CN101686074A - 一种确定来波方向的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种确定来波方向的方法，用于确定多极化阵列天线的来波方向。所述方法为：根据收到的上行信号对多极化阵列天线中每组阵列天线分别构造空间信道矩阵；其中，多极化阵列天线的一个极化方向对应一组阵列天线；根据一个空间信道矩阵确定一个来波方向；从根据多个空间信道矩阵确定的多个来波方向中选择一个来波方向为多极化阵列天线的来波方向。本发明还公开了用于实现所述方法的装置。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域，特别是涉及确定来波方向的方法及装置。
背景技术
用户的信号在到达基站前可能经历了较长的传播路径，有较大的路径损耗，为使接收到的有用信号不至于低于门限，一种方式是增加终端的发射功率，另一种方式是增加基站天线的接收增益。由于终端(特别是手机)的发射功率通常是有限的，较佳的方式是增加天线增益。智能天线的出现解决了这一问题。智能天线借助有用信号和干扰信号在入射角度(即来波方向)上的差异，选择恰当的合并权值，形成正确的天线接收模式，即将主瓣对准有用信号，低增益副瓣对准主要的干扰信号，从而可更有效地抑制干扰，更大比例地降低频率复用因子(比如在GSM中使复用因子3成为可能)。可见，获得来波方向的技术已在智能天线领域广泛应用。并且，来波方向还可用于进行紧急呼叫定位，并提供更高的定位精度。
双极化阵列天线在TDD系统中得到了广泛的应用，其由正交极化的两组阵列天线组成，同组天线的阵元之间具有阵列特性，不同组天线之间由于极化特性使得阵列组之间的天线的相关性较弱。
智能天线中的每根天线是相对独立的，每根天线均可根据入射信号调整自身的角度。而双极化阵列天线具有的极化特性使得阵列组之间存在相互制约条件，因此整个双极化阵列天线无法仅利用一种与入射角相关的、固定的阵列特性模型来描述，也就无法获得来波方向。即，智能天线确定来波方向的技术不能直接适用于双极化阵列天线。
综上，目前尚无确定双极化阵列天线的来波方向的解决方案。
发明内容
本发明实施例提供一种确定来波方向的方法及装置，用于确定多极化阵列天线的来波方向。
一种确定来波方向的方法，包括以下步骤：
根据收到的上行信号对多极化阵列天线中每组阵列天线分别构造空间信道矩阵；其中，多极化阵列天线的一个极化方向对应一组阵列天线；
根据一个空间信道矩阵确定一个来波方向；
从根据多个空间信道矩阵确定的多个来波方向中选择一个来波方向为多极化阵列天线的来波方向。
一种用于确定来波方向的装置，包括：
多极化阵列天线，用于接收上行信号；
矩阵单元，用于根据上行信号对每组阵列天线分别构造空间信道矩阵；其中，多极化阵列天线的一个极化方向对应一组阵列天线；
方向计算单元，用于根据一个空间信道矩阵确定一个来波方向；
控制单元，用于从根据多个空间信道矩阵确定的多个来波方向中选择一个来波方向为多极化阵列天线的来波方向。
本发明实施例对多极化阵列天线的每组极化阵列天线分别构造空间信道矩阵，并依据每个空间信道矩阵分别计算来波方向，再从多个来波方向中选择一个来波方向作为多极化阵列天线的来波方向，从而实现了确定多极化阵列天线的来波方向。
附图说明
图1为本发明实施例中确定来波方向的主要方法流程图；
图2为本发明实施例中确定来波方向的详细方法流程图；
图3为本发明实施例中装置的主要结构图；
图4为本发明实施例中装置的详细结构图。
具体实施方式
本发明实施例通过获得多极化阵列天线中每组阵列天线的来波方向，并从中确定一个来波方向，来确定多极化阵列天线的来波方向，从而实现了确定多极化阵列天线的来波方向。
参见图1，本实施例中确定多极化阵列天线的来波方向的主要方法流程如下：
步骤101：通过多极化阵列天线接收上行信号。
