CN1249569A - 阵列天线接收设备 - Google Patents

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Abstract

一种阵列天线接收设备,包括一个阵列天线、K个自适应接收机和解调信号合成器。阵列天线具有在一个K边多边形的每条边(分段)上线性排列的M(M是1或更大的整数)个天线振子。每个自适应接收机从相应分段的M个天线振子接收信号,为该分段独立形成在有用信号方向上具有一增益的方向图,接收有用信号并抑制干扰信号。解调信号合成器接收K个自适应接收机输出的K个解调信号,加权并合成该信号,并为一个用户输出一个解调信号。

Description

阵列天线接收设备
本发明涉及一种借助天线方向性控制消除另一用户干扰的安装于基站中的阵列天线接收设备，更具体地说，涉及一种具有在一个多边形的每条边上线性排列的天线振子的阵列天线。
在蜂窝移动通信系统和类似系统中，人们注意过下述方法。使用由多个天线振子组成的自适应天线形成在有用信号到达方向上使接收增益最大化的方向图，并在接收中消除来自另一用户的干扰和滞后波引起的干扰。作为预期用于大用户容量的一种无线传输方法，CDMA方法受到大量关注。
图1是表示使用CDMA方法的常规阵列天线接收设备的一个实例的方框图。
该常规阵列天线接收设备由天线20、一个自适应接收机22和确定电路5组成，其中天线20具有多个成圆形排列的天线振子211至21M。
天线20由多个成圆形排列的天线振子211至21M组成。每个天线振子211至21M并不被特别限定为水平面方向性，而可以采用全方向性或双极方向性。M个天线振子211至21M彼此相邻以便建立天线接收信号之间的相关性，并接收通过编码复用有用信号和多个干扰信号所得到的信号。在随后的处理中，因为信号在基带中被数字化处理，M个天线接收信号S1至SM从无线电频带被变频到基带并被模数转换。
确定电路5接收作为自适应接收机22的一个输出用于一个用户的解调信号，并为该解调信号执行硬确定，从而输出用户确定码元。这里，应当说明的是图1中只显示了确定电路5中的一个，而其它电路则被省略了。
图2是表示常规阵列天线接收设备中自适应接收机22的方框图。
自适应接收机22由去扩展电路61至6M、加权合成器7、解调器10、复数乘法器13、减法器14、延迟电路15和天线加权控制电路16组成。自适应接收机22接收由成圆形排列的M个天线振子211至21M接收的天线接收信号S1至SM，和作为确定电路5输出的用户确定码元，并为一个用户输出解调信号。
去扩展电路61至6M计算天线接收信号S1至SM和用户扩展码C之间的相关性。假设扩展码C是由两个正交码CI和CQ组成的一个复数码，去扩展电路61至6M可以通过一个复数乘法器和在码元段上取平均值的电路实现。去扩展电路61至6M也可以通过一个装有抽头加权C的横向滤波器结构实现。
加权合成器7包括复数乘法器81至8M和加法器9。加权合成器7使去扩展电路61至6M的输出乘以天线加权Wr1至WrM，并将它们相加以生成使用只有有用信号才有的方向图所接收的信号。
解调器10包括传输路径估计电路11和复数乘法器12。加权合成器7的输出与传输路径估计输出的复共轭的乘积是作为自适应接收机22输出的用于一个用户的解调信号。
复数乘法器13使用户确定码元和传输路径估计输出相乘。在用户确定码元和传输路径估计输出的相乘中，只有关于估计值相位的部分可以被相乘，和由另一装置获得的幅度可以被相乘。这个另一装置是一个用于通过测量接收功率或类似参数获得幅值的装置。
减法器14计算复数乘法器13的输出和加权合成器7的输出之间的差值，并检测天线加权控制误差e。
延迟电路15根据加权合成器7、解调器10、减法器14和类似部件的处理时间来延迟去扩展电路61至6M的输出。
天线加权控制电路16根据天线加权控制误差e和延迟电路15的输出计算天线加权Wr1至WrM。天线加权控制电路16根据MMSE标准自适应地控制天线加权Wr1至WrM，以便最小化天线加权控制误差e的均方值。当使用LMS算法作为具有小运算量的更新算法时，天线加权Wr1至WrM由下式给出：
