。

为了产生每一个信号到达角度估计，产生天线阵元的复相关导频信号响应。对于所研究的角范围的L个不同的方向θ_i，i＝1，L中的每一个，天线阵输出端的复相关导频信号响应通过将天线阵元的复相关导频信号响应的乘积加上相应的每个方向的复系数而被产生。对于L个不同方向，在天线阵元输出端产生复相关导频信号响应的模，并且求得其最大值.通过得到复相关导频信号响应在天线阵输出端对于L个不同方向的模与最大模的比值，确定对于L个不同方向在天线阵输出端的复相关导频信号响应的归一化模。在用户信号接收期间产生反向信道上自适应天线阵元的复权系数。

对于所研究的角范围的L个不同的方向θ_i，i＝1，L中的每一个，产生反向信道上天线阵方向图的值。确定所产生的在反向信道上的天线阵方向图的值的最大值。然后，通过得到天线阵方向图在反向信道上的值与最大值的比值，确定对于L个不同方向的反向信道上天线阵方向图的归一化值。

对于所研究的角范围的L个不同的方向θ_i，＝1，L中的每一个，产生判决函数，以实现天线阵输出端的复相关导频信号响应的归一化模和反向信道上天线阵方向图的归一化值的加权合并。产生到达角估计，以作为判决函数的最大值方向，并且所产生的到达角估计序列被分成每个包含M个到达角估计值的多个组。对于每个组，通过M个所产生的分组到达信号角度的估计，产生分组信号到达角估计分布向量序列，分组信号到达角估计分布向量的长度是L，它的每个元素对应于所研究的角度范围的L个方向中的一个并等于该方向上到达角度估计的数量。到达角度估计分布的平均向量序列由分组到达角度估计分布序列利用滑动窗构成。

对于每个到达角度估计分布的平均向量，将确定角度范围的顶部和底部边界的估计。通过已得到的角度范围的顶部和底部边界的估计产生平均到达角度的估计。考虑天线阵的几何结构，利用已确定的平均到达角度的估计，求得天线阵元的相位系数。根据这样得到的信号角度范围的顶部和底部边界的估计，确定天线阵元信号的相关矩阵。

此外，对已形成的相关矩阵进行Cholesky变换，从而得到下三角矩阵。利用已得到的下三角矩阵和天线阵的相位系数，确定天线阵元的振幅系数与发射导频信号的天线阵元的振幅系数间的比值。考虑天线阵元的数量，确定归一化系数.

由标准系数和天线阵元的振幅系数与发射导频信号的天线阵元的振幅系数间的比值的乘积，确定天线阵的振幅系数。

已产生的天线阵元的振幅和相位系数用于给用户发射信息符号。

例如，以如下的方式对信号角度范围的顶部和底部边界进行估计。

首先，确定到达角度估计分布平均向量的最大元素。然后，求得顶部和底部元素，作为平均到达角估计分布向量组的边界，该元素组包括平均到达角度估计向量的最大元素，并且组中的元素值超过门限值，但是在最大元素的每一侧，存在个别不超过门限值的元素是允许的，并允许由两三个相邻元素构成的一组不超过门限值的元素.确定平均到达角度估计分布向量的元素的总和，以及被放置在顶部元素的上面的平均到达角度估计分布向量的元素的总和。依靠位于在底部元素下面的平均到达角度估计分布的元素的总和，确定对于底部元素的校正修正值，以及，依靠放置在顶部元素的上面的平均到达角度估计分布的元素的总和，确定对于顶部元素的校正修正值。依靠平均到达角度估计分布向量的最大元素的位置，确定对于顶部和底部元素的校正值。

信号角度范围底部边界的估计被确定为对应于底部元素的角坐标的差并被确定为对于底部元素的校正修正值和校正值的总和。信号角度范围顶部边界的估计被确定为对应于顶部元素的角坐标、对顶部元素的校正修正值以及校正值的总和。

平均到达角度的估计可以被确定为信号角度范围的顶部和底部边界估计的总和的一半。

天线阵元的振幅系数与发射导频信号的天线阵元的振幅系数的比值可以彼此相等，并且这一比值可以被确定为0到1的区间中的最大值。对于这个值，由用户接收到的信息信号模型的统计相干和统计不相干分量的平均功率的比例不超过给定值。

由第一个实施例所建议的前向信道上天线方向图形成算法由两个阶段组成。在第一个阶段，可用信号角度边界的估计被确定。这个估计通过被BS接收的移动用户信号进行。在第二个阶段，根据在第一个阶段得到的可用信号角度范围边界的估计实现前向信道天线方向图形成。

包括使用反向信道天线阵权系数w_up的前向信道天线方向图形成算法的第一阶段(可用信号区域的角边界的估计)，由下述组成：

对于所研究的角度范围的L个不同方向θ_i，i＝1，L中的每一个，天线阵输出端的“短”复相关导频信号响应的模为

$X\left({\mathrm{\θ}}_i\right)=\left|\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n\left({\mathrm{\θ}}_i\right)u_n\right|......\left(2\right)$

其中a_n(θ_i)＝exp[jπ(n-1)cosθ_i]，n＝1，N，i＝1，L代表每个方向的复系数，u_n，n＝1，N代表天线阵元相关器的输出端的复相关导频信号响应，N是天线阵元的个数。

由公式2得到的天线阵输出端的复相关导频信号响应模的值被归一化

$\tilde{X}\left({\mathrm{\θ}}_i\right)=X\left({\mathrm{\θ}}_i\right)/X_{\max },$ X_max＝maxX(θ_i)，i＝1，L    ......(3)

对于相同的方向θ_i，i＝1，L，确定反向信道天线阵方向图的离散值

$F\left({\mathrm{\θ}}_i\right)=\left|w_{\mathrm{up}}^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_i\right)\right|......\left(4\right)$

其中w_up是接收用户信号时自适应天线阵元在反向信道上的权系数向量，用户信号是天线阵在反向信道上的自适应期间得到的并且考虑了强伴生干扰的消除，(·)^H是厄密顿(Hermitian)共轭运算。

由公式4所得到的值随后被归一化

$\tilde{F}\left({\mathrm{\θ}}_i\right)=F\left({\mathrm{\θ}}_i\right)/F_{\max },$ F_max＝maxF(θ_i)，i＝1，L    ......(5)

判决函数，等于由公式3得到的天线阵输出端的复相关导频信号响应标准模与由公式5得到的反向信道天线阵方向图的标准值的加权和，其被形成

$R\left({\mathrm{\θ}}_i\right)=\tilde{X}\left({\mathrm{\θ}}_i\right)+\mathrm{\α}\tilde{F}\left({\mathrm{\θ}}_i\right)......\left(6\right)$

其中α是权系数。

短测量信号到达角度的估计被确定为由公式6得到的判决函数最大值的方向(角度位置)

$\widehat{\mathrm{\θ}}=\arg \max R\left({\mathrm{\θ}}_i\right){\mathrm{\θ}}_i......\left(7\right)$

