CN1146162C - 一种用于码分多址无线通信系统的阵列接收方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于码分多址无线通信系统的阵列接收方法，其特点是，包括以下步骤：a、对接收阵列信号进行抽取；b、计算解扩前接收阵列信号的自相关矩阵；c、针对每个用户的每一径解扩，得到解扩后阵列信号，并计算解扩后自相关矩阵；d、计算矩阵束广义主特征向量；e、对解扩后的阵列信号加权求和，结果送入瑞克(RAKE)接收机的相应径。本发明自适应阵列接收的方法，具有低运算量、高精度的优点，适用于码分多址无线通信系统。

Description

一种用于码分多址无线通信系统的阵列接收方法和装置

本发明涉及一种无线蜂窝产品、无线本地环等无线通信系统的接收方法，尤其涉及一种用于CDMA无线通信系统的阵列接收方法及装置。

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。因此人们开始利用信道的空域特性，采用分集、扇区化以及最近提出的采用阵列天线的智能天线技术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。

分集主要利用间距大于10个载波波长的不同天线所接收的信号不相关这一性质，采用最大比合并处理各天线接收的信号，使系统抗多径衰落性能得到改善。

扇区化方法是将小区分成3、6、9或12个扇区，每个扇区有配套的天线和预定的频谱范围。扇区化在一定程度上减小了通信道干扰，从而提高了系统的通信质量。

智能天线技术则通过调整多个天线阵元上信号的相位和幅度在信号方向上形成波束，提高信号质量。智能天线算法主要可分为两类，一类是开关多波束方法。这类算法在不同方向形成固定波束覆盖整个小区，基站检测每个波束中期望信号的信号质量，选择最好的波束进行接收。

另一类重要的智能天线算法为自适应阵列，它根据某种准则自适应地对各天线阵元接收的信号进行加权合并，增强信号，抑制干扰和噪声，从而提高无线系统的整体性能。常见的自适应算法有采用最小均方误差准则的LMS、RLS、SMI算法及采用最大信干比准则的码滤波算法等。码滤波算法最早由Ayman F.Naguib于1996年针对IS-95系统提出的。它具有不需要参考信号、性能稳定的优点。

但是现有技术存在以下的缺点：

分集方法需要天线之间的间距较大(一般大于10个波长)，因此天线占用的空间较大。另外，采用最大比合并的分集方法虽然具有抗多径衰落效果，但不能有效抑制干扰信号。

常见的扇区化方法是采用3扇区或6扇区，之所以没有采用更多的扇区是因为扇区分裂得越多，每个扇区可用的频谱资源就越少，降低了中继效率，且需要频繁切换，降低系统效率。

开关多波束方法是一种次最优的接收方法，它对色噪声的抑制能力较差。

自适应天线阵在理论上可以使系统性能达到最优，但实际应用时，参考信号长度和算法收敛速度限制了基于最小均方误差准则的自适应算法的性能。现有码滤波算法虽然性能优良，但所要求的计算量很大，用现有数字处理芯片很难实现。

本发明的目的是为了克服现有技术的缺点，而提出的一种在CDMA无线通信系统中采用自适应阵列接收的方法和装置，具有低运算量、高精度的优点。

实现本发明目的的技术方案是：

一种用于码分多址无线通信系统的阵列接收方法，其特点是，包括以下步骤：

a、对接收阵列信号进行抽样；

b、计算解扩前接收阵列信号的自相关矩阵；

c、针对每个用户的每一径解扩，得到解扩后的阵列信号，并计算解扩后自相关矩阵；

d、计算由解扩前的自相关矩阵和解扩后自相关矩阵所构成的矩阵束的广义主特征向量；

e、以步骤d获得的广义主特征向量作为权值对解扩后的阵列信号进行加权求和，结果送入RAKE接收机的相应径。

上述方法中，所述的自相关矩阵的计算可采用衰减记忆方法，其记忆长度由遗忘因子决定；根据信道的衰落情况，确定遗忘因子在0.5至0.99之间取值。

上述方法中，广义主特征向量计算包括以下步骤：

a、对接收信号解扩前自相关矩阵进行乔利斯基分解；

b、采用乘幂法迭代求解广义主特征向量，其中通过求解两次三角方程组更新广义主特征向量。

一种用于码分多址无线通信系统的阵列接收装置，包括：天线阵列、阵列数字信号生成模块、数字波束形成模块以及Rake接收机；阵列数字信号生成模块将接收的天线阵列模拟信号转换成可供数字处理的阵列数字信号，数字波束形成模块对一个信道的不同多径信号分别形成波束，波束形成后的信号送到Rake接收机相应的径，由Rake接收机在时域对信号进行最大比合并；其特点是，所述的数字波束形成模块包括：多径搜索单元、解扩单元、加权向量生成器、乘法器、加法器、解扩前自相关阵估计单元；多径搜索及跟踪模块对每一个信道进行多径搜索及跟踪处理，将多径时延信息提供给解扩单元，同时解扩前自相关阵估计单元估计信号的自相关阵送入所有径的加权向量生成器；在每个径中，解扩单元对指定的时延进行解扩，m路解扩后的信号分成两路，一路进入加权向量生成器，一路作为被加权数据，准备与加权向量生成器输出的加权因子W1～Wm通过乘法器进行乘法运算并最终经加法器合并后得到数字波束形成后的数据，该数据输出到Rake接收机相应的径。

