CN100429826C - 智能天线及其自适应波束形成方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能天线的波束形成方法和一种智能天线的波束形成装置。所述方法包括：对阵列信号进行预多波束处理，时延对齐；利用导频位，在对其进行扩频加扰后与时延对齐后的阵列接收矢量求相关矩阵，计算次最优权值；以所述次最优权值作为初始值，迭代计算最优权值；利用所述最优权值，形成波束。使用本发明的波束形成方法和装置，可以使接收输出误码率大大降低，同时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。

Description

智能天线及其自适应波束形成方法和装置

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体地，涉及智能天线的自适应波束形成技术。

背景技术

近年来，现代数字信号处理技术的迅速发展，DSP芯片处理能力的不断提高和芯片价格的不断下降，使得利用数字技术在基带形成天线波束成为可行，从而促使以自适应波束形成算法为技术核心的智能天线技术在码分多址无线通信中获得广泛应用。

在码分多址无线通信系统中，在进行智能天线自适应波束形成之前，要求具有精确的时延信息，否则由于码的相关性，将严重影响自适应的处理结果。目前，智能天线的波束形成算法很多，但其共同存在的问题是没有解决多径时延问题。在现有的智能天线自适应波束形成算法中，或者是假设时延信息精确已知，或者是假定时延已知，而且具体的实现方式或结构涉及很少。在公告号为1235391的名称为“用于码分多址系统的预先优化成形波束的自适应阵列天线”的中国申请中，在进行自适应处理时，起复数权值的计算被分解为两个部分，即初始权设计和运行权处理，该专利申请未解决时延精度问题，对初始权的要求较高，这样智能天线的性能就很难保证。鉴于多径时延的精确确定对自适应波束形成方法具有决定性的意义，因此，如何精确搜索出时延信息便是现有技术亟需解决的一个问题。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种智能天线的波束形成方法，包括对阵列信号进行预多波束处理，时延对齐，得到新的阵列信号；利用导频位，在对其进行扩频加扰后与时延对齐后的新的阵列信号求相关矩阵，计算次最优权值；以所述次最优权值作为初始值，迭代计算最优权值；利用所述最优权值，形成波束。

根据本发明的另一个方面，提供了一种智能天线的波束形成装置，包括：空域形成模块，用于对天线阵列接收的信号进行波束形成，所述空域形成模块还包括：预多波束时延搜索单元，用于对阵列信号进行预多波束处理，时延对齐，得到新的阵列信号；权值更新单元，用于计算已知导频位扩频加扰信号和时延对齐后的新的阵列信号的互相关矩阵，得到次最优权值；时域处理模块，用于根据由所述空域形成模块波束形成的信号，获得传送的数据；以及重扩迭代模块，用于根据由所述时域处理模块获得的数据信息，生成参考信号，计算迭代误差，并反馈给所述空域形成模块。

根据本发明的另一个方面，提供了一种智能天线，包括：由多个阵元组成的天线阵列和前面所述的波束形成装置。

附图说明

相信通过下面结合附图对本发明优选实施例的描述，可以使本发明的以上和其他优点、目的和特征变得明了。

图1是根据本发明一个优选实施例的预多波束处理生成的覆盖扇区的四个窄波束的指向图；

图2A是展示了根据本发明一个优选实施例的波束形成方法的流程图；

图2B是展示了图2所示实施例中的迭代计算权值的详细流程图；

图3是展示了根据本发明一个优选实施例的智能天线的构成的方块图；

图4为本发明的结构采用和不采用预多波束处理的输出信噪比的对比曲线；

图5为本发明的结构采用和不采用预多波束处理的输出误码率的对比曲线。

具体实施方式

下面就结合附图对本发明的具体实施方式进行详细的说明。

图1为波束指向图，可以看到四个波束能很好地覆盖-60°-60°范围内的120°扇区，旁瓣较低。

图2A是展示了根据本发明一个优选实施例的波束形成方法的流程图。如图2A所示，首先在步骤101，为在自适应波束形成之前获得各个多径的精确时延，从而保证智能天线的波束形成更可靠，在计算自适应权值的过程中，同时并行地对接收的阵列进行预多波束处理，以实时地向自适应权值计算提供经时延对齐的阵列接收信号。

