CN1295899C - 路径定时检测方法与设备以及自适应阵列天线系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于自适应阵列天线系统的路径定时检测方法，它利用简单的处理来实现改善的路径定时检测特性以及高质量解调结果。滑动相关器在多个码片定时上解扩来自天线的信号。多波束形成装置从滑动相关器的输出形成多个定向波束。每一波束延迟轮廓产生装置在一个确定的周期中通过使用来自多波束形成装置的波束的信号序列来产生关于每个波束的被平均的延迟轮廓。路径定时检测装置通过使用一个最小选择定时间隔和一个最小选择波束间隔来从关于各个波束的被产生的延迟轮廓中接连检测路径定时，所述最小选择定时间隔以已经被选择作为路径定时的码片定时为中心，所述最小选择波束间隔以具有已经被选择的码片定时的波束为中心。

Description

路径定时检测方法与设备以及自适应阵列天线系统
技术领域
本发明涉及在自适应阵列天线系统中的路径定时检测，更具体而言，本发明涉及路径定时检测方法、路径定时检测设备和自适应阵列天线系统，其中码分多址(CDMA)信号被阵列天线接收，并且通过使用由多波束接收所获得的信号而检测路径定时。
背景技术
码分多址(CDMA)具有增加通信系统中的用户数的潜力，因此被认为是用于移动通信蜂窝系统的有前途的无线接入方法。不过，用户信号与有用用户信号同时接入基站并且干扰所述有用用户信号。使用自适应阵列天线的技术被用于消除空间区域中的这种干扰。
在自适应阵列天线系统中，信号被多个天线接收，通过以复数加权组合方式来组合被接收的信号，从而形成定向波束，由此接收有用用户信号而抑制其它用户信号的干扰。
在CDMA移动通信系统中，需要在接收和调制部分中确定包括在多径中的路径的定时，所述多径出现自信号的传播环境并且所述定时对于接收和解调信号是必要的，因此提供了路径定时检测部分。在自适应阵列天线中的路径定时检测部分在接收和解调之前检测多个路径定时，并且将检测到的定时通知接收和解调部分。接收和解调部分利用被通知的路径定时来解扩所接收的信号，从所述信号形成用户特定的定向波束，并且(通过瑞克组合)组合路径信号来最终获得解调结果。
在诸如自适应阵列天线系统的多天线系统中，每个天线的信号功率与干扰噪声功率的比(信号干扰噪声比：SINR)与天线的数量成正比地降低。因此如果通过使用只来自一个天线的被接收信号而执行路径定时检测，则会出现路径检测特性中的恶化，特别是SINR的降低。作为考虑这个问题而设计出的一个方法，已知的是通过使用利用多个天线接收的信号来执行路径定时检测的方法。用于利用这个方法执行路径定时检测的系统的一个例子被在日本专利公开No.2000-22587“扩频信号接收方法和接收机(Spread Spectrum Signal ReceivingMethod and Receiver)”中描述。这个系统被安排来改善检测特性，以使得延迟轮廓被在逐个天线的基础上形成，并且被组合以便获得一个平滑的延迟轮廓。
图7表示传统的路径定时检测设备和自适应阵列天线系统的配置的例子。
传统的自适应阵列天线系统具有一个路径定时检测部分101，还具有一个接收和解调部分106。路径定时检测部分101具有通过利用阵列天线接收码分多址(CDMA)信号来检测路径定时的装置，即滑动相关器102、每一天线延迟轮廓产生装置103、延迟轮廓组合装置104和路径定时检测装置105。
滑动相关器102以码片周期的1/NR(NR：等于或者大于1的整数)的分辨率在多个码片定时上解扩来自天线的信号，并且输出已解扩信号序列。每一天线延迟轮廓产生装置103在一个确定的周期中对于来自滑动相关器102的信号序列中的每一个进行平均，以便产生关于每个天线的延迟轮廓。延迟轮廓组合装置104组合由装置103产生的延迟轮廓，以便产生一个合成的延迟轮廓。路径定时检测装置105在一个合成的延迟轮廓的基础上检测要在接收和解调部分106中使用的多个路径定时。
