CN1264294C - 全自适应－衡模智能天线接收方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种阵列天线全自适应-衡模权值更新装置及其方法，所述装置包括：天线阵列、射频通道；以及数字波束赋形单元20、解扩解扰单元21、误差求解单元22、权值计算单元23和权值选择单元24；方法包括：射频前端处理；进行加权求和；将所得到的信号与PN码的共轭相乘；将所得到的信息数据和相应的参考信号等数据送入权值更新模块；选择下一周期的系统权值；对应权值进行权值更新。本发明所述方法和装置，综合了有学习的和盲的自适应方法的优势，可取得理想的权值更新效果；直接实现了接收信号性能最优的全自适应智能天线，不仅能在期望用户信号的到达方向形成很强的波束增益，而且能适应无线信号环境，对干扰信号作很客观的压制，使接收信号性能最优。

Description

全自适应-衡模智能天线接收方法与装置

技术领域

本发明涉及一种无线蜂窝通信系统中，采用阵列天线的自适应控制天线波束进行所需信号的接收和发送的设备及方法，本发明可以应用于采用任何阵列方式和任何双工方式的码分多址(CDMA，Code Division Multiple Access)接入方法的数据传输系统。

背景技术

码分多址(CDMA)是一种多址接入方法，它基于扩频技术并且近来已成为除现有FDMA(Frequency Division Multiple Access)和TDMA(Time Division MultipleAccess)方法之外应用于蜂窝无线系统的又一种多址方法。与现有方法相比，CDMA具有许多优点，例如频谱利用率高、规划简单等。正因如此，第三代移动通信中CDMA系统成为主流。

现在采用CDMA方法的系统主要有：IS-95(Q-CDMA)系统，WCDMA(Wideband CodeDivision Multiple Access)系统，Cdma2000系统，TD-SCDMA(TimeDivision-Space-Code Division Multiple Access)系统，TD-CDMA(Time Division-Code Division Multiple Access)系统等。这些系统中采用了多码扩频技术或称双层扩频码分配技术，也就是说在这些CDMA系统中，从移动用户到基站的上行链路的扩频方式可以分为两步，第一步是用互相关性能很好的正交函数(Walsh函数，OVSF(Orthogonal Variable Spreading Factor)码)作为信道码扩频，本文中不妨把这一步称作加扩，对应接收端的恢复过程称作解扩；第二步使用每个用户唯一分配的自相关性能较好的伪随机码(PN序列，M序列，Gold序列)进一步扩频，本文中可以把第二步称作加扰，对应接收端的恢复过程称作解扰，上述的伪随机码称作扰码，用扰码来区分不同的移动用户。同样，这些系统中从基站到移动用户的下行链路的扩频方式也分同样的两步，唯一的区别是上行链路中的扰码用来区分基站或小区，不同的基站或小区的扰码不同。在数字无线通讯系统中，由于空间信道中存在各种噪声、多径以及衰落的干扰，所以接收机所接收到的信号的性质不十分理想。为了有效地接收信号，接收机系统中采用了多种技术来提高系统的接收性能，如CDMA系统中的RAKE合并技术等。

在CDMA系统中，许多用户使用同一频带进行通信。由于不可能设计出完全互不相关的扩频码集合，所以不同用户之间仍存在着相互干扰。一般来说，在一个频带内的用户数越多，干扰水平就越高，链路的通信质量就越差。因此，CDMA系统是一个干扰受限的无线通信系统，其每一个规定宽度的频带所能容纳的信道数是有限度的，所以前述的各种技术手段只能将通信系统的容量提高到一定程度，要想超过这个限度则必须相应增加其他的资源。空间分集是增加系统容量与改善系统性能的最新发展技术，理论上分析表明只要正确地使用一组天线，形成新的自由度和空间，就能较大地增加系统容量。此外，采用空间分集还可以降低功耗、增加抗衰落和抗干扰能力，更有效地切换以及更好的安全性和系统鲁棒性。