步骤102：根据上行信号对每组阵列天线分别构造空间信道矩阵，其中，一个极化方向对应一组阵列天线。
步骤103：根据每个空间信道矩阵分别计算来波方向。
步骤104：确定多个来波方向中的一个来波方向为多极化阵列天线的来波方向。
在步骤102中，对一组阵列天线构造空间信道矩阵有多种具体实现方式，如通过上行信号中的训练序列进行信道冲激响应估计并获得信道冲激响应，再根据信道冲激响应构造空间信道矩阵；或者，如通过上行信号中的其它数据构造空间信道矩阵，例如直接利用上行各天线通道的基带接收信号与该接收信号的共轭转置进行空间信道矩阵的构造。由于训练序列有良好的抗干扰性，所以通过训练序列构造空间信道矩阵有助于提高确定来波方向的准确性。
参见图2，本实施例以通过训练序列构造空间信道矩阵为例详细介绍确定来波方向的实现过程，具体流程如下：
以±45°双极化阵列天线为例进行说明，双极化阵列天线包括两组极化阵列天线，+45°的极化阵列天线组1和-45°极化阵列天线组2，极化阵列天线组1包括X根天线，极化阵列天线组2包括Y根天线，设X+Y＝M。
步骤201：通过双极化阵列天线接收上行信号em，m＝1，...，M。
步骤202：分别对每根极化阵列天线的上行信号进行解析并获得多个训练序列，第m根天线对应的上行信号的训练序列可表示为em mid。
步骤203：对每个训练序列分别进行信道冲激响应估计，并获得相应的信道冲激响应，即第m个信道冲激响应其中FFT表示快速傅立叶变换，IFFT表示逆快速傅立叶变换，Mid＝(mid1，mid2，...，mid128)，mid为中置码，则信道冲激响应
也可以表示为
其中为第m根天线信道估计结果的第i个抽头信道估计值，i＝1，2，......，128。
双极化阵列天线通常接收来自多个用户的上行信号，例如有k个用户，若需要确定一个用户的来波方向，则需要区分用户的信道冲激响应
继续步骤204，若不需要区分用户，仅需要确定双极化阵列天线的来波方向，则继续步骤205，并省略步骤中的标识k。
步骤204：获得第k个用户在第m根极化阵列天线上的信道冲激响应
其中w为信道冲激响应估计窗长。
步骤205：构造第k个用户分别在两组极化阵列天线上的信道冲激响应，即在极化阵列天线组1上的信道冲激响应
在极化阵列天线组2上的信道冲激响应或
步骤206：根据两组极化阵列天线的信道冲激响应，分别构造空间相关矩阵。即，极化阵列天线组1的空间相关矩阵极化阵列天线组2的空间相关矩阵
其中上角标H表示转置。
步骤207：根据两个空间相关矩阵分别计算第k个用户在两组极化天线上的来波方向。即，第k个用户在极化阵列天线组1的来波方向
在极化阵列天线组2的来波方向
其中a(+45°)(θ)，a(-45°)(θ)分别表示两种极化方向的子阵列在θ方向上的导向矢量。θ取值范围为从-60度到+60度。
步骤208：从两个来波方向θDOA (+45°，k)和θDOA (-45°，k)中选择一个作为第k个用户在双极化阵列天线上的来波方向。
从两个来波方向θDOA (+45°，k)和θDOA (-45°，k)中选择一个来波方向的方式有多种，如选择空间相关矩阵的特征值最大的(即最大特征值)所对应的来波方向，或者，选择最大信噪比确定对应的一组极化阵列天线的来波方向，或者，选择最低路径损耗对应的一组极化阵列天线的来波方向。若依据最大特征值选择来波方向，则需要在步骤208之前，对空间信道矩阵Rxxk +45°和Rxxk -45°进行特征值计算，并将两个特征值λmax +45°和λmax -45°进行比较，在步骤208中依据λmax +45°和λmax -45°中较大的一个确定来波方向。其中，一个空间信道矩阵可能对应有多个特征值，则将其中最大的特征值作为该空间信道矩阵的特征值，并与其它空间信道矩阵的特征值进行比较。
