CN101119147A - 一种空间到达方向的估计方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种空间到达方向的估计方法及装置，应用于采用智能天线技术的无线通信系统，先设置一个校正周期包含的上行时隙数M及更新周期T，一个时隙包括一个或多个更新周期T，启动空间到达方向DOA估计后，计数单元对每个校正周期内的上行时隙和每个上行时隙内的更新周期进行计数；算法选择控制器基于上述计数值，在每一校正周期第一个时隙的第一个更新周期，激活最大功率值搜索器求解DOA估计值，作为DOA估计初始值或校正值；在该校正周期的其它时间，激活最佳解调信号判别器求解DOA估计值，实现对DOA估计值的跟踪；DOA输出值选择器选择输出最终的DOA估计值。本发明可减低复杂矩阵运算量，提供更高精度DOA估计值。

Description

一种空间到达方向的估计方法及装置

技术领域

本发明涉及无线通信系统中使用阵列天线的进行接收和发射的方法及装置，尤其涉及其中的路径检测和波达方向推测方法及装置。

背景技术

为了能够更有效的降低多径，多址干扰，降低邻小区干扰，提高系统容量，在第三代无线通信技术中采用了智能天线技术，特别是在TD-SCDMA第三代无线通信技术标准中智能天线技术更是作为其关键技术之一。智能天线的采用带来的技术优势包括减少小区间干扰，降低多径干扰，降低发射功率，提高接收灵敏度，增加系统容量和小区半径，使基于每一用户的信噪比得以增加。

采用智能天线技术的无线通信系统中，智能天线发射的能量可以仅指向处于激活状态的移动终端，且在本小区内该移动终端在通信阶段一直处于被跟踪状态。在智能天线应用中其下行发射波束赋形参数可以通过对上行方向的波束到达方向的估计来得到，特别是在TDD系统中这种应用更容易。FDD方式由于上、下行链路信号传播的无线环境受频率选择性衰落影响不相同，所以根据上行链路计算得到的权值不能直接应用于下行链路；TDD方式上、下行链路使用相同频率传输信号，且间隔时间短，链路无线传播环境差异不大，可以使用相同权值。

智能天线的接收处理算法在很多资料，文献和专利上都有讨论，大致可分为两类，一类是基于一定最优准则直接利用接收信号和相关的系统信息求出阵列处理的复数加权矢量，另一类是首先通过一定的方法估计出接收信号中期望信号的空间到达方向(Direction Of Arrival，简称DOA)，然后按照阵列的空间结构形成与估计的DOA对应的理想的阵列处理矢量。

第一类方法多数是基于接收符号的权矢量更新，因而阵列处理大大加重了基站的处理负荷。特别是许多智能天线算法在求解权矢量时需要进行接收矢量矩阵的求逆运算(如基于MMSE准则的大量算法)或干扰噪声矩阵的求逆运算(如基于最大信噪比准则的大量算法)，这样进一步加重了基站的附加运算量。尽管一些自适应算法如LMS算法运算量不大，但是它的收敛速度较慢，实际实现时步长选取不当造成算法发散。此类智能天线算法还存在稳定性和可靠性的问题，如果因为干扰或者某种原因导致波束形成偏差，波束形成的接收效果会严重恶化，甚至比单元阵接收效果还差。另外，由于在接收符号内利用有限的数据进行特征矩阵的形成，基于符号的权矢量更新算法形成的波束图通常会随符号的不同有很大的波动，导致接收性能的明显下降。

第二类基于DOA估计的智能天线算法(如图1所示)，通过对期望信号的初始DOA进行估计，然后对DOA进行跟踪，在对权矢量更新时，直接由当前估计的期望信号DOA按阵列空间结构形成与估计DOA对应的理想波束赋形矢量，然后又重新估计新的DOA。这种方法利用了在蜂窝移动通信系统中实际数据符号率通常远大于移动台相对于基站的角度变化率的特点，对多个符号采用相同的阵列权矢量进行接收，因而相对基于符号更新权矢量的智能天线算法可以大大降低基站处理的运算量。

