CN1124548A - 天线阵收发器的算法 - Google Patents

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Abstract

公开了用于改进蜂窝通信系统的频谱效率和容量的收发器。收发器采用天线阵，在包括多个移动站的蜂窝通信系统中进行通信。而且，收发器包括和天线阵相连接的空间滤波器，其中空间滤波器的输出端和天线数相同，且输入端数和空间信道数相同。然后，分离器将要发送给每个移动站的数据分离成一些并行数据流，并行数据流和系统中空间信道数相同，其中，数据流根据上行链路测量值被延迟。最后，提供了功率分配器，用于根据在上行链路的长期测量将发送功率分配给每个有效信道。

Description

天线阵收发器的算法
发明的领域
本发明涉及具有可调天线阵的蜂窝通信系统，更具体地说是涉及为了改进蜂窝通信系统频谱的效率和容量所建立的发射器和接收器。
本发明的背景
蜂窝工业在美国及世界的其它各地的商业运作中取得了显著的进步。主要大城市的蜂窝用户的数量已大大超过了预期值并将要超出系统的容量。如果这种趋势继续下去，既使在最小市场也会引起快速增长的结果，为了适当增容的需要，必须采取革新措施，与此同时，又要保证高质量的服务及避免提高价格。而且，随着蜂窝用户数量的增加，同信道的干扰问题显得更为突出。
当今的数字蜂窝系统使用可根据时间和频率正交的原则将从各移动站中来的信号分离开的基站。从移动站发送到基站的信号可被单个有时是两个天线接收。接收器根据时间与频率正交的原则处理信号，将从不同的用户来的信号彼此分开。这样就有可能均衡和检测信号。一方面诸如跳频和预编码技术为减少同信道的干扰提供了方法，另一方面，它们却又内在地被有效频谱所局限。然而，自适应天线阵的定向灵感度为减少同信道干扰提供了新方法。一个自适应的天线阵包含一组空间分布式的天线。从几个发射器上送出的信号从不同的方向汇集到天线上，通过适当地复合天线的输出，既使它们占有相同的频段，也有可能从接收到的相重叠的信号中分离出各自独立的信号。因此，可使用较窄的自适应天线的波瓣，将空间上相互独立的用户区分出来。这可以被看作在空间上使用正交的一种方法。
使用天线阵意味着接收器中检测器的结构必须被调整的。瞬间及空间信号的干扰表明有计划地使用来自不同方向的功率的可能性。由于瞬间信号的干扰，空间上相互分离的信号不能就被简单地相加起来。因此对于各种不同的传播通路需要一个联合检测。对于所有共用一个信道的移动站的联合检测，已经建议使用“联合最大似然顺序分析仪”(MLSE)。联合MLSE方法可作为信道的识别设备安装在一个多输入的维特比检测器之后，此检测器的输出是移动站的检测数据。但是，联合MLSE设备是相当复杂的。其复杂程度随着天线阵中元数量的增加和需要联合检测的移动站的数量的增加增长得很快。
另一种接收器的结构公开在“一个移动无线系统的自适应阵”中。由S.Andersson等编辑的IEEE Trans.Veh.Tech.上，第40卷第1册pp230～236页(1991年2月)，其中通过多种方法实现了空间滤波器的优化，并且其性能也由信噪比来评估，然而，这篇文章既不涉及传输也不能解决内部信号的干扰问题。
还有一种接收器的结构公开在“有同信道干扰的数字移动无线系统中的优化组合”中。由J.H.Winters编辑的IEEE Trans.Veh.Tech.上，pp.145～155页(1984年8月)。其中的空间滤波器按检测到的数据和最低均方算法排序，Winters建议接收滤波器的加权值也可用于传输。然而，这篇文章假设了平坦的衰减，即没有内部信号的干扰，因此可用随后有一个量化器的空间滤波器检测数据。