若依据最大信噪比选择来波方向，则需要在步骤208之前，计算每根天线的信噪比，并将获得的多个信噪比进行比较以确定最大信噪比，在步骤208中依据最大信噪比所在的一组极化阵列天线的来波方向确定双极化阵列天线的来波方向；或者，对各组极化阵列天线的多个信噪比计算平均值，得到两个平均信噪比，然后将个平均信噪比进行比较，将较大的平均信噪比作为最大信噪比，并依此在步骤208中确定来波方向。
若依据最低路径损耗选择来波方向，则需要在步骤208之前，计算每根天线的路径损耗，并将获得的多个路径损耗进行比较以确定最低路径损耗，在步骤208中依据最低路径损耗所在的一组极化阵列天线的来波方向确定双极化阵列天线的来波方向；或者，对各组极化阵列天线的多个路径损耗计算平均值，得到两个平均路径损耗，然后将个平均路径损耗进行比较，将较低的平均路径损耗作为最低路径损耗，并依此在步骤208中确定来波方向。
本实施例采用最大特征值来确定来波方向，因为最大特征值表征了接收到的能量最强的一组极化阵列天线，所以用该组极化阵列天线的来波方向作为双极化阵列天线的来波方向也较为准确，从而对用户的定位也比较准确。
还可以依据两个以上条件选择来波方向。例如，同时采用特征值、信噪比和路径损耗，则预先为各条件设置权重值b1、b2和b3，依据权重值对特征值λ、信噪比S和路径损耗L进行综合计算，即
由于特征值λ和信噪比S都是越大越好，而路径损耗L是越小越好，为了得到越大越好的统一结果，所以对L取倒数，使得关于L的计算结果也为越大越好。将关于多根极化阵列天线或多组极化阵列天线的多个综合计算结果进行比较，并依据最大结果值选择来波方向。当然，对特征值λ、信噪比S和路径损耗L进行综合计算的方式不限于此，例如
等。
当采用一种方式(如只采用特征值、信噪比、路径损耗或三者的综合)确定来波方向时，可能出现多个来波方向对应的条件(如特征值)相同的情况，如两组极化阵列天线对应的特征值相同，此时按照单一的一种方式无法确定一个来波方向，则本实施例提供多种解决方案。如第一种方式，从多个相同的最大特征值所对应的来波方向中随机选择一个；如第二种方式，预先为各组(或根)极化阵列天线设置不同的优先级，当有多个相同的最大特征值时，选择最高优先级的一组极化阵列天线所对应的来波方向；如第三种方式，当依据第一条件(如最大特征值)无法确定来波方向时，即有多个相同的最大特征值时，进一步依据第二条件(如信噪比)，即从多个最大特征值中选择信噪比最大的一组极化阵列天线所对应的来波方向。
本实施例还提供用于确定来波方向的装置，参见图3所示，该装置包括多极化阵列天线301、矩阵单元302、方向计算单元303和控制单元304。该装置可具体为基站(Node B或Evolved Node B)，也包括分布式基站。
多极化阵列天线301用于接收上行信号。
矩阵单元302用于根据上行信号对每组阵列天线分别构造空间信道矩阵。
方向计算单元303用于根据每个空间信道矩阵分别计算来波方向。
控制单元304用于确定多个来波方向中的一个来波方向为多极化阵列天线的来波方向。
其中，矩阵单元302可具体用于通过上行信号中的训练序列对每组阵列天线分别构造空间信道矩阵。则该装置还包括估计单元305，参见图4所示，估计单元305用于根据上行信号中的训练序列获得信道估计冲激响应估计；矩阵单元302根据估计冲激响应估计及其转置构造空间信道矩阵。
控制单元304可具体用于依据多种条件确定多个来波方向中的一个来波方向为多极化阵列天线的来波方向，多种条件如依据最大特征值确定，或者依据最大信噪比确定，或者依据最低路径损耗确定，或者是它们的综合。则该装置可能还包括用于计算特征值和确定最大特征值的特征值单元，用于计算信噪比和确定最大信噪比的信噪比单元，用于计算路径损耗和确定最低路径损耗的路径损耗单元，用于对三种条件综合计算的综合单元等，本图未示出。
用于实现本发明实施例的软件可以存储于软盘、硬盘、光盘和闪存等存储介质。