目前在TD-SCDMA系统的智能天线算法中，DOA估计方法采用公开号为CN 1535048A，名称为“一种估计固定波束空间到达方向的方法”的中国专利中公开的多级搜索法。该方法虽然原理简单易实现，但却存在以下缺点：每次搜索都需要进行复杂的矩阵运算，运算量较大；因为是基于每时隙求一次DOA，利用该方法求得的DOA估计值用在下行波束赋形时存在不小的偏差(特别是在UE高速移动情况下)，需要在下行进行校正(采用公开号为CN 1700801A，名称为“一种移动通信智能天线系统中的下行链路波束赋形方法”的中国专利中公开的技术)，从而增加了智能天线算法处理的复杂度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种DOA的估计方法和装置，可以大大减低复杂矩阵运算量，并能提供更高精度DOA估计值。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种空间到达方向的估计方法，应用于采用智能天线技术的无线通信系统，先设置一个校正周期包含的上行时隙数M及更新周期T，一个时隙包括一个或多个更新周期T，启动空间到达方向DOA估计后，对每个校正周期内的上行时隙和每个上行时隙内的更新周期进行计数；基于上述计数值，在每一校正周期第一个时隙的第一个更新周期，采用最大功率值搜索算法求解DOA估计值，作为DOA估计初始值或校正值；在该校正周期的其它时间，采用最佳解调信号判别算法求解DOA估计值，在DOA估计初始值或校正值基础上，实现对DOA估计值的跟踪。

在本发明的一较佳实施例中，所述M取值为30≤M≤60。

在本发明的一较佳实施例中，采用最大功率值搜索算法求解DOA估计值时，采用多级搜索法，即第一次以等角度间隔A₁计算角度选值区间内N₁个点的功率值，求解该N₁个功率值中的最大值；第二次以N₁个点中功率最大值点对应的角度为中心，分别以小于A₁的等角度间隔A₂计算其左右各N₂个点的功率值，求解该2N₂个功率值和该中心点的功率值中的最大值；依此多次搜索，直到达到搜索精度要求，最后一次所得到的功率最大值对应的角度为所求解的DOA估计值。

在本发明的一较佳实施例中，还设置了一初始步长值，采用最佳解调信号判别算法求解DOA估计值时，在每一个时隙内执行以下步骤的运算：

(a)在该时隙的每一个更新周期，利用DOA估计值的初值和初始步长值构造两个接收权矢量，该DOA估计值的初值为该时隙上一更新周期或者上一时隙最后一个更新周期求解的DOA估计值；

(b)计算该更新周期内该两权矢量的接收结果；

(c)根据所述接收结果确定该更新周期的新的DOA估计值。

在本发明的一较佳实施例中，所述步骤(a)中，构造两个接收权矢量的公式如下：

公式如下：

$w_1=e^{j\frac{2\mathrm{\π\λn}}{d}\cos ({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{cur}}+\mathrm{\Δ\θ})},$ n＝0...T-1

$w_2=e^{j\frac{2\mathrm{\π\λn}}{d}\cos ({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{cur}}-\mathrm{\Δ\θ})},$ n＝0...T-1

其中，T为更新周期，θ_cur为期望信号当前DOA估计值，即该更新周期DOA估计值的初值，Δθ为当前步长，w1，w2即为两个构造的权矢量，λ为载波波长，d为天线阵列的阵元间距。

在本发明的一较佳实施例中，所述步骤(b)计算更新周期内该两权矢量的接收结果的公式如下：

$Y_1=\frac{1}{L}\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}\left|w_{1}c\right|$

$Y_2=\frac{1}{L}\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}\left|w_{2}c\right|$

其中，L为更新周期T内的比特数，c是接收的空间天线阵列接收的码片数据，Y1，Y2表示经过上式接收的解调输出信号，w1，w2为两个构造的权矢量。

在本发明的一较佳实施例中，所述步骤(c)根据所述接收结果确定新的DOA估计值的公式如下：

${\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{cur}}(i+1)=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{cur}}\left(i\right)+\mathrm{\&Delta;\&theta;},Y_1<Y_2\\ {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{cur}}\left(i\right)-\mathrm{\&Delta;\&theta;},Y_1>Y_2\\ {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{cur}}\left(i\right),Y_1=Y_2\end{array}\right\}$