具体地，该处理包括生成若干覆盖扇区的固定窄波束，例如，在一实施例中，所述扇区为120度，生成四个固定窄波束(如图1所示)。使用所述固定窄波束对阵列接收的数据进行波束形成，对该生成波束域信号进行时延搜索，找到能量值最大的波束，该波束内的时延值即为阵列接收信号的时延值。根据该时延值对阵列接收的数据进行时延对齐，这里将时延对齐后的信息位的阵列信号接收矢量记为X。

在本发明的不同实施例中，可根据要求调节扇区的大小以及波束的覆盖范围，保证扇区内所有移动台波达方向均包含在预多波束内。也可根据要求调整波束的数目和波束宽窄。如果移动台的波达方向正好位于两个波束之间，可以把两个波束合成一个宽波束，保证有效的波束覆盖。

本发明的预多波束处理能够为智能天线的自适应计算方法提供精确的时延信息，能够更进一步保证自适应算法的精度和可靠性，经实验表明，本发明中预多波束处理和自适应算法相结合与不进行预多波束处理的单纯的自适应算法的处理结果相比，大大提高了智能天线接收信号的信噪比，充分发挥了智能天线的优越性能。

接着在步骤102，计算次最优权值。在当前帧的第一时隙的所有导频位期间，以已知导频符号为参考信号，对其进行扩频、加扰后与时延对齐后的阵列接收矢量求相关矩阵，作为次最优权值。其中，导频位重扩加扰的信号为r＝b_pilot·CS，次最优权值为W＝E[Xr^*]，其中，b_pilot为已知的导频符号，CS为扩频码和扰码相乘的结果序列。在该步骤中，利用已知导频位作为参考信号，经扩频加扰后与时延对齐的阵列接收矢量求最优权值，作为后续最小均方误差迭代的初值，该初值的选取更加贴近理想权值，大大提高了收敛速度(往往3-4个符号比特即可收敛)，满足了通讯系统实时处理的要求。

然后在步骤103，以次最优权值为初值，迭代计算权值。下面结合图2B对这一步骤进行说明。

图2B是展示了图2所示实施例中的迭代计算权值的详细流程图。如图2B所示，首先在步骤110，用初始权值形成波束，假设形成波束后的信号为Y，则：Y＝W×X，其中W为权值。

接着在步骤111，对形成波束的信号解扰解扩： $v\left(j\right)=\mathrm{Imag}\left(\underset{k=1+\mathrm{jK}}{\overset{(j+1)K}{\mathrm{\Σ}}}y\left(k\right)c\left(k\right)\right),$ 其中j代表第j个信息符号，K表示扩频因子，Imag()表示取虚部。

在步骤112，用导频部分解扰解扩的结果估计RAKE合并的第l条多径的复增益： $G_c\left(l\right)=\frac{1}{q}\underset{m=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}[b_m\·v\left(m\right)],$ 其中q为导频位位数，b_m为已知导频位。

在步骤113，对传送的控制信息进行判决： $b=\mathrm{sign}\left(\mathrm{Imag}\left(v\right)G_c^{*}\left(l\right)\right)$

在步骤114，将判决出的控制信息扩频d＝b·C，将控制信息加扰r＝d×S，如果位于导频位期间则直接使用已知导频位b＝b_pilot。从而得到参考信号r。

在步骤115，计算迭代误差：E＝r-Y，r为前面计算出的参考信号，Y为最新波束形成的信号。

在步骤116，利用迭代公式计算新权值：W_i+1＝W_i+μ·X×E^H，其中，W_i为上一步计算或迭代出的权值；μ为迭代步长，可取0.1或0.01；E为前面计算的误差矩阵，E^H为其共轭转置。

然后在步骤117，将新计算出的权值作为初始权值，返回步骤110。

在本发明一个实施例中，针对一个帧中的每个时隙进行上述的迭代计算。在其他较佳实施例中，在精确度满足要求的条件下，可灵活地将根据上述方法获得的该帧内第一时隙的最优权值作为该帧内所有时隙的最优权值，或以该帧内任何一时隙的最优权值作为后续时隙的最优权值，对相应时隙的信号数据进行处理，如此可进一步减小权值迭代的计算量。

回到图2A，在迭代计算权值(步骤103)之后，所述过程进行到步骤104，判断迭代误差是否满足要求。根据本发明的一个实施例，可以通过判断该误差的均方值是否在一预定门限内来完成。如果不满足要求，则重新步骤102，103，直到均方差在预定门限内。如果满足要求，则进行到步骤105，保存该新的权值作为该时隙的最优权值，并用其对接收信号进行波束形成，解扰解扩上行信道的I路数据，完成信息的接收，统计输出信噪比。