        Wr(i+1)＝Wr(i)+μr(i-Ddern)e*(i)        .....(1)其中Wr(i)(具有M个元素的列向量)是第i个码元的天线加权，r(i)(具有M个元素的列向量)是天线接收信号，μ是步长，Ddem是由延迟电路15给出的延迟时间，*表示复共轭。根据等式(1)，天线加权Wr1至WrM被每个码元地更换。自适应控制收敛步骤可以使用已知码元而不是确定的码元。
M个天线接收信号S1至SM包含有用的(用户)信号分量、干扰信号分量和热噪声。每个有用信号分量和干扰信号分量包含一个多路径分量。一般来说，这些信号分量来自不同方向。在形成接收方向图中，图1所示的常规阵列天线接收设备使用具有成圆形排列的天线振子的一个天线。因此，可以形成一个在所有信号到达方向具有几乎相等的接收增益的方向图。
然而，首先，图1所示的常规阵列天线接收设备不能获得与天线振子数目成比例的高接收增益。
这是因为是由成圆形排列的天线振子来形成在所有信号到达方向具有几乎相等的接收增益的方向图的，并且接收增益不能被优化。
其次，随着天线振子数目的增加，图1和图2所示的常规阵列天线接收设备降低在形成指定用户方向上的方向图时的自适应收敛和稳定性。
这是因为在具有成圆形排列的天线振子的天线中，必须同时自适应控制所有天线振子。
考虑现有技术的上述情况提出本发明，其目的是提供一种可以获得与天线振子数目成比例的高接收增益，并且在形成用户方向上的方向图时在自适应控制和稳定性上优异的阵列天线接收设备。
为获得上述目的，根据本发明主要方面的阵列天线接收设备的构成如下。天线振子线性排列在一个多边形的每条边(分段)上，为每个分段独立形成用于抑制与另一用户或多路径干扰的方向图，并在分段之间进行加权合成。更具体地说，阵列天线接收设备包括阵列天线，其具有在一个K(K是不小于3的整数)边多边形的每条边(分段)上线性排列的M(M是不小于1的整数)个天线振子；K个自适应接收机，每个用于接收来自用于相应分段的M个天线振子的接收信号，为该分段独立形成在所要信号方向上具有一个增益的方向图，接收有用信号，并抑制干扰信号；解调信号合成器，用于接收作为从K个自适应接收机输出的K个解调信号，加权并合成该信号，并为一个用户输出一个解调信号。
在本发明中，因为天线振子被线性排列在每个分段，可以在与每条直线(每个分段边)垂直的方向上形成具有与天线振子数目完全成比例的高接收增益的方向图。因为为每个分段独立形成方向图，可以减少同时被自适应控制的天线振子数目。即使天线振子数目增加，在指定用户方向上形成方向图期间保持高度的自适应收敛和稳定性。
通过参考下述详细的说明和附图，其中用说明性的例子阐明结合本发明原理的优选实施例，本发明的上述和其它许多目的、特性和优点对于本领域的技术人员将变得明显。
图1是表示常规阵列天线接收设备配置的方框图；
图2是表示图1所示现有技术中自适应接收机配置的方框图；
图3是表示根据本发明一个实施例的阵列天线接收设备配置的方框图；
图4是表示图3所示实施例中自适应接收机配置的方框图；
图5是表示根据本发明另一实施例的阵列天线接收设备配置的方框图；
图6是表示图5所示实施例中自适应接收机配置的方框图。
下面将参考附图详细说明本发明的几种优选实施例。
在这种情况下，多路复用的输入信号是码分多路信号。第一实施例将举例说明一种阵列天线接收设备(CDMA自适应接收设备)，在天线中一个多边形有K(K为3或更大的整数)条边(分段)并且每个分段有M(M为1或更大的整数)个天线振子。
参见图3，根据本发明第一实施例的阵列天线接收设备由下述部分组成：用于接收无线电信号以输出天线接收信号(S11至SKM)的天线1，用于接收相应分段的天线接收信号以输出相应分段的解调分段信号(SD1至SDK)的自适应接收机31至3K，解调信号合成器4和确定电路5。
天线1由以M个振子为单元线性排列在K边多边形相应边(分段)上的天线振子211至2KM组成。将主要描述第k个分段。