其中θ_cur(i+1)为更新后的DOA估计值，θ_cur(i)为期望信号当前的DOA估计值，即该更新周期DOA估计值的初值，Y1，Y2分别表示更新周期内两权矢量的接收结果。

在本发明的一较佳实施例中，设置更新周期T的码片数时，使得每个上行时隙包括8个或9个更新周期T。

在本发明的一较佳实施例中，还保存最近L次的DOA估计值的增量，在所述步骤(c)之后还包括：

步骤(d)，保存新的DOA估计值相对前一DOA估计值的增量，判断是否已保存了L个θ_cur，如果是，执行步骤(e)，否则返回步骤(a)；

步骤(e)，判断当前存储的L个θ_cur的增量，如连续L个θ_cur增量的符号都为正或负，将增大步长Δθ；如果连续L个相邻的θ_cur增量的符号彼此异号，减小步长Δθ，否则保持当前步长不变，返回步骤(a)。

本发明提供的空间到达方向的估计装置包括计数单元、算法选择控制器、功率最大值搜索器、最佳解调信号判别器和空间到达方向DOA输出值选择器，其中：

所述计数单元，包括时隙计数器，用于对上行时隙进行计数，每计数M次后重新计数，M值为预先设置的一个校正周期包括的时隙数；更新周期计数器，用于对每个时隙中的更新周期进行计数；时隙计数值和更新周期计数值输出到所述算法选择控制器和DOA输出值选择器；

所述算法选择控制器，用于在输入的时隙计数值和更新周期计数值都等于0时，激活功率最大值搜索器求解DOA估计值；在其它情况下，激活最佳解调信号判别器求解DOA估计值；

所述功率最大值搜索器用于通过功率最大值搜索算法求解DOA估计值，作为DOA估计初始值或者校正值，输出到所述最佳解调信号判别器和DOA输出值选择器；

所述最佳解调信号判别器，用于采用最佳解调信号判别算法求解DOA估计值并输出到所述DOA输出值选择器，在所述DOA估计初始值或校正值基础上，实现对DOA估计值的跟踪；

所述DOA输出值选择器，用于在输入的时隙计数值和更新周期计数值都等于0时，输出功率最大值搜索器得到的DOA估计值，在其它情况下，输出最佳解调信号判别器得到的DOA估计值。

在本发明的一较佳实施例中，所述计数单元中的M值设置为30≤M≤60，其中的更新周期计数器在一个时隙的最大计数值为8或9。

在本发明的一较佳实施例中，所述功率最大值搜索器采用多级搜索法来搜索功率最大值对应的角度，即所求解的DOA估计值。

在本发明的一较佳实施例中，所述最佳解调信号判别器进一步包括：

权矢量构造单元，用于在该时隙的每一个更新周期，利用DOA估计值的初值和初始步长值构造两个接收权矢量；

接收结果计算单元，用于计算该更新周期内该两权矢量的接收结果；

DOA估计值计算单元，用于根据所述接收结果确定该更新周期的新的DOA估计值；

存储器，用于最多保存L个新的DOA估计值相对前一DOA估计值的增量；

步长调节单元，用于判断当前存储的L个所述增量，如连续L个增量的符号都为正或负，将增大步长；如果连续L个相邻的增量的符号彼此异号，减小步长，否则保持当前步长不变。

由上可知，利用本发明的DOA估计方法及装置进行DOA估计能有效提高DOA估计的精度，实现对移动台的简易粗定位和良好的跟踪。很好避免了采用单一算法带来的运算大及计算精度低的缺点。特别是在高速移动情况下能带来DOA估计性能的较大提高，简化了智能天线处理过程。使下行波束赋形时可以直接根据此估计值进行权值生成，无需进行DOA估计值的重新校正，简化智能天线处理算法。

附图说明

图1是智能天线物理实现的原理图。

图2是本发明实施例DOA估计装置的结构示意图。

图3是本发明实施例DOA估计方法的流程图。

具体实施方式

本发明DOA估计方法及装置的基本思想是利用“功率最大值搜索法”进行DOA估计的粗定位和校准，利用“最佳解调信号判别法”进行DOA估计值微调和跟踪。其中采用“功率最大值搜索法”进行的粗定位和校准每隔M个上行时隙(M值可配置)启动计算一次，得出当前时隙粗略估计的DOA值，在其余上行时隙采用“最佳解调信号判别法”基于“功率最大值搜索法”得到的DOA值进行微调和DOA跟踪。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述，虽然是以TD-SCDMA系统为例，但本发明也可用于其它采用智能天线的通信系统中。