另一种建议的接收器使用了“空间多路信号分解器”，使用了空间滤波器计算相对的延时和相干滤波束的组合。然而，这种接收器方法不能处理来自一个方向的瞬间多通路。因此，这种设备对于诸如GSM系统是不可行的。GSM系统中，每个空间无线信道一般产生多达2至3个内部符号的干扰。
发明的摘要
本发明的目的是提供建立一个发射器及接收器，它包含使用天线阵克服上述惯用系统中检测器的复杂性和内部符号干扰问题的检测器的结构。
本发明的一个实施例公开了一个用于有许多移动站的蜂窝通信系统的带有天线阵的接收器。空间滤波器为天线阵中的每个天线元都有一个输入端，为每个空间信道有一个输出端，其中的输出信道为每个移动站分成一组。本发明还包含一个训练序列检测器。它可以在训练序列还末知的情况下，对从移动站接收信号中的训练序列进行检测。自适应装置接着调整空间滤波器以便增强一个想要的空间信道，同时根据要么已知要么检测的训练序列抑制其它空间信道。“训练序列”这个术语是用来标注所需的信号的任何一部分，前提是可唯一地从干扰信号中独立区分出来所需要的信号。训练序列可被或者直接用于自适应，或者象将它用于MLSE检测那样间接应用。间接的方法意味着将信息从信道估测和检测反馈给自适应算法。信道估测装置用来根据训练序列和被调整的空间滤波器的输出计算每个所需要的信道的脉冲响应。监测装置就可判定移动站是否在间空上被以最小预定值开分离开。最后，每个移动站的MLSE检测器装置根据预测的脉冲响应，检测接收信号中来自每个移动站的一个数据信号。
本发明的另一个实施例公开了一个带有天线阵的发射器，此天线阵是用于具有大量移动用户的蜂窝通信系统中。另外，此发射器包括有一个与天线阵相连的空间滤波器，其中空间滤波器的输出端与天线阵的元一样多，其输入端与空间信道一样多。分离装置将要传送给每个移动站的数据分离成若干并行的数据流，并行数据流的数量与系统中空间信道的数量有关，其中数据流根据上行链路的测量值被延时，最后，功率分配装置根据在上行链路上的长期的SNR测量，为每一信道分配传输功率。
根据本发明的另一个实施例，上述的发射器和接收器可被组合成一个收发器。
附图的简述
本发明的特征及益处可通过结合附图阅读以下描述而显然易见，其中：
图1表示为包括网眼、移动交换中心、基站和移动站的蜂窝移动通信系统的一部分。
图2表示根据本发明的一个实施例的一个信道的接收器的结构框图。
图3为根据本发明的一个实施例的发射器结构的框图。
图4为根据本发明的一个实施例收发器的框图。
图5(a)-(b)表示了单个移动站的分立及联合检测器。
发明的详细描述
本发明主要用于数字蜂窝系统的基站中，例如GSM，ADC和PDC的基站中，尽管熟知本技术领域的人会认为本发明同样可以用于其它各种通信应用中。
图1为包括10个网眼C1-C10的蜂窝移动通信系统。通常，一个蜂窝移动通信系统具有远大于10个的网眼。尽管如此，为了简便起见，本发明可用图1中说明的简化符号来说明。对于每个网眼，C1-C10，都有一个与之对应的号码的相同的基站B1-B10。图1表示了位于网眼中心附近的带有全方向天线的基站。根据本发明的一个实施例，至少有一个基站带有天线阵。
图1也说明了9个在网眼中移动的移动站M1-M9，并且这些移动站从一个网眼向另一个网眼移动。在一个典型的蜂窝天线系统中，肯定会有大于9个的移动站。实际上移动站的数目是基站的几倍。然而，为了对本发明进行说明，移动站减少到已经足够的数目。
图1还说明了移动交换中心MSC。图1中说明的移动交换中心MSC通过电缆与所有10个基站B1-B10相连，移动交换中心MSC也通过电缆和一个固定的电话交换网或类似的固定网络相连。所有移动交换中心MSC到基站B1-B10的电缆和到固定网络的电缆没有在图中标明。
