CN1145297C - 用于码分多址的码滤波下行波束形成的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明用于码分多址的码滤波下行波束形成的装置和方法，根据最大信干比准则，形成码滤波下行波束。该方法将上行每一径解扩阵列信号的自相关矩阵相加作为总的解扩阵列信号自相关矩阵，再用子空间映射的方法将上行解扩前后自相关矩阵映射到下行，映射到下行的解扩前后自相关矩阵的最大广义特征值对应的特征向量就是下行波束形成的权值。该方法具有抑制干扰、不需要角度估计、时间多径分集抑制衰落的优点，可显著提高现有无线通信系统的容量和通信质量。

Description

用于码分多址的码滤波下行波束形成的装置和方法

本发明涉及码分多址无线系统的阵列发射机的发射算法及相应的波束形成装置，尤其涉及码滤波下行波束形成的阵列发射方法及相应的波束形成装置。

智能天线技术通过改变阵列天线的权值实时调整天线方向图，增强在用户信号的方向上的增益，从而有效地提高无线通信系统中用户信号强度，降低相互之间的干扰，在覆盖范围、频谱利用率及容量等方面改善系统性能。通常无线通信系统中阵列天线是安装在基站的，而移动台只能有一根天线，因此在基站对发射信号进行波束形成是提高下行链路(基站到移动台)性能的有效方法。

所有波束形成技术都是在信道估计的基础上完成的。基站接收到经过信道传播的移动台信号时就可以从中提取信道响应完成上行波束形成，但下行波束形成在信号经过信道传播之前，此时被处理的信号中并不包含信道的信息。在时分双工的系统中可以认为上下行的信道响应是相同的而直接利用上行的估计结果。在频分双工系统中由于上下行工作在不同的频点上，上下行信道的瞬时响应是独立的，不能直接把上行信道响应估计用于下行波束形成。但是此时信道中的一些慢变参数，例如到达角、多径时延、平均功率等仍然是相同的。可以利用上行阵列接收信号中的导频信号估计出这些慢变信道参数完成下行波束形成。常见的方法是估计出上行接收信号平均功率最大的方向(它反映了信道增益最强的方向)，调整下行发射权值使下行波束指向该方向。这种基于角度估计的方法计算简单、容易实现，但是当多径之间的角度相差较大时，这种基于角度估计的方法的性能明显下降。这是因为多径之间的角度相差较大，波束指向最强增益方向，发射信号的能量集中在一径上，其它径的信号被波束抑制，虽然移动台接收信号的信噪比达到最大，但由于只接收了一径信号，移动台的衰落抑制能力下降。

本发明的目的是为了克服现有阵列发射机在多径信号时性能下降、衰落抑制能力差的缺点，而提供的一种使目标移动台接收的信号能量与向目标移动台发送信号时对其他移动台造成的干扰能量的比值最大，且具有时间多径分集的优点，并增强了移动台抑制衰落的能力的用于码分多址的码滤波下行波束形成方法及装置。

为了实现本发明的目的，本发明采取的技术方案是：

用于码分多址的码滤波下行波束形成的装置，包括天线阵列、双工器、接收单元、模拟到数字信号转换单元、下行波束形成单元、下行信号生成单元、数字到模拟信号转换单元、发射单元；上行信号由天线阵列接收进来，形成阵列信号；阵列信号经过双工器和接收单元进入模拟到数字信号转换单元完成模拟阵列信号到数字阵列信号的转换；然后进入下行波束形成单元，形成下行波束的加权值，下行信号生成单元生成的下行信号也进入下行波束形成单元，经下行波束的加权值加权后形成下行波束；下行波束进入数字到模拟信号转换单元进行数字到模拟信号的转换，随后进入发射单元和双工器，最后由天线阵列发射出去；