如图2所示，本实施例DOA估计装置包括计数单元、算法选择控制器、功率最大值搜索器、最佳解调信号判别器和DOA输出值选择器，其中：

计数单元，包括时隙计数器和更新周期计数器。其中，时隙计数器用于根据系统给出时隙更新信息对上行时隙进行计数，每计数M次再重新计数，M值为预先设置的一个校正周期包括的时隙数；更新周期计数器用于对每个时隙中的更新周期进行计数，其取值将在下文中详细介绍。计数单元的计数值(包括时隙计数值和更新周期计数值)输出到算法选择控制器和DOA输出值选择器。

算法选择控制器，用于根据输入的计数值生成算法选择控制信号，在输入的时隙计数值和更新周期计数值都等于0时，激活功率最大值搜索器进行DOA估计初始值或者校正值的计算；在其它情况下，激活最佳解调信号判别器进行DOA估计值的跟踪和微调计算。

功率最大值搜索器是通过功率最大值搜索算法进行DOA估计初始值或校正值的运算部，基于经典波束形成算法，对用户在天线阵列整个波束空间范围内按照一定的搜索精度要求进行多级搜索，每次搜索都求解相应空间角度来波的功率，通过判断最大的功率值，得出最可能的来波方向，并输出到最佳解调信号判别器和DOA输出值选择器。

最佳解调信号判别器，用于根据DOA估计值的初值和当前步长，在每个更新周期内计算两个构造的权矢量的接收结果，并根据接收结果确定新的期望信号的DOA估计值，输出到DOA输出值选择器。

该最佳解调信号判别器进一步包括：

权矢量构造单元，用于在该时隙的每一个更新周期，利用DOA估计值的初值和初始步长值构造两个接收权矢量；

接收结果计算单元，用于计算该更新周期内该两权矢量的接收结果；

DOA估计值计算单元，用于根据所述接收结果确定该更新周期的新的DOA估计值；

FIFO存储器，用于最多保存L个新的DOA估计值相对前一DOA估计值的增量；

步长调节单元，用于判断当前存储的L个所述增量，如连续L个增量的符号都为正或负，将增大步长；如果连续L个相邻的增量的符号彼此异号，减小步长，否则保持当前步长不变。

DOA输出值选择器，用于根据输入的计数值，选择功率最大值搜索器或最佳解调信号判别器的运算结果作为DOA估计值输出。即：在输入的时隙计数值和更新周期计数值都等于0时，输出功率最大值搜索器得到的DOA估计值，在其它情况下，输出最佳解调信号判别器得到的DOA估计值。

图2所示为本实施例对某用户进行DOA估计的流程，预先设定一校正周期包含的时隙个数M，M取值不宜过大或过小，过大会造成校正周期过长，过小造成频繁校正。M取值宜在30到60之间，本实施例M值选择为30。此外，还要设置DOA估计值的更新周期T，该更新周期T即用最佳解调信号判别器求解的DOA值的更新周期。在TD-SCDMA系统中，更新次数由每时隙总码片数864和更新周期T确定，T值不能取过大或过小，过大造成运算量增加，过小达不到运算精度，一般取值在100码片附近。为了取整数，T值的较佳选择有T＝108，96，相应地，每个时隙的DOA估计值的更新次数为8次和9次，本实施例T＝96。

该流程包括计数和DOA估计值运算两个并行的进程。

对于计数来说，包括对上行时隙的计数和对时隙中更新周期的计数，先初始化时隙计数器和更新周期计数器的值为0，启动DOA估计后，对上行时隙计数，每计数M次后复位，再重新开始计数；在上行时隙计数值变化后，将更新周期计数器复位，在计数过程中每经过一个更新周期，即96个码片计数值加1。