除了所说明的移动交换中心MSC之外，还可以有另一个移动交换中心通过电缆与除图1所说明之外的基站相连。除去电缆外，其它方式，例如固定的天线链路可用来将基站部与移动交换中心相连。移动交换中心MSC，基站和移动站都是由计算机控制的。
在移动站和基站之间传输的信号的形式为若干物理上大致为平面的波，平面波由不同的方向到达基站的天线阵，载有不可忽视的信号功率的每个平面波定义了一个移动站和基站之间的空间信道。图2说明了根据本发明的一个实施例的基站中的一个接收器10的框图，它可以位于基站上。接收器10带有一组空间分布式天线12，天线阵12从蜂窝通信系统中正在工作的移动站那里接收大量的无线信号。到达阵元的无线信号被以某种已知的方法瞬间地滤波，放大及调制到基带上，以保持信号的空间特征。信号可以被根据某种模拟波形成作予处理。例如，Butler距阵。信号可被空间滤波器14接收。空间滤波器可作为基带上的算术单元装在数字信号处理器中，或ASIC中，及任何与数字，抽样信号打交道的算术单元中。空间滤波器也可以使用移相器和变量放大设备在无线频率或在较高的中频实现，如“阵技术”中所描述R.Tang，编辑的IEEE，Vol.80，第1册，1992年2月。另一种可能性是使用Butler矩阵形成若干固定波瓣，其中自适应网络则可根据优化至最高质量的准则将最好的波瓣识别出来。
给一个自适应装置18提供一个已知的训练序列。自适应设备18调整空间滤波器14以增强所需的空间信道，同时抑制其它的空间信道。自适应装置18可以通过各种不同的方式调整空间滤波器，如和分类及加权相组合的到达估测的方向；和误差信号的最小均方分析组合的达到估测的方向，和梯度优化的方法相结合的到达估测的方向。另外，自适应装置18可通过任何已知的优化方法来优化空间滤波器，例如，最小平方，最小均方，或算术梯度优化法，其中训练序列是用作所需的信号。《一个移动天线系统的自适应阵》中说明了一个这样的方法，此文由Soren Anders Son等编辑在IEEE学报第40卷第1号pp.230～240页(1991年2月)，这里仅作参考。
自适应装置可根据从MLSE检测器来的功率估测或质量测量值，从预定的一组滤波器中挑出一个或若干滤波器，给出大功率的滤波器将被选出并用滤出一个信号，信号将作为MLSE检波器信号的输入并且自适应逻辑多MLSE输出的质量，判断这个滤波器是否符合要求。
信道分析装置20可以根据训练序列和可调整空间滤波器的输出，为每条所需要的信道计算脉冲响应信号。信道估测装置20可使用几种不同的方法用训练序列和空间滤波器的输出来计算信道的估测脉冲响应信号，例如，最小平方法，最小均方法，梯度标识法。例如，下述算法可用来计算估测的脉冲响应，其中空间滤波器的输出表示为y(k)，并且训练序列表示为d(k)。信道滤波器表示为H(q-1)，其中q-1是后向移位操作器。q-1y(k)＝y(k－1)，是确定的，因此平方差[y(k)－H(q-1)d(k)]2为最小，也就是说，计算式为： arg min H Σ i = 1 N [ y ( i ) - H ( q - 1 ) d ( i ) ] 2
N为训练序列的长度。
接收器10可包含一个监测设备22，监测设备22可通过空间滤波器判定移动站之间是否被至少以预定的值分离开。监测设备22可计算用于从移动站中过滤信号的空间滤波器的内部乘积。第一个移动站的滤波器表示为W1，第二个移动站的滤波器表示为W2，W1和W2之间的内部乘积可作为隔离的测量。小乘积表示为移动站之间几乎无干扰，而乘积大则表示为两个移动站之间非常接近。如果可判定移动站之间并未被以最小预定值隔离开，其中的一个移动站将被转至另一个信道。