图8说明传统的路径定时检测装置105的操作。为了检测路径定时，从延迟轮廓组合装置104得到的一个延迟轮廓中选择具有一个高等级的码片定时的检测方法被使用。由于窄带频带限制通常被在CDMA系统中执行，所以通过在多个码片定时上扩展而出现在一个路径中的信号。因此采用一种方法，其中在接连从一个延迟轮廓中选择具有高等级的码片定时的过程中，路径定时检测装置105设置一个码片定时间隔121(下文中称作“最小选择定时间隔”)，该间隔以已经被选择作为路径定时的码片定时为中心，并且在随后执行的路径定时检测中不选择小于最小选择定时间隔121的码片定时。
也就是，参考图8，如果NR是±4并且如果最小选择定时间隔121是4个码片定时(一个码片周期)，则具有最高等级的码片定时6被选择作为第一路径定时。在随后执行的路径定时检测中排除小于最小选择定时间隔121的码片定时。也就是，排除在码片定时6的对边上的码片定时3、4、5、7、8和9。接下来，码片定时13被选择作为第二路径定时，并且排除在码片定时13的对边上的码片定时10、11、12、14、15和16。在这个处理中，例如码片定时5以比码片定时13所具有的等级高的等级而存在，但是它不被当作第一路径的扩展并且不被选择。随后重复相同的路径定时检测处理。当NR＝4时，由±3或者±4个码片定时定义的间隔被恰当地设置作为最小选择定时间隔121。
接收和解调部分106具有用于利用天线阵列接收码分多址(CDMA)信号和利用检测到的路径定时解调路径信号的装置，即L个对应于多径传播路径的数量的路径接收装置107-1到107-L，以及一个组合器111。路径接收装置107-1到107-L具有相关器108-1到108L、波束形成装置109-1到109-L、瑞克组合加权装置110-1到110-L以及天线加权控制装置112-1到112-L。
相关器108-1到108-L利用由与各路径一致的路径定时检测部分101检测到的路径定时来解扩已扩展的信号。波束形成装置109-1到109-L通过使用自适应产生的用户特定的天线加权值来形成来自与各路径一致的相关器108-1到108-L的输出的天线定向波束。瑞克组合加权装置110-1到110-L加权对应于各路径的波束输出，以便补偿载波相位变化并且在组合之后将SINR最大化(以便获得最大比组合)。天线加权控制装置112-1到112-L通过使用来自相关器108-1到108-L的解扩信号来计算天线加权值。
作为天线加权控制装置112-1到112-L，已知的方法是根据各路径的到达角度的估计而计算天线加权值以使得波束被指向到各路径，并且使用诸如用于最小均方误差(MMSE)控制的自适应算法也是已知的。例如，在日本专利公开No.2002-77008“自适应天线接收机(Adaptive Antenna Receiver)”中公开了MMSE方法。组合器111将来自瑞克组合加权装置110-1到110-L的输出相加在一起并且输出通过组合路径所获得的高质量解调结果。
图7所示的传统自适应阵列天线系统中的路径定时检测设备被安排来通过提高路径定时区别使得对应于各个天线的延迟轮廓的等级组合(幅度或者功率组合)被执行以便获得一个平滑的延迟轮廓，从而改善检测特性。
不过，这个方法只是减小了关于各路径的延迟轮廓的每个峰值等级和噪声等级的扩展，而没有立即提高SINR(峰值等级与噪声等级之间的差)。特别是，如果包括在阵列天线中的天线振子的数量被增加，则每个天线的SINR被减小并且各路径中的峰值看起来没有区别。因此，限制了基于延迟轮廓组合的特性改善。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的一个目的是提供一种用于自适应阵列天线系统的路径定时检测方法，该方法通过简单的处理来实现改善的路径定时检测特性和高质量解调结果，还提供一种路径定时检测设备和自适应阵列天线系统，其中执行根据路径定时检测方法的处理。