对于DOA估计值运算来说，是在上述计数值的基础上选择不同的计算方法来完成的。具体步骤如下：

步骤110，启动DOA估计后，每次在时隙计数器和更新周期计数器的计数值变化时，执行下一步；

步骤120，判断时隙计数器和更新周期计数器的计数值是否均为0，如果是，执行步骤130，否则，执行步骤140；

步骤130，利用最大功率值搜索算法求解DOA估计初始值或DOA估计校正值；

文中将第一个校正周期的第一个时隙用最大功率值搜索算法计算得到的DOA估计值称为DOA估计初始值，将后续校正周期的第一个时隙用最大功率值搜索算法计算得到的DOA估计值称为DOA估计校正值。

步骤140，利用最佳解调信号判别算法对DOA估计值进行跟踪并对步长进行微调。

上述步骤130中的功率最大值搜索算法采用基于经典波束形成算法的多级搜索法来实现，经典波束形成算法的功率求解计算方法如下：

输入空间协方差矩阵R_xx，计算：

p(θ)＝a^H(θ)R_xxa(θ)，θ∈(0，θt)

其中a(θ)是方向向量，表示为：

$a\left(\text{\&theta;}\right)={(f_1\left(\mathrm{\&theta;}\right),f_2\left(\mathrm{\&theta;}\right)\&CenterDot;e^{-j\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}r\cos (\mathrm{\&theta;}-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{ka}})},...,f_{\mathrm{ka}}\left(\mathrm{\&theta;}\right)\&CenterDot;e^{-j\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}r\cos (\mathrm{\&theta;}-\frac{2\mathrm{\&pi;}(\mathrm{ka}-1)}{\mathrm{ka}})})}^H$

其中ka为天线阵元数目，r表示天线阵元之间的距离，H是共轭转置运算符，当每根天线都是全向天线时f₁(θ)＝f₂(θ)＝...＝f_n(θ)＝1。其中当天线阵列为均匀线阵时θ∈[0，180)，但天线阵列为均匀圆阵时θ∈[0，360)。

按照搜索精度的要求，每个搜索角度θ都需要进行一次p(θ)的求解，其输入参数包括方向向量a(θ)和空间相关矩阵R_xx。所有求得的p(θ)中最大值对应得角度θ即为需要求解的DOA估计值。

为了简化运算，本实施例采用多级搜索法。以下以TD-SCDMA系统中基于8天线圆阵的天线系统为实例进行说明。

8天线圆阵空间角度为360°，假设DOA估计的精度设为1°，则如果不采用多级搜索法则需要分别计算360个角度值对应的功率值，运算量较大。多级搜索法的思想是，第一次以均等的较大角度间隔计算360°的N₁个点的功率值，求解N₁个功率值中最大值；第二次以第一次N₁个点中功率最大值点对应的角度为中心，分别以较小的等间隔角度分别计算其左右各N₂个点的功率值，求解该2N₂个功率值及该中心点的功率值中的功率最大值；依次类推，直到达到搜索精度要求，最后一次得到的功率最大值对应的角度，即为所求解的DOA估计值。

采用2级的功率最大值搜索法时，具体工作过程包括以下步骤：

1)读入Rxx值；

2)根据公式p(θ)＝a^H(θ)R_xxa(θ)，θ∈(0，θ₁)，以10°为间隔计算从0°到360°的共36个角度点对应的功率值；

3)求解36个功率值中的最大值，给出该功率最大值对应的角度，记为C°；

4)以1°为间隔，分别求C°左右从(C-9)°到(c+9)°各9个点，共18个角度点对应的功率值；

5)求解第4步的18个点以及C°点的共19个功率值中的最大值，给出该最大值点对应的角度，即为所求的DOA估计值。

当然，也可以采用更多级的搜索，如三级搜索法，如设第一级角度点间隔为20°，第二级角度点间隔为4°，第三级角度点间隔为1°，先从第一级18个角度点中得到功率最大值对应的角度C，然后以4°为间隔，计算左右从(C-16)°到(c+16)°共8个角度点中功率最大值对应的角度D，最后以1°为间隔，计算左右从(D-3)°到(D+3)°共6个角度点中功率最大值对应的角度，即为所求的DOA估计值。