通过以上描述可以看出，根据本发明实施例的智能天线波束形成方法通过采用最小均方误差迭代，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。

图3是展示了根据本发明一个优选实施例的智能天线的构成的方块图。如图3所示，根据该实施例的智能天线包括：由多个阵元(1-M)组成的天线阵列、空域形成模块21、时域处理模块22和重扩迭代模块23。所述天线阵元(1-M)还分别包括各自的天线前端(图中未示出)，用于接收无线射频信号并且转换为接收信号X＝[x₁，x₂，Λx_M]，这对于本领域技术人员是熟知的。

空域形成模块21，时域处理模块22和重扩迭代模块23同时又组成了根据本发明实施例的用于智能天线的波束形成装置。下面就结合附图对根据本发明实施例的智能天线及其波束形成装置进行详细描述。

空域形成模块21与天线阵列(1-M)的每个阵元相连，用于对天线阵列的接收信号X＝[x₁，x₂，Λx_M]进行空域处理，波束形成。空域形成模块21包括：分别与各个天线阵元相连的预多波束时延搜索单元215.1-215.M、权值更新单元213、乘法器211.1-211.M和加法器212。

预多波束时延搜索单元215，在工作时，生成几个固定窄波束(如图1所示)，用这几个波束分别波束形成阵列接收信号，得到波束信号。然后利用搜索器对波束信号进行时延搜索，选择能量值最大的波束，记住该波束的时延值，作为阵列接收信号的路径时延，并对阵列接收信号进行时延对齐。

时延对齐后的阵列接收信号被分别传递给对应的乘法器(211.1-211.M)。这些乘法器则分别根据由权值更新单元213提供的相应的权值w₁，w₂，...，w_M，进行各自的乘法运算。乘法运算的结果在加法器212中被求和，并作为波束形成的结果输出给时域处理模块22。

权值更新单元213，则根据重扩迭代模块23发送过来的误差信息或者作为用于计算次最优权值的参考信号的第一时隙导频位扩频加扰的信号，利用最小均方误差准则，迭代计算权值，并将计算出的权值分别赋给相应的乘法器(211.1-211.M)。

时域处理模块22包括：解扰器221、解扩器222、信道估计与补偿Rake单元(223、224)和判决器225。解扰器221和解扩器222，用于对波束形成后的信号，进行解扰和解扩。信道估计与补偿Rake单元223，用于对解扩数据进行处理，减少信道的影响，将多个路径的信号进行Rake合并。判决器225，用于将对Rake合并后的信号判决输出所传送的数据比特。

重扩迭代模块23主要包括：重扩器231、加扰器232和迭代误差计算单元233。重扩器231和加扰器232对从时域处理模块22输出的判决得到的数据，进行扩频和加扰，从而生成迭代参考信号r。迭代误差计算单元233则根据计算出的迭代参考信号和空域形成模块21波束形成的接收信号Y，计算出迭代误差E。迭代误差计算单元233并且将迭代误差E传送给空域形成模块21的权值更新单元213。另外，在重扩迭代模块23中还包括了一个用于扩频加扰第一时隙的导频位的单元234以及用于扩频加扰其它时隙的导频位作为参考信号的单元235。

下面说明本发明该实施例的波束形成装置的工作过程。

首先通过预多波束时延搜索单元215搜索出时延信息，对阵列接收信号进行时延对齐，成为时延对齐的基带接收信号[X₁-X_M]。接下来，将针对基带信号进行处理。

在第一个时隙的所有导频位期间，由单元234提供的已知导频位重扩加扰的信号作为参考信号，和时延对齐的基带信号[X₁-X_M]一起求互相关矩阵，计算出次最优权值，直到第一个时隙的导频位结束。把第一个时隙的导频位结束时的次最优权值输入到乘法器211，把每个阵元的波束形成信号通过加法器212合成一路信号。

再把这个信号分解成两路信号，一路输入到重扩迭代模块23的迭代误差计算模块233作为计算误差时的被减向量，另一路输入到时域处理模块22的解扰器221。解扰后的数据的Q路数据进入解扩器222，解扩出来的数据单位是比特，可利用信道估计和补偿RAKE单元223，224对解扩数据进行处理，减少信道的影响。

