CN1138374C - 无线码分多址通信系统的时空联合多径搜索方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种无线码分多址通信系统的时空联合多径搜索方法及其装置，方法为：将每一路接收信号从一定的起始相位开始与已知导频信号做移位相关计算，得到搜索窗阵列；根据选定的一组N个波束对搜索窗阵列进行波束形成计算；搜索模值大于其它相位，且满足门限要求的M个的相关值，输出对应的相对时延偏移、所在的波束和所在的波束上对应的相关值；根据当前搜索到信息，确定下一组N个波束形成的模式和下一个移位相关计算的起始相位；输出搜索到的M径的信息。

Description

无线码分多址通信系统的时空联合多径搜索方法及其装置

本发明涉及一种无线码分多址通信系统的时空联合多径搜索方法及其装置。

长期以来，无线通信系统始终面临着有限的频谱资源与不断快速增长的用户之间的矛盾。尽管FDMA(频分多址)、TDMA(时分多址)以及CDMA(码分多址)技术在一定程度上提高了系统容量，但这还不能满足日益增长的无线业务量的需求。因此人们开始利用信道的空域特性，如采用分集、扇区化以及最近采用的开关多波束和自适应天线阵等方法。这些方法在不同程度上改善了无线通信系统的通信质量，提高了容量。

在CDMA系统中的多径搜索问题是CDMA系统的一个关键技术，目前对于智能天线技术在CDMA系统中的应用已经有了很多研究。常见的多径搜索采取时域和空域分别进行的方法，在一组固定的波束下先通过时域搜索得到多径分支的时延信息，然后依据这些时延信息提取阵列上的多径信号，比较它们在不同波束上的投影，选择投影值最大的波束作为空域搜索的结果。

现有的多径搜索因为将时域和空域搜索分别进行，没有利用已经得到的空域搜索信息反馈给多波束形成网络，因此没有利用更好的空域滤波结果来进行时域搜索，不能提高时域搜索的性能，并且引入了额外的波束搜索量，增加了实现中的计算开销，从而使实现的系统成本增加。

本发明的目的在于提供一种无线码分多址通信系统的时空联合多径搜索方法及其装置，减少空间波束搜索的计算量，从而降低系统实现的成本。

为了实现上述目的，本发明所提供的一种无线码分多址通信系统的时空联合多径搜索方法，包括下列步骤：1)接收输入的阵列信号；2)将每一路接收信号从一定的起始相位开始与已知导频信号做移位相关计算，得到搜索窗阵列；3)根据选定的一组N个波束，对搜索窗阵列进行波束形成计算，得到每个波束上的搜索窗；4)在所有波束的搜索窗中搜索模值大于其它相位，且满足门限要求的M个的相关值，输出对应的相对时延偏移、所在的波束和所在的波束上对应的相关值，其中，M为多径接收机能处理的多径数目；5)根据当前搜索到M径所在的波束和所在波束上对应的相关值，确定下一组N个波束形成的模式，并将结果反馈至步骤3)；同时，根据当前搜索到M径的相对时延信息，确定下一个移位相关计算的起始相位，输出时延的起始相位，并将结果反馈至步骤2)；6)输出搜索到的M径的信息，包括多径的起始相位、相对时延、所在波束。

在上述的无线码分多址通信系统的时空联合多径搜索方法中，步骤5)中的确定下一组N个波束形成的模式的方法为：根据搜索判断得到的M径所在波束和M径在各自所在波束上的相关值大小，按照波束上对应的该径的相关值的模值最大为主波束的原则，确定该主波束为下一个波束形成模式的中心波束；然后根据该中心波束的位置确定其它N-1个波束的下一个位置为：当中心波束两侧的波束个数相等时，各波束分别以中心波束为中心由原波束位置向中心波束位置以至少一个步长的间隔靠近，直至各波束间没有间隔为止，此时的各波束位置作为对应波束的下一个位置；当中心波束两侧的波束个数不相等时，先判断少的一侧是否有空余的波束位置：若有，则按照使中心波束两侧的波束个数平衡的原则，把多的一侧多出的波束切换到少的一侧；若没有，则维持原状；然后根据判断结果，把所有未发生切换的波束分别以中心波束为中心由原波束位置向中心波束位置以至少一个步长的间隔靠近，直至各波束间没有间隔为止，此时的各波束位置作为对应波束的下一个位置。