第k个分段中的天线振子2k1至2kM彼此相邻以便建立第k个分段中天线接收信号Sk1至SkM之间的相关性，并接收通过编码复用所需信号和多个干扰信号所得到的信号。每个天线振子2k1至2kM并不被特别限定为水平面方向性，并希望采用具有180°或更小波束宽度的单极方向性。当天线振子2k1至2kM采用具有180°或更小波束宽度的单极方向性时，必须排列它们以形成天线1多边形外侧的方向性。当天线振子2k1至2kM并不采用具有180°或更小波束宽度的单极方向性时(即全方向性或双极方向性)，无线电屏蔽部件必须被装在天线1的K边多边形内侧，以便在天线1的K边多边形第k条边(第k个分段)内侧具有方向性的天线振子2k1至2kM不接收信号。在随后的处理中，因为信号在基带被数字化处理，由天线1第k个分段的天线振子2k1至2kM接收的M个天线接收信号k1至kM从无线电频带被变频到基带并被模数转换。
解调信号合成器4接收作为自适应接收机31至3K输出的K个解调的第1至第K分段信号SD1至SDK，加权并合成它们，并为一个用户输出一个解调信号。在解调信号合成器4中的加权合成方法不被特别限定，并包括只选择具有最大有用信号功率的解调信号的方法，只选择具有有用信号功率与干扰功率最大比(SIR)的解调信号的方法，和最大化有用信号功率与干扰功率比值的最大比合成法。
确定电路5接收作为解调信号合成器4输出的用于一个用户的解调信号，并为该解调信号执行硬确定，从而输出一个用户确定码元。这里，应当说明的是图3中只显示了确定电路5中的一个，而其它电路则被省略了。
参见图4，第k个分段的自适应接收机3k由去扩展电路6k1至6kM、加权合成器7、解调器10、复数乘法器13、减法器14、延迟电路15和天线加权控制电路16组成。第k个分段的自适应接收机3k接收由在一个分段中线性排列的M个天线振子2k1至2kM接收的天线接收信号k1至kM，和作为确定电路5输出的用户确定码元，并输出一个解调的第k分段信号。
去扩展电路6k1至6kM计算天线信号k1至kM和用户扩展码C之间的相关性。假设扩展码C是由两个正交码CI和CQ组成的一个复数码，去扩展电路6k1至6kM可以通过一个复数乘法器和在码元段上取平均值的电路实现。去扩展电路6k1至6kM也可以通过一个装有抽头加权C的横向滤波器实现。
加权合成器7包括复数乘法器8k1至8kM和加法器9。加权合成器7使去扩展电路6k1至6kM的输出乘以天线加权Wrk1至WrkM，并将它们相加以生成由只有指定用户才有的方向图所接收的信号。
解调器10包括传输路径估计电路11和复数乘法器12。加权合成器7的输出和传输路径估计输出的复共轭的乘积是作为第k分段的自适应接收机3k输出的解调后的第k分段信号。
复数乘法器13使用户确定码元和传输路径估计输出相乘。在用户确定码元和传输路径估计输出相乘中，只有关于估计值相位的部分可以被相乘，以及由另一装置获得的幅度可以被相乘。这个另一装置是一个用于通过测量例如接收功率来获得幅度的装置。
减法器14计算复数乘法器13的输出和加权合成器7的输出之间的差值，并检测天线加权控制误差ek。
延迟电路15根据加权合成器7、解调器10、减法器14和类似部件的处理时间延迟去扩展电路6k1至6kM的输出。
天线加权控制电路16根据天线加权控制误差ek和延迟电路15的输出计算天线加权Wrk1至WrkM。天线加权控制电路16根据MMSE标准自适应地控制天线加权Wrk1至WrkM以便最小化天线加权控制误差ek的均方值。当使用LMS算法作为具有小运算量的更新算法时，天线加权Wrk1至WrkM由下式给出：Wrk(i+1)＝Wrk(i)+μr(i-Ddem)ek *(i)          .....(2)其中Wrk(i)(具有M个元素的列向量)是第i个码元的天线加权，r(i)(具有M个元素的列向量)是天线接收信号，μ是步长，Ddem是由延迟电路15给出的延迟时间，*表示复共轭。根据等式(2)，天线加权Wrk1至WrkM被每码元更换。当步长μ大时，到用于形成最佳方向图的天线加权Wrk1和WrkM的收敛速度快，但自适应精度和稳定性低；当步长μ小时，自适应精度和稳定性高，但收敛速度低。因此步长被自适应地改变以获得满意的收敛速度、自适应精度和稳定性。这种方法也被结合在本发明中。自适应控制收敛步骤可以使用已知码元而不是确定码元。