上述的所有的运算被重复M次，即，M个到达角度估计(“短”尺寸)被产生。所确定的到达角估计序列被分为若干组。每个组包括M个到达角估计。

根据每个组的M个由公式7得到的已产生的到达角度估计，确定长度为L的到达角度组估计分布向量，该向量的每个元素对应于L个方向中的一个并等于到达角度估计的数量，以这样的方式产生了到达角度组估计分布的向量序列。到达角度组估计分布向量的物理意义对应于短(short)的到达角度估计直方图这一现象。

由到达角度估计分布向量序列，通过使用滑动窗口，确定平均到达角度估计分布向量序列。平均到达角度估计分布向量根据其物理意义对应于信号到达角度估计Z(θ_i)，i＝1，L的平均直方图。

此外，术语“平均信号到达角度估计直方图”相当于术语“平均到达角度估计分布向量”。

为了得到其平均直方图的稳定性，“短”测量的数量应当足够大。另一方面，出于对快速变化干扰信号情况的考虑，将产生平均稳定直方图所必须的大的分析时间，与关于信号角度范围的底部和顶部边界判定之间的相对短的时间间隔的必要性相均衡是必要的。这种折衷通过滑动窗口的使用来实现，其结构在图3中说明。因此，关于底部和顶部信号范围边界的估计的判定通过M个“短”测量而被做出，并且平均直方图由nM个“短”测量形成。

在平均到达角度估计直方图Z(θ_i)，i＝1，L(平均到达角度估计分布向量)的基础上，做出关于底部和顶部信号范围边界的估计的判定。例如，以下面的方式进行分析。

确定平均直方图最大值的位置

${\mathrm{\θ}}_{\max }=\underset{{\mathrm{\θ}}_i}{\arg \max }Z\left({\mathrm{\θ}}_i\right)......\left(8\right)$

该方程式表示使Z(θ_i)最大的角度.

横穿平均直方图(底部和顶部元素)的βZ_max门限值的底部

和顶部

的角坐标被确定，如在图4中所示的。这里，β是系统参数，0≤β≤1。根据

值，从而得到最终的底部(最终的顶部)值θ，对于该值有Z(θ_i)＞βZ_max。对于信号角度范围，单个的未超过门限值的情况是允许的(图4)。在θ_max的每一边，直方图值不超过门限值(图4)的一组离散角度值也是允许的。

对于 $\mathrm{\&theta;}<\widetilde{{\mathrm{\&theta;}}_1}$ 且 $\mathrm{\&theta;}>{\widetilde{\mathrm{\&theta;}}}_2,$ 计算到达角度范围的概率

$P_1=P(\mathrm{\&theta;}<{\widetilde{\mathrm{\&theta;}}}_1),$ $P_2=P(\mathrm{\&theta;}>{\widetilde{\mathrm{\&theta;}}}_2)......\left(9\right)$

在强干扰的情况下考虑该概率数据是很重要的，当处于强干扰信号的影响下时，将发生一些如图5所示的进入干扰角度范围的到达角度估计位置的重新分布。因此，产生对于

的依赖于P₁的校正修正值θc₁和对于

的依赖于P₂的校正修正值θc₂以补偿信号角度范围损失。

计算对于和

的校正修正值θa₁和θa₂，它们作为依赖于θ_max值的函数，并且仅当θ_max值接近于90°时θa₁和θa₂值不等于零且可以彼此相等。校正修正值用于补偿信号角度范围估计大小的可能存在的压低估计。θa取决于P₁和P₂。θc取决于Q_max。

最后，以下述方法，利用已得到的值，产生底部和顶部信号范围边界的估计

和

${\widehat{\mathrm{\&theta;}}}_1={\widetilde{\mathrm{\&theta;}}}_1-{\mathrm{\&theta;c}}_1-{\mathrm{\&theta;a}}_1......\left(10\right)$

${\widehat{\mathrm{\&theta;}}}_2={\widetilde{\mathrm{\&theta;}}}_2+{\mathrm{\&theta;c}}_2+{\mathrm{\&theta;a}}_2......\left(11\right)$

在所提出的算法的第二阶段，根据底部和顶部信号角度范围

和

产生平均到达角度和信号的角度扇区的估计。

$\widehat{\mathrm{\&theta;}}=\frac{{\widehat{\mathrm{\&theta;}}}_1+{\widehat{\mathrm{\&theta;}}}_2}{2},$ $\widehat{\mathrm{\&Delta;}}={\widehat{\mathrm{\&theta;}}}_2-{\widehat{\mathrm{\&theta;}}}_1......\left(12\right)$

例如，认为天线阵元的编号可以是任意的。为了方便，从例如发射导频信号的元件开始编号，如图6中所示的。

信息信号由天线阵的所有阵元发射而由BS天线阵的一个(第一)阵元发射共用导频信号。该阵元最好在天线阵的中部选择，如图6所示。该阵元与其它天线阵元的信号之间相对较高的信号相关的必然性，导致了这样的选择，并因此，在移动台(MS)得到信息信号与导频信道间较高的相位一致性。

以下述方法形成天线阵元的前向信道的复权系数w_n＝w_nexp(jψ_n)，n＝1，N。

根据平均到达角估计

和天线阵几何结构确定天线阵元的相位系数ψ_n，n＝1，N。例如，如图6所示，在N＝4并且等距的天线阵元以图中所示的编号顺序排列时，相位系数等于：

ψ₁＝0， ${\mathrm{\&psi;}}_2=-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}d\cos \widehat{\mathrm{\&theta;}},$ ${\mathrm{\&psi;}}_3=\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}d\cos \widehat{\mathrm{\&theta;}},$ ${\mathrm{\&psi;}}_4=\frac{4\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}d\cos \widehat{\mathrm{\&theta;}}$

其中λ是接收信号波长，d是BS天线阵的相邻阵元之间的距离。

第一个阵元的相位等于零，该阵元是零点。

根据底部和顶部信号角度范围边界的估计

和

确定天线阵元的信号的相关矩阵K。

其中，当考虑编号时，

Q是信号到达路径的数量，例如Q＝500.

q＝1，Q    ......(14)

由公式14得到的天线阵元的信号的相关矩阵K的Cholesky变换。

G＝K^1/2    ......(15)

其结果形成了如前面所述的下三角矩阵，例如，参见J.Golub和Van Chan.的《矩阵运算》(Matrix calculation)/M；Mir，1999，第134页，和R.Horn和Ch.Jonson的《矩阵分析》(Matrix analysis)/M.；Mir，1989，第141页。

如果使用了降秩矩阵K，改进是很重要的。改进的本质在于这样的事实：如果在对G矩阵的主对角线进行Cholesky变换的过程中，出现了等于零的元素(或非常小)，那么这一现象在降秩矩阵K中发生，并且G矩阵的所有的其它元素都将等于零.这一改进使得，当标准Cholesky变换法不能使用时，对由公式12得到的到达角度估计的任意值和角信号扇区，包括 $\widehat{\mathrm{\&Delta;}}=0$ 的情况，使用Cholesky变换成为可能。

选取小参数γ的值。例如，

γ＝0.01÷0.05    ......(16)

