CN101330304B - 一种智能天线系统中计算到达方向的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能天线系统中计算到达方向的方法，包括：步骤1，自适应权值计算单元使用非到达方向参考算法计算出用户波束赋形权值；步骤2，到达方向估计单元采用空间搜索的方法计算出整个角度范围内的赋形方向幅度；步骤3，到达方向估计单元从所述赋形方向幅度中找出最大峰值点及其对应的角度。本发明能够直接根据波束赋形权值获取DOA和多径DOA，解决了非DOA参考法的DOA获取问题。

Description

一种智能天线系统中计算到达方向的方法及装置

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种智能天线系统中计算到达方向DOA的方法及装置。

背景技术

智能天线技术是移动通信领域内一种越来越受到重视的新技术，尤其在TDD的工作方式中，上、下行信道使用同一载频，可以认为同一用户的上下行信道是完全对称的，从而有利于智能天线技术的使用。

智能天线系统由一组天线阵及相连的收发信机和先进的数字信号处理算法组成。智能天线能够根据用户的位置的变化，自适应的调整波束的指向，使得主瓣对准期望用户，零陷或旁瓣对准非期望用户，从而有效的降低基站的发射功率，达到消除干扰和提高系统容量的目的。

智能天线的下行波束赋形权值有两种计算方法：1)将到达方向(Directionof Arrival，DOA)估计后计算出的导向矢量作为赋形权值，通常称之为DOA参考方法；2)直接由自适应算法计算出波束赋形权值，通常称之为非DOA参考方法。非DOA参考方法相比DOA参考法可能具有更好的性能，但其在算法实现过程中并没有得到DOA信息。然而，DOA信息在对用户设备(UE)的定位、动态信道分配及系统测试当中是必须的，所以有必要研究如何从非DOA参考法中获取用户DOA、甚至各条径的DOA问题。

申请号为CN200410009679的中国专利《基于达波信号方向估计的信号处理系统和方法》，公开了一种到达方向估计系统的组成和结构，并不涉及到具体的DOA估计算法原理。申请号为CN03101201的中国专利《期望信号初始DOA估计、DOA跟踪及智能天线新方法》，公开了一种DOA参考方法的期望信号初始DOA估计、DOA跟踪及智能天线方法。

DOA信息在对用户设备(UE)的定位、动态信道分配及系统测试当中是必须的，如何从非DOA参考法中获取用户DOA、甚至各条径的DOA是需要解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供了一种智能天线系统中计算DOA的方法及装置，解决如何根据非DOA参考法的波束赋形权值计算出用户DOA的问题。

本发明提供了一种智能天线系统中计算到达方向的方法，包括：

步骤1，自适应权值计算单元使用非到达方向参考算法计算出用户波束赋形权值；

步骤2，到达方向估计单元采用空间搜索的方法计算出整个角度范围内的赋形方向幅度；

步骤3，到达方向估计单元从所述赋形方向幅度中找出最大峰值点及其对应的角度。

还包括步骤4，以最大峰值幅度为基准，找出峰值幅度与最大峰值幅度之差小于设定门限值的所有峰值点及其所对应的角度。

步骤1中，根据如下约束关系计算用户k的波束赋形权值w^(k)：

$w^{\left(k\right)}=\underset{w}{\arg }\left\{\max \right[w^H{R}_{\mathrm{xx}}^{\left(k\right)}w\left]\right\},$

其中

为用户k的空间相关矩阵，w^H为w的共轭转置。

所述赋形方向幅度σ(θ)按照下式计算：

σ(θ)＝|a(θ)^Hw^(k)|，

其中，a(θ)为智能天线阵元阵列的导向矢量，a(θ)^H为a(θ)的共轭转置，

和分别为波束的最小和最大指向角度。

步骤3中，最大峰值点σ_max，0及其对应的角度θ_max，0按下式计算：

σ_max，0＝max(σ(θ))，σ_max，0＝|a(θ_max，0)^Hw^(k)|

其中max(·)为找最大值运算。

步骤4包括以下步骤：

步骤61，设定峰值检测门限值σ_Th，并依据该门限值σ_Th获得角度门限值θ_Th；

步骤62，建立峰值搜索循环，令循环索引PeakIdx＝0；

步骤63，将σ_{max，PeakIdx}对应的角度θ_{max，PeakIdx}周围θ∈[θ_{max，PeakIdx}-θ_Th，θ_{max，PeakIdx}+θ_Th]范围内的所有角度的方向幅度σ(θ)置零；