经过判决器225后的数据为1，-1，...的符号比特，输入到重扩迭代模块23。当当前时刻为信息位期间，由时域处理模块22输入的符号比特经过重扩器231、加扰器232后输入到迭代误差计算模块233，和先前输入的加法器212信号相减，得到误差信号，并将该误差信号输入到空域波束形成模块21的权值更新模块213中。当当前时刻为其它时隙的导频位期间，由单元235提供的已知导频位的重扩加扰信号作为迭代误差计算模块233的一个输入，和先前输入的加法器212信号相减，得到误差信号，并输入到空域形成模块21的权值更新模块213中。

输入到权值更新单元213的参考信号和时延对齐的接收信号[X₁-X_M]，基于最小均方误差准则，迭代，求出最优权。具体做法是：利用迭代公式：W_i+1＝W_i+μ·X×E^H，其中，W_i为上一步计算或迭代出的权值；μ为迭代步长，可取0.1或0.01；E为迭代误差计算单元233计算出的误差，E^H为其共轭转置。

如果用这个权值进行波束形成的迭代误差(由迭代误差计算单元233计算)满足要求，则对此波束形成的数据解扰、解扩、信道估计补偿和RAKE合并，进行输出。

以上所述的构成本发明实施例的智能天线的波束形成装置的各个组成部分，可以是硬件模块，也可以是软件模块，可以把这些模块做在专用芯片或FPGA中，也可以把一部分模块在DSP中用软件实现。

图4为本发明的自适应波束算法采用预多波束处理前后输出噪声比的仿真对比曲线。图4的横坐标表示输入信噪比，Eb/N0，变化范围是4-12dB。纵坐标表示输出信噪比。横纵坐标的间隔单位均为2dB。仿真条件是20个用户的宏小区，数据长度是20帧，符号速率是60kbps，图上标注的NOBeam表示现有技术中未采用预多波束处理的自适应波束形成方法，Beam+方法代表本发明的预多波束和基于最小均方误差准则的导频位辅助解扩重扩多目标阵列相结合的自适应波束形成方法。V代表移动的速度，单位为kmph。从图中可以看出，当输入信噪比为4dB，移动台速度为30kmph时，本专利获得的输出信噪比为接近13dB，而未采用预多波束处理的方法的输出信噪比大约为5.8dB，相差为大约7.2dB，同样，在输入信噪比为6、8、10和12dB时，结果类似，所以与现有技术的未经预多波束处理的自适应算法相比，本发明的方法使输出信噪比大大提高。

图5中的虚线和实线分别表示采用现有技术和本发明的方法和结构来接收信号的误码率曲线。同样，由图5可以看出，与现有技术相比，采用本发明的方法和结构使接收输出误码率大大降低。

以上虽然通过本发明的一些示例性的实施例对本发明进行了详细的描述，但是以上这些实施例并不是穷举的，本领域技术人员可以在本发明的精神和范围内实现各种变化和修改。例如，以上所描述的实施例虽然是针对WCDMA系统，但是本领技术人员应当可以理解，对于其它基于码分多址的系统，也是适用的。因此，本发明并不限于这些实施例，本发明的范围仅由所附权利要求为准。

Claims (19)

1.一种智能天线的波束形成方法，包括

对阵列信号进行预多波束处理，时延对齐，得到新的阵列信号；

利用导频位，对其进行扩频加扰后与上述时延对齐后的新的阵列信号求相关矩阵，计算次最优权值；

以所述次最优权值作为初始值，迭代计算最优权值；

利用所述最优权值，形成波束。

2.根据权利要求1所述的智能天线的波束形成方法，其中，所述对阵列信号进行的预多波束处理的步骤包括：

生成若干覆盖扇区的固定波束，使用所述固定波束对阵列信号进行波束形成；

对使用上述固定波束生成的波束域信号进行波束时延搜索，选出每个多径中能量值最大的波束，并利用该波束的时延值对齐阵列信号。

3.根据权利要求2所述的智能天线的波束形成方法，其中，随着扇区的大小调节波束的覆盖范围、波束的数目和宽窄，保证扇区内的所有移动台的波达方向均包含在所述预多波束内。

4.根根据权利要求1所述的智能天线的波束形成方法，其特征在于所述计算次最优权值的步骤中，将当前帧的第一时隙的已知导频位扩频加扰，然后根据最小均方误差准则，求相关矩阵的近似解，作为次最优权值。