现在将说明根据本发明第一实施例的效果。在本发明第一实施例中，既然天线振子2k1至2kM被线性排列在每个分段，可以在与线性排列的天线振子2k1至2kM垂直的方向上形成具有与天线振子数完全成比例的高接收增益的方向图。
因为为每个分段独立形成方向图，所以可以减少同时被自适应控制的天线振子数目。即使天线振子的数目增加，在指定用户方向上形成方向图期间也能保持高度的自适应收敛和稳定性。
参见附图5和6将详细说明本发明的第二实施例。在这种情况下，多路复用的输入信号是码分多路信号。第二实施例将举例说明一种阵列天线接收设备(CDMA自适应接收设备)，在天线中一个多边形有K(K为3或更大的整数)条边(分段)并且每个分段有M(M为1或更大的整数)个天线振子。
参见图5，根据本发明的阵列天线接收设备由天线1，自适应接收机171至17K和解调信号合成器4组成。
天线1由以M个振子为单元线性排列在K边多边形的相应边(分段)上的天线振子211至2KM组成。将主要描述第k个分段。
第k个分段中的天线振子2k1至2kM彼此相邻以便建立第K个分段中天线接收信号Sk1至SkM之间的相关性，并接收通过编码复用有用信号和多个干扰信号所得到的信号。每个天线振子2k1至2kM并不被特别限定为水平面方向性，并希望采用具有180°或更小波束宽度的单极方向性。当天线振子2k1至2kM采用具有180°或更小波束宽度的单极方向性时，必须排列它们以形成天线1多边形外侧的方向性。当天线振子2k1至2kM并不采用具有180°或更小波束宽度的单极方向性时(即全方向性或双极方向性)，无线电屏蔽部件必须被装在天线1的K边多边形内侧以便在天线1的K边多边形第k条边(第k个分段)内侧具有方向性的天线振子2k1至2kM不接收信号。在随后的处理中，因为信号在基带被数字化处理，由天线1第k个分段的天线振子2k1至2kM接收的M个天线接收信号k1至kM从无线电频带被变频到基带并被模数转换。
解调信号合成器4接收作为自适应接收机171至17K输出的K个解调第1至第k分段信号，加权并合成它们，并为一个用户输出一个解调信号。在解调信号合成器4中的加权合成方法不被特别限定，并包括只选择具有最大有用信号功率的解调信号的方法，只选择具有有用信号功率与干扰功率最大比(SIR)的解调信号的方法，和最大化有用信号功率与干扰功率比值的最大比合成法。
参见图6，第k个分段的自适应接收机17k由去扩展电路6k1至6kM、加权合成器7、解调器10、到达方向估计电路18和天线加权产生电路19组成。第k个分段的自适应接收机17k接收由一个分段中线性排列的M个天线振子2k1至2kM接收的天线接收信号k1至kM，并输出解调的第k分段信号。
去扩展电路6k1至6kM计算天线信号k1至kM和用户扩展码C之间的相关性。假设扩展码C是由两个正交码CI和CQ组成的一个复数码，去扩展电路6k1至6kM可以通过一个复数乘法器和在码元段上取平均值的电路实现。去扩展电路6k1至6kM也可以通过一个装有抽头加权C的横向滤波器实现。
加权合成器7包括复数乘法器8k1至8kM和加法器9。加权合成器7使去扩展电路6k1至6kM的输出乘以天线加权Wrk1至WrkM，并将它们相加以生成使用只有指定用户才有的方向图所接收的信号。
解调器10包括传输路径估计电路11和复数乘法器12。加权合成器7的输出和传输路径估计输出的复共轭的乘积是作为第k分段的自适应接收机17k输出的解调的第k分段信号。
到达方向估计电路18接收去扩展电路6k1至6kM的输出，并根据由多个用户信号多路复用的接收信号估计有用信号的到达方向。到达方向估计电路18中的到达方向估计方法不被限定并包括例如MUSIC方法。
天线加权生成电路19接收作为到达方向估计电路18输出的估计到达方向信号，并计算和输出用于形成在估计到达方向上具有最大接收增益的方向图的天线加权Wrk1和WrkM。