步骤64，PeakIdx加1；

步骤65，从所有方向幅度σ(θ)中找出最大峰值点σ_{max，PeakIdx}及其所对应的角度θ_{max，PeakIdx}；

步骤66，如果σ_max，0-σ_{max，PeakIdx}＜σ_Th，则θ_PeakIdx为第(PeakIdx+1)条径的到达方向，重复步骤63；否则，循环结束。

还包括步骤5，输出到达方向角度。

本发明提供了一种装置，包括智能天线，射频单元，还包括：

自适应权值计算单元，用于由非到达方向参考算法计算出用户波束赋形权值；

到达方向估计单元，用于采用空间搜索的方法计算出整个角度范围内的赋形方向幅度，并计算出到达方向角度。

本发明提供了一种智能天线系统，包括所述的装置。

本发明提供了一种基站，包括所述的智能天线系统。

本发明能够直接根据波束赋形权值获取DOA和多径DOA，解决了非DOA参考法的DOA获取问题。

附图说明

图1是本发明提供的DOA计算装置示意图；

图2是本发明提供的多径DOA计算流程图；

图3是找出峰值幅度与最大峰值幅度之差小于设定门限值的所有峰值点及其所对应的角度的流程图；

图4是设置有本发明提供的DOA计算装置的智能天线系统；

图5是本发明提供多径DOA计算流程示意图；

图6是设置有本发明提供的智能天线系统的基站。

具体实施方式

图1、图4和图6所示的实施例中，根据非DOA参考法的波束赋形权值计算出用户多径的DOA。本发明提供的DOA计算装置如图1所示，DOA计算装置40包括：智能天线10，智能天线10由阵元阵列组成，如阵元1，阵元2，......，阵元Ka；用于基站无线射频信号收发的射频单元11；用于计算波束赋形权值的自适应权值计算单元12；根据波束赋形权值计算不同径DOA的DOA估计单元13。本发明提供的DOA计算40是智能天线系统41的一部分，如图4所示。本发明中的智能天线系统41设置在基站60上，如图6所示。

在本实施例中，该自适应权值计算单元12，用于由非DOA参考算法计算出用户k波束赋形权值；DOA估计单元13，用于采用空间搜索的方法计算出整个角度范围内的赋形方向幅度，并计算出DOA角度。DOA估计单元13，既可以计算主径DOA，也可以计算多径DOA。

该DOA估计单元，用于采用空间搜索的方法计算出整个角度范围内的赋形方向幅度，并计算出DOA角度。

本发明所述的根据非DOA参考法的波束赋形权值计算出用户多径DOA方法包括如下步骤，如图5所示：

步骤51，由非DOA参考法计算出波束赋形权值；

步骤52，采用空间搜索的方法计算出整个角度范围内的赋形方向幅度；

步骤53，从上一步计算出的赋形方向幅度中找出最大峰值点及其所对应的角度；

步骤54，以最大峰值幅度为基准，找出峰值幅度与最大峰值幅度之差小于设定门限值的所有峰值点及其所对应的角度；最大峰值点就是峰值幅度最大的地方，其它峰值点就是比最大峰值点的峰值幅度要小的峰值点，只要一个点的两边幅度都比该点小，就可称为峰值点；

步骤55，多径DOA角度输出。由第三步获得的峰值点角度即为主径的DOA角度，由第四步获得的其它峰值点的角度即为其它多径的DOA角度。

下面就将根据非DOA参考法的波束赋形权值计算出用户的不同多径的DOA的方进行如下详细描述：

步骤51，由非DOA参考法计算出波束赋形权值：

根据如下约束关系，计算出用户k的波束赋形权值w^(k)：

$w^{\left(k\right)}=\underset{w}{\arg }\left\{\max \right[w^H{R}_{\mathrm{xx}}^{\left(k\right)}w\left]\right\}$