本发明的另一个目的是提供一种用于自适应阵列天线系统的路径定时检测方法，该方法实现改善的路径定时检测特性和高质量解调结果，使得在逐个波束的基础上根据利用多波束接收获得的并且具有一个提高的SINR的信号来形成延迟轮廓，并且具有可靠性地从关于所有波束的延迟轮廓中的码片定时中检测到路径定时，而消除了路径扩展的影响，并且还提供一种路径定时检测设备和一种自适应阵列天线系统，其中执行根据路径定时检测方法的处理。
本发明的再一个目的是提供一种用于自适应阵列天线系统的路径定时检测方法，该方法实现了改善的路径定时检测特性和高质量解调结果，使得在逐个波束的基础上根据利用多波束接收获得的并且具有一个提高的SINR的信号来形成延迟轮廓，并且在最小选择定时间隔和最小选择波束间隔的基础上检测路径定时，并且提供一种路径定时检测设备和自适应阵列天线系统，其中执行根据路径定时检测方法的处理。
根据本发明的第一方面，提供了一种路径定时检测方法，其中利用阵列天线来接收码分多址信号并且检测路径定时，所述方法包括：
在多个码片定时上解扩信号和输出已解扩信号序列的步骤；
从所述已解扩信号序列形成多个定向波束并且输出各个波束的信号序列的步骤；
从各个波束的信号序列产生关于各个波束的延迟轮廓的步骤；以及
从所有延迟轮廓的码片定时中接连选择路径定时的步骤，其中
在所述选择路径定时的步骤中，当路径定时被接连选择时，在随后执行的路径定时检测中排除小于一个以已经被选择作为路径定时的码片定时为中心的最小选择定时间隔的码片定时，和在小于以具有已经被选择的码片定时的波束为中心的一个最小选择波束间隔的每个波束中的小于最小选择定时间隔的码片定时。
根据本发明的第二方面，提供了一种路径定时检测设备，它利用一个阵列天线来接收码分多址信号并且检测路径定时，该设备包括：
第一装置，用于根据所述信号来形成多个定向波束并且产生关于各个波束的延迟轮廓；以及
第二装置，用于从所有延迟轮廓的码片定时中接连选择路径定时，其中
所述第二装置还用于排除小于一个以已经被选择作为路径定时的码片定时为中心的最小选择定时间隔的码片定时，和在小于以具有已经被选择的码片定时的波束为中心的一个最小选择波束间隔的每个波束中的小于最小选择定时间隔的码片定时。
根据本发明的第三方面，提供了一种自适应阵列天线系统，它包括一个路径定时检测部分，其利用阵列天线来接收码分多址信号并且检测路径定时，还包括一个接收和解调部分，其执行接收和解调，所述路径定时检测部分具有：
一个滑动相关器，它在多个码片定时上解扩信号并且输出已解扩信号序列；
一个多波束形成装置，它从所述已解扩信号序列形成多个定向波束并且输出各个波束的信号序列；
每一波束延迟轮廓产生装置，用于从各个波束的信号序列产生关于各个波束的延迟轮廓；以及
路径定时检测装置，用于从所有延迟轮廓的码片定时中接连选择路径定时并且将路径定时输出到接收和解调部分，其中
所述路径定时检测装置还用于排除小于一个以已经被选择作为路径定时的码片定时为中心的最小选择定时间隔的码片定时，和在小于以具有已经被选择的码片定时的波束为中心的一个最小选择波束间隔的每个波束中的小于最小选择定时间隔的码片定时。
附图说明
图1是表示本发明一个实施例的框图；
图2是表示根据本发明实施例的多波束形成装置的配置的框图；
图3是表示根据本发明实施例的每一延迟轮廓产生装置的配置的框图；
图4A和4B表示根据本发明实施例的多波束图的例子；
图5表示用于说明根据本发明实施例的路径定时检测装置的操作；
图6表示根据本发明实施例的路径定时检测的处理流的例子；
图7表示在传统的自适应阵列天线系统中的路径定时检测设备；以及
图8说明传统的路径定时检测装置。
具体实施方式