G矩阵的元素和相位系数ψ_n，n＝1，N确定了函数f(μ)，该函数是用户接收到的信息信号模型的统计相关和统计不相关被加数的乘方的平均比值。例如，对于四阵元天线阵列

$f\left(\mathrm{\&mu;}\right)=\frac{{\mathrm{\&mu;}}^2[{\left|\exp (-j{\mathrm{\&psi;}}_2{G}_{\mathrm{2,2}}+\exp (-j{\mathrm{\&psi;}}_3)G_{\mathrm{3,2}}+\exp (-j{\mathrm{\&psi;}}_4)G_{\mathrm{4,2}})\right|}^2+{|\exp (-j{\mathrm{\&psi;}}_3)G_{\mathrm{3,3}}+\exp (-j{\mathrm{\&psi;}}_4)G_{\mathrm{4,3}}|}^2+{\left|G_{\mathrm{4,4}}\right|}^2]}{{|1+\mathrm{\&mu;}(\exp (-j{\mathrm{\&psi;}}_2)G_{\mathrm{2,1}}+\exp (-j{\mathrm{\&psi;}}_3)G_{\mathrm{3,1}}+\exp (-j{\mathrm{\&psi;}}_4)G_{\mathrm{4,1}})|}^2}......\left(17\right)$

最大μ值在区间0到1内确定，它满足不等式

f(μ)≤γ         ......(18)

不等式可以通过，例如，利用数值法求解，对于不同的μ＝1；0.99；0.98，...计算f(μ)函数的值，直到公式19的条件无法满足时。对于满足不等式的第一个值μ被认为是最后一个.

所得到的μ值被用于确定天线阵列的振幅系数。如果各个天线阵元的振幅系数与发射导频信号的天线阵元的振幅系数的比值彼此不相等，那么得到天线阵的振幅系数为

w₁＝k，w₂＝...＝w_N＝μk    ......(19)

其中k是归一化系数，它是通过例如下述条件得到的

$\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{w}_n^2=N......\left(20\right)$

当N＝4时， $k=\frac{2}{\sqrt{1+3{\mathrm{\&mu;}}^2}}.$

因此，所产生的天线阵元的复权系数用于对用户进行信息信号发射。

参照图7中示出的第一实施例，该方法的执行过程将在下面说明。

参照图7，第一个实施例包含：N个相关器2.1-2.N；L个方向判决函数计算模块7.1-7.L，其第一输入端是天线阵元的导频信号相关响应的输入端并且被连接到相应的相关器2.1-2.N的输入端；一个搜索模块13；一个控制器14；反向信道天线阵权系数发生器5；接着连接了一第一归一化模块15、一个第二合并器16、角度估计器19、一个角度估计分布向量发生器20、一个平均估计分布向量发生器21、一个平均估计分布向量分析器22。

信号角度范围的顶部和底部边界的输出端被连接到相应的前向信道上天线阵权系数生成模块6的输入端。并且还有一个定标模块17和一个第二归一化模块18。相关器2.1-2.N的第一输入是信号输入并且与本装置的输入结合为一体。相关器2.1-2.N的第二输入是来自信号发生器的参考输入。参考信号发生器1的输入端是控制端并与控制器14的输出端相连接，控制器14提供了本装置的同步工作.搜索模块13的第一输入端与本装置的第一输入端相连接，搜索模块13的第二输入端为控制端并与控制器14的输出端相连接。搜索模块13的输出是判定搜索函数并与控制器14的输入端相连接。每一个方向的判决函数的计算模块7.1-7.L包括N-1个乘法器8.2-8.N、第一合并器9、模计算模块10、方向复系数模块11和反向信道离散值计算器12。乘法器8.2-8.N的第一输入端和第一合并器9的第一输入端与相关器2.2-2.N的输出端相连接，乘法器8.2-8.N的输出端与合并器9的输入端相连接，从第二个开始直到第N个。合并器9输出这个方向的导频信号在天线阵输出端的复相关响应并连接到模计算模块10的输入端.模计算模块10的输出端是这一方向的导频信号在天线阵输出端的复相关响应的模的输出端，每个方向判决函数计算模块7.1-7.L的第一输出端被连接到第一归一化模块15的相应输入端。

反向信道天线阵元方向图离散值计算器12的第一输入端是每个方向判决函数计算模块7.1-7.L的第二输入端并被连接到反向信道天线阵权系数发生器5的输出端，该权系数发生器5在其输出端产生天线阵元在反向信道上的权系数。反向信道天线阵权系数发生器5的信号输入端与本装置的输入端相连接。反向信道天线阵元方向图离散值计算器12的第二输入端与乘法器8.2-8.N的第二输入端接合在一起并连接到输出对于这一方向的复系数的方向复系数模块11的输出端。

反向信道天线阵元方向图离散值计算器12的输出端从方向判决函数计算模块7.1-7.L与第二归一化模块18相应输入端相连接。

第一归一化模块15的输出端输出复相关导频信号响应在天线阵输出端对于所有的L个方向的归一化模，它与第二合并器16的第一输入端相连接。第二归一化模块18的输出端是所有L个方向在反向信道上天线阵方向图的归一化值，它与定标模块17的第一输入端相连接。定标模块17输出对于所有L个方向的在反向信道上的天线阵方向图的加权归一化值，它被连接到第二合并器16的第二输入端。第二合并器16的输出端输出对于所有L个方向的判决函数值，它与信号到达角度估计器19的输入端相连接，其输出为平均到达角度估计值并且被连接到信号到达角度估计分布向量发生器20的输入端，该角度估计分布向量发生器20在其输出端形成信号到达角度估计分布向量序列(信号到达角度估计直方图).信号到达角度估计分布向量发生器20的输出端被连接到平均估计分布向量发生器21的输入端，其第二输入端连接到控制器14的输出端.信号到达角度估计分布向量发生器20的输出端输出平均到达角度估计分布向量序列(信号到达角度估计的平均直方图)并被连接到信号到达角度平均估计分布向量分析器22的输入端。信号到达角度平均估计分布向量分析器22的输出端形成信号角度范围的顶部和底部边界并被连接到前向信道天线阵权系数发生器6的相应输入端。前向信道天线阵权系数发生器6的输出端输出天线阵各阵元的振幅和相位系数。

具有天线阵的N个阵元输出的复多径信号被传送给相关器2.1-2.N的第一(信号)输入端以及反向信道天线阵权系数发生器5的输入端。

同时，来自天线阵的第一阵元的复多路信号被传送到搜索模块13的输入端。搜索模块13，利用导频信号，形成在离散时间点的路径信号搜索的判决函数。来自搜索模块13的该信息被传送到控制器14，控制器14将接收到的搜索判决函数值与门限值进行比较，并且，由超过门限值的值，确定路径信号的时间位置.在控制器14中，所得到的对于被检测的路径信号的判决函数的值彼此进行比较并且确定具有判决函数最大值(最大功率)的路径信号的时间位置。

根据从控制器14的输出端接收到的控制信号，对应于最大功率的信号路径的参考信号被从参考信号发生器1的输出端传送到相关器2.1-2.N的第二输入端。

在相关器2.1-2.N中，天线阵元的导频信号的复相关响应u_n，n＝1，N具有例如由J个码片长度的短时间间隔。

天线阵元导频信号的相关响应被传送到L个方向判决函数计算模块7.1-7.L的第一输入端，即，合并器9的第一输入端和相应的(复)乘法器8.2-8.N的第一输入端。L个方向判决函数计算模块7.1-7.L的数量等于所研究的角度范围的不同方向的数量.