现有CDMA系统中，通常采用了导频信道传送导频符号，其中有两种方式，一种是专用导频信道方式，这种方式连续发送导频符号。另一种是插入导频信道方式，这种方式把导频符号和其它信息符号在时间上复用，有的时间段内发送导频符号，有的时间段内没有导频符号被发送。

为了进一步利用不同信号的不同空间特性提高系统性能，很多人研究了智能天线技术，也叫阵列天线技术。智能天线采用两个以上的单天线阵元组成天线阵，每个阵元接收到的信号经过射频处理后进行用适当的权值进行加权求和，就能达到定向接收的效果，一个权值矢量对应着一定的波束方向图。加权的实质是一种空间滤波，智能天线也可以认为是一种空分多址(SDMA，Space Division MultipleAccess)技术。在SDMA中通过天线阵列接收信号，并通过数字信号处理进行数字波束赋形(DBF，Digital Beam Forming)，使所需信号的信噪比最大。这是通过调整天线阵列所接收的信号的相位和幅度使所需信号通过相加求和得到加强，而其它干扰信号通过相加求和得到削弱实现的。

一般的智能天线系统结构如图1所示，各个天线阵元的输出信号以及智能天线的输出通过智能天线方法的处理，获得各个天线阵列相对应的一组权值；这一组权值乘以天线输出之后，将各个结果相加就可以得到智能天线系统的输出。无线信号通过天线阵列10进入系统，其中天线阵列10由多个天线阵元(101-103)构成。天线输出的信号分别通过各自的射频通道(110-113)，在信号合成单元12进行加权求和，形成一维信号后输入以后的系统进行处理。而信号合成单元12中的权值系数，由智能天线方法模块13提供。

智能天线大体可分三种，一种是预多波束智能天线。这种方法是预先设定一些指向不同方向的波束权值，在通信过程中选择接收信号比较好的那些波束权值加权结果进行后续处理。这种方法的结构简单，不涉及矩阵运算，便于硬件实现。

第二种是部分自适应智能天线，这种实现方案通常从接收的阵列信号中提取期望用户信号到达方向角信息，然后形成指向到达方向角的波束，如果到达方向角(DOA，Direction Of Arrival)变化则权值也跟着变化。这种方法的准则是使接收到的期望用户信号能量最大，同时有限地压制其它方向的干扰。

另一种是全自适应智能天线，这种天线的权值不需要预先设置，而是根据信号空间分布特性的变化而按一定准则不断更新权值，权值的幅度和相位都可以自由的更新，当更新方法收敛时这种方法能充分利用期望用户信号和干扰信号的空间特性使接收到的信号的信干噪比达到最大。

全自适应型智能天线在这三种结构中，具有以下优势：

全自适应型智能天线相对于预多波束型智能天线来讲，其形成的接收波束更加狭窄，可以在主要的干扰方向上形成“零陷”(即在主要干扰方向上通过加权求和使信号强度为零)，并且其跟踪速度也更高。

全自适应型智能天线相对于部分自适应型智能天线，其算法相对简单，可以不需要矩阵运算，并且运算需要的数据量较小，因此权值更新速度更高，对应跟踪速度也更高。

全自适应型智能天线权值形成方法，分为有学习的自适应方法和盲的自适应方法。有学习的自适应方法是指存在已知的符号序列，对应其接收序列来自适应学习智能天线系统需要的权值。盲的自适应方法是指输入信号中不包含已知的符号序列，完全根据某种准则自适应调节权值，使准则值最优。在盲的自适应方法中，有一种衡模方法，所述衡模方法是利用数字通讯系统中仅仅存在两种可能的符号：+1和-1的特性来进行自适应权值调整的。

对于有学习的自适应方法，由于其中含有大量的已知信息，其收敛速度高，收敛性也好。在各种CDMA系统中一般存在导频信道，可以用来进行自适应学习。但是，实际接收到的信号，一般是I、Q两路的，而导频信号仅仅存在于一路之中。考虑到接收相位的影响，实际的导频能量在两路之中一般均存在，需要综合考虑。在完成接收信号的解扩解扰之后，需要对所得到的信号进行取虚部(实部)运算。如此，一方面增加了方法推导的难度，另一方面也会引起信息的损失。

