CN1153375C - 基站装置和到来方向估计方法 - Google Patents

Abstract

RAKE合成部(104-1～104-n)将通过第1路径～第m路径的各路径到来的信号在每个天线中进行合成，来生成包含多个表示天线间的相位旋转量分量的信号，在每个通信终端中配置的到来方向估计部(105)根据RAKE合成部(104-1～104-n)生成的信号来求一个角度频谱，通过检测该角度频谱的多个峰值位置来同时估计多个到来方向。

Description

基站装置和到来方向估计方法

                         技术领域

本发明涉及数字无线通信系统中使用的包括阵列天线的基站装置和到来方向估计方法。

                         背景技术

基站装置接收的信号受到各种信号产生的干扰，产生接收质量的恶化。作为抑制该干扰、仅加强接收从期望的方向到来的信号的技术，阵列天线是众所周知的。阵列天线由多个天线振子构成，通过对各天线振子接收的信号分别进行振幅和相位的调整，可以设定任意的方向性。在阵列天线中，通过调整与接收信号相乘的加权系数(以下，将该加权系数称为‘加权’)来对接收信号提供的振幅和相位进行调整，可以仅加强接收从期望的方向到来的信号。

此外，作为提高接收质量的技术，有RAKE接收。在RAKE接收中，在多路径环境下，将通过各自不同路径到来的信号在时间轴上进行合成，可以获得路径分集增益。即使包括阵列天线的基站装置，一般也大多同时进行这种RAKE接收。

这种情况下，基站装置分别估计通过各路径到来的信号的到来方向，通过阵列天线以该估计出的方向来形成方向性并接收信号。以下，说明同时进行阵列接收和RAKE接收的现有的基站装置。

图1是表示现有的基站装置的结构方框图。在该基站装置中，天线11-1～11-n接收的信号由与各天线对应设置的无线部12-1～12-n实施规定的无线处理(下变频、A/D变换等)后，被输入到解扩部13-1～13-m。

解扩部13-1～13-m对通过第1路径～第m路径分别到来的信号进行解扩处理。即，解扩部13-1～13-m根据通过各路径到来的信号的接收定时来进行解扩处理。由此，在各解扩部13-1中，分别取出天线11-1～11-n接收到的第1路径的信号(以下，称为‘路径1的信号’)，在各解扩部13-m中，分别取出天线11-1～11-n接收到的第m路径的信号(以下，称为‘路径m的信号’)。n个路径1的信号被输入到到来方向估计部14-1和阵列接收部15-1，n个路径m的信号被输入到到来方向估计部14-m和阵列接收部15-m。

在阵列接收部15-1中，将使用到来方向θ₁生成的接收加权与各天线接收到的路径1的信号分别相乘后，将乘法后的信号进行合成。由此，从阵列接收部15-1输出阵列合成后的路径1的信号。同样，从阵列接收部15-m输出阵列合成后的路径m的信号。

阵列合成后的信号由RAKE合成部16分别进行与信道估计值h₁’～h_m’的复数共轭h₁’^*～h_m’^*相乘来补偿线路变动h₁～h_m后，进行RAKE合成。RAKE合成后的信号由解调部17进行解调，由此获得解调数据。

接着，说明上述现有的基站装置中进行的到来方向的估计操作。这里，为了简化说明，假设接收信号为通过路径1和路径2两个路径到来的信号，阵列天线由天线11-1和11-2两个天线振子构成。即，在图1所示的方框图中，以m＝2、n＝2来进行说明。此外，假设各天线振子按载波的半波长的间隔直线状地配置。

一般，由第n号天线振子接收到的路径m的信号可以如下式(1)所示。

x_nm(t)＝h_me^{jπ(n-1)sinθm}·s(t)    …(1)

在上述式(1)中，h_m表示路径m的线路变动，θ_m表示路径m的信号到来方向，s(t)表示期望信号。此外，e^{jπ(n-1)sinθm}表示各天线振子间的相位旋转量。这里，为了简化说明，假设忽略接收信号中包含的干扰分量和噪声分量。

因此，天线11-1接收到的路径1的信号如下式(2)所示，天线11-2接收到的路径1的信号如下式(3)所示，天线11-1接收到的路径2的信号如下式(4)所示，天线11-2接收到的路径2的信号如下式(5)所示。

x₁₁(t)＝h₁·s(t)                   …(2)

$x_{21}\left(t\right)=h_1{e}^{\mathrm{j\π}\sin {\mathrm{\θ}}_1}\·s\left(t\right)...\left(3\right)$

x₁₂(t)＝h₂·s(t)                   …(4)