本发明实施例对多极化阵列天线的每组极化阵列天线分别构造空间信道矩阵，并依据每个空间信道矩阵分别计算来波方向，再从多个来波方向中选择一个来波方向作为多极化阵列天线的来波方向，从而实现了确定多极化阵列天线的来波方向。并且，本发明实施例通过训练序列获得信道冲激响应，并进一步获得空间信道矩阵，利用了训练序列良好的抗干扰性使得构成出的空间信道矩阵与上行信号中的有用信号(相对于干扰而言)吻合的较好，从而获得较为准确的来波方向。以及，本发明实施例依据最大特征值选择来波方向，从而选择了来自多组极化阵列天线的上行信号中能量最强的一路所对应的来波方向，因此而确定的来波方向更为准确。本发明实施例还提供了依据信噪比等多种方式来选择来波方向的方法，以及提供了多种方式来解决获得相同最大特征值而无法选择来波方向的问题。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1、一种确定来波方向的方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据收到的上行信号对多极化阵列天线中每组阵列天线分别构造空间信道矩阵；其中，多极化阵列天线的一个极化方向对应一组阵列天线；
根据一个空间信道矩阵确定一个来波方向；
从根据多个空间信道矩阵确定的多个来波方向中选择一个来波方向为多极化阵列天线的来波方向。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过上行信号中的训练序列对每组阵列天线分别构造空间信道矩阵。
3、如权利要求2所述的方法，其特征在于，通过上行信号中的训练序列对一组阵列天线构造空间信道矩阵的步骤包括：
根据上行信号中的训练序列进行信道冲激响应估计并获得信道冲激响应；
根据估计冲激响应及其转置构造空间信道矩阵。
4、如权利要求1所述的方法，其特征在于，选择来波方向的条件至少包括下列条件之一：
依据最大特征值确定；
依据最大信噪比确定；
依据最低路径损耗确定。
5、如权利要求4所述的方法，其特征在于，当采用多个条件确定来波方向时，分别针对每组极化阵列天线对多个条件进行求和或求积的计算，并依据计算结果确定来波方向。
6、如权利要求4所述的方法，其特征在于，当通过第一条件确定了多个来波方向时，随机从确定的多个来波方向中选择一个来波方向作为多极化阵列天线的来波方向；或者，多组极化阵列天线具有不同的优先级，依据优先级从确定的多个来波方向中选择优先级较高的一组极化阵列天线的来波方向作为多极化阵列天线的来波方向；或者，依据第二条件从确定的多个来波方向中选择一个来波方向作为多极化阵列天线的来波方向。
7、一种用于确定来波方向的装置，其特征在于，包括：
多极化阵列天线，用于接收上行信号；
矩阵单元，用于根据上行信号对每组阵列天线分别构造空间信道矩阵；其中，多极化阵列天线的一个极化方向对应一组阵列天线；
方向计算单元，用于根据一个空间信道矩阵确定一个来波方向；
控制单元，用于从根据多个空间信道矩阵确定的多个来波方向中选择一个来波方向为多极化阵列天线的来波方向。
8、如权利要求7所述的装置，其特征在于，矩阵单元具体用于通过上行信号中的训练序列对每组阵列天线分别构造空间信道矩阵。
9、如权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括：估计单元，用于根据上行信号中的训练序列获得信道估计冲激响应估计；
矩阵单元具体用于根据估计冲激响应估计及其转置构造空间信道矩阵。
10、如权利要求7所述的装置，其特征在于，控制单元具体用于依据下列条件之一确定多个来波方向中的一个来波方向为多极化阵列天线的来波方向：
依据最大特征值确定；
依据最大信噪比确定；
依据最低路径损耗确定。
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