对于盲的自适应方法，其与系统信号的关系相对较小，对于不存在导频的时间同样可以应用。但是这种方法已知信息不足，其出现误判的可能性较高。

发明内容

本发明为了克服了现有技术中的两种方法各自的缺点，解决现有技术中存在的两种方法各自独立的问题，提出了如下的需要解决的技术问题。

本发明要解决的技术问题之一是提出一种适用于CDMA系统的结合两种方法的优势的简单有效的阵列天线全自适应一衡模权值更新方法，使之既适合于采用插入导频信道的通信系统，也适合于采用专用导频信道的通信系统。

本发明要解决的技术问题之二是提出一种硬件规模较小，实现成本也较低的阵列天线全自适应一衡模权值更新装置。

本发明提出一种阵列天线全自适应一衡模权值更新方法，包括以下步骤：

第一步射频前端处理，即将空中的无线信号转化为基带数字信号以供后续模块处理；

第二步将所得到的数据用当前的波束权值进行加权求和；

第三步将第二步得到的信号与刚码的共轭相乘，得到解扩解扰后的信息数据；

第四步将第二步得到的信息数据和相应的参考信号(包括对应天线阵元的输入信号、已知导频符号以及另一路的+1和-1符号)等数据送入权值更新模块；分别得到对应+1和-1的权值更新系数；

第五步选择下一个周期的系统权值，包括比较所得到的对应+1和-1的两个权值系数，将变化小的权值系数保留作为下一个更新周期的系统权值；

第六步对于对应权值进行权值更新。

本发明提出一种阵列天线全自适应-衡模权值更新装置，包括：天线阵列、射频通道；其特征在于，还包括数字波束赋形单元(20)、解扩解扰单元(21)、误差求解单元(22)、权值计算单元(23)和权值选择单元(24)；

所述数字波束赋形单元用权值对射频通道输出的信号进行加权求和，其输入端接收射频通道输出的数字信号之外，还与所述权值更新模块(23)的权值输出端相连，其输出端连到所述解扩解扰单元(21)的输入端；

所述解扩解扰单元，用于产生PN码(包括扰码和信道码)，并且完成输入信号与PN码的共轭相乘，其输出连接误差求解单元(22)；

所述误差求解单元产生已知导频符号，并且进行与输入信号的误差求取功能；在系统中对应另一路的符号+1和-1，各有一个单元，它们是独立的；其输出提供给权值计算单元(23)；

所述权值计算单元(23)，其输入信号有：对应射频通道的输出数据、解扰之后的含有导频信息的一路数据、误差信号数据；通过权值更新算法得到新的一组复数权值，然后把这套复数权值输出送往权值选择单元(24)；

所述权值选择单元(24)，用于确定两个权值的大小，选择变化较小的权值变化量输出给数字波束赋形单元(20)。

以上结构可以直接应用于专用导频的CDMA系统。对于插入导频系统处在导频的时间内，进行权值更新操作。而对于无导频阶段，可以不进行对权值更新，或者对两路信号均采用衡模方法进行自适应权值更新。

采用本发明所述方法和装置，与现有技术相比，采用更加有效的权值更新方法，达到了提高系统权值更新可靠性效果。

本发明所述方法和装置，与现有智能天线技术相比，首先，综合了有学习的自适应方法和盲的自适应方法两种方法的优势，可以取得更加理想的自适应权值更新效果；其次，本发明直接实现了接收信号性能最优的全自适应智能天线方案，不仅能在期望用户信号的到达方向形成很强的波束增益，而且能适应无线信号环境，对干扰信号作很客观的压制，本发明的接收信号性能最优的。

