CN1232133C - 一种基于阵列天线移动通信系统的信噪比测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于阵列天线移动通信系统的信噪比测量方法：用户初始发射功率，并获取用户的初始发射功率；由反馈回的功率控制判断结果调整用户发射功率，得到本帧的用户发射功率；本帧发射功率经过无线传播信道，由基站天线端接收用户信号，并转化为基带数字信号；进行用户信道估计，获得该用户经历信道冲激响应的估计值；根据各个阵元上的用户信道冲激响应的估计值估计其协方差矩阵；进行特征值分解，得到该用户的特征值与特征向量；确定平均噪声功率，以及该用户的信号功率，测量信噪比；比较测量的信噪比与目标信噪比，得到发射功率控制判断结果，进行反馈。本发明能精确地测量出某用户的信噪比，从而有效地进行功率控制及软切换等功能，提高系统的性能。

Description

一种基于阵列天线移动通信系统的信噪比测量方法

一、技术领域

本发明涉及一种基于阵列天线移动通信系统的信噪比测量方法。

二、背景技术

在移动通信CDMA(码分多址)系统中，由于功率控制与切换需要信噪比参数，因此在系统中必须进行信噪比测量。

在移动通信系统中，为了能更好地减小干扰与噪声对用户性能的影响，增加额外增益，通常采用阵列天线系统。如图1所示，一般阵列天线系统包括：阵列天线阵101、射频信号处理模块102，以及基带信号处理模块103。其中，阵列天线阵101是由多根001的天线单元组成，采用的阵列天线形状有两种，即适用于全向小区的圆形阵和适合于扇形小区的线形阵；射频信号处理模块102从阵列天线阵101接收射频信号，进行功放、ADC/DAC(模数/数模)转换、数字上下变频等，得到基带数字信号；基带信号处理模块103，主要实现数字信号处理算法，如物理层编解码、参数测量等过程，完成信噪比的测量。

在移动通信CDMA系统中，由于伪噪声码的非正交性，使得CDMA系统的性能与干扰密切相关。基于此考虑，为了使系统获得更好的性能(系统容量、通信质量等)，CDMA系统需要精确的功率控制，以便有效地克服远近效应、阴影效应和多径衰落等问题。为实现精确功率控制，一般采用外环功率控制和内环功率控制相结合的办法，其中内环功率控制表现为闭环结构。移动通信系统基站以帧(或子帧、时隙)为周期测量上行链路的信噪比，若测量值大于门限值(由外环功率控制提供)，则产生相应的功率控制命令通过下行链路通知移动台降低发射功率；反之，通知移动台增大发射功率。同样，移动台以帧(或子帧、时隙)为周期测量下行链路的信噪比，若测量值大于门限值(由外环功率控制提供)，则产生相应的功率控制命令通过上行链路通知基站降低发射功率；反之，通知基站增大发射功率。

而内环功率控制的效果取决于SNR(信噪比)的测量精度。

如图2所示，现有的信噪比测量方法为：首先对接收的信号进行解扩，然后对解扩后的信号进行信噪比测量，再进行功率控制判断，输出判断结果，从而完成一个信噪比测量过程。由于信噪比SNR测量是在解扩(联合检测/RAKE(瑞克)接收)之后获得，而解扩之后恢复的某一用户信号中既含有用信号数据，又有衰落起伏、本小区用户干扰及高斯噪声(邻小区干扰)，并且衰落起伏与干扰对信噪比的测量会带来较大的影响，导致测试的结果产生很大起伏，因此，这种测量方法是一种有偏估计，解扩后测量的信噪比与真实信噪比不是呈线性关系，并随着信道逐步恶劣测量结果偏差较大，使功率控制判断出现差错，最终导致系统性能下降。

三、发明内容

本发明的目的在于提供一种用于阵列天线移动通信系统的信噪比测量方法，该方法解决了传统信噪比测量的有偏估计问题，精确地测量出某用户的信号功率与噪声功率之比，从而有效地进行功率控制，提高系统的性能。

