CN101072059B - 一种平滑融合发射的智能天线与空间分集发射方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平滑融合发射的智能天线与空间分集发射方法，其包括步骤：得到所有用户的融合权值；按融合权值对各天线信息进行加权发射。本发明方法由于采用合并考虑智能天线与空间分集接收技术，并且采用开环方法，具有较低的运算复杂度和系统复杂度，同时具有了较高的信道适应性能。

Description

一种平滑融合发射的智能天线与空间分集发射方法 

技术领域

本发明涉及一种数字无线通讯中多天线的发射方法，特别涉及的是一种智能天线与空间分集发射技术的平滑融合发射方法。 

背景技术

移动通信环境下的电波传播具有自由空间传播损耗、阴影衰落以及多径衰落等特点，其中多径衰落对无线信道上传输的信号有很严重的影响，电波的反射、散射和衍射使接收信号产生了时延扩展、频率(Doppler)扩展和角度扩展。 

下面讨论现有技术基于智能天线的多天线发射技术的缺陷：设信道模型为X＝HC+N；其中C为多个用户发送的不同符号向量；H为信道模型，N为噪声； 

$W_S^{H}X=W_S^H\mathrm{HC}+W_S^{H}N$

对于每个用户都进行智能天线技术估算，W_S ^H对于每个用户来讲都属于窄带率波器，因此虽然噪声未知，但不会放大噪声；但也完全没有考虑用户间的干扰。 

因此，现有技术在平坦的效区和乡村环境，多径分量少，而且干扰用户也不多，所以天线阵单元接收信号的相关性较强，此时可以利用智能天线技术形成主瓣对准用户，在干扰方向上形成零陷。 

从本质上讲，智能天线其实是一种单用户的技术，它利用到达天线阵的信号之间的完全相关性形成天线方向图。根据基站接收信号的DOA(阵列方位角，Direction of Array，以下简称DOA)密度，实时调整天线的方向图， 使天线主波束对准用户信号的到达方向，旁瓣和零陷对准干扰信号的到达方向。 

由于多径结构以及移动用户所处的物理环境等因素的差别，理想信号和干扰信号的DOA通常都是不同的，智能天线就是利用这种空间相位特性分离频率相近但DOA不同的信号。智能天线根据用户信号的不同空间传播方向，提供不同的空间信道。在有限的方向区域内接收信号，可以有效地减少接收到的MAI(多址干扰，Multiple Access Interference)以及理想用户和其他用户的多径信号数量。 

但是，在密集的市区内，存在大量的多径传输，此时的天线阵会在不同方向接收到来自同一用户的相干信号，MUSIC和ESPRIT算法无法分辨接收信号的到达方向。所以采用MUSIC和ESPRIT算法估计DOA的智能天线系统不能用于多径丰富的场合。因此，采用分集的思想来恢复信号： 

$W_P^{H}X=W_P^H\mathrm{HC}+W_P^{H}N$

发射分集技术更适合多径丰富的城市、购物中心或室内环境。在空间分集接收系统中，到达天线阵的信号必须相互独立，用多个天线接收信号来克服信号到达接收机的空间深衰落，增加分集增益。因为如果单个天线阵元的接收信号强度低于某个预定电平的概率为p，则相互独立的M个天线阵元接收到的信号强度同时低于这个预定电平的概率为p^M，当M较大时，显然P^M＜＜P，因此可以依此实现天线空间分集，抵抗空间选择性衰落。 

在许多情况下，系统采用单用户多天线发射分集，通过增加空间和时间分集阶数来提高分集增益。但是当功率控制误差较大时，很可能接收机接收的是干扰信号，而不是有用信号，从而造成严重的“远近效应”。也就是说，由于不同空间点上接收的信号包络的相关性将决定使用的空时处理技术。分集接收技术并不能象智能天线一样明显地减少MAI的数目，它只是在空间上合并多个不相关的信号副本，利用各种合并准则确定加权系数，使接 收端的SINR最大或均方误差最小，从总体上抑制MAI和ISI(码间干扰，Inter Symbol Interference)。 