附图说明

图1是一般智能天线的结构示意图；

图2是本发明装置的基本结构的示意图；

图3是本发明方法的流程图；

图4是本发明中时分复用权值更新的矢量示意图；

图5是本发明中时分复用权值更新单元23与权值选择单元24结构示意图；

图6是本发明方法针对WCDMA系统时分复用的实施例流程图；

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：

现有技术中，学习的自适应方法和盲的自适应方法两种方法在数学处理上，只选择两路基带信号中的一路进行运算，得到权值更新方法。这样没有充分利用系统的全部信息，收敛速度以及精度较低。为了达到两种方法相结合的目的，必须同时选择两路信号进行数学推导，进而达到更高的收敛速度以及更好的收敛精度。但是，由于实际系统中的I路(数据信道)的符号是未知的，因此需要提出一种现有技术没有也不需要的更新权值的选择方法，最终确定数字波束赋形单元所采用的权值系数。在接收导频符号的时间段内(或是有专用导频的情况)，对根据上层提供的已知导频符号用与发送端相应的扩频码扩频，然后以扩频后的序列作为存在导频信道的一路的参考符号。对于与导频信道共同存在的另一路信道，采用衡模方法，分别同时以+1和-1作为参考符号，将两路的参考符号合成为总的两个参考符号。分别针对应+1和-1的参考符号，以解扰后解扩前的含有导频信息的接收序列作为输入序列，根据一段时间内最小均方误差准则，对阵列权值进行最陡下降法的更新。对于所得到的两个权值系数，认为变化小的更加符合实际物理意义，对此进行保留作为下一个更新周期的系统权值。如此，综合了两种方法的有点，避免了他们的不足，达到最佳的收敛效果。这正是本发明的核心所在。

一般的智能天线系统结构如图1所示，各个天线阵元的输出信号以及智能天线的输出通过智能天线方法的处理，获得各个天线阵列相对应的一组权值；这一组权值乘以天线输出之后，将各个结果相加就可以得到智能天线系统的输出。无线信号通过天线阵列10进入系统，其中天线阵列10由多个天线阵元(101-103)构成。天线输出的信号分别通过各自的射频通道(110-113)，在信号合成单元12进行加权求和，形成一维信号后输入以后的系统进行处理。而信号合成单元12中的权值系数，由智能天线方法模块13提供。

本发明所述装置结构如图2所示，图中x_i为各射频单元的输出信号(i＝1，2，……，N，i为智能天线系统的天线阵元数目)；y为经过智能天线加权之后的输出信号，s₀为解扩解扰之后的信号，PN为扰码与信道码的乘积信号，s_r为参考信号(符号级)，e为解扩解扰结果与参考信号的误差信号，ω_i为智能天线模块确定的对应阵元i的权值(i＝1，2，……，N)。

本发明提出一种阵列天线全自适应权值更新装置如图2所示，包括：天线阵列、射频通道，所述天线阵列包括两个或两个以上的天线阵元，其输出端接到射频通道的输入端；所述射频通道与所述天线阵列相对应，接收来自所述天线阵列的信号，完成低噪声放大，自动增益控制，解调，通道校正，基带转换，A/D采样，匹配滤波；所有射频通道的输出端一方面接到数字波束赋形单元的输入端，另一方面接到权值更新模块的输入端；数字波束赋形单元中的权值由权值选择单元提供；其特征在于，还包括数字波束赋形单元20、解扩解扰单元21、误差求解单元22、权值计算单元23和权值选择单元24。为了简化起见，图2中省略了各种智能天线系统中均具有的天线阵列、射频通道部分。

所述数字波束赋形单元用权值对射频通道输出的信号进行加权求和，其输入端除了射频通道过来的数字信号之外，还与所述权值更新模块23的权值输出端相连，其输出端连到所述解扩解扰单元21的输入端；

所述解扩解扰单元，用于产生PN码(包括扰码和信道码)，并且完成输入信号与PN码的共轭相乘。其输出连接误差求解单元22；

所述误差求解单元22产生已知导频符号(Q路)，并且进行与输入信号的误差求取功能；在系统中对应另一路(I路)的符号+1和-1，各有一个单元，它们是独立的，其输出提供给权值计算单元23；

所述权值计算单元23，其输入信号有：对应射频通道的输出数据、解扰之后的含有导频信息的一路数据、误差信号数据；通过权值更新算法得到新的一组复数权值，然后把这套复数权值输出送往权值选择单元24；