图1表示本发明的一个实施例。根据本发明实施例的路径定时检测设备和自适应阵列天线系统具有路径定时检测部分1，还具有接收和解调部分106。路径定时检测部分1具有滑动相关器2、多波束形成装置3、每一波束延迟轮廓产生装置4和路径定时检测装置5。
滑动相关器2在多个码片定时上以码片周期的1/NR(NR：等于或者大于1的整数)的分辨率来解扩来自各个天线的信号，并且输出已解扩信号序列。多波束形成装置3根据滑动相关器2的输出来形成多个定向波束，并且输出各个波束的信号序列。
图2表示多波束形成装置3的配置。多波束形成装置3具有乘法器11-1-1到11-1-N，...，11-M-1到11-M-N，其中的每一个利用M个波束加权值来对来自滑动相关器2的信号序列进行加权，其中M是大于或者等于1的整数，并且还具有M个组合器12-1到12-M，其中的每一个将来自乘法器11-1-1到11-1-N，...，或11-M-1到11-M-N的N个输出相加在一起，其中N是大于或者等于1的整数。
图4A和4B表示由多波束形成装置3形成的定向波束图的例子。关于其中在一个直行中排列了六个天线的天线配置，图4A表示一个6波束正交多波束图，并且图4B表示通过在图4A所示的波束之间内插波束而形成的12波束图。每一波束延迟轮廓产生装置4在一个确定的周期中对于来自多波束形成装置3的信号序列求平均值，以便产生关于每个波束的延迟轮廓。
图3表示每一波束延迟轮廓产生装置4的配置。每一波束延迟轮廓产生装置4具有一个每一波束同相求平均值装置21，用于对于来自多波束形成装置3的每个信号序列的预定数量的符号进行同相矢量求平均值，还具有一个每一波束等级检测装置22，用于检测装置21的每个输出的等级(幅度或者功率)，并且还具有一个每一波束等级求平均值装置23，用于在一个预定时间中对于每一波束等级检测装置22的各个输出求平均值并且产生关于各个波束的延迟轮廓。
每一波束同相求平均值装置21通过在相位匹配解扩符号的同时执行这些解扩符号的矢量加，从而有效地提高SINR。如果符号被调制，则这个操作不能够被执行，除非符号被解调。不过，如果导频信号被使用，则解调可以被利用已知的导频符号来去除，以便使得能够同相的加法。如果同相求平均值的符号的数量更大，则SINR能够被更有效地提高。不过，如果由于衰落而出现了快速相位改变，则要被求平均值的符号的数量受到限制。由每一波束同相求平均值装置21求平均值的符号的数量以及利用这个装置进行平均加权的方法可以被自由选择。
每一波束同相求平均值装置21可以被放置在多波束形成装置3的前面用于逐个天线的操作，以便减小由多波束形成装置3执行的计算量。还是在这种情况下，相同的原理被应用，并且本发明包括这样一个安排。另一方面，利用每一波束等级求平均值装置23进行的等级求平均值在平滑延迟轮廓中是有效的，并且每一波束等级求平均值装置23用于执行求平均值的时间周期被最大化，只要路径定时中的任何变化都能够被跟随。每一波束等级求平均值装置23的求平均值时间和利用这个装置进行平均加权的方法可以被自由选择。路径定时检测装置5在由装置4产生的延迟轮廓的基础上检测要被在接收和解调部分106中使用的多个路径定时。
图5说明路径定时检测装置5的操作。在其中执行窄带频带限制的CDMA系统中，如上关于传统路径定时检测装置105的操作所描述的，通过在多个码片定时上扩展，一个路径中的信号出现。在本发明的在逐个波束基础上形成延迟轮廓的情况中，通过在多个波束上扩展以及在多个码片定时上扩展，一个路径中的信号出现。在其中使用如图4A所示的正交多波束的情况下，当一个路径沿着所述波束中的两个之间的方向到达时，路径出现在所述两个波束输出中。在其中使用如图4B所示的内插多波束的情况中，一个路径出现在两个或三个波束输出中。如果内插波束的数量增加，则其中一个路径出现的波束的数量变大。