$x_{22}\left(t\right)=h_2{e}^{\mathrm{j\π}\sin {\mathrm{\θ}}_2}\·s\left(t\right)...\left(5\right)$

在到来方向估计部14-1中，使用上述式(2)表示的信号和上述式(3)表示的信号，来估计到来方向θ₁。同样，在到来方向估计部14-2中，使用上述式(4)表示的信号和上述式(5)表示的信号，来估计到来方向θ₂。具体地说，如下估计到来方向。这里，作为到来方向估计方法的一例，假设使用波束成形法。

在波束成形法中，与各天线接收到的信号进行乘法的接收加权矢量W(θ)如下式(6)。

W(θ)＝[1，e^-jπsinθ，…，e^{-j(n-1)πsinθ}]    …(6)

然后，通过检出使用接收信号X的自相关矩阵RXX表现的下式(7)所示的角度频谱P_BF(θ)的峰值位置，来估计各路径的信号的到来方向。

$P_{\mathrm{BF}}\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{W^H\left(\mathrm{\θ}\right)R_{\mathrm{XX}}W\left(\mathrm{\θ}\right)}{W^H\left(\mathrm{\θ}\right)W\left(\mathrm{\θ}\right)},R_{\mathrm{XX}}=E\left[X\left(t\right)X^H\left(t\right)\right]...\left(7\right)$

在上式(7)中，H表示复数共轭转置矩阵，E表示平均。

即，在到来方向估计部14-1中，在将上式(2)所示的信号和上式(3)所示的信号与上式(6)所示的接收加权矢量进行乘法后，根据上式(7)，求随着θ变化的相对于路径1的信号的角度频谱。然后，将该角度频谱的峰值位置估计为路径1的信号的到来方向θ₁。例如，在相对于路径1的信号的角度频谱如图2A所示的情况下，到来方向θ₁被估计为-40°方向。

同样，在到来方向估计部14-2中，在将上式(4)所示的信号和上式(5)所示的信号与上式(6)所示的接收加权矢量进行乘法后，根据上式(7)，求随着θ变化的相对于路径2的信号的角度频谱。然后，将该角度频谱的峰值位置估计为路径2的信号的到来方向θ₂。例如，在相对于路径1的信号的角度频谱如图2B所示的情况下，到来方向θ₂被估计为0°方向。

但是，在采用上述结构的现有的基站装置中，对每个路径来求角度频谱，所以需要在每个路径中包括进行相同操作的到来方向估计部，存在装置规模增大的问题。在对m个路径的信号进行RAKE合成的情况下，需要包括进行相同操作的m个到来方向估计部。

在求角度频谱中，进行上式(6)和上式(7)所示的运算，所以在上述现有的基站装置中，存在随着天线振子数的增加和作为RAKE合成对象的路径数的增加，运算量呈指数函数增大的问题。

而且，如图1所示，对每个通信终端准备上述结构，所以如果基站装置同时增加可通信的通信终端数(即，信道数)，那么装置规模和运算量进一步增大。随着当前通信终端用户数的迅速增加，存在基站装置的装置规模和运算量日益增大的倾向。

                         发明内容

本发明的目的在于提供一种基站装置和到来方向估计方法，在包括阵列天线的基站装置中，可以获得路径分集增益，并且可以削减到来方向估计时的运算量，削减装置规模。

本发明人着眼于到来方向的估计中成为必要的信号的分量，发现通过将输入到到来方向估计部的信号作为RAKE合成后的信号，可以根据一个角度频谱来同时估计多个路径的信号的到来方向，从而完成了本发明。

因此，在本发明中，将输入到到来方向估计部的信号作为包含多个表示各天线振子间的相位旋转量的分量(即，e^{jπ(n-1)sinθm})的信号，在一次到来方向处理中同时估计多个路径的信号的到来方向。由此，可以削减基站装置的装置规模和运算量。

                         附图说明

图1是表示现有的基站装置的结构方框图。

图2A是由现有的基站装置的到来方向估计部求出的角度频谱的一例。

图2B是由现有的基站装置的到来方向估计部求出的角度频谱的一例。

图3是表示本发明实施例1的基站装置的结构方框图。

图4是由本发明实施例1的基站装置的到来方向估计部求出的角度频谱的一例。

图5是表示本发明实施例2的基站装置的结构方框图。

                       具体实施方式

以下，参照附图来详细说明本发明的实施例。

(实施例1)