其特点是，所述的下行波束形成单元由预处理单元、多径搜索单元、解扩前阵列信号自相关单元、解扩阵列信号自相关单元、子空间映射单元、求解权值单元、加权单元组成；预处理单元对阵列信号进行匹配滤波；解扩前阵列信号自相关单元计算上行解扩前接收阵列信号的自相关矩阵；多径搜索单元搜索出上行解扩前接收阵列信号的各个径；解扩阵列信号自相关单元对上行每一径解扩，得到解扩后的阵列信号，并计算各径解扩后自相关矩阵，然后将上行所有径解扩阵列信号的自相关矩阵相加，得到解扩阵列信号总的自相关矩阵；子空间映射单元分别将上行的解扩前后自相关矩阵映射到下行；求解权值单元计算映射到下行的解扩前后自相关矩阵的最大广义特征值对应的特征向量作为码滤波下行波束形成权值；加权单元对下行信号加权，并将结果送入数字到模拟信号转换单元。

上述用于码分多址的码滤波下行波束形成的装置，其中，所述的解扩阵列信号自相关单元由解扩单元、计算自相关矩阵单元、加法器组成；解扩阵列信号自相关单元根据多径搜索单元提供的多径信息，计算解扩阵列信号每一径的自相关矩阵。

上述用于码分多址的码滤波下行波束形成的装置，其中，所述的加权单元是一组乘法器。

一种进行码分多址的码滤波下行波束形成的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)计算上行解扩前阵列信号的自相关矩阵；

2)针对每个用户搜索出多径后，对上行每一径解扩，得到解扩后的阵列信号，并计算解扩后自相关矩阵；

3)将上行所有径解扩阵列信号的自相关矩阵相加，得到上行解扩阵列信号总的自相关矩阵；

4)计算子空间映射方法的变换矩阵，也可以预先计算出来后保存下来；

5)利用变换矩阵，将上行解扩前后阵列信号的自相关矩阵映射到下行，计算其最大广义特征值对应的特征向量作为码滤波下行波束形成权值；

6)对下行阵列信号做加权，结果送入阵列数字到模拟转换单元并经过天线发射出去。

上述进行码分多址的码滤波下行波束形成的方法，其中，所述步骤5)中码滤波下行波束形成方法包括以下步骤：

a、预处理单元对阵列信号进行匹配滤波；

b、解扩前阵列信号自相关单元计算上行解扩前接收阵列信号的自相关矩阵；

c、多径搜索单元搜索出上行解扩前接收阵列信号的各个径；

d、解扩阵列信号自相关单元对上行每一径解扩，得到解扩后的阵列信号，并计算各径解扩后自相关矩阵，然后将上行所有径解扩阵列信号的自相关矩阵相加，得到解扩阵列信号总的自相关矩阵；

e、子空间映射单元分别将上行的解扩前后自相关矩阵映射到下行；

f、求解权值单元计算映射后的矩阵的最大广义特征值对应的特征向量作为码滤波下行波束形成权值；

g、加权单元对下行信号加权，并将结果送入数字到模拟信号转换单元。

上述进行码分多址的码滤波下行波束形成的方法，其中，步骤5)中所述的上下行信道的变换矩阵是预先计算出存放在存储器中。相关矩阵的记忆长度由实系数α表示，根据信道的衰落情况，实系数α的取值范围在0.75和0.99之间。

上述进行码分多址的码滤波下行波束形成的方法，其中，所述的步骤5)中利用子空间映射方法将上行解扩前后阵列自相关矩阵映射到下行的方法为，根据最小均方误差准则用上行频率和下行频率的阵列流形矩阵求出变换矩阵，下行阵列自相关矩阵是变换矩阵的共轭、对应的上行阵列自相关矩阵、变换矩阵三者的乘积。

