CN102857291B - 一种基于均匀天线阵的提高无线传输接收信号增益方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于均匀天线阵的提高无线传输接收信号增益方法，针对无线传输中接收天线为均匀天线阵的情况，利用接收分集的方式接收信号，从而提高接收信号质量。当发射端与接收端距离较远且接收天线间距较小时，各天线信号之间存在较强的相关性，本发明利用这一特点，先对接收端各路天线信号分别进行相位补偿，利用前导码相关性来确定对接收端天线信号的相位进行修正的附加权值，有效地消除接收端各天线信号的相位偏差问题，最后合并各路信号，可以有效提高接收信号增益，从而解决无线传输中接收信号质量过差、上行链路覆盖范围小的问题。本发明屏蔽了发射端信号发射的细节，能在两帧的时间内提供有效的相位补偿，并且不需要转换到频域，可直接在时域上进行，从而降低了计算复杂度，且具有普适性、强实用性的特点。

Description

一种基于均匀天线阵的提高无线传输接收信号增益方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于均匀天线阵的提高无线传输接收信号增益方法。

背景技术

目前随着无线通信技术发展迅速，人们也对无线通信系统提出了更高的要求，如更强的网络覆盖能力、更好的服务质量等，同时，无线通信系统也面临着有限的频谱资源和恶劣的传输环境的挑战，因此，无线通信系统迫切需要采用更加先进的技术更好地利用受限的功率提高频谱利用率，增强网络覆盖能力和改进用户通信质量。

在通信条件恶化，环境、地形等不利于通信时，可以利用智能天线技术将多部接收机组成一天线均匀阵列，采用接收分集技术获取更高的天线增益，但均匀天线阵中各天线的接收信号间有着极强的相互关联性，且存在不同的相位偏差，从而大大影响了天线接收增益，这样的情形使得相位补偿技术和接收分集技术得到了极大的关注。

相位补偿技术能有效地消除各天线信号的相位偏差问题，提高天线接收增益，但常见的相位补偿技术大多是将信号先转换到频域，进行频域均衡，再对多路信号进行最大比合并，这样计算数据量庞大、复杂度高；另一方面，常见的相位补偿方法需要接收一定长度的数据后才可进行，有时延性，不能及时进行相位补偿。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可以快速有效的消除各天线信号相位偏差问题的基于均匀天线阵的提高无线传输接收信号增益方法，实现了普适性的相位补偿，得到逼近于理想值的接收信号增益，并屏蔽了发射端信号发射的细节，降低了计算复杂度。

技术方案：本发明所述的基于均匀天线阵的提高无线传输接收信号增益方法，先分别对各路天线信号进行相位补偿，然后合并各路信号以消除各天线信号相位偏差，从而得到天线分集接收后的最大增益，具体包括如下步骤：

(1)对接收的信号先进行采样得到采样序列r(n)，再对r(n)做时间同步，检测到接收信号中前导码序列帧头的位置n_t；

(2)根据步骤(1)，得到前导码序列，利用前导码信号相关性求出对天线信号的相位进行修正的附加权值，得到第i路信号的相位偏差；

(3)根据步骤(2)求出的相位偏差分别对各路天线信号进行相位补偿，即

其中，y'_i(n)为相位补偿之后的信号，y_i(n)为相位补偿之前的信号，为补偿的相位，n为信号中数据点的序号；

(4)根据步骤(3)，合并相位补偿后的各路天线信号，即可得到提高信号增益后的接收信号。

上述步骤(1)具体包括如下步骤：

(11)对接收信号进行采样，选择自相关窗口长度D，计算接收信号的采样序列r(n)与其相隔D个样本后的信号的自相关C_n、接收到的信号的能量P_n及判决量M_n，即

$C_n=\underset{k=0}{\overset{D-1}{\mathrm{\Σ}}}r(n+k)\·r^{*}\left(n\right),P_n=\underset{k=0}{\overset{D-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r(n+k)\right|}^2,M_n=\frac{{\left|C_n\right|}^2}{{\left(P_n\right)}^2};$