通常，大的角度扩展和增加天线阵的单元间隔会使天线接收到的信号之间的相关性降低，此时宜采用天线阵的空间分集发射技术；当角度扩展小、且用户数较少时宜采用智能天线技术。而接收信号的空间相关性是由到达接收机天线阵的信号的角度扩展决定的，现有技术都是针对不同环境设计基于智能天线和空间分集发射技术的空时处理接收机，但是实际信道非常复杂，很难对环境进行有针对性的区分不同情况进行处理。 

因此，现有技术依然存在缺陷，而有待于改进和发展。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种平滑融合发射的智能天线与空间分集发射方法，鉴于现有智能天线技术不能适应大角度扩展，以及分集天线技术实际上未考虑空间信道小角度扩展，而实际信道却往往介于二者之间的情况，提供一种将智能天线与空间分集接收技术合并考虑的方法。 

为达到以上目的，本发明方法的技术方案包括： 

一种平滑融合发射的智能天线与空间分集发射方法，其包括步骤： 

a、得到所有用户的融合权值； 

b、按融合权值对各天线信息进行加权发射。 

所述的方法，其中，所述步骤a还包括： 

a1、对某一用户k估算信道； 

a2、提取其训练序列； 

a3、利用该训练序列获取导向矢量权值w_S ^k； 

a4、利用训练序列获取发射分集权值w_P ^k； 

a5、估计空间散度系数α，β； 

a6、对于该用户k，得到融合权值 $w^k={\mathrm{\αw}}_S^k+{\mathrm{\βw}}_P^k.$

所述的方法，其中，所述步骤a还包括： 

第k个用户的信道估计矩阵为： 

$H^{\left(k\right)}={\left[\begin{array}{cccc}{h}_1^{(k,1)}& h_2^{(k,1)}& \mathrm{\Λ}& h_W^{(k,1)}\\ h_1^{(k,2)}& h_2^{(k,2)}& \mathrm{\Λ}& h_W^{(k,2)}\\ M& M& O& M\\ h_1^{(k,\mathrm{Ka})}& h_2^{(k,\mathrm{Ka})}& \mathrm{\Λ}& h_W^{(k,\mathrm{Ka})}\end{array}\right]}_{\mathrm{Ka}\×W}$

Ka表示天线数，W表示信道估计窗长；其空间协方差矩阵表示为 

$R_{\mathrm{HH}}^{\left(k\right)}=H^{\left(k\right)}\·{\left(H^{\left(k\right)}\right)}^H$

式中(·)^H表示共轭转置运算； 

在天线阵列的覆盖角度范围内，以一定的角度步长计算各用户在不同方向上对应的上行接收功率； 

第k个用户、在θ_i方向上对应的上行接收功率为 

$P^{\left(k\right)}\left({\mathrm{\θ}}_i\right)={\left(a\left({\mathrm{\θ}}_i\right)\right)}^H{R}_{\mathrm{HH}}^{\left(k\right)}a\left({\mathrm{\θ}}_i\right)$

式中a(θ_i)表示θ_i方向上的导向矢量； 

搜索该用户在不同方向上对应的上行接收功率预测值的最大值，其最大值对应的方位角度即为下行波束赋形方向，表示为 

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{BF}}^{\left(k\right)}=\underset{{\mathrm{\θ}}_i}{\arg }\left[\max \left({\tilde{P}}^{\left(k\right)}\left({\mathrm{\θ}}_i\right)\right)\right]$

实现下行波束赋形，即 

第k个用户的导向矢量权值表示为 

$w_S^k=a\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{BF}}^{\left(k\right)}\right)$

发射分集权值为： 

其中，θ^(k)为第k个用户的导向矢量的波达方向参数； 

第k个用户对应的上行接收散度系数α^(k)表示为 

α^(k)＝max[P^(k)(θ)] 

${\mathrm{\β}}^{\left(k\right)}={\mathrm{\Σ}}_{\mathrm{\θ}=0}^{360}{P}^{\left(k\right)}\left(\mathrm{\θ}\right)-{\mathrm{\α}}^{\left(k\right)}.$