图3是表示本发明实施例1的基站装置的结构方框图。在该基站装置中，假设将多个天线101-1～101-n按载波的半波长间隔直线状地配置的情况。

在图3所示的基站装置中，天线101-1～101-n接收到的信号由与各天线对应设置的无线部102-1～102-n实施规定的无线处理(下变频、A/D变换等)后，被输入到解扩部103-1～103-m。

解扩部103-1～103-m对通过第1路径～第m路径来到各天线101-1～101-n的信号进行解扩处理。即，解扩部103-1～103-m根据通过各路径来到各天线101-1～101-n的信号的接收定时来进行解扩处理。

由此，在与天线101-1连接的解扩部103-1～103-m中，分别取出由天线101-1接收到的第1路径～第m路径的信号。同样，在与天线101-n连接的解扩部103-1～103-m中，分别取出由天线101-n接收到的第1路径～第m路径的信号。天线101-1接收到的第1路径～第m路径的信号被分别输入到RAKE合成部104-1，天线101-n接收到的第1路径～第m路径的信号被分别输入到RAKE合成部104-n。

RAKE合成部104-1对天线101-1接收到的第1路径～第m路径的信号分别进行与信道估计值h₁’～h_m’的复数共轭h₁’^*～h_m’^*相乘来补偿线路变动h₁～h_m后，对这些信号进行RAKE合成。同样，RAKE合成部104-n对天线101-n接收到的第1路径～第m路径的信号分别进行与信道估计值h₁’～h_m’的复数共轭h₁’^*～h_m’^*相乘来补偿线路变动h₁～h_m后，对这些信号进行RAKE合成。即，RAKE合成部104-1～104-n分别对每个天线进行路径1～路径m的信号合成。RAKE合成后的每个天线的信号被分别输入到到来方向估计部105和阵列接收部106。

信道估计的方法没有特别限定。例如，可以采用使用接收信号中包含的导频码元等已知信号进行信道估计的方法等。

到来方向估计部105使用RAKE合成后的每个天线的信号，来同时估计路径1～路径m的信号的到来方向θ₁～θ_m。即，到来方向估计部105根据一个角度频谱来同时估计多个路径的信号的到来方向。有关到来方向的估计操作将后述。估计出的到来方向θ₁～θ_m被输入到阵列接收部106。

阵列接收部106将使用到来方向θ₁～θ_m生成的接收加权与每个天线的信号分别相乘后，将乘法后的信号进行合成。有关阵列合成的方法将后述。阵列合成后的信号由解调部107进行解调，由此获得解调数据。

接着，说明由具有上述结构的基站装置进行的到来方向的估计操作和阵列合成操作。这里，为了简化说明，假设接收信号为通过路径1和路径2两个路径到来的信号，阵列天线由天线101-1和101-2两个天线振子构成。即，在图3所示的方框图中，以m＝2、n＝2来进行说明。

如上所述，第n号的天线振子接收到的路径m的信号可以如上式(1)所示。因此，天线101-1接收到的路径1的信号如下式(8)所示，天线101-1接收到的路径2的信号如下式(9)所示，天线101-1接收到的路径2的信号如下式(10)所示，天线101-2接收到的路径2的信号如下式(11)所示。

χ₁₁(t)＝h₁·s(t)               …(8)

χ₁₂(t)＝h₂·s(t)               …(9)

$x_{21}\left(t\right)=h_1{e}^{\mathrm{j\π}\sin {\mathrm{\θ}}_1}\·s\left(t\right)...\left(10\right)$

$x_{22}\left(t\right)=h_2{e}^{\mathrm{j\π}\sin {\mathrm{\θ}}_2}\·s\left(t\right)...\left(11\right)$

这里，为了简化说明，假设忽略接收信号中包含的干扰分量和噪声分量。然后，上式(8)和上式(9)所示的信号被输入到RAKE合成部104-1，上式(10)和上式(11)所示的信号被输入到RAKE合成部104-2。

在RAKE合成部104-1中，上式(8)和上式(9)所示的信号分别与信道估计值h₁’、h₂’的复数共轭h₁’^*、h₂’^*进行乘法后，进行RAKE合成。因此，天线101-1接收到的信号的RAKE合成后的信号如下式(12)所示。

X₁(t)＝[h₁h₁’^*+h₂h₂’^*]s(t)    …(12)

在RAKE合成部104-2中，上式(10)和上式(11)所示的信号分别与信道估计值h₁’、h₂’的复数共轭h₁’^*、h₂’^*进行乘法后，进行RAKE合成。因此，天线101-2接收到的信号的RAKE合成后的信号如下式(13)所示。