其中r^*(n)为r(n)的共轭，k和n分别表示信号中数据点的序号；

(12)根据步骤(11)计算判决量差值Z_n和判决量差值和S_n，即

$Z_n=M_n-M_{n-1},S_n=\underset{i=0}{\overset{9}{\mathrm{\Σ}}}{Z}_{n-i};$

(13)根据步骤(12)，检测到接收信号中前导码序列帧头的位置n_t，max表示取S_n序列集合中的最大值，即

$n_t=\arg \left\{\underset{n}{\max }{S}_n\right\};$

其中，n为信号中数据的序号。

步骤(2)中相位偏差的具体计算方法为，从n_t开始的n_α个采样点即为前导码序列，利用前导码信号相关性求出对天线信号的相位进行修正的附加权值，第i路信号的相位偏差为：

其中，n_t即为检测到的前导码序列中帧头的位置，n_α的值由所处的通信网络决定，x(n)是本地前导码序列，y_i(n)是第i路天线信号，x^*(n)表示x(n)的共轭。

有益效果：本发明的方法是在时域进行的，分别对接收的各路时域信号进行相位补偿，在两帧的时间内即可完成，其操作简便，计算复杂度小，而且延时也小，具体体现在以下四方面：

1、针对均匀阵，采用接收分集方式，屏蔽了发射端信号发射的细节，简化了相位补偿的步骤，降低了计算量，减小了复杂度；

2、由于采用前导码进行相位偏差计算，在信号到达2帧后即可进行相位补偿，相对于常见的相位补偿方法，本发明降低了时延性，提高了补偿精度，从而获得了逼近理想值的接收增益；

3、本发明在时域上即可对天线各信号进行相位补偿，不需要转换到频域上进行计算，大大降低了计算复杂度；

4、本发明得到的接收信号对后续的信号操作没有任何影响，对各路天线信号进行相位补偿并合并后，得到的信号仍可作为一路天线信号与进行相同处理后的天线信号进行最大比合并。

附图说明

图1为等间距天线阵列的模型。

图2为本发明基于均匀天线阵的提高无线传输接收信号增益方法流程图。

图3为本发明基于均匀天线阵的接收信号增益仿真图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：如图1，r₁(t)、r₂(t)、r₃(t)表示3根接收天线上的信号，接收天线数目可以为多根，图中表示接收信号与天线之间的夹角，d表示天线之间的间距，图中所示为等天线间距的情况。

如图2，本发明针对均匀天线阵进行的提高无线传输接收信号增益方法，先分别对各路天线信号进行相位补偿，然后合并各路信号，可以快速有效的消除各天线信号相位偏差问题，从而得到天线分集接收后的最大增益，包括如下步骤：

第一步，接收的采样序列，是由192个元素为0的序列，加上长度分别为160个采样点的短训练序列和长训练序列，以及1024个数据点通过信道，叠加噪声组成的。对接收信号进行采样，限定窗口长度为D＝16，即为短训练序列一个周期的长度，计算接收信号的采样序列r(n)与其相隔D个样本后的信号的自相关C_n、接收到的信号的能量P_n及判决量M_n，即

$C_n=\underset{k=0}{\overset{D-1}{\mathrm{\Σ}}}r(n+k)\·r^{*}\left(n\right),P_n=\underset{k=0}{\overset{D-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r(n+k)\right|}^2,M_n=\frac{{\left|C_n\right|}^2}{{\left(P_n\right)}^2};$