所述的方法，其中，还包括：设发射方的天线数为M，接收方为L个用 户设备，每个用户设备的天线数为1，发射方到接收方的信道传输矩阵为H，信道模型为X＝HC+N；其中C为多个用户发送的不同符号向量；H为信道模型，N为噪声；并且满足2≤M≤L，发射方到接收方的信道传输矩阵为H^L×M，矩阵H^L×M的元素h_ij是从发射天线j到接收天线i的传输函数。 

所述的方法，其中，所述步骤a3还包括： 

利用智能天线技术获取的权值采用Bartlett法获取，并且： 

使形成波束的输出功率相对于某个输入信号方向θ为最大； 

通过调整加权向量，形成不同方向的空间波束，但也有可能使干扰和噪声的输出功率最大。 

所述的方法，其中，所述步骤a3还包括：利用智能天线技术获取的权值采用最小方差无畸变响应法，并且保持观测方向θ上的信号功率不变的情况下，使噪声及来自非θ方向的任何干扰所贡献的功率最小。 

所述的方法，其中，所述步骤a4还包括： 

利用空间分集接收技术得到的权值，其获取采用选择合并，并且选择具有最大信号功率的多径信号。 

所述的方法，其中，所述步骤a4还包括： 

利用空间分集接收技术得到的权值，其获取采用最大比合并，并且每个支路有一加权系数，根据各支路的信噪比分配加权的权重。 

所述的方法，其中，所述步骤a4还包括： 

利用空间分集接收技术得到的权值，其获取采用等增益合并，并且每个支路有一加权系数，选择每一路的加权值都相等。 

所述的方法，其中，所述步骤a4还包括： 

利用空间分集接收技术得到的权值，其获取采用Wiener滤波。 

本发明所提供的一种平滑融合发射的智能天线与空间分集发射方法，由于采用合并考虑智能天线与空间分集接收技术，并且采用开环方法，具有较低的运算复杂度和系统复杂度，同时具有了较高的信道适应性能。 

附图说明

图1为本发明阵列天线选择的方法的流程示意图。 

具体实施方式

以下结合附图，将对本发明的较佳实施例进行较为详细的说明。 

本发明的智能天线与空间分集发射技术的平滑融合发射方法，其包括以下步骤： 

a、对于某一用户k，估算信道； 

b、提取其训练序列； 

c、利用该训练序列获取导向矢量权值w_S ^k； 

d、利用该训练序列获取发射分集权值w_P ^k； 

e、估计空间散度系数α，β； 

f、对于用户k，得到融合权值 $w^k={\mathrm{\αw}}_S^k+{\mathrm{\βw}}_P^k;$

g、按照步骤a至步骤d的过程，分别得到所有用户的融合权值； 

h、按融合权值对各天线信息进行加权发射。 

同时，本发明方法还设发射方的天线数为M，接收方为L个用户设备UE，每个UE的天线数为1，发射方到接收方的信道传输矩阵为H，信道模型为X＝HC+N；其中C为多个用户发送的不同符号向量；H为信道模型，N为噪声；并且满足2≤M≤L，发射方到接收方的信道传输矩阵为H^L×M，矩阵H^L×M的元素h_ij是从发射天线j到接收天线i的传输函数。 

设w_S ⁱ为利用智能天线技术获取的权值，其获取方法有以下几种： 

(1)Bartlett法 

使形成波束的输出功率相对于某个输入信号方向θ为最大； 

通过调整加权向量，形成不同方向的空间波束，但也有可能使干扰和噪声的输出功率最大。 

(2)MVDR(最小方差无畸变响应)法保持观测方向θ上的信号功率不变的情况下，使噪声及来自非θ方向的任何干扰所贡献的功率最小。 

利用a(θ)表示来自波达方向θ的发射信源的导向矢量，这种方法可以使接收能量聚集在一个方向上，形成定向波束。 

设w_P ⁱ为利用空间分集接收技术得到的权值，其获取方法有以下几种： 

(1)选择合并(SC) 

选择具有最大信号功率的多径信号，对信号的空间选择性衰落有一定的抑制作用。 

(2)最大比合并(MRC) 