其中，为用户k的空间相关矩阵，w^H为w的共轭转置，w为任意权值。根据上述公式的约束关系找出最优权值w^(k)。

步骤52，采用空间搜索的方法计算出整个角度范围内的赋形方向幅度：

设用户k的非DOA参考法计算出的波束赋形权值为w^(k)，则在整个角度范围内的赋形方向幅度为

σ(θ)＝|a(θ)^Hw^(k)|

其中，a(θ)为智能天线阵元阵列的导向矢量，a(θ)^H为a(θ)的共轭转置，

和

分别为波束的最小和最大指向角度，根据阵列类型和覆盖范围得出。

和的值直接由阵列类型就可得出。

步骤53，从上一步计算出的赋形方向幅度中找出最大峰值点σ_max，0及其对应的角度θ_max，0，即

σ_max，0＝max(σ(θ))，σ_max，0＝|a(θ_max，0)^Hw^(k)|

其中max(·)为找最大值运算；

步骤54，以最大峰值幅度为基准，找出峰值幅度与最大峰值幅度之差小于设定门限值的所有峰值点及其所对应的角度。

该步骤的具体实施步骤如下，如图3所示：

步骤301，开始计算；

步骤302，设定峰值检测门限值σ_Th，该门限值根据要求检测的多径功率相对主径功率的差值获得。例如，要求检测出相对主径功率小于3dB的多径，则就可以将门限值设为3dB；

步骤303，根据峰值检测门限值σ_Th获得角度门限值θ_Th，该门限用于对峰值周围的方向幅度清零，要求峰值角度周围±θ_Th范围内的波束宽度为σ_Th(dB)带宽的波束宽度。例如，峰值检测门限σ_Th＝3dB，8天线圆阵的3dB带宽波束宽度为35°，则由2·θ_Th＝35°得到θ_Th＝17.5°，考虑到一般取整数角度，进一步取门限θ_Th＝18°。

步骤304，建立峰值搜索循环，令循环索引PeakIdx＝0；

步骤305，将σ_{max，PeakIdx}对应的角度θ_{max，PeakIdx}周围θ∈[θ_{max，PeakIdx}-θ_Th，θ_{max，PeakIdx}+θ_Th]范围内的所有角度的方向幅度σ(θ)置零；

步骤306，PeakIdx加1；

步骤307，从所有方向幅度σ(θ)中找出最大峰值点σ_{max，PeakIdx}及其所对应的角度θ_{max，PeakIdx}；

步骤308，如果σ_max，0-σ_{max，PeakIdx}＜σ_Th，则θ_{max，PeakIdx}为第(PeakIdx+1)条径的DOA，重复步骤305；如果σ_max，0-σ_{max，PeakIdx}≥σ_Th，执行步骤309，循环结束。

步骤55，多径DOA角度输出。由第三步获得的峰值点角度即为主径的DOA角度，由第四步获得的其它峰值点的角度即为其它多径的DOA角度。

设由第四步检测出N个多径DOA角度{θ_max，1，θ_max，2，…，θ_max，N}，则由第三步和第四步获得的(N+1)条多径的DOA依次为

{θ_max，0，θ_max，1，…，θ_max，N}。

上述步骤中，如果只计算主径DOA，也可以跳过步骤54，在步骤53计算出主径DOA之后，直接输出主径DOA。

图2是本发明提供的多径DOA计算流程图，包括以下步骤：

步骤201，开始计算多径DOA；

步骤202，计算赋形权值w^(k)；

步骤203，计算赋形方向幅度σ(θ)＝|a(θ)^Hw^(k)|；

步骤204，找出最大峰值点σ_max，0及其对应的角度θ_max，0；

步骤205，设定峰值检测门限σ_Th，根据峰值检测门限σ_Th获得角度门限θ_Th，建立峰值搜索循环，令循环索引PeakIdx＝0；

步骤206，将σ_{max，PeakIdx}对应的角度θ_{max，PeakIdx}周围θ∈[θ_{max，PeakIdx}-θ_Th，θ_{max，PeakIdx}+θ_Th]范围内的所有角度的方向幅度σ(θ)置零；