上述装置中，所述的解扩前自相关阵估计模块包括：数据抽取模块和自相关矩阵计算模块。

上述装置中，所述的加权向量生成器包括；自相关矩阵计算模块和主特征向量计算模块；自相关矩阵计算模块的输出与解扩前自相关阵估计模块的输出同时送入主特征向量计算模块生成加权向量W1～Wm。

上述装置中，所述的加权向量生成器包括：多个自相关矩阵计算模块、累加器和主特征向量计算模块；属于同一移动台同时发送多个信道时，每个信道的自相关矩阵计算模块的输出经累加器累加后与解扩前自相关阵估计模块的输出同时送入主特征向量计算模块生成加权向量W1～Wm，用于对属于同一移动台的所有信道的加权处理。

由于本发明采用了以上的技术方案，与最好的现有技术相比，本发明具有显著的特点：

1、采用数字波束形成模块通过对接收信号进行加权处理提高信号与干扰噪声比，从而改善整个接收机的性能。

2、权生成向量模块所采用的算法计算量低，权估计精度高。

3、系统信噪比增益达到或接近阵列接收的最优值，且计算量明显低于现有的码滤波算法(设RAKE径数为6，当抽样间隔为64时，本发明可使算法的计算量降到原来的1/3)，利用现有通用DSP芯片即可完成算法，可实现性强。

本发明的具体性能、特征由以下的实施例及其附图进一步给出。

图1是本发明阵列接收机原理框图。

图2是本发明用于CDMA系统的数字波束形成模块原理图。

图3是本发明解扩前自相关阵估计模块的方框图。

图4是本发明加权向量生成器原理图。

图5是本发明主特征向量模块的算法流程图。

图6是本发明多信道权生成模块原理图。

图7是本发明针对WCDMA系统的上行链路仿真结果曲线图。

请参阅附图。

图1是本发明采用的阵列接收机原理图。该接收机主要包括天线阵列101、阵列数字信号生成模块102、数字波束形成模块103以及Rake接收机104。阵列数字信号生成模块102的主要功能是将接收的天线阵列模拟信号转换成可供数字处理的阵列数字信号。其中包括接收单元105及模拟到数字转换单元106。数字波束形成模块103可以对一个信道的不同多径信号分别形成波束，波束形成后的信号送到Rake接收机104相应的径，由Rake接收机104在时域对信号进行最大比合并。数字波束形成模块103通过对接收信号进行加权处理提高信号与干扰噪声比，从而改善整个接收机的性能。因此数字波束形成模块是本发明的关键。

图1所示阵列接收机中的阵列数字信号生成模块102输出信号可以表示为：

$x\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=1}{\overset{l_i}{\mathrm{\Σ}}}a\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{il}}\right)h_{\mathrm{il}}\left(t\right)b_i(t-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{il}})c_i(t-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{il}})+n\left(t\right)--\left(1\right)$

其中N为用户个数，Li是第i个用户的多径数，a(il)是M1维向量，表示第i个用户第1条多径在M个阵元上的阵列响应，il是相应多径信号的波达方向。hil(t)为用户i的第1条多径信号在信道中经历的衰落。bi(t)是第I个用户的信息符号序列，每个符号的持续时间为Tb，ci(t)为用户i的扩频码序列，可以表示为：

$c_i\left(t\right)=\underset{k=\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{i,k}p(t-{\mathrm{kT}}_c)----\left(2\right)$

其中p(t)是码片脉冲波形，可以是任何宽度为Tc的脉冲，这里为了分析方便，假定为矩形脉冲。定义扩频增益为G＝Tb/Tc。对用户I的第1径信号解扩：

x(t)和yil(n)的自相关矩阵可表示为：

R_xx＝E{x9t)x^*(t)}＝2|h_il|²α(θ_il)α^*(θ_il)+R_uu

$R_{\mathrm{yy},j,l}=\frac{1}{2T_c}E\left\{y_{\mathrm{il}}\left(n\right)y_{\mathrm{il}}^{*}\left(n\right)\right\}=2G|h_{\mathrm{il}}{|}^{2}a\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{il}}\right)a^{*}\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{il}}\right)+R_{\mathrm{uu}}---\left(3\right)$