每个支路有一加权系数，根据各支路的信噪比(SNR)分配加权的权重，SNR大的支路权重大，SNR小的支路权重小。当每个分离多径上的干扰完全不相关时，MRC方法可使合并信号的SINR最大。 

(3)等增益合并(EGC) 

和MRC的方法相同，区别在于选择每一路的加权值都相等。 

(4)Wiener滤波(OPT) 

无论多径之间的干扰是否相关，均可抑制干扰并使合并器输出端的SINR最大。 

本发明方法的步骤c中将波束空间均匀地划分成L个区域，每个区域的第l到达角预先定义为 

${\mathrm{\θ}}_l=\frac{360\·(l-1)}{L},l=1\mathrm{LL}$

计算每个点上的功率p(θ_l)： 

及散度系数 

α^(k)＝max[P^(k)(θ)] 

${\mathrm{\β}}^{\left(k\right)}={\mathrm{\Σ}}_{\mathrm{\θ}=0}^{360}{P}^{\left(k\right)}\left(\mathrm{\θ}\right)-{\mathrm{\α}}^{\left(k\right)}$

具体地，本发明方法的过程实施例如图1所示的： 

第一步，第k个用户的信道估计矩阵为： 

$H^{\left(k\right)}={\left[\begin{array}{cccc}{h}_1^{(k,1)}& h_2^{(k,1)}& \mathrm{\Λ}& h_W^{(k,1)}\\ h_1^{(k,2)}& h_2^{(k,2)}& \mathrm{\Λ}& h_W^{(k,2)}\\ M& M& O& M\\ h_1^{(k,\mathrm{Ka})}& h_2^{(k,\mathrm{Ka})}& \mathrm{\Λ}& h_W^{(k,\mathrm{Ka})}\end{array}\right]}_{\mathrm{Ka}\×W}$

Ka表示天线数，W表示信道估计窗长。其空间协方差矩阵表示为 

$R_{\mathrm{HH}}^{\left(k\right)}=H^{\left(k\right)}\·{\left(H^{\left(k\right)}\right)}^H$

式中(·)^H表示共轭转置运算。 

在天线阵列的覆盖角度范围内，以一定的角度步长计算各用户在不同方向上对应的上行接收功率。 

第k个用户、在θ_i方向上对应的上行接收功率为 

$P^{\left(k\right)}\left({\mathrm{\θ}}_i\right)={\left(a\left({\mathrm{\θ}}_i\right)\right)}^H{R}_{\mathrm{HH}}^{\left(k\right)}a\left({\mathrm{\θ}}_i\right)$

式中a(θ_i)表示θ_i方向上的导向矢量。 

搜索该用户在不同方向上对应的上行接收功率预测值的最大值，其最大值对应的方位角度即为下行波束赋形方向，表示为 

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{BF}}^{\left(k\right)}=\underset{{\mathrm{\θ}}_i}{\arg }\left[\max \left({\tilde{P}}^{\left(k\right)}\left({\mathrm{\θ}}_i\right)\right)\right]$

实现下行波束赋形，即 

第k个用户的波束赋形权值表示为 

$w_S^k=a\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{BF}}^{\left(k\right)}\right)$

第二步，计算w_P ^k； 

其中，θ^(k)为第k个用户的导向矢量的波达方向参数； 

第三步，根据步骤a，第k个用户对应的上行接收散度系数α^(k)表示为 

α^(k)＝max[P^(k)(θ)] 

${\mathrm{\β}}^{\left(k\right)}={\mathrm{\Σ}}_{\mathrm{\θ}=0}^{360}{P}^{\left(k\right)}\left(\mathrm{\θ}\right)-{\mathrm{\α}}^{\left(k\right)}$

第四步，计算融合权值 $w^k={\mathrm{\αw}}_S^k+{\mathrm{\βw}}_P^k;$

第五步，计算其它用户权值。 

本发明所提供的一种智能天线与空间分集发射技术的平滑融合发射方法，由于同时考虑了智能天线与空间分集发射技术，并且能自动适应所有的信道环境，同已有的智能天线与空间分集发射技术相比，避免了大量的计算和对所有可能的天线组合进行全局搜索，具有运算量小，实现简单的明显优点。 