MLSE检测器24可用估测脉冲响应及被调整的空间混波器的输出信号来检测接收到的每个移动站的数据信号。MLSE检测器可用于检测经线性滤波器传输并被噪音干扰的数据信号。例如，MLSE检测器可能是判定反馈均衡器或是带有门限检波器的线性均衡器。通过本发明的一个实施例，MLSE检测器可用维特比检测器或空间分隔的维特比检测器来实现。在本发明的一个实施例中，维特比检测器是一个多输入单输出的检测器，它为输入由来自空间信道的输出构成的信道采用估测脉冲响应信号。如图5a所示，当移动站被很好地隔离开时，可为每个移动站提供隔离检测器。然而根据本发明的一个实施例，监测装置可对非隔离的移动用户在一个MLSE检测装置中组织联合检测，如图5b所示，由于从移动站MS1和MS2中来的信号不可被线性空间滤波器分隔。
在本发明的另一个实施例中，当预先定义的训练序列为未知或并不唯一时，训练序列发生器可用来确定接收信号中的训练序列。形成可用于调整天线的唯一序列的一种方法是，首先根据上一次脉冲的天线加权来检测数据脉冲串。因不同移动站而不同的整个数据脉冲能被用于更新天线加权。
图3为根据本发明的一个实施例的一个发射器的框图。发射器50包括可将要发射的每个移动站的数据分离成若干并行数据流的数据分离器52，并行数据流的数量与系统中空间信道的数量相符，其中，数据流根据上行链路的测量进行延时，然后，分离数据将被送至在上行链路上使用长期SNR测量来对每个可用的信道分配传输功率的功率分配装置54中。例如，可用长期上行链路测量来确定空间信道的质量比。如果每个空间信道上行链路的质量是相同的，那么每个空间信道为下行链路信号接收相等的功率。然而，如果某个空间信道有质量更好的上行链路，那么，那个空间信道可为下行链路信号分配更多的功率。功率分配也取决于整体质量，如果，例如，C/I已是足够小了，就没有必要在多空间信道中发射。
经功率分配的信号然后将被送至空间滤波器56中。空间滤波器56带有与天线阵元同样多的输出端，并有与空间信道同样多的输入端。经处理的信号就将通过天线阵58，发射到系统中的移动用户。空间发射滤波器的加权可根据上行链路的测量值来计算。例如，如果使用了不同的上行和下行链路信道，就可以在短期衰落中平均空间接收滤波器。根据频率的差别对滤波器的加权与以补偿然后可使用平均和补偿后的滤波器来进行发射。
根据本发明的另一个实施例，接收器和发射器可被结合为如图4中所示的收发器。因各部件按照图中的数字编号与图2和图3中相同数字编号的部件完全相同，收发器每个部件功能的描述可参照上述接收器和发射器部件的描述。
在不偏离本发明的精神或实质特征的情况下，熟知本技术领域的人将理解，本发明可以其它形式实施。因此，以上公开的实施例从任一方面都是说明性的，而非限制性的。本发明的范围在后面所附的权利要求中给出，而非以上描述，因设备的不同而发生的变化及其相应范围也都包含在其中了。

Claims (52)

1.在包括大量移动用户的蜂窝通信系统中，使用天线阵的接收器包含：
接收信号的装置；
为每个天线元有一个输入且为每个空间信道有一个输出空间滤波器装置；
为了增强所需的空间信道而同时抑制其它空间信道的，用于调整空间滤波器的自适应装置；
根据训练序列和所述空间滤波器的输出，为每个所需信道计算估测脉冲响应的信道估测装置；
根据估测脉冲响应和空间滤波器的输出，为每个移动站检测所述接收信号中从每个移动站广播来的数据信号的MLSE检测器装置。
2.根据权利要求1的接收器，进一步包括：
当所述训练序列为未知的情况下，在所述接收信号中确定训练序列的装置。