所述权值选择单元24确定两个权值的大小，选择变化较小的权值变化量输出给数字波束赋形单元20。

图3为本发明方法的流程图。其中，分别对+1和-1进行权值求解步骤对应本发明方法中的第四步，即综合利用I、Q两路的信息获得更加理想的系统收敛特性。而权值选择步骤对应本发明方法中的第五步，选择与当前使用的权值系数比较相近的计算权值，保证系统的稳定性。这两步是本发明不同于其他现有系统的特点，它们共同保证了本发明系统的良好性能。

结合图2以及图3中的全自适应-衡模智能天线权值更新装置与方法，可以到达较优的收敛速度以及精度的要求。但为了进一步降低系统的成本，在实际系统实现时，还可以基于时分复用技术，在一定的时间段内仅仅对一个权值系数进行移位自适应地权值更新。考虑到实际用户信号相对权值更新周期而言是缓慢变化的，这种时分复用的方法是可行的。以WCDMA系统为例，一般阵列天线可以达到的最小的波束约为10度左右，本发明方法在一帧(10ms)之内就可以达到收敛。WCDMA系统允许用户最大速度为500km/hr(公里/小时)，假设系统采用8个阵元的圆形天线阵列(允许覆盖角度为360°)。经计算采用时分复用的本发明系统可以有效跟踪距离基站天线127.5m(米)处500km/hr的高速用户。这个指标足以达到系统的要求。对于采用直线形天线阵列的系统，由于系统需要覆盖的角度更小，所以收敛速度更快。

在图4说明了这一时分复用方法的物理意义(假设仅仅在两个方向上进行自适应)。图4中，400为最优的权值对应的位置，401为当前权值的对应位置。410为采用其他各个权值一同更新权值所需要改变的量。421，422为本发明中的方法进行两次自适应分别对应的权值变化量，411为这两次变化的总的结果。可以看出，411与410的方向差很小，经过多次自适应权值更新之后，并行的各个权值一同更新的方法以及串行的时分复用的方法都会收敛到最优权值对应位置。

针对WCDMA系统的时分复用，对应图2中权值更新单元24与权值选择单元25的一个计算单元具体结构，可以采用如图5所示的结构。其中包括：依次连接的多路信号选择器50，其输出为对应待更新权值阵元的信号；一维权值更新计算单元51，其输出为权值更新的变化量；权值更新单元52，其输出为更新后的权值；以及对应权值更新/选择单元53，一方面，对权值更新单元52进行选择控制，其输出为更新后的系统权值。

其中，对应一维权值更新计算单元51的工作原理如下，通过数学推导，得到在WCDMA系统条件下的一维权值更新的最小均方准则的公式：

ω(k+1)＝ω(k)+Δω(k)

Δω(k)＝-μgrad(J(k))

以及

$\mathrm{gra}{d}_n\left(J\right)=\frac{\∂J}{\∂{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{Rn}}}+j\frac{\∂J}{\∂{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{In}}}$

$=\underset{i=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}4e(\mathrm{km}+l)[-x_{\mathrm{In}}(\mathrm{kM}+l)+j\·x_{\mathrm{Rn}}(\mathrm{kM}+l)]$

其中，下标R表示对应复数的实部，下标I表示对应复数的虚部。通过不断用ω(k+1)取代ω(k)达到系统权值系数更新的目的。

综合考虑权值更新的速度以及稳定性，每一个时隙对一个权值进行更新，即可以在M个时隙完成全部权值的一次更新。

针对WCDMA系统时分复用实现方法的流程图如图6所示。针对以上时分复用的应用，将本发明方法改进为以下几个步骤：

第一步射频前端处理，即将空中的无线信号转化为基带数字信号供后续模块处理；

第二步将所得到的数据用当前的波束权值进行加权求和；

第三步对第二步得到的信号进行与PN码的共轭相乘，得到解扩解扰后的信息数据；

第四步按照规定顺序选择需要更新权值的天线阵元；

第五步将第三步得到的信息数据和相应的参考信号(包括对应天线阵元的输入信号、已知导频符号以及另一路的+1和-1符号)等数据送入权值更新模块；对于对应权值进行权值计算；