$X_2\left(t\right)=[h_1{h}_1^{{\text{'}}^{*}}{e}^{\mathrm{j\π}\sin {\mathrm{\θ}}_1}+h_2{h}_2^{{\text{'}}^{*}}{e}^{\mathrm{j\π}\sin {\mathrm{\θ}}_2}]s\left(t\right)...\left(13\right)$

上式(12)和上式(13)所示的信号被分别输入到到来方向估计部105。然后，在到来方向估计部105中，使用上式(12)和上式(13)所示的信号，在一次到来方向估计处理中，同时估计路径1的信号的到来方向θ₁和路径2的信号的到来方向θ₂。具体地说，到来方向估计部105使用与上述现有的方法相同的方法(作为一例，可列举波束成形法)，如下进行同时估计到来方向。

即，到来方向估计部105将上式(12)所示的信号和上式(13)所示的信号与上式(6)所示的接收加权矢量相乘后，根据上式(7)，随着θ变化来求角度频谱。

这里，如果着眼于RAKE合成部104-2进行了RAKE合成的上式(13)所示的信号，那么在上式(13)所示的信号中，包含多个表示天线振子间的相位旋转量的分量。即，在上式(13)所示的信号中，包含使用到来方向θ₁表示的相位旋转量e^jπsinθ1和使用到来方向θ₂表示的相位旋转量e^jπsinθ2双方。

因此，在到来方向估计部105中，使用上式(12)和上式(13)所示的信号来求角度频谱的情况下，如图4所示，在一个角度频谱上出现两个峰值。即，在θ₁的位置出现第1个峰值，在θ₂的位置出现第2个峰值。

然后，在到来方向估计部105中，将第1个峰值位置估计为路径1的信号的到来方向θ₁，将第2个峰值位置估计为路径2的信号的到来方向θ₂。即，根据一个角度频谱，将到来方向θ₁估计为-40°方向，将到来方向θ₂估计为0°方向。于是，在到来方向估计部105中，根据一个角度频谱来同时估计两个到来方向。估计出的到来方向θ₁和θ₂被输出到阵列接收部106。

在阵列接收部106中，将使用到来方向θ₁和θ₂生成的接收加权分别与上式(12)所示的信号和上式(13)所示的信号相乘后，将乘法后的信号进行合成。

例如，阵列接收部106使用将到来方向θ₁代入上式(6)而生成的W(θ₁)和将到来方向θ₂代入上式(6)而生成的W(θ₂)，来生成下式(14)所示的接收加权。

$\frac{W\left({\mathrm{\θ}}_1\right)+W\left({\mathrm{\θ}}_2\right)}{2}...\left(14\right)$

然后，阵列接收部106将上式(14)所示的接收加权分别与上式(12)所示的信号和上式(13)所示的信号相乘，将乘法后的信号进行合成。由此，基站装置可以仅加强接收从θ₁方向到来的信号和从θ₂方向到来的信号。

于是，根据本实施例，将输入到到来方向估计部的信号作为RAKE合成后的信号，所以在到来方向估计部中，可以使用包含多个表示各天线振子间的相位旋转量的分量(即，e^{jπ(n-1)sinθm})的信号来估计到来方向。因此，在到来方向估计部中，可以根据一个角度频谱同时估计多个到来方向。由此，可以削减运算量。

根据本实施例，到来方向估计部可以根据一个角度频谱来估计所有到来方向，所以在基站装置中对每个通信终端包括一个到来方向估计部就足够了。因此，可以削减基站装置的装置规模。

在上述现有的基站装置中，需要路径数量的到来方向估计部，所以连接到来方向估计部和阵列接收部的线路也需要路径数量。但是，根据本实施例，在每个通信终端中包括一个到来方向估计部就足够了，所以连接到来方向估计部和阵列接收部的线路用一条就足够了。因此，可以进一步削减装置规模，并且还可以抑制制造成本。

根据本实施例，可以使用与现有的方法相同的方法来同时估计多个到来方向，所以可以原封不动地使用现有的到来方向估计部而不必重新开发到来方向估计部。因此，在开发装置规模小的基站装置的情况下，可以抑制开发成本。

比较图3所示的结构和图1所示的现有结构，在图3所示的结构中，需要天线数量的RAKE合成部。因此，在本实施例中，RAKE合成部比目前有所增加。但是，RAKE合成部中的运算量与到来方向估计上所需的矩阵运算等的运算量相比大幅度减少。因此，通过削减到来方向估计部，即使RAKE合成部增加，也可以削减作为基站装置整体的装置规模和运算量。