3.根据权利要求1的接收器，进一步包括：
用于判定移动站在空间上是否已经被以最小预定值隔离开的监测装置。
4.根据权利要求3的接收器，其中所述监测装置使用所述空间滤波器和所述估测脉冲响应，以判定移动站在空间上是否已被最小预定值隔开。
5.根据权利要求3的接收器.其中所述监测装置用MLSE检测器输出的信息，判定移动站在空间上是否已被以最小预定值隔离开。
6.根据权利要求1的接收器，其中自适应装置调整空间滤波器。
7.根据权利要求6的接收器，其中自适应装置通过使用结合了分类加权的到达方向的估测来调整空间滤波器。
8.根据权利要求6的接收器，其中自适应装置通过使用结合了误差信号的最小平方的到达方向估测，来调整空间滤波器。
9.根据权利要求6的接收器，其中自适应装置通过使用结合了梯度优化法的到达方向估测，来调整空间滤波器。
10.根据权利要求6的接收器，其中自适应装置通过使用优化法和训练序列作为所需信号，来优化空间滤波器。
11.根据权利要求1的接收器，其中自适应装置从预定的一组滤波器挑出若干个滤波器。
12.根据权利要求11的接收器，其中自适应装置根据功率估测和MLSE检测的质量测量，从预定的一组滤波器中挑出若干个滤波器。
13.根据权利要求1的接收器，其中估测装置根据训练序列和空间滤波器的输出计算信道的估测脉冲响应信号。
14.根据权利要求13的接收器，其中估测装置根据估测装置和空间滤波器的输出，使用最小平方法计算信道估测脉冲响应信号。
15.根据权利要求13的接收器，其中估测装置使用训练序列和空间滤波器的输出，用最小均方法计算信道的估测脉冲响应信号。
16.根据权利要求13的接收器，其中估测装置使用训练序列和空间滤波器的输出，用梯度识别法计算信道的估测脉冲响应信号。
17.根据权利要求3的接收器，其中监测装置将空间上非隔离的移动站转向其它信道。
18.根据权利要求3的接收器，其中监测装置在MLSE检测装置中对非隔离的移动用户进行联合检测。
19.根据权利要求1的接收器，其中空间滤波器可被调整用作增强在某个或几个空间信道上的移动站的信号传播，同时抑制其它入信号。
20.根据权利要求1的接收器，其中MLSE检测装置是作为维特比检测装器来安装的。
21.根据权利要求1的接收器，其中MLSE检测装置是作为判定反馈检测器来安装的。
22.根据权利要求1的接收器，其中MLSE检测装置是作为其后有一个阈值检测器的线性均衡器来安装的。
23.根据权利要求1的接收器，其中MLSE检测装置是作为有至少一个指的瑞克多径接收器来安装的。
24.根据权利要求20的接收器，其中维特比检测器是作为部分地隔开的检测器来安装的。
25.根据权利要求20的接收器，其中维特比检测器是一个多输入、单输出的检测器，检测器使用的是信道估测脉冲响应信号，并且输入为空间滤波器的输出。
26.在包括大量移动站的蜂窝通信系统中，使用天线阵的发射器应包括：
发射信号的装置；
可将要发射给每个移动站的数据分离成若干并行的数据流的装置，所述的并行的数据流的数量与系统中空间信道的数量相对应，其中，数据流根据上行链路的测量值被延时：
根据在上行链路的长期SNR测量值来为每个有效信道分配传输功率的功率分配装置；
输出端的数量与天线阵元的数量相等，输入端的数量与给天线阵提供所述信号的空间信道的数量相等的空间滤波器装置。
27.根据权利要求26的发射器，其中空间滤波器的加权是由上行链路的测量值计算出的。
28.在包括大量移动站的蜂窝通信系统中，使用天线阵的收发器应包含：
发射和接收信号的装置；
有一个输入端对应一个天线元，一个输出端对应一个空间信道的空间滤波器；
调整空间滤波器，以便增强所需空间信道，同时抑制其它空间信道的自适应装置；