另外，当天线阵列为均匀线阵，即θ∈[0，180)时，只需将上述第2)步时的选值区间改为0°到180°来取值即可，其它步骤都是相同的。

上述流程中，最佳信号解调判别器的DOA跟踪原理是对根据“功率最大值法”求得的DOA初始值或校正值进行跟踪计算，即当阵列波束对移动台处于良好跟踪状态时，DOA跟踪的当前值θ_cur应在实际的DOA左右跳变，即θ_cur交替取θ_cur+Δθ，θ_cur-Δθ。当阵列波束对移动台处于跟踪失败状态时，θ_cur会长时间超出或低于实际DOA。

本实施例的最佳信号解调判别器首先设计一个深度为L的FIFO(先入先出存储器)，用来记录连续L个θ_cur值的增量变化(可正可负)。FIFO的深度L的取值范围较佳在4到8之间，这里取6，避免过短的L值很难反应当前步长的特征以及过长的L带来调整滞后的问题。当然也可以采用其它存储器，只要实现相应逻辑即可。

计算前还要设置DOA估计值的更新周期T及初始步长值，这里更新周期T是指θ_cur的更新周期，即用最佳解调信号判别器求解的DOA值的更新周期，上文中已做过详细介绍。由于每个时隙的DOA估计值的更新次数的增加，相对于功率最大值搜索法每时隙只求解一次DOA估计值，最佳解调信号判别法实现了更好的DOA求解精度。

本实施例的最佳解调信号判别方法在一个时隙内执行的操作如下：

1)在该时隙的每一个更新周期，利用DOA估计值的初值和初始步长值构造两个接收权矢量，公式如下：

$w_1=e^{j\frac{2\mathrm{\&pi;\&lambda;n}}{d}\cos ({\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{cur}}+\mathrm{\&Delta;\&theta;})},$ n＝0...T-1

$w_2=e^{j\frac{2\mathrm{\&pi;\&lambda;n}}{d}\cos ({\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{cur}}-\mathrm{\&Delta;\&theta;})},$ n＝0...T-1

这里，T为更新周期，取96码片。θ_cur为期望信号当前DOA估计值，也即该更新周期DOA估计值的初值，Δθ为当前步长，λ为载波波长，d为天线阵列的阵元间距，w1，w2即为两个构造的权矢量。应当说明的是，本发明不局限于上述权矢量的构造公式，运用其它公式也是可以的。

该DOA估计值的初值即为该时隙上一更新周期得到的DOA估计值，或者上一时隙最后一个更新周期得到的DOA估计值。可能是在校正周期第一个时隙第一个更新周期用功率最大值搜索算法得到的DOA估计初始值或校正值，也可能是用最佳解调信号判别法得到的DOA估计值。

2)计算更新周期内该两权矢量的接收结果，并根据该结果确定新的DOA估计值；

按下面的公式对两个权矢量计算接收结果

$Y_1=\frac{1}{L}\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left|w_{1}c\right|$

$Y_2=\frac{1}{L}\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left|w_{2}c\right|$

其中L为更新周期T内的比特数(这里即指96码片数据的比特数)，c是接收的空间天线阵列接收的码片数据，Y1，Y2表示经过上式接收的解调输出信号。

则θ_cur的更新判别方法根据下式进行：

${\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{cur}}(i+1)=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{cur}}\left(i\right)+\mathrm{\&Delta;\&theta;},Y_1<Y_2\\ {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{cur}}\left(i\right)-\mathrm{\&Delta;\&theta;},Y_1>Y_2\\ {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{cur}}\left(i\right),Y_1=Y_2\end{array}\right\}$

其中θ_cur(i+1)为更新后的DOA估计值，θ_cur(i)为期望信号当前的DOA估计值，即该更新周期DOA估计值的初值。

3)将新的DOA估计值相对前一DOA估计值的增量移入FIFO，判断FIFO是否已满，如果FIFO未满，转第1)步，如果FIFO已满，进行第4)步；

4)根据FIFO状态确定新的步长，转第1)步。

如果FIFO已满，先判断当前存储的L个θ_cur的增量，如果连续L个θ_cur增量的符号都为正或负，说明根据当前的步长Δθ阵列波束跟踪不上移动台的角速度变化，应将Δθ增大1dB(表示的是一种增量关系)；如果连续L个相邻的θ_cur增量的符号彼此异号，说明步长可能偏大，则减小步长Δθ1dB，这样通过自适应调整，使步长一直处于检测与调整中，如果Δθ偏大或偏小，几个更新周期T后，Δθ可以得到校正。步长调节值的范围视精度要求可以取{1dB，2dB，3dB}，一般需要获得较佳精度，使用1dB。在进行Δθ的调整后，还可以清空该FIFO，以避免已使用数据对后续判断的影响。