上述进行码分多址的码滤波下行波束形成的方法，其中，所述的求子空间映射方法的变换矩阵时，为了映射的精确性，阵列流形矩阵的采样间隔为1度。

由于本发明采用了以上的技术方案，根据最大信干比准则，形成码滤波下行波束，这种方法将上行每一径解扩阵列信号的自相关矩阵相加作为总的解扩阵列信号自相关矩阵，再用子空间映射的方法将上行解扩前后阵列信号的自相关矩阵映射到下行，映射到下行的解扩前后阵列信号自相关矩阵的最大广义特征值对应的特征向量就是下行波束形成的权值。该方法具有以下优点：1、根据最大信干比准则，抑制了干扰；2、不需要角度估计；3、时间多径分集抑制衰落。可以显著提高现有无线通信系统的容量和通信质量。

本发明的具体特征、性能由以下的实施例并结合附图进一步描述。

图1是本发明阵列发射机原理图。

图2是本发明下行波束形成单元的结构示意图。

图3是本发明解扩阵列信号自相关单元的结构示意图。

图4是本发明加权单元的结构示意图。

图5是针对码分多址无线通信系统的下行信道，用本发明提出的码滤波下行波束形成方法得到的仿真结果和单天线的仿真结果比较示意曲线图。

请参阅图1。这是本发明的阵列发射机原理图。该接收机主要包括天线阵列101-1～101-M、双工器102-1～102-M、接收单元RX103-1～103-M、模拟到数字信号转换单元A/D104-1～104-M、下行波束形成单元105、下行信号生成单元106、数字到模拟信号转换单元D/A107-1～107-M、发射单元TX108-1～108-M。M表示天线阵列的个数。上行信号由天线阵列接收进来，形成阵列信号。阵列信号经过双工器和接收单元进入模拟到数字信号转换单元完成模拟阵列信号到数字阵列信号的转换。然后进入下行波束形成单元，形成下行波束的加权值，下行信号生成单元生成的下行信号也进入下行波束形成单元，经下行波束的加权值加权后形成下行波束。下行波束进入数字到模拟信号转换单元进行数字到模拟信号的转换，随后进入发射单元和双工器，最后由天线阵列发射出去。

该装置用于接收的阵列数字信号，即图1所示的模拟到数字信号转换单元输出的信号，以第一个移动台作为期望用户，可以表示为：

${\stackrel{\→}{x}}_{u1}\left(t\right)\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{P_{u1l}}{b}_{u1l}(t,{\mathrm{\τ}}_{u1l})c_{u1}(t,{\mathrm{\τ}}_{1l}){\stackrel{\→}{a}}_{u1l}+\stackrel{\→}{i}\left(t\right)+\stackrel{\→}{n}\left(t\right)$

$=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\→}{s}}_{u1l}\left(t\right)+\stackrel{\→}{i}\left(t\right)+\stackrel{\→}{n}\left(t\right)$

其中：下标_u表示上行信道；下标l表示第l径，1＜＝l＜＝L；P_u1l表示平均功率；b_u1l(t)表示信道编码后的一位数据；c_u1(t)表示上行扩频码；

是导向矢量；第一个移动台的上行第l径信号为

干扰为 是高斯白噪声。

在图1所示的阵列发射机装置中，下行波束形成单元运用自适应技术使信号的性能改善。下行波束形成单元由图2中所示的单元组成。

请见图2，下行波束形成单元由预处理单元201、多径搜索单元202、解扩前阵列信号自相关单元203、解扩阵列信号自相关单元204、子空间映射单元205-1～205-2、求解权值单元206、加权单元207组成。下行波束形成单元的作用及信号处理过程如下：

a、预处理单元对阵列信号进行匹配滤波；

b、解扩前阵列信号自相关单元计算上行解扩前接收阵列信号的自相关矩阵R_u，xx；

c、多径搜索单元搜索出上行解扩前接收阵列信号的各个径；

d、解扩阵列信号自相关单元对上行每一径解扩，得到解扩后的阵列信号

并计算各径解扩后自相关矩阵R_u，yy，l，然后将上行所有径解扩阵列信号的自相关矩阵R_u，yy，l相加，得到解扩阵列信号总的自相关矩阵R_u，yy；

e、子空间映射单元分别将上行的解扩前后自相关矩阵R_u，xx、R_u，yy映射到下行，映射后的矩阵分别为R_d，xx、R_d，yy，其中上下行信道的变换矩阵T_map预先计算出来放在存储器中；