为了实现上述目的，本发明所提供的一种无线码分多址通信系统的时空联合多径搜索装置，它包括：时域移位相关单元，接收输入的阵列信号，将每一路接收信号从一定的起始相位开始与已知导频信号做移位相关计算，得到搜索窗阵列；N个波束搜索器，对搜索窗阵列进行波束形成计算，得到每个波束上的搜索窗；多径时空判决单元，在所有波束的搜索窗中搜索模值大于其它相位，且满足门限要求的M个的相关值，输出对应的相对时延偏移、所在的波束和所在的波束上对应的相关值，其中，M为多径接收机能处理的多径数目；相关相位更新单元，根据当前搜索到M径的相对时延信息，确定下一个移位相关计算的起始相位，输出时延的起始相位，并将结果返回至时域移位相关单元；波束模式控制单元，根据当前搜索到M径所在的波束和所在波束上对应的相关值，确定下一组N个波束形成的模式，并将结果返回至N个波束搜索器。

采用了上述的技术方案，把时域搜索和空域搜索联合起来，把空域搜索的信息反馈给波束形成，因而有效地提高时域搜索的性能，减少空间波束搜索的计算量，搜索得到的波束可以直接运用到信息的阵列接收中，并可以作为其他自适应算法的初始权值使用，降低系统实现的成本。另外从图4中可以看出，应用本发明后，系统在误块率BLER＝0.01时需要的Eb/N0(每比特信号能量与噪声能量之比)比现有时域和空域级连的方案少约0.2dB，比双天线分集的方式少约3dB，说明系统在应用本发明后可以在更低的信噪比下工作，因此，本发明提高了系统的性能。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明在CDMA系统中的应用框图；

图2是本发明无线码分多址通信系统的时空联合多径搜索方法的流程图；

图3是本发明无线码分多址通信系统的时空联合多径搜索装置的功能框图；

图4是本发明在CDMA系统中的一组仿真结果。

如图1所示，本发明在CDMA通信系统中的应用如下所述：

阵列接收101，接收天线上的射频信号，并通过下变频到基带，然后将基带信号采样、量化为数字信号，形成接收信号的数字基带信号输出给下一级。

多径时空联合搜索102，接收到数字基带信号后，将运用本发明提出的方法搜索其中各个多径分支的时延和所在波束，在多波束技术中，用最靠近用户实际方向的波束作为对所在波束的最优估计，搜索得到的结果表示为多径时延和多径波束。多径时延信息将输入到多径分离103和RAKE(多径)接收105中；多径波束信息将输入到波束形成104中。

多径分离103，利用得到的多径时延信息，把输入的数字基带信号按照这些时延分别做相应的偏移。这里输入的数字基带信号是阵列方式的，因此，多径分离也是分别提取各路信号中的同时延量，多径分离输出的信号按照时延分组，每一组里有按照该时延偏移后的阵列接收信号。

波束形成104，接收到与每一个时延对应的阵列接收信号后，按照多径时空搜索得到的与该多径时延对应的多径波束信息，对这一阵列接收信号做波束形成，波束形成的结果是与对应于该每一时延分量的阵列响应，阵列响应值是一个标量。这样，每一个时延分支通过104后形成了一个阵列响应标量。

RAKE接收105，依据时延将每一个时延对应的阵列响应按照最大比合并的方法合并，输出对应与每个传输符号对应的判决变量。

判决输出106，根据一定的判决规则，输出与判决变量对应的数字信号，得到实际传输的数字信号。

在上述的CDMA通信系统中应用本发明多径时空联合搜索102，其内部流程如图2所示，

步骤201，接收到输入的阵列信号后，在步骤202中，将每一路接收信号将和一定时间偏移量的已知导频信号做移位相关计算，该时间偏移量的起始点被称为移位相关计算的起始相位，也就是所需要输出的多径时延的起始相位，表示成数学形式为：

考虑单独的第l路多径分支，阵列输入为： $\stackrel{\→}{X_1\left(t\right)}=\stackrel{\→}{A_{\mathrm{\θ}1}}\·h_1\left(t\right)\·S(t-{\mathrm{\τ}}_1)+\stackrel{\→}{n\left(t\right)}---\left(1\right)$ 其中的列向量

称为阵列因子，它与多径到达的角度θ_l以及阵列的空间位置有关，h_l(t)是衰落信道对第l径多径分量的衰减，τ_l是对应的时延，

是阵列干扰和噪声信号向量。移位相关的时延范围称为搜索窗的宽度，以数字离散形式表示的移位相关计算为： $\stackrel{\→}{s^{\′}x\left({\mathrm{\τ}}_n\right)}=\underset{k=1}{\overset{\mathrm{CohernlLength}}{\mathrm{\Σ}}}{S}^{\′}(k-{\mathrm{\τ}}_n)\·S\text{'}-(k-{\mathrm{\τ}}_n)---\left(2\right)$