第六步选择得到对应+1和-1的权值更新系数；

第七步更新系统的权值系数。

本发明中提出了一种学习自适应与衡模盲自适应相结合的智能天线系统接收权值更新方法。这种方法能够综合两种方法的优点，提高了系统的自适应的收敛速度以及可靠性。

本发明还提出一种在一个时刻仅对一个天线阵元进行自适应优化的实现装置。可以在硬件实现时利用时分复用技术，大大降低了的硬件成本，同时降低了系统的造价。

Claims (5)

1.一种全自适应—衡模智能天线接收方法，包括以下步骤：

第一步射频前端处理，即将空中的无线信号转化为基带数字信号以供后续模块处理；

第二步将所得到的数据用当前的波束权值进行加权求和；

第三步将第二步得到的信号与PN码的共轭相乘，得到解扩解扰后的信息数据；

第四步将第二步得到的信息数据和相应的参考信号数据送入权值更新模块；分别得到对应+1和-1的权值更新系数，相应的参考信号包括对应天线阵元的输入信号、已知导频符号以及另一路的+1和-1符号数据；

第五步选择下一个周期的系统权值，包括比较所得到的对应+1和-1的两个权值系数，将变化小的权值系数保留作为下一个更新周期的系统权值；

第六步对于对应权值进行权值更新。

2、如权利要求1所述的全自适应—衡模智能天线接收方法，其特征在于：在第三步与第四步之间，还包括按照规定顺序选择所需要更新权值的天线阵元。

3、一种全自适应—衡模智能天线接收装置，包括：天线阵列、射频通道；其特征在于，还包括数字波束赋形单元(20)、解扩解扰单元(21)、误差求解单元(22)、权值计算单元(23)和权值选择单元(24)；

所述数字波束赋形单元用权值对射频通道输出的信号进行加权求和，其输入端接收射频通道输出的数字信号之外，还与所述权值更新模块(23)的权值输出端相连，其输出端连到所述解扩解扰单元(21)的输入端；

所述解扩解扰单元，用于产生PN码(包括扰码和信道码)，并且完成输入信号与PN码的共轭相乘，其输出连接误差求解单元(22)；

所述误差求解单元产生已知导频符号，并且进行与输入信号的误差求取功能；在系统中对应另一路的符号+1和-1，各有一个单元，它们是独立的；其输出提供给权值计算单元(23)；

所述权值计算单元(23)，其输入信号有：对应射频通道的输出数据、解扰之后的含有导频信息的一路数据、误差信号数据；通过权值更新算法得到新的一组复数权值，然后把这套复数权值输出送往权值选择单元(24)；

所述权值选择单元(24)，用于确定两个权值的大小，选择变化较小的权值变化量输出给数字波束赋形单元(20)。

4、如权利要求3所述的全自适应—衡模智能天线接收装置，其特征在于，所述权值计算单元(23)和所述权值选择单元(24)可以采用如下结构：依次连接的多路信号选择器(50)，其输出为对应待更新权值阵元的信号；一维权值更新计算单元(51)，其输出为权值更新的变化量；权值更新单元(52)，其输出为更新后的权值；以及权值更新/选择单元(53)，所述权值更新/选择单元(53)一方面通过对应当前选择的天线阵元的权值对权值更新单元(52)进行选择控制，一方面输出更新后的系统权值。

5、如权利要求3所述的全自适应—衡模智能天线接收装置，其特征在于，所述一维权值更新计算单元(51)的一维权值更新准则为：

ω(k+1)＝ω(k)+Δω(k)

Δω(k)＝-μgrad(J(k))

以及

${\mathrm{grad}}_n\left(J\right)=\frac{\∂J}{\∂{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{Rn}}}+j\frac{\∂J}{\∂{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{In}}}$

$=\underset{l=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}4e(\mathrm{km}+l)[-x_{\mathrm{In}}(\mathrm{kM}+l)+j\·x_{\mathrm{Rn}}(\mathrm{kM}+l)]$

其中，下标R表示对应复数的实部，下标I表示对应复数的虚部，通过不断用ω(k+1)取代ω(k)达到系统权值系数更新的目的。

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