本发明所提供的一种基于阵列天线移动通信系统的信噪比测量方法，其包括下列步骤：第一步，在某一时段，某一小区的一用户初始发射功率，通过阵列天线移动通信系统中的开环功率控制获取用户的初始发射功率；第二步，根据第八步骤反馈回的功率控制判断结果调整上述用户发射功率，得到本帧的用户发射功率；第三步，本帧发射功率经过无线传播信道，由基站天线端接收用户信号，并将射频信号转化为基带数字信号；第四步，根据基带数字信号进行用户信道估计，获得该用户经历信道冲激响应的估计值；第五步，根据各个阵元上的用户信道冲激响应的估计值进行其协方差矩阵估计，得到该用户的协方差矩阵；第六步，由用户协方差矩阵进行特征值分解，得到该用户的特征值与特征向量；第七步，根据该用户的特征值确定多径源数，并根据该小区内所有用户的特征值与各自多径源数确定出平均噪声功率，以及该用户的信号功率，测量信噪比；第八步，根据测量的信噪比与目标信噪比的比较，得到发射功率控制判断结果，并反馈到第二步骤。

在上述的基于阵列天线移动通信系统的信噪比测量方法中，第三步骤中的无线传播信道是时空无线传播信道。

采用上述的技术方案，由于用户信道冲激响应估计后的信号只包含衰落起伏与高斯噪声，并且衰落起伏体现用户经过的信道的特性，其可以认作是有用信号，因此本发明在信道估计之后(解扩之前)进行信噪比的测量，能够克服现有信噪比测量方法中的衰落起伏影响，并由上行链路接收的训练序列或导频符号估计出某用户的信号功率与平均噪声功率，从而获得信噪比值，避免衰落起伏带来的信噪比估计误差，有效地进行功率控制，提高系统的性能。

四、附图说明

图1是阵列天线系统的结构框图，

图2是传统信噪比测量方法的流程图。

图3是本发明信噪比SNR测量方法流程图。

五、具体实施方式

参见图3，本发明，即一种基于阵列天线移动通信系统的信噪比测量方法，包括下列步骤：

步骤301：在某一时段，某一小区的一用户初始发射功率，通过阵列天线移动通信系统中的开环功率控制获取用户的初始发射功率。用户应该每隔一段时间用开环功率控制对路径损耗进行补偿，再用闭环功率控制对衰落进行精细补偿。

步骤302：根据步骤309反馈回的功率控制命令字TPC生成TPC_cmd，从而将该用户的发射功率调整为P_i＝P_i-1+Δ_adjusted，其中Δ_adjusted＝Δ_TPC×TPC_cmd，P_i、P_i-1分别为第i帧(或子帧、时隙)及第i-1帧的发射功率，Δ_TPC为功率调整步长，由系统确定。

TPC_cmd生成规则如下：

ifTPC＝0 TPC_cmd＝-1；

else TPC_cmd＝1.

步骤303：本帧发射功率P_i经过时空无线传播信道，在基站天线端接收到用户信号，并将射频信号转化为基带数字信号。该传播信道可用h(t，τ_i，θ_i)表示。其中t表示时间，τ_i表示第i个径相对于第0个径的时间延迟，θ_i表示第i个径相对于天线法线方向的到达角。

步骤304：根据基站收发信机接收到的基带数字信号，进行用户信道估计，完成估计该用户经历信道冲激响应功能。

该步骤以帧(或子帧、时隙)为周期对该时间段内所有用户经历信道的冲激响应进行估计，使用的参考信号是训练序列或导频符号。每个天线阵元上估计出所有用户的信道冲激响应(h_i＝[h_i，l，...，h_i，k，...，h_i，K]，其中，i＝1，...，KA表示阵元，k＝1，...，K表示用户，h_i，k＝[h_i，k，l，...，h_i，k，w]表示W个样本—快拍数)，并以码道的前后顺序进行排列。

步骤305：利用不同阵元上的用户k的信道冲激响应(H_k＝{h_i，k，j}，i＝1，...，KA，j＝1，...，W)，进行其协方差矩阵估计，形成协方差矩阵

$(R_{\mathrm{hh},k}=\frac{1}{W}{H}_k\·H_k^H).$

步骤306：根据该用户的协方差矩阵 $R_{\mathrm{hh}.k}=\frac{1}{W}{H}_k\·H_k^H$ 进行特征值分解，由于R_hh，k是复厄尔米特矩阵(R_hh，k＝A+j·B，A与B分别是该复矩阵的实部与虚部)，则实对称矩阵