在反向信道天线阵权系数发生器5中，在用户信号接收期间，在反向信道上形成自适应天线阵元的权系数，例如，按照下面所给出的算法中的一个：R.A.Monzingo和T.U.Miller的《自适应天线阵》(The Adaptive Antenna Arrays)；《无线电与通信》(Radio and communications)，1986，第77-90页、A.A.Pistolkors，O.S.Litvinov的《天线阵原理导论》(The Introduction into the Adaptive Arraystheory)，M.，Nauka，1991。这些系数被传送到方向判决函数计算模块7.1-7.L的第二输入端，即，反向信道离散值计算器12的第一输入端。

在方向复系数模块11中，有对于第i个(i＝1，L)方向的复系数a_n(θ_i)，n＝1，N。这些系数通过例如下述文献中的算法被算出：Joseph C.、Liberti、Jr.、Bellcore和Theodore S.Rappaport的《用于无线通信的智能天线》(Smart Antennas forWireless Communications)，Prentice Hall出版公司，1999，第86-88页。方向复系数a_n(θ_i)，n＝1，N被传送到相应的(复)乘法器8.1-8.N的第二输入端以及反向信道离散值计算器12的第二输入端.

根据Joseph C.、Liberti，Jr.、Bellcore和Theodore S.Rappaport的《用于无线通信的智能天线》(Smart Antennas for Wireless Communications)，PrenticeHall出版公司，1999，第86-88页，复系数a₁(θ_i)＝1，因此在方向判决函数计算模块7中使用的乘法器的数量等于N-1.

在每个乘法器8.2-8.N中，实现了相应的天线阵元的复相关导频信号响应与每个方向的复系数a_n(θ_i)，n＝1，N间的乘法操作。

各乘法器8.2-8.N的输出信号以及从第一相关器2.1的输出端得到的天线阵第一阵元的复相关导频信号响应被传送给合并器9的输入端，在这里进行计算合并。从合并器9的输出端得到的信号相应于天线阵输出端在θ_i方向的复相关导频信号响应。

合并器的输出信号被传送到模计算模块10的输入端，其中对信号的实部和虚部的平方和求平方根。计算模块10的输出信号等于天线阵输出端在θ_i方向的导频信号的复相关响应。该信号从模计算模块10的输出端传送到第一归一化模块15的相应的输入端。在归一化模块15中，对于L个不同的方向，通过将不同方向的在天线阵Z(θ_i)输出端的导频信号的复相关响应的模彼此相互比较，确定导频信号在天线阵输出端的复相关导频信号响应的最大模，并且产生对于L个不同方向的在天线阵输出端的导频信号复相关响应的归一化模。通过确定对于L个不同方向的在天线阵输出端的导频信号复相关响应的模与最大模之间的比值来实现归一化处理。所得到的对于L个不同方向的归一化信号被传送给合并器16的第一输入端.

在反向信道离散值计算器12中，对于所研究的角度范围的L个不同方向θ_i，i＝1，L中的每一个，按照如上面所述的算法，求得反向信道上天线阵方向图的值。这些值被传送到归一化模块18的各个输入端。在归一化模块18中，对于L个不同方向，通过对不同方向的反向信道天线阵方向图的各个值进行互相比较，而求得天线阵方向图在反向信道上的最大值，并且求得对于L个不同方向的反向信道上的天线阵方向图的各个归一化值。归一化处理是通过确定对于L个不同方向的反向信道上的天线阵方向图的值与最大值之间的比值来进行的。所得到的对于L个不同方向的反向信道上的天线阵方向图的归一化值被传送到定标模块17的输入端。在定标模块17中，通过将对于来自L个不同方向的反向信道上的天线阵方向图的归一化值乘以权系数α，求得对于L个不同方向的反向信道上的天线阵方向图的加权归一化值。所求得的值被传送到合并器16的第二输入端。在合并器16的输入端，通过对在天线阵输出端的导频信号的复相关响应的归一化模和反向信道上的天线阵方向图的加权归一化值进行求和，得到对于所研究的的角度范围的L个不同的方向θ_i，i＝1，L的判决函数。判决函数的值被传送到角度估计器19，在其中通过对所研究的的角度范围的对于L个不同方向θ_i，i＝1，L的判决函数的各个值间彼此相互比较，确定判决函数的最大值。根据判决函数最大值位置，确定在短时间间隔内确定的反向信道上信号到达角度的估计

。

各个反向信道上信号到达角度估计

被传送到信号到达角度估计分布向量发生器20的输入端。在信号到达角度估计分布向量发生器20中，信号到达角度的在短时间隔上确定的估计的序列被分为多个组，每个组包含M个信号到达角度估计。

信号到达角度估计分布向量发生器20的实现如图8所示。下面将对信号到达角度估计分布向量发生器20进行说明。

已确定的信号到达角度估计序列被传送到L个并行的门限值比较节点24.1-24.L。每个门限值对应于L个不同方向中的一个。如果信号到达角度估计大于第i个门限值并小于第i+1个门限值，那么作为逻辑“否(NO)”元件25.1-25.L的操作结果，以及“或(OR)”元件的操作结果，第i个计数器27的值增加，而其它计数器的值不发生变化。第i个计数器27的最终值确定了对应于第i个信号到达角度的估计的数量。计数器27.1-27.P计算大于零并且小于所讨论的信号到达角度方向的最接近零的值的信号到达角度估计的数量。

计数器29产生两个信号，这两个信号的周期等于在模块M的输入端接收到达角度估计的时间间隔，并且定时脉冲在一个周期内在它们彼此间轮换。通过M值的第一个信号，用来确定对应于信号到达角度估计的数量的计数器27.1-27.P通过多路复用器28在随机存取存储器31(RAM)中被重写。通过第二个信号，所有的计数器27.1-27.P被设置为零状态。定时脉冲发生器30确定计数器29的定时脉冲的频率。

因此，由M个信号到达角度估计，得到了长度为L的信号到达角度估计分布向量，该向量的每一个元素对应于L个方向中的一个并且等于该方向上的信号到达角度估计的数值.