在另一实施例中，也可以不对步长Δθ进行微调，其精度也能满足要求。

综上所述，本发明利用“功率最大值搜索法”进行DOA初始值的求解，算法简单，但运算涉及较大矩阵运算，不适宜在每个时隙都采用该方法，避免造成很多的运算量的浪费。当粗略的DOA估计值得出后，根据实际情况短时间内移动台将在该角度附近范围内变化，此时适合全空间范围搜索的功率最大值搜索法将造成计算资源浪费，而采用最佳解调信号判别法则能带来高效的跟踪性能，在小范围内实现DOA估计快速求解和更新，能够提高DOA估计精度。因为本发明中的最佳解调信号判别法采用自适应步长技术，且在读入根据功率最大值搜索法获得的初始DOA估计值作为初值，后续计算以最佳解调信号判别法求得的当前DOA估计值作为初值，有可能造成一段时间后跟踪失步，有必要周期性的进行DOA校正，DOA校正利用功率最大值搜索法进行，在全空间再进行一次粗定位，求得的新DOA估计值作为新的校正周期的最佳解调信号判别器的DOA初始值。因而在有效提高DOA估计的精度，实现对移动台的简易粗定位和良好的跟踪的同时，很好避免了采用单一算法带来的运算大及计算精度低的缺点。

Claims (13)

1.一种空间到达方向的估计方法，应用于采用智能天线技术的无线通信系统，其特征在于：

先设置一个校正周期包含的上行时隙数M及更新周期T，一个时隙包括一个或多个更新周期T，启动空间到达方向DOA估计后，对每个校正周期内的上行时隙和每个上行时隙内的更新周期进行计数；

基于上述计数值，在每一校正周期第一个时隙的第一个更新周期，采用最大功率值搜索算法求解DOA估计值，作为DOA估计初始值或校正值；在该校正周期的其它时间，采用最佳解调信号判别算法求解DOA估计值，在DOA估计初始值或校正值基础上，实现对DOA估计值的跟踪。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述M取值为30≤M≤60。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用最大功率值搜索算法求解DOA估计值时，采用多级搜索法，即第一次以等角度间隔A₁计算角度选值区间内N₁个点的功率值，求解该N₁个功率值中的最大值；第二次以N₁个点中功率最大值点对应的角度为中心，分别以小于A₁的等角度间隔A₂计算其左右各N₂个点的功率值，求解该2N₂个功率值和该中心点的功率值中的最大值；依此多次搜索，直到达到搜索精度要求，最后一次所得到的功率最大值对应的角度为所求解的DOA估计值。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还设置了一初始步长值，采用最佳解调信号判别算法求解DOA估计值时，在每一个时隙内执行以下步骤的运算：

(a)在该时隙的每一个更新周期，利用DOA估计值的初值和初始步长值构造两个接收权矢量，该DOA估计值的初值为该时隙上一更新周期或者上一时隙最后一个更新周期求解的DOA估计值；

(b)计算该更新周期内该两权矢量的接收结果；

(c)根据所述接收结果确定该更新周期的新的DOA估计值。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(a)中，构造两个接收权矢量的公式如下：

公式如下：

$w_1=e^{j\frac{2\mathrm{\&pi;\&lambda;n}}{d}\cos ({\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{cur}}+\mathrm{\&Delta;\&theta;})},n=0...T-1$

$w_2=e^{j\frac{2\mathrm{\&pi;\&lambda;n}}{d}\cos ({\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{cur}}-\mathrm{\&Delta;\&theta;})},n=0...T-1$

其中，T为更新周期，θ_cur为期望信号当前DOA估计值，即该更新周期DOA估计值的初值，Δθ为当前步长，w1，w2即为两个构造的权矢量，λ为载波波长，d为天线阵列的阵元间距。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)计算更新周期内该两权矢量的接收结果的公式如下：