的特征值是R_hh，k的特征值每一个都重复一次。实对称矩阵的特征值与特征矢量用Jacobi(雅可比)分解方法求解，剔除重复项，可得到矩阵R_hh，k的KA个特征值

与分别对应的特征矢量( s ₁，...， s _KA)。

步骤307：计算其它用户的特征值分解过程，其原理等同于步骤306，得到该小区内所有用户的特征值。

步骤308：把特征值按从大到小顺序依次排列 $({\widehat{\mathrm{\σ}}}_1^{\′}\≥{\widehat{\mathrm{\σ}}}_2^{\′}\≥...\≥{\widehat{\mathrm{\σ}}}_{\mathrm{KA}}^{\′}),$ ,用信息论方法(AIC或MDL准则)确定出用户k经历信道的多径源数P $({\widehat{\mathrm{\σ}}}_1^{\′},...,{\widehat{\mathrm{\σ}}}_P^{\′},{\widehat{\mathrm{\σ}}}_{P+1}^{\′},...,{\widehat{\mathrm{\σ}}}_{\mathrm{KA}}^{\′}).$ 由此可以获得该用户的信号功率与平均噪声功率，通过各用户的特征值与各自经历信道的多径源数可获得总平均噪声功率(该平均噪声功率是邻小区干扰，各用户的噪声可以平均)，与该用户信号功率联合确定每个用户的信噪比值。

用户k的平均噪声功率表示为： ${\mathrm{var}}_k=\mathrm{mean}({\widehat{\mathrm{\σ}}}_{P+1}^{\′},...,{\widehat{\mathrm{\σ}}}_{\mathrm{KA}}^{\′})$

总平均噪声功率：var＝mean(var₁，...，var_K)

用户k的信号功率可表示为： $P_{s,k}=\mathrm{sum}({\widehat{\mathrm{\σ}}}_1^{\′},...,{\widehat{\mathrm{\σ}}}_P^{\′})-P\·\mathrm{var}$

用户k的SNR测量值：SNRk＝P_s，k/var

上面确定的用户k信噪比SNR_k是经过某些处理后的信噪比，该值减去一处理增益值即可获得基站天线连接器端的信噪比。该处理增益可通过统计方法获得。

步骤309：根据基站天线连接器端的测量信噪比与目标信噪比进行比较，得到发射功率控制命令字，并反馈到步骤302。

发射功率控制命令字生成过程如下：

if SNR_measured＞SNR_target TPC＝0；

else TPC＝1.

Claims (2)

1 一种基于阵列天线移动通信系统的信噪比测量方法，其包括下列步骤：

第一步，在某一时段，某一小区的一用户初始发射功率，通过阵列天线移动通信系统中的开环功率控制获取用户的初始发射功率；

第二步，根据第八步骤反馈回的功率控制判断结果调整上述用户发射功率，得到本帧的用户发射功率；

第三步，本帧发射功率经过无线传播信道，由基站天线端接收用户信号，并将射频信号转化为基带数字信号；

第四步，根据基带数字信号进行用户信道估计，获得该用户经历信道冲激响应的估计值；

第五步，根据各个阵元上的用户信道冲激响应的估计值进行其协方差矩阵估计，得到该用户的协方差矩阵；

第六步，由用户协方差矩阵进行特征值分解，得到该用户的特征值与特征向量；

第七步，根据该用户的特征值确定多径源数，并根据该小区内所有用户的特征值与各自多径源数确定出平均噪声功率，以及该用户的信号功率，测量信噪比；

第八步，根据测量的信噪比与目标信噪比的比较，得到发射功率控制判断结果，并反馈到第二步骤。

2 根据权利要求1所述的一种基于阵列天线移动通信系统的信噪比测量方法，其特征在于，所述第三步骤中的无线传播信道是时空无线传播信道。

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