现在将说明根据本发明第二实施例的效果。在本发明第二实施例中，在自适应接收机171至17k中估计到达方向，并根据估计的到达方向产生天线加权Wrk1和WrkM。在本发明的第一实施例中，自适应控制是闭环控制。相反，在本发明的第二实施例中，自适应控制是开环控制，因而可以被稳定地执行而没有偏差。
本发明的上述实施例并不限定扩展码C的码长即扩展比。根据本发明的阵列天线接收设备也可以被应用于由码分多址方法之外的一种方法以扩展比为1来进行多路复用的信号。
本发明的上述实施例并不限定天线振子之间的间隔。例如，间隔可被设置为载波波长的1/2。
本发明的上述实施例并不限定分段数K。例如，该多边形可以是一个三角形。
本发明的上述实施例并不限制定线性排列在一个分段中的天线振子数M。
本发明的上述实施例并不限制同时接收用户的个数。
本发明的上述实施例并不限定用于同时接收用户的多路径个数。

Claims (9)

1.一种阵列天线接收设备，包括：阵列天线，其具有在一个K(K是不小于3的整数)边多边形的每条边上线性排列的M(M是不小于1的整数)个天线振子；K个自适应接收机，每个用于接收来自用于相应分段的M个天线振子的接收信号，独立地为该分段在有用信号方向上形成具有增益的方向图，接收有用信号，并抑制干扰信号；解调信号合成器，用于接收作为所述K个自适应接收机输出的K个解调信号，加权并合成信号，并为一个用户输出解调信号。
2.根据权利要求1的阵列天线接收设备，其中在多边形每条边的外侧形成所述阵列天线每个分段的方向图。
3.根据权利要求1的阵列天线接收设备，其中所述的解调信号合成器在加权并合成K个解调信号中选择一个具有最大期望信号功率的解调信号。
4.根据权利要求1的阵列天线接收设备，其中所述的解调信号合成器在加权并合成K个解调信号时选择一个具有有用信号功率与干扰功率的最大比的解调信号。
5.根据权利要求1的阵列天线接收设备，其中所述的解调信号合成器执行加权合成(最大比合成)，以便在加权并合成K个解调信号时使有用信号功率与干扰功率的比值(SIR)最大。
6.根据权利要求1的阵列天线接收设备，其中所述K个自适应接收机中的每个都包括：M个去扩展装置，用于接收由所述M个天线振子接收的码分多址(CDMA)信号和通过硬确定为用于一个用户的解调信号获得的确定码元，并使用一个指定用户扩展码对M个天线接收信号中的每个信号去扩展；加权合成器，用于形成方向图；解调器，用于估计传输路径；乘法器，用于将用户确定码元乘以作为所述解调器输出的复数传输路径估计值以消除载波相位锁定所导致的相位改变；减法器，用于从所述乘法器的输出减去所述加权合成器的输出以检测天线加权控制误差；延迟装置，用于根据所述解调器的处理时间延迟从所述M个扩展装置的输出；天线加权控制装置，用于根据最小均方误差(MMSE)控制并输出天线加权，以便使用所述延迟装置的输出和天线加权控制误差最小化天线加权控制误差的平均功率。
7.根据权利要求1的阵列天线接收设备，其中所述K个自适应接收机的每个接收机包括：M个去扩展装置，用于接收由所述M个天线振子接收的码分多址(CDMA)信号，并使用指定用户扩展码对M个天线接收信号的每个信号去扩展；到达方向估计装置，用于根据所述M个去扩展装置的输出估计到达方向；天线加权生成装置，用于根据所述到达方向估计装置的输出生成天线加权；一个加权合成器，用于根据天线加权形成一个方向图；和一个解调器，用于估计传输路径。
8.根据权利要求6的阵列天线接收设备，其中所述的加权合成器包括：M个复数乘法器，用于接收M个天线接收信号和天线加权，并将所接收信号乘以M个复数天线加权；加法器，用于计算所述M个复数乘法器输出之和。
9.根据权利要求6的阵列天线接收设备，其中所述解调器包括：传输路径估计装置，用于接收所述加权合成器的输出并估计载波的幅度和相位；复共轭运算装置，用于获得作为所述传输路径估计装置输出的复数传输路径估计值的复共轭；乘法器，用于将所述去扩展装置的输出乘以所述复共轭运算装置的输出以使载波相位锁定。
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