根据训练序列和所述空间滤波器的输出，为每个想要的信道计算估测脉冲响应信号的信道估测装置；
每个移动站的MLSE检测器装置，用于根据所述估测脉冲响应信号和所述空间滤波器装置的输出，检测所述接收信号中的来自每个移动站的数据信号广播；
可将要发射给每个移动站的数据分离成若干并行的数据流的装置，所述并行的数据流的数量与系统中空间信道的数量相对应，其中，数据流根据在上行链路上的测量值被延时：
使用在上行链路上的长期SNR测量值，来为每个有效信道分配传输功率的功率分配装置。
29.根据权利要求28的收发器进一步包含：
当训练序列为未知的情况下，用于确定所述接收信号中训练序列的装置。
30.根据权利要求28的收发器进一步包括：
可判定移动站在空间上是否已被以最小预定值隔离开的监测装置。
31.根据权利要求30的收发器，其中所述监测装置使用所述空间滤波器和所述估测脉冲响应判定移动站在空间上是否已被以最小预定值隔离开。
32.根据权利要求30的收发器，其中所述监测装置用来自MLSE检测器的信息判定移动站在空间上是否已被以最小预定值隔离开。
33.根据权利要求28的收发器，其中自适应装置调整空间滤波器。
34.根据权利要求33的收发器，其中自适应装置通过使用结合分类和加权的信号到达方向调整空间滤波器。
35.根据权利要求33的收发器，其中自适应装置通过使用结合误差信号最小均方值的信号到达方向，调整空间滤波器。
36.根据权利要求33的收发器，其中自适应装置通过使用结合梯度优化法到达方向来调整空间滤波器。
37.根据权利要求33的收发器，其中自适应装置使用优化法和训练序列来优化空间滤波器。
38.根据权利要求28的收发器，其中自适应装置从预定的一组滤波器中挑出若干滤波器。
39.根据权利要求38的收发器，其中自适应装置使用功率估测和MLSE检测器输出的质量测量值，从预定的一组滤波器中挑出若干滤波器。
40.根据权利要求28的收发器，其中估测装置使用训练序列和空间滤波器的输出计算信道的估测脉冲响应。
41.根据权利要求40的收发器，其中分析装置使用训练序列和空间滤波器的输出，按最小平方法计算信道的估测脉冲响应信号。
42.根据权利要求40的收发器，其中估测装置依据训练序列和空间滤波器的输出，按最小均方法计算信道的经处理的脉冲响应信号。
43.根据权利要求40的收发器，其中分析装置依据训练序列和空间滤波器的输出，按梯度识别法计算信道的估测脉冲响应信号。
44.根据权利要求30的收发器，其中监测装置将空间上非隔离的移动站转向其它信道。
45.根据权利要求30的收发器，其中监测装置在MLSE检测装置中对非隔离的移动站进行联合检测。
46.根据权利要求28的收发器，其中空间滤波器可被调整用作增强在某个或几个空间信道上的移动站传送的信号，同时抑制其它信号。
47.根据权利要求28的收发器，其中MLSE检测装置是作为维特比检测装置来安装的。
48.根据权利要求28的收发器，其中MLSE检测装置是作为判定反馈检测器来安装的。
49.根据权利要求28的收发器，其中MLSE检测装置是作为其后有阈值检测器的线性均衡器被安装的。
50.根据权利要求47的收发器，其中维特比检测器是作为部分空间分开的检测器来安装的。
51.根据权利要求47的收发器，其中维特比检测器是一个多输入，单输出的检测器，检测器使用的是信道估测脉冲响应信号，并且其输入端为空间滤波器的输出。
52.根据权利要求28的收发器，其中空间发射滤波器的加权量是在快速衰落上的平均上行链路测量值中计算出的。
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