其中CoherentLength为相关计算的长度，S′(k-τ_n)是利用已知的导频信号产生的相关参考信号，τ_n的取值范围即为搜索窗的宽度。

移位相关的输出经过波束形成203步骤，被加权后合成为N个波束上的搜索窗，对应于波束方向为θ_m的波束上的搜索窗在省去噪声项后可以表示为： ${\mathrm{\φ}}_{s\′x}^{\′}\left({\mathrm{\τ}}_n\right)=\stackrel{\→}{A_{{\mathrm{\θ}}_m}^H}\×\stackrel{\→}{A_{{\mathrm{\θ}}_t}}\·h_l\left(t\right)\·\underset{k=1}{\overset{\mathrm{CoherentLength}}{\mathrm{\Σ}}}S(k-{\mathrm{\τ}}_l)\·S^{\′}(k-{\mathrm{\τ}}_n)---\left(3\right)$

在(3)中， $\stackrel{\→}{A_{{\mathrm{\θ}}_m}^H}\×\stackrel{\→}{A_{{\mathrm{\θ}}_i}}/\left|\stackrel{\→}{A_{{\mathrm{\θ}}_m}^H}\right|$ 将在θ_m＝θ_l时取得最大值，而其中的和式在τ_l＝τ_n时取得最大值，从这两个使得(3)取最大值条件可以看出搜索依据的判决准则：相关计算的峰值出现在导频信号的偏移和多径分支的延时对齐的时刻，并且同一相位的峰值在某个波束上的最大值表明了到达方向最靠近的波束。

在步骤204中，遵照这一个原则，挑选出在所有搜索窗内相关值最大的那些相位，并且按照一定的门限进行筛选，得到M个相关值的峰值，那么，这些峰值对应的相位即为搜索到的多径分支的时延，所在的波束即为搜索到的多径所在的波束，通过207步骤输出。

在(3)式中的

的取值个数决定了多波束形成的个数，其中的θ_m是按照一定的原则选择出来，覆盖全小区或者一个扇区的范围。在实际的实现中，由于受到硬件投资的约束，往往不能同时在所有选出的固定波束上计算多径产生的阵列输出，而只是在较少的波束上计算波束值，被选取在一次搜索中搜索的几个波束成为一组，成为一个多波束形成的模式。

在得到的多径的相对时延(相位)信息基础上，在步骤206中将依据一定的策略更新下一组偏移相位τ_n的范围，以跟随多径在时延上的变化；同时，在得到的多径的波束信息基础上，在步骤205中将分配新的波束形成模式，即为一组N个波束，至步骤203进行波束形成，新的波束形成模式的选取可以按照以搜索到的主径(即为所在波束上的搜索窗中相关值最大的经)所在波束(主波束)为中心波束的原则，或者以其他的原则进行分配，波束模式的更新需要考虑到在波束搜索窗上相关值积累的连续性，适宜采用渐变和逼近的方式。在方案测试中采用的波束模式更新方法是依据得到的主波束为中心波束，在上一个波束模式中各波束分别向中心波束靠拢一个波束位置，并保证在向中心波束靠拢的过程中分配在其两侧的波束是平衡的。

例如，确定下一组N个波束形成的模式的过程可以为：

把一个小区划分为3个120°扇区，在一个扇区内共用15个波束覆盖，这15个波束各自对应的主瓣角度是按一定的间隔选出来，均匀覆盖一个扇区的范围。

对于一个用户的信号接收，将搜索该用户在15个波束方向中的位置，并采用与它的实际位置最靠近的N个波束来接收该用户的信号，具体采用“滑动波束搜索”方法进行，过程如下：

(1)把15个波束按照角度的大小排列顺序分为0，1...14号，共有N个波束形成。

(2)在搜索开始的时候，分配波束号给N个波束形成的方法为：选出的波束号均匀分布在0～14号波束中。

(3)当搜索得到M径的时延和所在波束后，以其中相关值最大者所对应的波束为主波束：

(3.1)以当前主波束为下一个波束形成模式的中心波束，这个中心波束不变地保留到下一个波束形成模式中。

(3.2)当前波束形成模式中的其它波束，如果与中心波束之间还有间隔，那么就向中心波束靠近一个波束位置；如果没有间隔，就保持不变。

(3.3)在(3.2)步骤中，如果比中心波束号小的波束个数和比中心波束号大的波束个数不相等时，那么把多的一侧的波束切换到少的一侧，使得两侧分配的波束个数相同，也就是真正把中心波束放置在波束模式的中间。未发生切换的波束仍进行(3.2)的步骤。

(3.4)在(3.3)步骤中的切换在一种情况下不需要，那就是中心波束已经在0-14个波束的边缘，少的一侧已经没有空余的波束位置可供分配。

在(3.3)步骤中产生一个波束形成上前后波束的切换，切换在分配在中心波束两侧的波束不平衡时发生。当波束模式还未收敛时，切换前后两个波束的距离比较大，而当波束模式已经收敛到紧密后，主波束的变动带来的切换中，前后两个波束号之差为N。波束在滑动过程中当前搜索窗的值将在继承上一个波束的搜索窗的值的基础上做新的积累，而在发生切换的情况下，可以采用继承的方式，也可以用估计到的噪声来重新给搜索窗赋初值，还可以用相近波束上已有的积累值来替代。