因此在路径定时检测装置5中，采用一个路径定时检测方法，其中在从关于所有波束的延迟轮廓中接连选择具有高等级的码片定时的过程中，路径定时检测装置5在随后执行的路径定时检测中不选择小于以已经被选择作为路径定时的码片定时为中心的最小选择定时间隔121的码片定时，并且其中路径定时检测装置5设置一个波束间隔31(下文称作“最小选择波束间隔”)，该波束间隔以具有已经被选择的码片定时的波束为中心，并且在随后执行的路径定时检测中不选择在关于小于最小选择波束间隔31的波束的延迟轮廓的每一个中的小于最小选择定时间隔121的码片定时。
这个路径定时检测方法将被结合图5而描述。如果NR是4；最小选择定时间隔121是±4个码片定时(4码片定时间隔对应于一个码片周期(PN码的一个码周期))；并且最小选择波束间隔31是±2个波束，则在波束#3中的具有最高等级的码片定时6被选择作为第一路径定时。小于最小选择定时间隔121的码片定时被在随后执行的路径定时检测中排除。也就是，在波束#3中的码片定时6的对边上的码片定时3、4、5、7、8和9被排除。同样，在关于小于最小选择波束间隔31的波束的延迟轮廓的每一个中的小于最小选择定时间隔121的码片定时被排除。也就是，在波束#2和#4的每一个中的码片定时3、4、5、6、7、8和9被排除。接下来，在波束#2中的码片定时13被选择作为第二路径定时，并且在码片定时13的对边上的码片定时10、11、12、14、15和16被排除。同样，在波束#1和#3的每一个中的码片定时10、11、12、13、14、15和16被排除。相同的处理随后被重复以便检测路径接收装置107-1到107-L的路径。
在这个处理中，在图5的情况中，波束#3中的码片定时5以高于波束#2中的码片定时13具有的等级的等级而存在，但是它被看作是第一路径的扩展并且不被选择。类似地，波束#4中的码片定时5以高于波束#2中的码片定时13具有的等级的等级而存在，但是它被看作是第一路径的扩展并且不被选择。结果，码片定时6和码片定时13被选择。随后重复相同的路径定时检测处理。当NR＝4时，由±3或者±4个码片定时定义的间隔被恰当地设置作为最小选择定时间隔121。在其中使用如图4B所示的内插多波束的情况中，由±2或者±3个波束定义的间隔被恰当地设置为最小选择波束间隔31。
图6表示根据本发明实施例的路径定时检测方法中的处理流的例子。关于所有波束的延迟轮廓中的码片定时被选择作为路径定时将被从中选择的对象(步骤s1)。如果指示预定等级或者更高的峰值的码片定时存在(步骤s2)，则具有最高等级的码片定时被选择作为一个路径定时(步骤s3)。在关于所有波束的延迟轮廓中的一些码片定时被选择作为路径定时将被从中选择的对象(步骤s4)，所述一些码片定时不同于小于以被选择的码片定时(路径定时)为中心的最小选择定时间隔的码片定时以及在关于小于最小选择波束间隔的波束的延迟轮廓的每一个中的小于最小选择定时间隔的码片定时，所述最小选择波束间隔以具有被选择的码片定时(路径定时)的波束为中心。从步骤s2的处理被重复以便检测路径接收装置中的路径定时。
接收和解调部分106具有与传统的自适应天线系统相同的配置。也就是，接收和解调部分106具有用于利用阵列天线接收码分多址(CDMA)信号以及利用检测到的路径定时来解调路径信号的装置，即对应于多径传播路径的数量的L个路径接收装置107-1到107-L，以及一个组合器111。
路径接收装置107-1到107-L具有相关器108-1到108L、波束形成装置109-1到109-L、瑞克组合加权装置110-1到110-L以及天线加权控制装置112-1到112-L。相关器108-1到108-L利用由路径定时检测部分1检测到的与路径一致的路径定时来解扩已扩展的信号。波束形成装置109-1到109-L通过使用被自适应产生的用户特定天线加权值根据从相关器108-1到108-L的与路径一致的输出来形成天线定向波束。瑞克组合加权装置110-1到110-L对与路径一致的波束输出进行加权，以便补偿载波相位变化并且在组合之后最大化SINR(以便获得最大比组合)。天线加权控制装置112-1到112-L通过使用来自相关器108-1到108-L的解扩信号来计算天线加权值。