这里假设在短时间在内衰落hil(t)不变，所以省略时间变量t，Ruu为干扰加噪声的自相关矩阵，^*号表示共轭转置。为了使经过阵列处理后的信号获得最大信号干扰噪声比(SINR)，阵列权为：

$w_{i,l}=\max \frac{w^{*}{R}_{\mathrm{yy},i,l}w}{w^{*}{R}_{\mathrm{xx}}w}$

很容易证明wopt是矩阵束{R_yy，I，l，R_xx}的广义主特征向量。

本发明阵列接收方法，包括以下步骤：

1.对接收阵列信号进行抽样；

2.计算解扩前接收阵列信号x(t)的自相关矩阵R_xx。

3.针对每个用户的每一径解扩，得到阵列信号yil(n)，并计算解扩后自相关矩阵R_yy，I，l。

4.计算由解扩前的自相关矩阵和解扩后自相关矩阵所构成的矩阵束{R_yy，I，l，R_xx}广义特征向量wi，l。

5.将上述获得的广义主特征向量作为权值对解扩后的对阵列信号yil(n)加权求和，结果送入传统的RAKE接收机的相应径。

图2为本发明对应的一个多径(finger)的多数字波束形成模块原理图。它主要包括多径搜索单元201、解扩单元202、加权向量生成器203、乘法器204、加法器205、解扩前自相关阵估计单元207等。当阵列数字信号生成模块102将各天线101接收的模拟信号转换成数字信号，并送入数字波束形成模块103后，多径搜索及跟踪模块201对每一个信道进行多径搜索及跟踪处理，将多径时延信息提供给解扩单元202，同时解扩前自相关阵估计单元207估计信号107的自相关阵送入所有径的加权向量生成器。在每个径中，解扩单元对指定的时延进行解扩，m路解扩后的信号分成两路，一路进入加权向量生成器203，一路作为被加权数据，准备与加权向量生成器203输出的加权因子W1～Wm通过乘法器204进行乘法运算并最终经加法器205合并后得到数字波束形成后的数据，该数据输出到Rake接收机104相应的径108。

图3是解扩前自相关阵估计模块的原理图。它包括数据抽取模块302、自相关矩阵计算模块301。在数据抽取模块302中对阵列数字信号生成模块102输出的数字信号进行等间隔抽样后送至自相关矩阵计算模块301计算解扩前信号的自相关矩阵。

图4是加权向量生成器的原理图。它主要包括自相关矩阵计算模块401和主特征向量计算模块402。阵列数字信号生成模块的输出107在送入解扩模块的同时经过数据抽取模块302抽取后送于自相关矩阵计算模块301计算解扩前自相关矩阵。数据抽取模块可以在不影响计算精度的前提下显著降低算法的计算量要求。解扩模块202的输出206进入自相关矩阵401计算解扩后自相关矩阵。自相关矩阵计算模块301、401的输出同时送入主特特征向计算模块生成加权向量W1～Wm。

自相关矩阵计算模块301和401的结构相同，它们完成的运算如下：

将阵列数字信号生成模块和解扩模块的输出表示成矩阵的形式

其中K和L为权更新时间内数字信号生成模块及解扩模块输出的数据样本个数，L＝KlS。SF为系统扩频因子。数据抽取模块的输出为

其中Sa为抽样间隔。在自相关阵计算模块301-1和301-2中首先计算：

R′_xx(n)＝∑x′(n)x′^H(n)

                              (6)

R′_yy(n)＝∑y(n)y^H(n)

然后根据衰减记忆方法用下式递推自相关阵的估计：

R_xx(n)＝αR_xx(n-1)+R′_xx(n)

                              (7)

R_yy(n)＝αR_yy(n-1)+R′_yy(n)

其中α为小于1的正实数，称为遗忘因子，根据信道的衰落情况，遗忘因子α应在0.5至0.99之间取值。R_xx(n)和R_xx(n)进入主特征向量计算模块生成本次更新时间内的权向量。

图5给出了一种主特征向量计算模块的算法流图。其主要方法是：

a、对接收信号解扩前自相关矩阵进行Cholesky分解。

b、采用乘幂法迭代求解广义主特征向量，其中通过求解两次三角方程组更新广义主特征向量。

具体计算步骤如下：

1、首先对R_xx进行Cholesky分解，得到下三角阵L_x，有 $R_{\mathrm{xx}}=L_x{L}_x^H$

2、向量Z赋初值：Z(0)＝[11…1]，k＝1

3、U(k)＝R_yy*Z(k)

4、解方程 $L_x{L}_x^{H}Z\left(k\right)=U\left(k\right)$

5、对Z(k)做归一化：Z(k)＝Z(k)/max(Z(k))

