CN101977069A - 多用户cdma系统上行链路中的一种分组波束合成方法 - Google Patents

Abstract

多用户CDMA系统上行链路中的一种分组波束合成方法，其实现步骤为：第一步，基站接收机估计阵列协方差矩阵R；第二步，估计K个用户波达方向；第三步，把K个用户总共分成G组；第四步，计算每组的波束合成权矢量w_g；第五步，并行进行G个支路的波束合成；第六步，分别对G个输出信号进行多用户检测。本发明的优势在于，在多用户CDMA系统中，采用基于方向信息的分组波束合成，一方面克服相邻用户空间非正交性问题，使波束合成具有稳健性，另一方面，通过波束合成抑制部分干扰信号，从而提高后续多用户检测性能。

Description

多用户CDMA系统上行链路中的一种分组波束合成方法

技术领域

本发明涉及CDMA无线通信领域，具体涉及多用户CDMA无线通信系统上行链路中波束合成的方法。

技术背景

在CDMA无线通信系统中，对于上行链路，传统基站接收机采用单个天线，同一小区内的多个用户采用相同的频带。不同用户，分别使用一个伪随机码进行扩频调制，从而通过伪随机码的正交性进行多用户的检测接收。但在多个用户条件下，上行接收信号的信干噪比(SINR)可能很小，不同的伪随机码并不能完全正交，这就导致了存在多址干扰和“远近效应”，从而大大降低了CDMA接收机多用户检测性能。但另一方面，考虑到不同用户具有不同的空间位置，其上行信号对于基站具有不同的波达方向(DOA)，即用户在空间上具有正交性。这种空分多址(SDMA)可以通过波束合成技术实现。此时，基站接收机采用阵列天线，通过波束合成技术，使天线主瓣对准期望信号，零陷对准干扰。传统波束合成中，每个用户生成一个权矢量进行加权求和，但当多个用户空间位置比较接近时，这种空间正交性也不能保证，导致波束合成缺乏稳健性。综合考虑，可以把波束合成技术用于CDMA系统，同时利用码域和空域的正交性，完成多用户CDMA系统的上行接收。

发明内容

本发明专利的目的是设计多用户CDMA系统上行链路波束合成方法，该方法可以同时克服相邻的多个用户空间非正交性和整个小区多用户伪随机码非正交性问题。

多用户CDMA系统上行链路中的一种分组波束合成方法，其实现步骤为：第一步，在具有K个移动用户的一个小区中，小区基站接收机采用M个阵元构成的均匀线阵天线，并对接收信号x(t)进行N次采样，得到N个快拍x(1)，...，x(N)，从而构成数据矩阵X＝[x(1)...x(N)]，按照公式

估计得到阵列协方差矩阵R；第二步，小区基站接收机利用协方差矩阵R对K个移动用户发射信号进行波达方向估计，得到K个移动用户角度信息，即θ_i，其中i＝1，...，K；第三步，小区基站接收机根据K个角度信息，把位于同一方向图半功率主瓣宽度内的多个用户分为一组，K个移动用户总共分成G组，每组用户数分别为L_g，g＝1，…，G，并且L₁+L₂+...+L_G＝K；第四步，小区基站接收机分别计算每组的波束合成权矢量w_g，g＝1，…，G；第五步，小区基站接收机利用G个权矢量w_g，并行进行G个支路的波束合成，得到G个输出信号其中g＝1，…，G；第六步，小区基站接收机分别对G个输出信号y_g(t)进行多用户检测。

所述分组波束合成方法中第三步，用户分组方法具体实现步骤为：第一步，把K个角度按大小排序，180°＞θ_K＞...＞θ₁＞0°；第二步，计算阵列天线方向图半功率主瓣宽度

其中均匀线阵阵元数为M，相邻阵元间距为d，载波波长为λ；第三步，把角度位于[θ₁ θ₁+Δθ)区间的用户分为第1组，总共包含L₁个用户，如果L₁＝K，则分组完成，否则执行第四步；第四步，把角度位于[θ_A+1 θ_A+1+Δθ)区间的用户分为第g+1组，总共包含L_g+1个用户，其中，A＝L₁+...+L_g，g＝1，2，...；第五步，重复执行第四步，直到把所有K个用户分组完成，此时一共分为G个组，每组用户数分别为L_g，g＝1，2，...，G，并且L₁+L₂+...+L_G＝K。

所述分组波束合成中第四步，每个组波束合成权矢量求解方法具体现步骤为：第一步，计算每个组的平均角度值，第g组的平均角度值计算公式为

其中θ_i表示位于第g组的L_g个角度，g＝1，...，G；第二步，计算每个组的平均角度对应的方向矢量，第g组对应的方向矢量计算公式为

其中均匀线阵阵元数为M，相邻阵元间距为d，载波波长为λ，g＝1，...，G；第三步，计算每个组对应的波束合成权矢量，第g组的权矢量计算公式为

其中R是阵列协方差矩阵，g＝1，...，G。

本发明专利的有益效果是在多用户CDMA系统上行链路中，基站接收机可以一方面通过分组方法，使波束合成具有稳健性，另一方面也通过波束合成抑制部分干扰信号，提高CDMA系统多用户检测性能。本发明可以应用于3G移动通信系统，也可以用于其他采用CDMA方式的无线多用户通信系统。

附图说明

图1是接收阵列与各用户的空间位置分布图；

图2是系统结构图；

图3是第一组用户的方向图；

图4是第二组用户的方向图。

具体实施方式

在CDMA无线通信系上行链路中统中，基站采用M＝8个阵元的均匀线阵，阵元间距为载波波长一半，即

小区内的K＝5个用户，其入射到基站的信号矢量可以表示为s_i，其中i＝1，...，K，到达基站的DOA值θ_i分别为59°，60°，62°，120°，122°，所有信号都是窄带远场不相关信号。图1是接收阵列以及各用户的空间位置分布图，图中·代表用户位置。