应当理解的是，本发明保护范围阐明于所附权利要求书中，而不能以说明书的上述描述做为限制，凡是在本发明的宗旨之内的显而易见的修改亦应归于本发明的保护范围之内。 

Claims (7)

1.一种平滑融合发射的智能天线与空间分集发射方法，其包括步骤：

a、得到所有用户的融合权值；

b、按融合权值对各天线信息进行加权发射；

所述步骤a包括：

a1、对某一用户k估算信道；

a2、提取其训练序列；

a3、利用该训练序列获取导向矢量权值

a4、利用训练序列获取发射分集权值

a5、估计空间散度系数α，β；

a6、对于该用户k，得到融合权值

其中，设发射方的天线数为M，接收方为L个用户设备，每个用户设备的天线数为1，发射方到接收方的信道传输矩阵为H，信道模型为X＝HC+N；其中C为向多个用户发送的不同符号向量；H为信道模型，N为噪声；并且满足2≤M≤L，发射方到接收方的信道传输矩阵为H^L×M，矩阵H^L×M的元素h_ij是从发射天线j到接收天线i的传输函数；

第k个用户的信道估计矩阵为：

Ka表示天线数，W表示信道估计窗长；其空间协方差矩阵表示为

$R_{\mathrm{HH}}^{\left(k\right)}=H^{\left(k\right)}\·{\left(H^{\left(k\right)}\right)}^H$

式中(·)^H表示共轭转置运算；

在天线阵列的覆盖角度范围内，以一定的角度步长计算各用户在不同方向上对应的上行接收功率；

第k个用户、在θ_i方向上对应的上行接收功率为

$P^{\left(k\right)}\left({\mathrm{\θ}}_i\right)={\left(a\left({\mathrm{\θ}}_i\right)\right)}^H{R}_{\mathrm{HH}}^{\left(k\right)}a\left({\mathrm{\θ}}_i\right)$

式中a(θ_i)表示θ_i方向上的导向矢量；

搜索该用户在不同方向上对应的上行接收功率预测值的最大值，其最大值对应的方位角度即为下行波束赋形方向，表示为

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{BF}}^{\left(k\right)}=\underset{{\mathrm{\θ}}_i}{\arg }\left[\max \left({\tilde{P}}^{\left(k\right)}\left({\mathrm{\θ}}_i\right)\right)\right]$

实现下行波束赋形，即

第k个用户的导向矢量权值表示为

$w_S^k=a\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{BF}}^{\left(k\right)}\right)$

发射分集权值为：

其中，θ^(k)为第k个用户的导向矢量的波达方向参数；

第k个用户对应的上行接收散度系数α^(k)表示为

α^(k)＝max[P^(k)(θ)]

${\mathrm{\β}}^{\left(k\right)}={\mathrm{\Σ}}_{\mathrm{\θ}=0}^{360}{P}^{\left(k\right)}\left(\mathrm{\θ}\right)-{\mathrm{\α}}^{\left(k\right)}.$

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤a3还包括：

利用智能天线技术获取的权值采用Bartlett法获取，并且：

使形成波束的输出功率相对于某个输入信号方向θ为最大；

通过调整加权向量，形成不同方向的空间波束，但也有可能使干扰和噪声的输出功率最大。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤a3还包括：利用智能天线技术获取的权值采用最小方差无畸变响应法，并且保持观测方向θ上的信号功率不变的情况下，使噪声及来自非θ方向的任何干扰所贡献的功率最小。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤a4还包括：

利用空间分集接收技术得到的权值，其获取采用选择合并，并且选择具有最大信号功率的多径信号。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤a4还包括：

利用空间分集接收技术得到的权值，其获取采用最大比合并，并且每个支路有一加权系数，根据各支路的信噪比分配加权的权重。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤a4还包括：

利用空间分集接收技术得到的权值，其获取采用等增益合并，并且每个支路有一加权系数，选择每一路的加权值都相等。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤a4还包括：利用空间分集接收技术得到的权值，其获取采用Wiener滤波。

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