5.根根据权利要求1所述的智能天线的波束形成方法，其特征在于所述迭代计算最优权值的步骤包括：

用初始权值，对时延对齐后的新的阵列信号形成波束；

对形成波束的阵列信号解扰、解扩，并判决出控制信息；

将判决出的控制信息重扩加扰，作为迭代参考信号；

用迭代参考信号和形成波束的阵列信号，计算迭代误差；

计算新权值；

以新权值作为初始权值进行迭代。

6.根根据权利要求5所述的智能天线的波束形成方法，其特征在于所述计算新权值使用迭代公式：W_i+1＝W_i+μ·X×E^H，其中，W_i为前一次迭代计算出的权值，μ为迭代步长，E为迭代误差，E^H为其共轭转置，X为时延对齐后的阵列信号接收矢量。

7.根根据权利要求5所述的智能天线的波束形成方法，其特征在于，所述判决步骤，在导频位期间，用已知的导频位信息作为判决输出。

8.根根据权利要求5所述的智能天线的波束形成方法，其特征在于，所述方法在利用所述最优权值形成波束的步骤之前还包括：

判断迭代误差是否满足要求；

如果迭代误差不满足要求，则重复所述计算次最优权值的步骤和迭代计算最优权值的步骤。

9.根根据权利要求8所述的智能天线的波束形成方法，其特征在于，所述判断步骤包括：

计算迭代误差的均方值；

如果计算出的迭代误差的均方值大于一个预定门限，则判断迭代误差不满足要求，否则判断迭代误差满足要求。

10.根根据权利要求8所述的智能天线的波束形成方法，其特征在于，将每帧第一时隙中获得的最优权值作为该整个帧的最优权值，用于对该帧中所有时隙的信号数据进行处理。

11.一种智能天线的波束形成装置，包括：

空域形成模块，用于对天线阵列信号进行波束形成，具体包括：预多波束时延搜索单元，用于对阵列信号进行预多波束处理，时延对齐，得到新的阵列信号；权值更新单元，用于计算已知导频位扩频加扰信号和时延对齐后的新的阵列信号的互相关矩阵，得到次最优权值；

时域处理模块，用于根据由空域形成模块波束形成的信号，获得传送的数据；以及

重扩迭代模块，用于根据由所述时域处理模块获得的数据信息，生成参考信号，计算迭代误差，并反馈给所述空域形成模块。

12.根据权利要求11所述的波束形成装置，其特征在于，所述空域形成模块中权值更新单元，还用于根据重扩迭代模块反馈的迭代误差，计算用于波束形成的多个权值；

并且，所述空域形成模块进一步包括：

多个乘法器，分别用于将权值更新单元计算出来的相应权值与相应天线阵列的阵元的接收信号相乘；以及

加法器，用于将多个乘法器的输出相加。

13.根据权利要求11所述的波束形成装置，其特征在于，所述时域处理模块包括：

解扰解扩单元，用于对由所述空域形成模块波束形成的信号，解扰解扩；

Rake合并单元，用于将多个路径的信号进行Rake合并；以及

判决器，用于将对Rake合并后的信号判决输出所传送的数据。

14.根据权利要求11所述的波束形成装置，其特征在于，所述重扩迭代模块包括：

重扩加扰单元，用于对由所述时域处理模块获得的传送数据，重扩加扰，作为迭代参考信号；

迭代误差计算单元，用于根据来自所述重扩加扰单元的迭代参考信号和来自所述空域形成模块的波束形成的阵列信号，计算迭代误差。

15.根据权利要求14所述的波束形成装置，其特征在于，所述空域形成模块的权值更新单元，利用由所述迭代误差计算单元计算的迭代误差，迭代计算最优权值。

16.根据权利要求15所述的波束形成装置，其特征在于，所述空域形成模块的权值更新单元，根据最小均方误差准则计算互相关矩阵，得到次最优权值，作为迭代计算的初始权值。

17.根据权利要求16所述的波束形成装置，其特征在于，所述权值更新单元，当判断所述迭代误差不满足要求时，重新计算次最优权值。

18.根据权利要求14所述的波束形成装置，其特征在于，所述迭代误差计算单元，在导频位期间，利用已知导频位扩频加扰后的信号作为迭代参考信号。

19.一种智能天线，包括：由多个阵元组成的天线阵列和权利要求11至18所述的波束形成装置。

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