f、求解权值单元计算R_d，xx、R_d，yy的最大广义特征值对应的特征向量 作为码滤波下行波束形成权值；

g、加权单元用

*对下行阵列信号加权，下行阵列加权信号

送入数字到模拟信号转换单元。*为共轭。

在图2所示下行波束形成单元中，解扩前阵列信号自相关单元计算解扩前阵列信号的自相关矩阵矩阵。基站接收的解扩前阵列信号的自相关矩阵可采用递推的方法获得：

$R_{u,\mathrm{xx}}\left(n\right)=E\left\{{\stackrel{\→}{x}}_{u1}\left(t\right){\stackrel{\→}{x}}_{u1}^H\left(t\right)\right\}={\mathrm{aR}}_{u,\mathrm{xx}}(n-1)+{\stackrel{\→}{x}}_{u1}\left(n\right){\stackrel{\→}{x}}_{u1}^H\left(n\right)----\left(2\right)$

R_u，xx(0)是一个对角阵，该解扩前后阵列信号的自相关矩阵的记忆长度由实系数α表示，根据信道的衰落情况，实系数α的取值范围在0.75和0.99之间。

请见图3，本发明下行波束形成单元中的解扩阵列信号自相关单元由解扩单元301-1～301-L、计算自相关矩阵单元302-1～302-L、加法器303组成。解扩阵列信号自相关单元根据多径搜索单元提供的多径信息，计算解扩阵列信号每一径的自相关矩阵。基站接收的解扩阵列信号每一径的自相关矩阵采用递推的方法获得：

$R_{u,\mathrm{yy},l}\left(n\right)=E\left\{{\stackrel{\→}{y}}_{u1l}\left(t\right){\stackrel{\→}{y}}_{u1l}^H\left(t\right)\right\}=a{\stackrel{\→}{R}}_{u,\mathrm{yy},l}(n-1)+{\stackrel{\→}{y}}_{u1l}\left(n\right){\stackrel{\→}{y}}_{u1l}^H\left(n\right)----\left(3\right)$

R_u，yy，l(0)是一个对角阵；该解扩前后阵列信号的自相关矩阵的记忆长度由实系数α表示，根据信道的衰落情况，实系数α的取值范围在0.75和0.99之间。加法器将所有径的解扩阵列信号的自相关矩阵相加，得到总的解扩阵列信号的自相关矩阵。

在下行信道中，当基站对第一个移动台做波束形成并将波束形成后的阵列信号

发射出去， 对于第一个移动台来说是有用信号；但是 也经过其他信道被其他的移动台接收到，而对其他的移动台来说， 是干扰。因此，对第一个移动台做波束形成的准则，是使第一个移动台接收的信号能量与向第一个移动台发送信号时对其他移动台造成的干扰能量的比值最大。依据这一准则，对第一个移动台来说，下行信道接收阵列信号的自相关矩阵和对其他用户造成的干扰的自相关矩阵的最大广义特征值对应的特征向量即是最优波束形成的权值 可以证明，这与求下行的解扩前后阵列信号自相关矩阵的最大广义特征值对应的特征向量是等效的。由于频分双工方式下上下行信道的不可逆性，上行信道的估计不能直接作为下行信道的估计，采用子空间映射的方法，将将上行解扩前后阵列信号的自相关矩阵映射到下行，得到下行解扩前后自相关矩阵。

在图2所示下行波束形成单元中，子空间映射单元利用变换矩阵T_map将上行的解扩前后阵列信号自相关矩阵映射到下行。子空间映射的原理和方法如下：A_u和A_d是M*K的两个复矩阵，分别代表对应上行频率和下行频率的阵列流形，180°/K代表阵列流形的采样间隔。取阵列流形的采样间隔为1度。