$Y_1=\frac{1}{L}\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left|w_{1}c\right|$

$Y_2=\frac{1}{L}\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left|w_{2}c\right|$

其中，L为更新周期T内的比特数，c是接收的空间天线阵列接收的码片数据，Y1，Y2表示经过上式接收的解调输出信号，w1，w2为两个构造的权矢量。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(c)根据所述接收结果确定新的DOA估计值的公式如下：

${\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{cur}}(i+1)=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{cur}}\left(i\right)+\mathrm{\&Delta;\&theta;},Y_1<Y_2\\ {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{cur}}\left(i\right)-\mathrm{\&Delta;\&theta;},Y_1>Y_2\\ {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{cur}}\left(i\right),Y_1=Y_2\end{array}\right\}$

其中θ_cur(i+1)为更新后的DOA估计值，θ_cur(i)为期望信号当前的DOA估计值，即该更新周期DOA估计值的初值，Y1，Y2分别表示更新周期内两权矢量的接收结果。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，设置更新周期T的码片数时，使得每个上行时隙包括8个或9个更新周期T。

9.如权利要求4所述的方法，其特征在于，还保存最近L次的DOA估计值的增量，在所述步骤(c)之后还包括：

步骤(d)，保存新的DOA估计值相对前一DOA估计值的增量，判断是否已保存了L个θ_cur，如果是，执行步骤(e)，否则返回步骤(a)；

步骤(e)，判断当前存储的L个θ_cur的增量，如连续L个θ_cur增量的符号都为正或负，将增大步长Δθ；如果连续L个相邻的θ_cur增量的符号彼此异号，减小步长Δθ，否则保持当前步长不变，返回步骤(a)。

10.一种空间到达方向的估计装置，包括计数单元、算法选择控制器、功率最大值搜索器、最佳解调信号判别器和空间到达方向DOA输出值选择器，其中：

所述计数单元，包括时隙计数器，用于对上行时隙进行计数，每计数M次后重新计数，M值为预先设置的一个校正周期包括的时隙数；更新周期计数器，用于对每个时隙中的更新周期进行计数；时隙计数值和更新周期计数值输出到所述算法选择控制器和DOA输出值选择器；

所述算法选择控制器，用于在输入的时隙计数值和更新周期计数值都等于0时，激活功率最大值搜索器求解DOA估计值；在其它情况下，激活最佳解调信号判别器求解DOA估计值；

所述功率最大值搜索器用于通过功率最大值搜索算法求解DOA估计值，作为DOA估计初始值或者校正值，输出到所述最佳解调信号判别器和DOA输出值选择器；

所述最佳解调信号判别器，用于采用最佳解调信号判别算法求解DOA估计值并输出到所述DOA输出值选择器，在所述DOA估计初始值或校正值基础上，实现对DOA估计值的跟踪；

所述DOA输出值选择器，用于在输入的时隙计数值和更新周期计数值都等于0时，输出功率最大值搜索器得到的DOA估计值，在其它情况下，输出最佳解调信号判别器得到的DOA估计值。

11.如权利要求10所述的估计装置，其特征在于，所述计数单元中的M值设置为30≤M≤60，其中的更新周期计数器在一个时隙的最大计数值为8或9。

12.如权利要求10所述的估计装置，其特征在于，所述功率最大值搜索器采用多级搜索法来搜索功率最大值对应的角度，即所求解的DOA估计值。

13.如权利要求10所述的估计装置，其特征在于，所述最佳解调信号判别器进一步包括：

权矢量构造单元，用于在该时隙的每一个更新周期，利用DOA估计值的初值和初始步长值构造两个接收权矢量；

接收结果计算单元，用于计算该更新周期内该两权矢量的接收结果；

DOA估计值计算单元，用于根据所述接收结果确定该更新周期的新的DOA估计值；

存储器，用于最多保存L个新的DOA估计值相对前一DOA估计值的增量；

步长调节单元，用于判断当前存储的L个所述增量，如连续L个增量的符号都为正或负，将增大步长；如果连续L个相邻的增量的符号彼此异号，减小步长，否则保持当前步长不变。

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