在角度估计分布向量发生器20的输出端得到的信号到达角度估计分布向量序列被传送到信号到达角度平均估计分布向量发生器21的输入端，其具体实施方式在图9中示出。信号到达角度平均估计分布向量发生器以下述方式操作。

在操作过程中，根据控制信号，从信号到达角度估计分布向量发生器201得到的当前信号到达角度估计分布向量的各个元素被写入RAM1 35.1。在对于下一个向量根据控制信号传送到信号到达角度估计分布向量发生器的输入端时，当前角度向量值被从RAM1 35.1重写到RAM2 35.2，而信号到达角度估计分布向量发生器的下一个向量值被写入RAM1 35.1。每一次，在对角度估计分布向量发生器20的输入端传送的过程中，根据控制信号，信号到达角度估计分布向量的元素被从一个RAM 35类似地连续重写到另一个。

在信号到达角度估计分布向量的元素被从一个RAM 35重写到另一个之后，在求和节点32的输入端进行从所有的RAM 35并行地读取信号到达角度估计分布向量的元素，在其内部进行所有这些向量的求和。合并的结果在除运算节点33内被nM除，且该结果被写入RAM 34(n-在求平均值期间用于信号到达角度估计分布向量的数量，M-在产生信号到达角度估计分布向量期间使用的到达角度估计的数量)。在RAM 34的输出端，平均信号到达角度估计分布向量的各个元素从信号到达角度估计分布向量发生器21的输出端传送给平均信号到达角度估计分布向量分析器22以进行分析。

信号到达角度平均估计分布向量分析器22的具体实施方式在图10中示出。平均估计分布向量分析器以下述方式操作。

信号到达角度估计分布平均向量分析器22的各个元素被写入RAM 36。然后这些元素被读入到信号到顶部元素确定节点37、底部确定节点38以及最大元素确定节点39，以及写入相关值计算器42。

在最大元素确定节点42中，选出的信号到达角度估计分布平均向量的最大元素被传送到顶部元素确定节点37、底部元素确定节点28以及相关值计算器42。在信号到达角度估计分布平均向量的顶部元素确定节点37中，顶部元素被确定为超过给定的门限值的信号到达角度估计分布平均向量的元素组的顶部边界。对于该组中超出最大元素之外的元素，不超过单个门限值的情况是允许的，同样地由两个或三个不超过门限值的相邻元素组成的元素组也是允许的。在底部元素确定节点38中，类似地确定信号到达角度估计分布平均向量的底部元素。

在相关值计算器42的各输入端，传送信号到达角度估计分布向量的顶部、底部以及最大的元素的各个值。在相关值计算器42中，求得信号到达角度估计分布平均向量中低于底部元素的元素的总和，并求得信号到达角度估计分布平均向量中低于顶部元素的元素的总和。求出取决于信号到达角度估计分布平均向量中低于底部元素的元素的总和的对于底部元素的校正修正值，同样求得取决于信号到达角度估计分布平均向量中高于顶部元素的元素的总和的对于顶部元素的校正修正值.依靠最大元素位置求得底部和顶部元素的校正值。对顶部元素的校正和校正值传送到顶部边界估计器40。对底部元素的校正修正值和校正值被传送到底部边界估计节点41。

在底部估计器41中，信号角度范围的底部边界的调整后的估计被确定为底部元素和对底部元素的校正修正值与校正值的和的差值。

在顶部边界估计器40中，信号角度范围的底部边界的调整后的估计被确定为对顶部元素的校正修正值的顶部元素与校正值的和。

在信号到达角度平均估计分布向量分析器22的输出端得到的信号角度范围的顶部和底部边界的估计被传送到前向信道天线阵权系数发生器6的输入端.

反向信道天线阵权系数发生器6的具体实施方式在图11中示出。反向信道天线阵权系数发生器6将在下面说明。

信号角度范围的底部和顶部边界的调整后的估计是信号到达角度平均估计分布向量分析器22的输出信号并被传送到前向信道天线阵权系数发生器6的输入端。也就是传送到相关矩阵发生器43和平均到达角度估计发生器44的输入端。前向信道天线阵权系数发生器6的实用电路可以在用于数字信号处理(DSP)的新式微处理器的基础上实现，例如TMS 320Cxx、Motorola 56xxx、Intel等。

在平均到达角度估计发生器44内，根据信号角度范围的底部和顶部边界的估计，平均到达角度的估计被确定为信号角度范围的顶部和底部边界估计θ₁，θ₂的和的一半，即， $\widehat{\mathrm{\&theta;}}=\frac{{\mathrm{\&theta;}}_1+{\mathrm{\&theta;}}_2}{2},$ 并且被传送到天线阵元的相位系数发生器46的输入端。根据平均到达角度估计同时考虑天线阵几何结构求得天线阵件的相位系数.例如，在N＝4并且采用如图6所示的等距天线阵元的编号顺序，例如，天线阵元的相位系数相等，如式(13)所示.

计算所得的天线阵元的权系数被传送到天线阵元振幅系数比值发生器47的第一输入端和前向信道天线阵权系数发生器6的输出端。

在相关矩阵发生器43内，根据信号角度范围的底部和顶部边界的估计

依据公式(14)计算相关矩阵K的各元素。

突相关矩阵的各元素被传送到Cholesky变换节点45的输入端，这里，使用了例如在J.Golub和Ch.Van Loun的《矩阵运算》(Matrixcalculations)M.：Mir，1999，第134页，以及P.Horn和Ch.Jonson的《矩阵分析》M.：Mir，1989，第141页中提出的算法，结果形成了下三角矩阵，其元素被传送到天线阵方向图阵元振幅系数的比值发生器47的第一输入端。在这个节点47中，在图12中给出的处理算法可以被实现。

图12是天线阵方向图阵元振幅系数的比值发生器47的操作流程图。被提议的天线阵方向图阵元振幅系数的比值发生器的算法包括下列顺序的操作。在步骤1201，对n＝1...N，G输入ψ。在步骤1202，将μ(天线阵元振幅系数与发送导频信号的天线阵元的振幅系数间的比值)设置为1。在步骤1203利用天线阵元的相位系数、下三角矩阵的元素以及给定的μ值，计算由用户接收到的信息信号模型的统计不相干和统计相干被加数的平均功率的比值f(μ)。在步骤1204，小的γ(例如，γ＝0.01÷0.05)参数被预先选择并用来与f(μ)的值进行比较。如果f(μ)≤γ被满足，则在步骤1206输出恒定值。否则，在步骤1205将μ值降低0.01，并且对于不同的μ＝1；0.99；0.98...，的f(μ)函数值被与参数γ进行比较。该程序被持续进行直到条件f(μ)≤γ被完全满足。

该信号被传送到归一化系数发生器48的输入端以及天线阵元振幅系数发生器49的第一输入端。在归一化系数发生器48中，取决于接收到的μ值并根据天线阵元的数量，产生归一化系数k。归一化系数k的值被传送到天线阵元振幅系数发生器49的第二输入端，在这里，根据所得到的μ值和归一化系数k，以方程(20)确定振幅权系数。

振幅权系数与相位系数一起作为前向信道天线阵权系数发生器6的输出信号。

所得到的天线阵元的振幅和相位系数被用于在前向信道上对用户发送信息信号。

控制器14可以通过用于数字信号处理(DSP)的新式微处理器来实现，例如TMS 320Cxx、Motorola 56xxx、Intel等.