$T_{\mathrm{nlap}}^H{A}_u=A_d----\left(4\right)$

依据最小均方准则，

$T_{\mathrm{map}}^H={\left(A_u{A}_u^H\right)}^{-1}{A}_u{A}_d^H----\left(5\right)$

利用变换矩阵T_map将上行的解扩前后阵列信号的自相关矩阵映射到下行：

$R_{d,\mathrm{xx}}=T_{\mathrm{map}}^H{R}_{u,\mathrm{xx}}{T}_{\mathrm{map}}----\left(6\right)$

$R_{d,\mathrm{yy}}=T_{\mathrm{map}}^H{R}_{u,\mathrm{yy}}{T}_{\mathrm{map}}----\left(7\right)$

在图2所示下行波束形成单元中，求解权值单元计算映射到下行的解扩前后阵列信号的自相关矩阵R_d，xx、R_d，yy的最大广义特征值对应的特征向量作为波束形成的权值

本发明子空间映射方法利用频分双工系统中上下行信道的慢变参数例如到达角、多径时延、平均功率等相同的特性，将上行解扩前后阵列信号的自相关矩阵映射到下行，不需要角度估计。码滤波下行波束形成方法中将所有径的解扩阵列信号的自相关矩阵相加作为总的解扩阵列信号自相关矩阵，因而具有时间多径分集的优点，增强了移动台抑制衰落的能力。

请见图4，这是本发明下行波束形成单元中加权单元的结构示意图。加权单元由乘法器401-1～401_M组成。最优权值列向量 $\stackrel{\→}{w}=[w1,w2,\·\·\·,w_i,\·\·\·,w_M{]}^T,$ w_i是第_i个阵元上的加权，下行阵列信号 ${\stackrel{\→}{y}}_{d1}=[y_{d11},y_{d12},\·\·\·,y_{d1i},\·\·\·y_{d1M}{]}^T,$ y_dli表示下行第_i个阵元上的信号。加权后的下行阵列信号为

${\stackrel{\→}{y}}_{\mathrm{wd}1}=[w_1^{*}{y}_{d11},w_2^{*}{y}_{312},\·\·\·w_1^{*}{y}_{d1i},\·\·\·,w_M^{*}{y}_{d1M}{]}^T.$

图5是针对码分多址无线通信系统的下行信道，用本发明提出的码滤波下行波束形成方法得到的仿真结果和单天线的仿真结果曲线图。图中：右边是单天线发射机的曲线；左边是4阵元阵列发射机采用码滤波下行波束形成的曲线。可以看出，对于4阵元阵列发射机采用本发明，在天线端输入信号的信噪比为-0.4dB左右时，输出信号的误码率在10^-3附近，而单天线需要天线端输入信号的信噪比为5.2dB左右时才可以使输出信号的误码率达到10^-3。因此采用本发明提供的方法，系统性能得到显著提高。

Claims (9)

1、用于码分多址的码滤波下行波束形成的装置，包括天线阵列、双工器、接收单元、模拟到数字信号转换单元、下行波束形成单元、下行信号生成单元、数字到模拟信号转换单元、发射单元；上行信号由天线阵列接收进来，形成阵列信号；阵列信号经过双工器和接收单元进入模拟到数字信号转换单元完成模拟阵列信号到数字阵列信号的转换；然后进入下行波束形成单元，形成下行波束的加权值，下行信号生成单元生成的下行信号也进入下行波束形成单元，经下行波束的加权值加权后形成下行波束；下行波束进入数字到模拟信号转换单元进行数字到模拟信号的转换，随后进入发射单元和双工器，最后由天线阵列发射出去；其特征在于，所述的下行波束形成单元由预处理单元、多径搜索单元、解扩前阵列信号自相关单元、解扩阵列信号自相关单元、子空间映射单元、求解权值单元、加权单元组成；预处理单元对阵列信号进行匹配滤波；解扩前阵列信号自相关单元计算上行解扩前接收阵列信号的自相关矩阵；多径搜索单元搜索出上行解扩前接收阵列信号的各个径；解扩阵列信号自相关单元对上行每一径解扩，得到解扩后的阵列信号，并计算各径解扩后自相关矩阵，然后将上行所有径解扩阵列信号的自相关矩阵相加，得到解扩阵列信号总的自相关矩阵；子空间映射单元分别将上行的解扩前后自相关矩阵映射到下行；求解权值单元计算映射到下行的解扩前后自相关矩阵的最大广义特征值对应的特征向量作为码滤波下行波束形成权值；加权单元对下行信号加权，并将结果送入数字到模拟信号转换单元。