6、重复步骤3至5，直到误差Error＝max(Z(k)-Z(k-1))小于允许值。Z(k)即为{R_yy，R_xx}的广义主特征向量。

本发明的主特征向量计算模块所需计算量小于传统的乘幂法。

图6是移动台同时发送多个信道时权生成模块原理图。如果一个移动台同时发送两个或多个上行信道(例如在WCDMA系统中，移动台在上行同时发送专用数据信道DPDCH和专用控制信道DPCCH)，则这些信道的阵列权可以同时生成。图6为在这种系统下的权生成模块原理图。对应同一个移动台发送的多个信道的解扩模块的输出206-1～206-k分别进入自相关阵计算模块601-1～601-k计算自相关阵后经过累加器603后与解扩前自相关阵计算模块303的输出同时进行主特征向量计算模块602生成阵列权向量W1～Wm，生成权向量同时送到所有k个信道的乘法器204中完成阵列加权。本模块不仅可以降低计算量，而且可以提高权估计精度。

图7是针对WCDMA系统的上行链路采用4阵元仿真结果。多径环境参数如下表所示：

仿真参数

多径数6

多径时延(秒)0 310e-9 710e-9 1090e-9 1730e-9 2510e-9多径平均衰落因子(dB)0dB  -1dB  -9dB  -10dB  -15dB  -20dB多径DOA基准DOA1 900 DOA2 880 DOA3 930 DOA4 860 DOA5115DOA6 750

扩频因子256

移动台速度120km/h

图中：

表示单天线、

表示码滤波，抽样间隔1； 表示最优、 表示码滤波，抽样间隔64。

可以看出，对于4阵元阵列接收机采用本发明，系统性能接近最优。

本发明CDMA无线通信系统中自适应阵列接收的方法，具有运算量低、精度高的优点。

Claims (7)

1、一种用于码分多址无线通信系统的阵列接收方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、对接收阵列信号进行抽样；

b、计算解扩前接收阵列信号的自相关矩阵；

c、针对每个用户的每一径解扩，得到解扩后的阵列信号，并计算解扩后自相关矩阵；

d、计算由解扩前的自相关矩阵和解扩后自相关矩阵所构成的矩阵束的广义主特征向量；

e、以步骤d获得的广义主特征向量作为权值对解扩后的阵列信号进行加权求和，结果送入RAKE接收机的相应径。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的自相关矩阵的计算可采用衰减记忆方法，其记忆长度由遗忘因子决定；根据信道的衰落情况，确定遗忘因子在0.5至0.99之间取值。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，广义主特征向量计算包括以下步骤：

a、对接收信号解扩前自相关矩阵进行乔利斯基分解；

b、采用乘幂法迭代求解广义主特征向量，其中通过求解两次三角方程组更新广义主特征向量。

4、一种用于码分多址无线通信系统的阵列接收装置，包括：天线阵列、阵列数字信号生成模块、数字波束形成模块以及Rake接收机；阵列数字信号生成模块将接收的天线阵列模拟信号转换成可供数字处理的阵列数字信号，数字波束形成模块对一个信道的不同多径信号分别形成波束，波束形成后的信号送到Rake接收机相应的径，由Rake接收机在时域对信号进行最大比合并；其特征在于，所述的数字波束形成模块包括：多径搜索单元、解扩单元、加权向量生成器、乘法器、加法器、解扩前自相关阵估计单元；多径搜索及跟踪模块对每一个信道进行多径搜索及跟踪处理，将多径时延信息提供给解扩单元，同时解扩前自相关阵估计单元估计信号的自相关阵送入所有径的加权向量生成器；在每个径中，解扩单元对指定的时延进行解扩，m路解扩后的信号分成两路，一路进入加权向量生成器，一路作为被加权数据，准备与加权向量生成器输出的加权因子W1～Wm通过乘法器进行乘法运算并最终经加法器合并后得到数字波束形成后的数据，该数据输出到Rake接收机相应的径。

5、根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的解扩前自相关阵估计模块包括：数据抽取模块和自相关矩阵计算模块。

6、根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的加权向量生成器包括：自相关矩阵计算模块和主特征向量计算模块；自相关矩阵计算模块的输出与解扩前自相关阵估计模块的输出同时送入主特征向量计算模块生成加权向量W1～Wm。

7、根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的加权向量生成器包括：多个自相关矩阵计算模块、累加器和主特征向量计算模块；属于同一移动台同时发送多个信道时，每个信道的自相关矩阵计算模块的输出经累加器累加后与解扩前自相关阵估计模块的输出同时送入主特征向量计算模块生成加权向量W1～Wm，用于对属于同一移动台的所有信道的加权处理。

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