基站接收机根据波达方向进行用户分组，同组用户采用相同权矢量进行波束合成，使得该组波束合成输出保留组内用户，抑制组外用户。每个组的波束合成输出信号，再进行多用户检测。图2为分组波束合成和多用户检测过程。阵列接收信号矢量为

其中n(t)是阵列高斯热噪声矢量。对阵列接收信号x(t)进行N次采样，得到N个快拍x(1)，...，x(N)，从而构成数据矩阵X＝[x(1)...x(N)]，按照公式估计得到阵列协方差矩阵R。采用超分辨MUSIC算法进行DOA估计，可以估计出K＝5个角度信息，即θ_i，其中i＝1，...，K。MUSIC算法是本领域公知技术，具体步骤为：第一步，用序列假设(SH)算法，或者赤池信息论准则(AIC)方法，或者最小描述长度(MDL)方法，估计出用户信号个数K；第二步，对协方差矩阵R进行特征分解，取其K个较大特征值对应特征矢量e₁，...，e_K，并把这K个特征矢量构成一个矩阵F＝[e₁ ...e_K]；第三步，定义变量θ，θ取值范围为0°～180°，计算空间谱函数

该函数必然有K个谱峰，即局部最大值，而这K个谱峰对应的θ，就是θ₁，...，θ_K，a(θ)表示θ对应的方向矢量。

对估计出的K＝5个角度进行排序，则θ₁＝59°，θ₂＝60°，θ₃＝62°，θ₄＝120°，θ₅＝122°，同时计算半功率主瓣宽度

根据分组方法，在区间[59°，59°+12.8°)内的3个信号分为第1组{θ₁，θ₂，θ₃}，L₁＝3；在区间[120°，120°+12.8°)内的2个信号分为第2组{θ₄，θ₅}，L₂＝2。

分组完成后，求解每组对应权矢量。首先，计算出每组用户角度信息的平均值：第1组，平均角度

第2组，

通过公式

计算平均角度值对应的方向矢量，其中g＝1，2。进而根据MVDR波束合成器原理得到第g组对应的权矢量

利用这G＝2个权矢量，对接收信号用2个支路分别进行加权求和，得到2个输出

其中g＝1，2。此时，y_g(t)只包含于第g组内L_g个用户的入射信号，而把组外其他组内用户信号都利用零陷抑制了。图3为第1组用户的方向图，图4为第2组用户的方向图。每组输出信号再进行相应的多用户检测。

本发明为一种新的基于分组的波束合成的方法，该方法同时利用信号空域和码域正交性，实现多址接入，一方面克服了相邻用户的空间非正交性，使波束合成具有稳健性，另一方面通过波束合成抑制组外干扰用户，提高多用户检测性能。本发明可以应用于3G移动通信系统及其他采用CDMA方式的无线多用户通信系统。

Claims (3)

1.多用户CDMA系统上行链路中的一种分组波束合成方法，其特征在于：

第一步，在具有K个移动用户的一个小区中，小区基站接收机采用M个阵元构成的均匀线阵天线，并对接收信号x(t)进行N次采样，得到N个快拍x(1)，...，x(N)，从而构成数据矩阵X＝[x(1)... x(N)]，按照公式

估计得到阵列协方差矩阵R；

第二步，小区基站接收机利用协方差矩阵R对K个移动用户发射信号进行波达方向估计，得到K个移动用户角度信息，即θ_i，其中i＝1，...，K；

第三步，小区基站接收机根据K个角度信息，把位于同一方向图半功率主瓣宽度内的多个用户分为一组，K个移动用户总共分成G组，每组用户数分别为L_g，g＝1，…，G，并且L₁+L₂+...+L_G＝K；

第四步，小区基站接收机分别计算每组的波束合成权矢量w_g，g＝1，…，G；

第五步，小区基站接收机利用G个权矢量w_g，并行进行G个支路的波束合成，得到G个输出信号其中g＝1，…，G；

第六步，小区基站接收机分别对G个输出信号y_g(t)进行多用户检测。

2.根据权利要求1所述多用户CDMA系统上行链路中的一种分组波束合成方法，其特征在于所述第三步实现步骤为：

第一步，把K个角度按大小排序，180°＞θ_K＞...＞θ₁＞0°；

第二步，计算阵列天线方向图半功率主瓣宽度其中均匀线阵阵元数为M，相邻阵元间距为d，载波波长为λ；

第三步，把角度位于[θ₁ θ₁+Δθ)区间的用户分为第1组，总共包含L₁个用户，如果L₁＝K，则分组完成，否则执行第四步；

第四步，把角度位于[θ_A+1 θ_A+1+Δθ)区间的用户分为第g+1组，总共包含L_g+1个用户，其中，A＝L₁+...+L_g，g＝1，2，...；

第五步，重复执行第四步，直到把所有K个用户分组完成，此时一共分为G个组，每组用户数分别为L_g，g＝1，2，...，G，并且L₁+L₂+...+L_G＝K。

3.根据权利要求1所述多用户CDMA系统上行链路中的一种分组波束合成方法，其特征在于所述第四步实现步骤为：

第一步，计算每个组的平均角度值，第g组的平均角度值计算公式为其中θ_i表示位于第g组的L_g个角度，g＝1，...，G；

第二步，计算每个组的平均角度对应的方向矢量，第g组对应的方向矢量计算公式为其中均匀线阵阵元数为M，相邻阵元间距为d，载波波长为λ，g＝1，...，G；

第三步，计算每个组对应的波束合成权矢量，第g组的权矢量计算公式为

其中R是阵列协方差矩阵，g＝1，...，G。

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