2、根据权利要求1所述的用于码分多址的码滤波下行波束形成的装置，其特征在于，所述的解扩阵列信号自相关单元由解扩单元、计算自相关矩阵单元、加法器组成；解扩阵列信号自相关单元根据多径搜索单元提供的多径信息，计算解扩阵列信号每一径的自相关矩阵。

3、根据权利要求1所述的用于码分多址的码滤波下行波束形成的装置，其特征在于，所述的加权单元是一组乘法器。

4、一种进行码分多址的码滤波下行波束形成的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)计算上行解扩前阵列信号的自相关矩阵；

2)针对每个用户搜索出多径后，对上行每一径解扩，得到解扩后的阵列信号，并计算解扩后自相关矩阵；

3)将上行所有径解扩阵列信号的自相关矩阵相加，得到上行解扩阵列信号总的自相关矩阵；

4)计算子空间映射方法的变换矩阵，也可以预先计算出来后保存下来；

5)利用变换矩阵，将上行解扩前后阵列信号的自相关矩阵映射到下行，计算其最大广义特征值对应的特征向量作为码滤波下行波束形成权值；

6)对下行阵列信号做加权，结果送入阵列数字到模拟转换单元并经过天线发射出去。

5、根据权利要求4所述的进行码分多址的码滤波下行波束形成的方法，其特征在于，所述步骤5)中码滤波下行波束形成方法包括以下步骤：

a、预处理单元对阵列信号进行匹配滤波；

b、解扩前阵列信号自相关单元计算上行解扩前接收阵列信号的自相关矩阵；

c、多径搜索单元搜索出上行解扩前接收阵列信号的各个径；

d、解扩阵列信号自相关单元对上行每一径解扩，得到解扩后的阵列信号，并计算各径解扩后自相关矩阵，然后将上行所有径解扩阵列信号的自相关矩阵相加，得到解扩阵列信号总的自相关矩阵；

e、子空间映射单元分别将上行的解扩前后自相关矩阵映射到下行；

f、求解权值单元计算映射后的矩阵的最大广义特征值对应的特征向量作为码滤波下行波束形成权值；

g、加权单元对下行信号加权，并将结果送入数字到模拟信号转换单元。

6、根据权利要求4所述的进行码分多址的码滤波下行波束形成的方法，其特征在于，步骤5)中所述的上下行信道的变换矩阵是预先计算出存放在存储器中。

7、根据权利要求4所述的进行码分多址的码滤波下行波束形成的方法，其特征在于，所述的解扩前后阵列信号的自相关矩阵可采用递推的方法得出，该解扩前后阵列信号的自相关矩阵的记忆长度由实系数α表示，根据信道的衰落情况，实系数α的取值范围在0.75和0.99之间。

8、根据权利要求4所述的进行码分多址的码滤波下行波束形成的方法，其特征在于，所述的步骤5)中利用子空间映射方法将上行解扩前后阵列自相关矩阵映射到下行的方法为，根据最小均方误差准则用上行频率和下行频率的阵列流形矩阵求出变换矩阵，下行阵列自相关矩阵是变换矩阵的共轭、对应的上行阵列自相关矩阵、变换矩阵三者的乘积。

9、根据权利要求8所述的进行码分多址的码滤波下行波束形成的方法，其特征在于，所述的求子空间映射方法的变换矩阵时，为了映射的精确性，阵列流形矩阵的采样间隔为1度。

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