在所提议的装置中，搜索模块13可以如Zhuravlev V.I.的《在宽带系统中的搜索和同步》(Search and Synchronization in Broadband System)，M.，无线电与通信(Radio and communications)，1986第24页中所公开的那样被实现。

在图14、15、16中，给出了对于不同的信号角度范围的前向信道的天线方向图(根据本方法建立的)。

BS自适应天线阵方向图形成方法的第二个实施例由下面所述构成。

对于每个用户，通过确定路径信号的时间位置来实现用户信号的搜索；选定其信号功率最大的信号。然后，周期性地产生信号到达平均角度的估计，并此产生天线阵元的复相关导频信号响应。对于角度范围的L个不同方向θ_i，i＝1，L中的每一个，通过对天线阵元的复相关导频信号响应与相应的每个方向的复系数的积求和，在天线阵的输出端确定复相关导频信号响应。确定对于L个不同方向在天线阵输出端的复相关导频信号响应的模。通过将对于L个不同方向在天线阵的输出端的复相关导频信号的模求和，产生在天线阵的输出端的经合并的复导频信号相关响应，并且最大相关响应被确定。

通过求得对于L个不同方向的在天线阵输出端的复相关导频信号响应与最大组合相关响应的比值，确定对于L个不同方向的在天线阵的输出端产生归一化组合复相关导频信号响应。反向信道上的天线阵元的复权系数在用户信号的接收过程中求得。

对于所讨论的角度范围的L个不同方向θ_i，i＝1，L中的每一个，在反向信道上确定天线阵方向图的各个值。确定最大值(从已产生的反向信道上的天线阵方向图值中求得)。通过计算天线阵方向图的值与最大值的比值确定对于L个不同方向的在反向信道上的天线阵方向图的归一化值。

对于所讨论的角度范围的L个不同方向θ_i，i＝1，L中的每一个，通过对在天线阵输出端的归一化组合复相关导频信号响应和反向信道上的天线阵方向图的归一化值进行加权合并，而确定判决函数。通过产生平均信号到达角度估计，确定判决函数的最大值的方向。根据天线阵的几何结构，利用已产生的平均信号到达角度估计，确定天线阵元的相位系数.天线阵元的振幅系数被设置为彼此相等，天线阵元的振幅和相位系数用于对用户发射信号。

在对L个不同方向的在天线阵的输出端对复相关导频信号响应的模求和的过程中，加数的数量是恒定的或根据信号衰落估计自适应地选择。

按照这一算法，根据反向信道信号实现在前向信道上的天线阵方向图确定。

智能天线方向图在前向信道上的形成将在下面说明。

在基站中，从被检测的BS用户信号时间路径中，根据其功率路径信号，选取最大时间路径。在第一阶段，设置平均功率路径信号到达角度的最大估计。在第二个阶段，确定自适应天线阵在前向信道上的天线方向图，其最大值被设置在信号到达平均角度估计的方向上。复权系数可以取值

n＝1，N    ......(21)

其中

是反向信道上信号到达平均角度的估计。

确定MS信号到达

方向的算法是基于反向信道的权系数向量的使用以及导频信号累加实现的，并由下述内容组成。

对于所研究的角度范围的L个不同方向θ_i，i＝1，L中的每一个：

在天线阵的输出端确定M个复相关导频信号响应

${\tilde{X}}_k\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_n\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)u_n,$ k＝1，M    ......(22)

其中u_n，n＝1，N代表以每个J码片的比率产生的在天线阵元相关器的输出端的导频信号的复相关响应，a_n(θ_i)＝exp[jπ(n-1)cosθ_i]，n＝1，N，i＝1，L

M个复相关响应的模的不相干累加如下：

$Z\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)=\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left|{\tilde{X}}_k\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)\right|.......\left(23\right)$

在对天线阵输出端的复相关导频信号响应的模求和的过程中，设置相加的数量，其为恒定的或根据信号衰落频率自适应地选取，通过这种方式，不相干累加的整个持续时间被确定为数个衰落周期。否则，由于有用信号的淡没消失，在到达角度估计中可能出现错误。

通过公式24得到的值被归一化，即

$\tilde{Z}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)=Z\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)/Z_{\max },$ Z_max＝maxZ(θ_i)    ......(24)

产生反向信道上的天线阵方向图的离散值，通过下式：

$F\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)=\left|w_{\mathrm{up}}^{H}a\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)\right|......\left(25\right)$

其中w_up是反向信道上自适应天线阵权系数的向量，它是考虑了存在的强相应干扰而得到的，(·)^H-厄密顿共轭运算。a_n(θ_i)表示θ_i方向的复系数的向量。

在公式26得到的值被归一化，即

$\tilde{F}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)=F\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)/F_{\max },$ F_max＝maxF(θ_i)    ......(26)

判决函数被构成为公式(24)和(26)的加权和

$R\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)=\tilde{Z}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)+\mathrm{\&alpha;}\tilde{F}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)......\left(27\right)$

其中α是权系数。

根据在公式(27)中判决函数最大值的位置，确定MS信号到达的平均角度的期望估计

$\widehat{\mathrm{\&theta;}}=\underset{{\mathrm{\&theta;}}_i}{\arg \max }R\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)......\left(29\right)$

为了实现这样的方法，使用了在图13中示出的第二实施例。

如图13所示，所提议的装置包括：N个相关器2.1-2.N；L个方向判决函数的计算模块7.1-7.L，其第一输入端是天线阵元的导频信号相关响应的输入端，并且被连接到相应的相关器2.1-2.N的输出端；搜索模块13；控制器14；反向信道天线阵权系数发生器5；第一归一化模块15；第二合并器16；信号到达角度估计器19；前向信道天线阵权系数发生器6；定标模块17；和第二归一化模块18.相关器2.1-2.N的第一输入端是信号输入端并且被连接到本装置的输入端。相关器2.1-2.N的第二输入端是参考信号输入端并与参考信号发生器1的参考输出端相连接。参考信号发生器1的输入端被连接到模块14的输出端，该模块提供本装置的同步功能。搜索模块13的第一输入端被连接到本装置的输入端；搜索模块13的第二输入端被连接到控制器14的输出端。搜索模块13的输出端输出搜索判决函数并被连接到控制器14的输入端。每个方向判决函数计算模块7.1-7.N都包括N-1个乘法器8.2-8.N、第一合并器9、模计算模块10、方向复系数模块11和反向信道天线阵方向图离散值计算器12以及复位合并器23.

乘法器8.2-8.N的第一输入端和第一合并器9的第一输入端被连接到相关器2.1-2.N的输出端，乘法器8.2-8.N的输出端与合并器9的输入端连接在一起，从第二个开始直到第N个.合并器9的输出端输出是在天线阵的输出端的方向导频信号的复相关响应，并被连接到模计算模块10的输入端。模计算模块10的输出是在天线阵的输出端的方向导频信号的复相关响应的模并被连接到复位合并器23的第一输入端，复位合并器23的第二输入端是复位信号输入端。复位合并器23的输出端输出在天线阵的输出端的导频信号复合相关响应并且是每个方向判决函数计算模块7.1-7.L的第一输出端，并且被连接到第一归一化模块15的相应输入端.