作为天线加权控制装置112-1到112-L，已知一个在路径的到达角度的估计的基础上计算天线加权值的方法，以便将波束指向到路径，还已知使用诸如用于最小均方误差(MMSE)控制的自适应算法的方法。例如，在日本专利公开No.2002-77008“自适应天线接收机(Adaptive Antenna Receiver)”中描述了MMSE方法。组合器111将来自瑞克组合加权装置110-1到110-L的输出相加在一起并且输出通过组合路径所获得的高质量解调结果。
根据本发明的实施例，通过在利用多波束接收获得并且具有一个提高的SINR的信号的基础上直接使用关于各个波束的所有延迟轮廓而检测路径定时，因此就能够实现改善的路径定时检测特性。同样，在CDMA系统中，通过考虑由于频带限制等所引起的路径扩展的影响在被选择的码片定时上执行基于关于各个波束的延迟轮廓的路径定时的检测，从而可靠地避免路径定时检测中的错误。特别是，通过使用码片定时中的最小选择定时间隔以及波束中的最小选择波束间隔来执行路径定时检测。因此，可以利用具有可靠性的简单算法来执行路径定时检测。

Claims (4)

1.一种路径定时检测方法，其中利用阵列天线来接收码分多址信号并且检测路径定时，所述方法包括：
在多个码片定时上解扩信号和输出已解扩信号序列的步骤；
从所述已解扩信号序列形成多个定向波束并且输出各个波束的信号序列的步骤；
从各个波束的信号序列产生关于各个波束的延迟轮廓的步骤；以及
从所有延迟轮廓的码片定时中接连选择路径定时的步骤，其中
在所述选择路径定时的步骤中，当路径定时被接连选择时，在随后执行的路径定时检测中排除小于一个以已经被选择作为路径定时的码片定时为中心的最小选择定时间隔的码片定时，和在小于以具有已经被选择的码片定时的波束为中心的一个最小选择波束间隔的每个波束中的小于最小选择定时间隔的码片定时。
2.一种路径定时检测设备，它利用一个阵列天线来接收码分多址信号并且检测路径定时，该设备包括：
第一装置，用于根据所述信号来形成多个定向波束并且产生关于各个波束的延迟轮廓；以及
第二装置，用于从所有延迟轮廓的码片定时中接连选择路径定时，其中
所述第二装置还用于排除小于一个以已经被选择作为路径定时的码片定时为中心的最小选择定时间隔的码片定时，和在小于以具有已经被选择的码片定时的波束为中心的一个最小选择波束间隔的每个波束中的小于最小选择定时间隔的码片定时。
3.根据权利要求2所述的路径定时检测设备，其中所述第一装置具有：
一个滑动相关器，它在多个码片定时上解扩信号，并且输出已解扩信号序列，
一个多波束形成装置，它从所述已解扩信号序列形成多个定向波束，并且输出各个波束的信号序列，以及
每一波束延迟轮廓产生装置，用于从各个波束的信号序列产生关于各个波束的延迟轮廓。
4.一种自适应阵列天线系统，它包括一个路径定时检测部分，其利用阵列天线来接收码分多址信号并且检测路径定时，还包括一个接收和解调部分，其执行接收和解调，所述路径定时检测部分具有：
一个滑动相关器，它在多个码片定时上解扩信号并且输出已解扩信号序列；
一个多波束形成装置，它从所述已解扩信号序列形成多个定向波束并且输出各个波束的信号序列；
每一波束延迟轮廓产生装置，用于从各个波束的信号序列产生关于各个波束的延迟轮廓；以及
路径定时检测装置，用于从所有延迟轮廓的码片定时中接连选择路径定时并且将路径定时输出到接收和解调部分，其中
所述路径定时检测装置还用于排除小于一个以已经被选择作为路径定时的码片定时为中心的最小选择定时间隔的码片定时，和在小于以具有已经被选择的码片定时的波束为中心的一个最小选择波束间隔的每个波束中的小于最小选择定时间隔的码片定时。
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