步骤207，PeakIdx加1；

步骤208，找出最大峰值点σ_{max，PeakIdx}及其所对应的角度θ_{max，PeakIdx}；

步骤209，判断σ_max，0-σ_{max，PeakIdx}＜σ_Th是否成立，如果是执行步骤206，否则执行步骤210；

步骤210，输出多径DOA角度；

步骤211，计算结束。

本领域的技术人员在不脱离权利要求书确定的本发明的精神和范围的条件下，还可以对以上内容进行各种各样的修改。因此本发明的范围并不仅限于以上的说明，而是由权利要求书的范围来确定的。

Claims (7)

1.一种智能天线系统中计算到达方向的方法，其特征在于，包括：

步骤1，自适应权值计算单元使用非到达方向参考算法计算出用户波束赋形权值，用户k的波束赋形权值w^(k)根据如下约束关系计算：

$w^{\left(k\right)}=\underset{w}{\arg }\left\{\max \right[w^H{R}_{\mathrm{xx}}^{\left(k\right)}w\left]\right\},$

其中，

为用户k的空间相关矩阵，w^H为w的共轭转置；

步骤2，到达方向估计单元采用空间搜索的方法计算出整个角度范围内的赋形方向幅度，所述赋形方向幅度σ(θ)按照下式计算：

σ(θ)＝|a(θ)^Hw^(k)|，

其中，a(θ)为智能天线阵元阵列的导向矢量，a(θ)^H为a(θ)的共轭转置，

和

分别为波束的最小和最大指向角度；

步骤3，到达方向估计单元从所述赋形方向幅度中找出最大峰值点及其对应的角度，最大峰值点σ_max，0及其对应的角度θ_max，0按下式计算：

σ_max，0＝max(σ(θ))，σ_max，0＝|a(θ_max，0)^Hw^(k)|

其中，max(·)为找最大值运算。

2.如权利要求1所述的智能天线系统中计算到达方向的方法，其特征在于，还包括步骤4，以最大峰值幅度为基准，找出峰值幅度与最大峰值幅度之差小于设定门限值的所有峰值点及其所对应的角度。

3.如权利要求2所述的智能天线系统中计算到达方向的方法，其特征在于，步骤4包括以下步骤：

步骤61，设定峰值检测门限值σ_Th，并依据该门限值σ_Th获得角度门限值θ_Th；

步骤62，建立峰值搜索循环，令循环索引PeakIdx＝0；

步骤63，将σ_{max，PeakIdx}对应的角度θ_{max，PeakIdx}周围θ∈[θ_{max，PeakIdx}-θ_Th，θ_{max，PeakIdx}+θ_Th]范围内的所有角度的方向幅度σ(θ)置零；

步骤64，PeakIdx加1；

步骤65，从所有方向幅度σ(θ)中找出最大峰值点σ_{max，PeakIdx}及其所对应的角度θ_{max，PeakIdx}；

步骤66，如果σ_max，0-σ_{max，PeakIdx}＜σ_Th，则θ_PeakIdx为第(PeakIdx+1)条径的到达方向，重复步骤63；否则，循环结束。

4.如权利要求1、2或3所述的智能天线系统中计算到达方向的方法，其特征在于，还包括步骤5，输出到达方向角度。

5.一种利用权利要求1、2或3所述方法的装置，包括智能天线，射频单元，其特征在于，还包括：

自适应权值计算单元，用于由非到达方向参考算法计算出用户波束赋形权值；

到达方向估计单元，用于采用空间搜索的方法计算出整个角度范围内的赋形方向幅度，并计算出到达方向角度。

6.一种智能天线系统，其特征在于，包括有如权利要求5所述的装置。

7.一种基站，其特征在于，包括有如权利要求6所述的智能天线系统。

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