反向信道天线阵方向图离散值计算器12的第一输入端是每个方向判决函数计算模块7.1-7.L的第二输入端并被连接到反向信道天线阵权系数发生器5的输出端，在其输出端产生反向信道上的天线阵元的权系数。反向信道天线阵权系数发生器5的信号输入端被连接到本装置的输入端。反向信道离散值计算器12的第二输入端和乘法器8.2-8.N的第二输入端被连接到复方向系数模块11的输出端，该模块输出对于给定方向的复系数。

反向信道天线阵方向图离散值计算器12的输出端，是方向判决函数计算模块7.1-7.L的第二输出端，并输出反向信道上天线阵方向图的值，该输出端被连接到第二归一化模块18的相应输入端。

第一归一化模块15的输出端输出所有L个方向的判决函数的归一化模，该输出端被连接到第二合并器16的第一输入端。第二归一化模块18的输出端输出所有L个方向的在反向信道上的天线阵方向图的归一化值并被连接到定标模块17的输入端。定标模块17的输出端输出对于L个方向的反向信道上的天线阵方向图的加权归一化值并被连接到第二合并器16的第二输入端。第二合并器16的输出端输出对L个方向的判决函数值并被连接到信号到达角度估计器19的输入端，信号到达角度估计器19的输出端输出信号到达平均角度的估计并被连接到前向信道天线阵权系数发生模块6的输入端。前向信道天线阵权系数发生器6的输出端输出天线阵元的振幅和相位系数。

由N个天线阵元提供的复多径信号被馈送给相关器2.1-2.N的第一(信号)输入端以及反向信道天线阵权系数发生器5的输出端。

在同一时刻，由第一天线阵元提供的复多径信号被馈送给搜索模块13的输入端.搜索模块13在离散时间点产生路径信号搜索的判决函数。搜索模块1 3的这一信息被发送给控制器14，控制器14将所得到的判决函数值与门限值比较并通过确定超过门限值的判决函数值来确定路径信号的时间位置。在控制器14中，所得到的相应于检测到的路径信号的判决函数值被彼此相互比较，并确定具有判决函数最大值的路径信号的时间位置。

根据由控制器14的输出端所提供的控制信号，对应于具有最大功率的路径信号的参考信号被从参考信号发生器1的输出端馈送到相关器2.1-2.N的第二输入端。

在相关器2.1-2.N中，以J码片长度的时间间隔产生天线阵元的导频信号的复相关响应u_n，n＝1，N.

天线阵元的导频信号的相关响应被馈送到L个判决函数计算模块7.1-7.L的第一输入端，即馈送到合并器9的第一输入端，并馈送到相应的(复数)乘法器8.2-8.N的第一输入端。L个判决函数计算模块7.1-7.L的数量等于所研究的角度范围的所考虑的方向的数量。

在反向信道权系数发生器5中，根据下面所建议的一个算法，在接收用户信号的过程中，产生自适应天线阵元在反向信道上的复权系数，所建议的算法为，例如，R. A.Monzingo和T.U.Miller的《自适应天线阵》(Adaptiveantenna arrays)/M.：《无线电与通信》(Radio and communications)，1986，第77-90页中的算法。这些系数被馈送到判决函数计算模块7.1-7.L的第二输入端，即馈送到反向信道天线阵离散值计算器12的第一输入端。

复方向系数θ_i11包括对第i个方向的复系数a_n(θ_i)，n＝1，N，i＝1，L。这些系数例如按照在Joseph C.、Liberti、Jr.、Bellcore和Theodore S.Rappaport的《用于无线通信的智能天线》(Smart Antennas for WirelessCommunications)，Prentice Hall出版公司，1999，第86-88页中所提出的算法被计算出来.复方向系数a_n(θ_i)，n＝1，N被馈送到相应的(复数)乘法器8.2-8.N的第二输入端并被馈送到反向信道天线阵方向图离散值计算器12的第二输入端。

在这种情况下，根据Joseph C.、Liberti、Jr.、Bellcore和Theodore S.Rappaport的《用于无线通信的智能天线》(Smart Antennas for WirelessCommunications)，Prentice Hall出版公司，1999，第86-88页，复系数a₁(θ_i)＝1，从而在方向判决函数计算模块7中所使用的乘法器的数量是N-1。

在每个乘法器8.2-8.N中，相应的天线阵元的导频信号的复相关响应与每个方向的复系数a_n(θ_i)，n＝1，N相乘.

乘法器8.2-8.N的各输出信号和由第一相关器2.1的输出端提供的第一天线阵元的导频信号复相关响应被馈送给合并器9的输入端，在这里它们被合并.由合并器9的输出端提供的信号对应于对于θ，方向在天线阵的输出端的导频信号的复相关响应。

这个信号被馈送到模计算模块10的输入端，在这里计算信号的实部和虚部的平方和的平方根。模计算模块10的输出信号等于对于θ_i方向在天线阵的输出端的导频信号的复相关响应的模。这一信号由模计算模块10的输出端提供给复位合并器23的第一输入端，提供给复位合并器23的第二输入端的控制(复位)信号是由控制器14提供的。

根据复位合并器23中的控制复位信号，对于θ_i方向在天线阵的输出端的导频信号的复相关响应的M个模进行不相干累加(合并)。

M个不相干分量的数量被设置成常数，或根据信号衰落频率被自适应地选择，以致不相干累加的整个持续时间被确定为数个衰落周期。

每个方向判决函数计算模块7.1-7.L中的复位合并器23的输出端所提供的信号是在θ_i向的天线阵Z(θi)的输出端的导频信号的组合复相关响应并且它被馈送到归一化模块15的相应的输入端。在归一化模块15中，对于L个不同方向，通过对不同方向的在天线阵Z(θi)输出端的导频信号的组合复相关响应互相进行比较，确定在天线阵输出端的导频信号的最大组合相关响应，并且对于L个不同方向产生在天线阵的输出端的导频信号的归一化组合复相关响应。归一化过程是通过确定对于L个不同方向的天线阵输出端的导频信号的组合复相关响应与最大组合相关响应的比值来进行的。所得到的对于L个不同方向的归一化信号被馈送到合并器16的第一输入端。

在反向信道天线阵方向图离散值计算器12中，对于所研究的角度范围的L个不同方向θ_i，i＝1，L中的每一个，按照前面所指出的《用于无线通信的智能天线》(Smart Antennas for Wireless Communications)的算法产生反向信道上天线阵方向图的值，这些值被传送到归一化模块18的输入端。

在归一化模块18中，对于L个不同的方向，通过将不同方向上的反向信道天线阵方向图的各个值彼此互相比较，确定反向信道上的天线阵方向图的最大值，产生对于L个不同方向的反向信道天线阵方向图的归一化值。归一化过程是通过计算对于L个不同方向的反向信道天线阵方向图的各个值与最大值的比值来进行的。所得到的对于L个不同方向的反向信道天线阵方向图的各个归一化值被馈送到定标模块17的输入端。通过将归一化天线阵方向图的各个值与权系数α相乘，定标模块17产生对于L个不同方向的反向信道上的归一化天线阵方向图的加权值，这些加权值被馈送到合并器16的第二输入端。通过对天线阵输出端的导频信号的归一化组合相关系数与反向信道天线阵方向图的加权值进行合并，在合并器16的输出端产生所研究的角度范围的L个不同方向θ_i，i＝1，L的判决函数.判决函数信号被发送到信号到达角度估计器19，在角度估计器19中，通过对所研究的角度范围的L个不同方向θ_i，i＝1，L的各个判决函数值彼此间的相互比较，确定判决函数的最大值。根据判决函数最大值所对应的方向的位置，确定所搜索的反向信道上信号到达平均角度的估计