其中r^*(n)为r(n)的共轭，k和n均表示点的序号；

第二步，根据第一步，计算判决量差值Z_n和判决量差值和S_n，即

$Z_n=M_n-M_{n-1},S_n=\underset{i=0}{\overset{9}{\mathrm{\Σ}}}{Z}_{n-i};$

第三步，根据第二步，可以检测到接收信号中前导码序列帧头的位置n_t，即

$n_t=\arg \left\{\underset{n}{\max }{S}_n\right\};$

其中，n为点的序号。

第四步，根据第三步，从n_t开始的n_α个采样点即为前导码序列，利用前导码信号相关性求出对天线信号的相位进行修正的附加权值，第i路信号的相位偏差为：

其中，n_α的值由所处的通信网络决定，x(n)是本地前导码序列，y_i(n)是第i路天线信号；

第五步，根据第四步求出的相位偏差对各路天线信号进行相位补偿，即

其中，y'_i(n)为相位补偿之后的信号，y_i(n)为相位补偿之前的信号，为补偿的相位，n为信号中数据点的序号；

第六步，根据第五步，合并相位补偿后的各路天线信号，即可得到提高信号增益后的接收信号。

如图3，是得到的合并前后SNR增益情况。仿真时针对1根发送天线，2根接收天线，在MCS(调制编码方式)为7，接收信噪比的范围从6到20，以0.2为步长递增。图中蓝色实线是合并之前的SNR，红色实线是2天线合并之后的SNR。从图中可以看出，2路接收信号经过相位校正合并，接收信噪比有大约3db的增益。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (2)

1.一种基于均匀天线阵的提高无线传输接收信号增益方法，其特征在于：先分别对各路天线信号进行相位补偿，然后合并各路信号以消除各天线信号相位偏差，从而得到天线分集接收后的最大增益，具体包括如下步骤：

(1)对接收的信号先进行采样得到采样序列r(n)，再对r(n)做时间同步，检测到接收信号中前导码序列帧头的位置n_t；

(2)根据步骤(1)，得到前导码序列，利用前导码信号相关性求出对天线信号的相位进行修正的附加权值，得到第i路信号的相位偏差；

(3)根据步骤(2)求出的相位偏差分别对各路天线信号进行相位补偿，即

其中，y_i(n)为接收到的有相位偏差的信号，y'_i(n)为进行相位补偿之后的信号，为补偿的相位，n为接收信号中数据点的序号，表示接收信号与天线之间的夹角；

(4)根据步骤(3)，合并相位补偿后的各路天线信号，即可得到提高信号增益后的接收信号；

步骤(1)具体包括如下步骤：

(11)对接收信号进行采样，选择自相关窗口长度D，计算接收信号的采样序列r(n)与其相隔D个样本后的信号的自相关C_n、接收到的信号的能量P_n及判决量M_n，即

$C_n=\underset{k=0}{\overset{D-1}{\mathrm{\Σ}}}r(n+k)\·r^{*}\left(n\right),P_n=\underset{k=0}{\overset{D-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r(n+k)\right|}^2,M_n=\frac{{\left|C_n\right|}^2}{{\left(P_n\right)}^2};$

其中，r^*(n)为r(n)的共轭，k和n均为信号中数据点的序号；

(12)根据步骤(11)计算判决量差值Z_n和判决量差值和S_n，即

$Z_n=M_n-M_{n-1},S_n=\underset{i=0}{\overset{9}{\mathrm{\Σ}}}{Z}_{n-i};$

(13)根据步骤(12)，检测到接收信号中前导码序列帧头的位置n_t，max表示取S_n序列集合中的最大值，即

$n_t=\arg \left\{\underset{n}{\max }{S}_n\right\};$

其中，n为信号中数据点的序号。

2.根据权利要求1所述的基于均匀天线阵的提高无线传输接收信号增益方法，其特征在于：步骤(2)中相位偏差的具体计算方法为，从n_t开始的n_α个采样点即为前导码序列，利用前导码信号相关性求出对天线信号的相位进行修正的附加权值，第i路信号的相位偏差为：

其中，n_t即为检测到的前导码序列中帧头的位置，n_α的值由所处的通信网络决定，x(n)是本地前导码序列，y_i(n)是第i路天线信号，x^*(n)表示x(n)的共轭。