(实施例2)

图5是表示本发明实施例2的基站装置的结构方框图。图5所示的基站装置采用以下结构：在图3所示的结构中，还包括调制部301和阵列发送部302及扩频部303，在信号发送时也使用到来方向估计部105估计出的到来方向θ₁～θ_m。在图5中，对于与图3所示结构相同的结构附以与图3相同的标号，并省略其详细的说明。

在图5所示的基站装置中，调制部301对发送数据进行调制并输出到阵列发送部302。到来方向估计部105将估计出的到来方向θ₁～θ_m输出到阵列发送部302。

阵列发送部301使用到来方向估计部105估计出的到来方向θ₁～θ_m来生成发送加权。然后，阵列发送部302将发送加权与从调制部301输出的信号相乘。由此，对发送信号以θ₁～θ_m的角度方向形成方向性。发送加权乘法后的发送信号被输出到扩频部303。

扩频部303对来自阵列发送部302的输出信号进行扩频，将扩频后的信号输出到无线部102。无线部102对来自扩频部303的信号实施规定的无线处理(D/A变换、上变频等)后，通过天线101-1～101-n发送到通信终端。

于是，根据本实施例，在信号发送时也使用在每个通信终端中包括的到来方向估计部估计出的到来方向θ₁～θ_m。因此，连接到来方向估计部和阵列发送部的线路在以往对于每个通信终端需要多个，但在本实施例中用一个就够了。因此，在使用阵列天线来形成方向性并发送信号的基站装置中，可以削减装置规模，并且还可以抑制制造成本。

在上述实施例中，使用RAKE合成来对通过各路径到来的信号进行合成。但是，并不限于此，在本发明中，只要是可以对通过各路径到来的信号在每个天线中进行合成的方法，可以使用任何合成方法。

在上述实施例中，作为到来方向的估计方法的一例，列举了波束成形法。但是，并不限于此，本发明也可以应用于使用波束成形法以外的估计方法的基站装置。

在上述实施例中，对假设将多个天线以载波的半波长间隔直线状配置的情况进行了说明。但是，并不限于此，本发明可以应用于所有包括多个天线来形成方向性的基站装置。即，只要每个天线中合成的信号包含多个表示天线间的相位旋转量的分量，那么无论各天线的配置状态如何，都可以实施本发明。

在上述实施例中，作为复用方式，说明了使用CDMA方式的通信系统中使用的基站装置。但是，并不限于此，本发明也可以应用于使用TDMA方式或OFDM方式等复用方式的通信系统中使用的基站装置。

如以上说明，根据本发明，在包括阵列天线的基站装置中，可以获得路径分集增益，并且可以削减到来方向估计时的运算量，可以削减装置规模。

本说明书基于2000年9月8日申请的(日本)特愿2000-272543。其内容全部包含于此。

Claims (5)

1.一种基站装置，使用由多个天线振子构成的阵列天线接收通过不同路径的从多个方向到来的同一信号，它包括：

第1合成器，将各天线振子接收到的多个所述同一信号在各天线振子中进行合成；以及

到来方向估计器，使用所述第1合成器合成的信号来同时估计所述多个方向；

其中，所述第1合成器对于至少一个天线振子合成多个所述同一信号，所述同一信号包含表示多个天线振子间的相位旋转量的多个分量。

2.如权利要求1所述的基站装置，其中，所述到来方向估计器根据所述第1合成器合成的信号来求一个角度频谱，通过检测所述角度频谱的多个峰值位置来同时估计多个方向。

3.如权利要求1所述的基站装置，其中，还包括第2合成器，在将使用所述到来方向估计器估计出的方向而生成的接收加权与所述第1合成器合成的信号相乘后，对乘法后的信号进行合成；

以所述到来方向估计器估计出的方向来形成方向性并接收信号。

4.如权利要求1所述的基站装置，其中，还包括发送器，在将使用所述到来方向估计器估计出的方向而生成的接收加权与发送信号相乘后，发送乘法后的信号；

以所述到来方向估计器估计出的方向来形成方向性并发送信号。

5.一种用于基站装置的到来方向估计方法，所述基站装置使用由多个天线振子构成的阵列天线接收通过不同路径的从多个方向到来的同一信号，所述方法包括下列步骤：

通过合成各天线振子接收到的多个所述同一信号，从而生成包含多个表示天线振子间的相位旋转量的分量的信号；

使用所述产生的信号来获得一个角度频谱；以及

同时通过检测所述角度频谱的峰值点来估计所述多个方向。

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