反向信道上信号到达平均角度的估计

被馈送到前向信道上天线阵权向量发生模块6的输入端，其中，例如，按照前面所述的算法，利用所产生的信号到达平均角度估计并考虑天线阵的几何结构，确定天线阵元的相位系数。天线阵元的振幅系数被设置为彼此相等。最后，例如，对于半波长等距天线阵的前向信道上的天线阵的复权系数向量是下列向量

n＝1，N

其中

是反向信道上信号到达平均角度的估计。

所得到的天线阵元的复权系数被用于在前向信道上对用户发送信号。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员可以理解，本发明不应仅限于所描述的优选实施例，可以在本发明的权利要求所限定的精神和范围内进行各种修改。

Claims (20)

1. 一种用于在装备了天线阵的通信系统的基站中形成前向信道方向图的方法，包括步骤：

分别产生对于由天线阵接收到的与L个不同方向相关联的信号的复相关响应，其中L是正整数；

分别计算与L个不同方向相关联的反向信道上的天线方向图的离散值；

将所产生的复相关响应和与之相关的天线方向图的离散值合并起来，因此产生分别与L个不同方向相关联的判决函数；

估计与L个不同方向相关联的信号到达角度，对于每一个信号到达角度，所产生的相关联的一个判决函数具有最大值；

根据所估计的信号到达角度，分别确定天线阵元的振幅和相位系数；和

使用所述确定的相位系数产生前向信道上的天线阵权向量。

2. 如权利要求1所述的方法，其中所接收到的信号是导频信号。

3. 如权利要求1所述的方法，其中产生复相关响应的步骤包括步骤：

产生对于通过天线阵的一个阵元接收到的导频信号的复相关导频信号响应；

将所产生的导频信号响应分别乘以与L个不同方向相关联的为各天线阵元预定的复方向系数；和

将相乘的结果合并起来，从而产生分别与L个不同方向相关联的复相关响应。

4. 如权利要求3所述的方法，进一步包括根据预定的数量不相干地累加与L个不同方向相关联的复相关响应的步骤.

5. 如权利要求3所述的方法，进一步包括归一化与L个不同方向的每一个相关联的复相关响应的步骤.

6. 如权利要求1所述的方法，其中计算天线方向图的离散值的步骤包括步骤：

在反向信道上为各天线阵元产生复权系数；和

基于所产生的复权系数和分别对各天线阵元预先确定的复方向系数，计算分别与L个不同方向相关联的天线方向图的离散值。

7. 如权利要求6所述的方法，进一步包括步骤：

对分别与L个不同方向相关联的天线方向图的离散值进行归一化；和

通过将归一化的天线方向图的离散值乘以预定加权系数而对天线方向图的归一化离散值进行定标。

8. 如权利要求1所述的方法，进一步包括通过对于所估计的信号到达角度的各自的平均估计分布向量估计信号角度范围的顶部和底部边界来估计所估计的信号到达角度的各自的平均值以使该平均角度被用于确定相位系数的步骤。

9. 如权利要求8所述的方法，其中确定振幅和相位系数的步骤包括如下步骤：

根据所估计的平均信号到达角度，同时考虑天线阵的几何结构，分别确定相位系数；

根据所估计的角度信号范围的顶部和底部边界，形成天线阵元的相关矩阵；

由所形成的相关矩阵得到一个下三角矩阵；和

根据所得到的下三角矩阵和所确定的相位系数，确定天线阵元的振幅系数.

10. 如权利要求9所述的方法，其中发送导频信号的天线阵元的振幅系数与每一个剩下的天线阵元的振幅系数的比值是1∶μ，其中μ是所接收到的信号的相干和不相干分量之间的平均功率比的最大值，该值不超过一个预定值。

11. 一种用于在装备了天线阵的通信系统的基站中形成前向信道方向图的装置，包括：

计算模块，用于分别产生与L个不同方向相关联的对由天线阵接收的信号的复相关响应并且计算反向信道上天线方向图的离散值，其中L是正整数；

合并器，用于将所产生的复相关响应和与之相关联的天线方向图离散值分别合并在一起，从而分别产生与L个不同方向相关联的判决函数；

用于估计与L个不同方向相关联的信号到达角度的模块，对于每一个信号到达角度，所产生的相关联的判决函数具有最大值；和

权向量发生器，用于根据估计的信号到达角度分别确定天线阵元的相位系数，以及根据确定的相位系数产生前向信道上的天线阵权向量。

12. 如权利要求11所述的装置，其中所接收到的信号是导频信号。

13. 如权利要求11所述的装置，其中计算模块包括：

多个乘法器，用于将对于通过天线阵的一个阵元接收到的导频信号的复相关导频信号响应与对于天线阵的各个元件预定的分别与L个不同方向相关联的复方向系数相乘；

合并器，用于对相乘的结果进行合并，从而产生分别与L个不同方向相关联的复相关响应；和

用于接收天线阵元反向信道上的各自的复权系数以及为天线阵元预定的与L个不同方向相关联的复方向系数，从而分别计算天线方向图的离散值的模块。

14. 如权利要求13所述的装置，进一步包括：

多个相关器，用于对接收到的导频信号产生复相关导频信号响应；和

用于产生天线阵元在反向信道上的复权系数的模块。

15. 如权利要求13所述的装置，进一步包括：

复位合并器，用于对复相关响应合并器的输出进行复位，而对与L个不同方向的每一个相关联的复相关响应不相干累加预定次数。

16. 如权利要求14所述的装置，进一步包括：

归一化模块，用于对与L个不同方向的每一个相关联的复相关响应进行归一化。

17. 如权利要求14所述的装置，进一步包括：

归一化模块，用于对分别与L个不同方向相关联的天线方向图的离散值进行归一化，和

定标模块，用于通过将归一化的天线方向图的离散值乘以预定加权系数而对天线方向图的归一化离散值进行定标。

18. 如权利要求11所述的装置，进一步包括：

用于通过对于所估计的信号到达角度的各自的平均估计分布向量估计信号角度范围的顶部和底部边界来估计所估计的信号到达角度的各自的平均值以使平均角度被用于确定振幅和相位系数的模块。

19. 如权利要求18所述的装置，其中权向量发生器执行下述操作：

根据所估计的平均信号到达角度，同时考虑天线阵的几何结构，分别确定相位系数；

根据角度信号范围的所估计的顶部和底部边界，形成天线阵元的相关矩阵；

由所形成的相关矩阵得到下三角矩阵；和

根据所得到的下三角矩阵和所确定的相位系数，确定天线阵元的振幅系数。

20. 如权利要求19所述的装置，其中发射导频信号的天线阵元的振幅系数与剩下的天线阵各阵元的振幅系数的比值是1∶μ，其中μ是所接收到的信号的相干和不相干分量之间的平均功率比的最大值，该值不超过一个预定的值。

Images