除滑动波束方法外，还可以有其他的波束模式更新的方法，比如在较长的搜索窗积累的基础上，依照比较可信的主径位置把波束模式一次性切换到主径所在的角度周围，这时将采用估计到的噪声来填充发生切换的那些搜索窗的初值；还可以按照实际的多径分支在角度分布上的特性来灵活分配波束，而不一定以主径所在的角度为中心。

如图3所示，本发明无线码分多址通信系统的时空联合多径搜索装置，其具体实施如下：

时域移位相关单元301，接收输入的阵列信号，将每一路接收信号从一定的起始相位开始与已知导频信号做移位相关计算，得到搜索窗阵列；

N个波束搜索器302，对搜索窗阵列进行波束形成计算，得到每个波束上的搜索窗；

多径时空判决单元303，在所有波束的搜索窗中搜索模值大于其它相位，且满足门限要求的M个的相关值，输出对应的相对时延偏移、所在的波束和所在的波束上对应的相关值，其中，M为多径接收机能处理的多径数目；

相关相位更新单元304，根据当前搜索到M径的相对时延信息，确定下一个移位相关计算的起始相位，输出时延的起始相位，并将结果返回至时域移位相关单元；

波束模式控制单元305，根据当前搜索到M径所在的波束和所在波束上对应的相关值，确定下一组N个波束形成的模式，并将结果返回至N个波束搜索器。

Claims (3)

1.一种无线码分多址通信系统的时空联合多径搜索方法，包括下列步骤：

1)接收输入的阵列信号；

2)将每一路接收信号从起始相位开始与已知导频信号做移位相关计算，得到搜索窗阵列；

3)根据选定的一组N个波束，对搜索窗阵列进行波束形成计算，得到每个波束上的搜索窗，其中：N为自然数；

4)在所有波束的搜索窗中搜索模值大于其它相位，且满足门限要求的M个的相关值，输出对应的相对时延偏移、所在的波束和所在的波束上对应的相关值，其中，M为多径接收机能处理的多径数目；

5)根据当前搜索到M径所在的波束和所在波束上对应的相关值，确定下一组N个波束形成的模式，并将结果反馈至步骤3)；同时，根据当前搜索到M径的相对时延信息，确定下一个移位相关计算的起始相位，输出时延的起始相位，并将结果反馈至步骤2)；

6)输出搜索到的M径的信息，包括多径的起始相位、相对时延、所在波束。

2.根据权利要求1所述的一种无线码分多址通信系统的时空联合多径搜索方法，其特征在于：所述的步骤5)中的确定下一组N个波束形成的模式的方法为：

根据搜索判断得到的M径所在波束和M径在各自所在波束上的相关值大小，按照波束上对应的该径的相关值的模值最大为主波束的原则，确定该主波束为下一个波束形成模式的中心波束；

然后根据该中心波束的位置确定其它N-1个波束的下一个位置为：

当中心波束两侧的波束个数相等时，各波束分别以中心波束为中心由原波束位置向中心波束位置以至少一个步长的间隔靠近，直至各波束间没有间隔为止，此时的各波束位置作为对应波束的下一个位置；

当中心波束两侧的波束个数不相等时，先判断少的一侧是否有空余的波束位置：若有，则按照使中心波束两侧的波束个数平衡的原则，把多的一侧多出的波束切换到少的一侧；若没有，则维持原状；然后根据判断结果，把所有未发生切换的波束分别以中心波束为中心由原波束位置向中心波束位置以至少一个步长的间隔靠近，直至各波束间没有间隔为止，此时的各波束位置作为对应波束的下一个位置。

3.一种无线码分多址通信系统的时空联合多径搜索装置，其特征在于，它包括：

时域移位相关单元，接收输入的阵列信号，将每一路接收信号从起始相位开始与已知导频信号做移位相关计算，得到搜索窗阵列；

N个波束搜索器，对搜索窗阵列进行波束形成计算，得到每个波束上的搜索窗，其中：N为自然数；

多径时空判决单元，在所有波束的搜索窗中搜索模值大于其它相位，且满足门限要求的M个的相关值，输出对应的相对时延偏移、所在的波束和所在的波束上对应的相关值，其中，M为多径接收机能处理的多径数目；

相关相位更新单元，根据当前搜索到M径的相对时延信息，确定下一个移位相关计算的起始相位，输出时延的起始相位，并将结果返回至时域移位相关单元；

波束模式控制单元，根据当前搜索到M径所在的波束和所在波束上对应的相关值，确定下一组N个波束形成的模式，并将结果返回至N个波束搜索器。

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