CN1323503C - 一种阵列天线全自适应权值更新的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种阵列天线全自适应权值更新的方法及装置，在接收导频符号的时间段内，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参考序列，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算法更新。采用本发明提出的方法和装置，降低了实现复杂度和系统规模，抑制了系统干扰，并降低了系统实现的成本。

Description

一种阵列天线全自适应权值更新的方法及装置

技术领域

本发明涉及通信领域中的码分多址(CDMA)通信系统，尤其涉及系统中的智能天线技术。

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和TDMA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。

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。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。在通信系统中，最主要也是最常用的空间分集技术就是智能天线技术。

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。

现有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模块的处理，获得各个天线阵列相对应的一组权值；这一组权值乘以射频通道输出之后，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，到达方向角(DOA，Direction Of Arrival)变化则权值跟着变化。这种方法的准则是使接收到的期望用户信号能量最大，同时有限的压制其它方向的干扰。第三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。

但是，现有全自适应型智能天线权值形成方法，在实际工程实现过程中，由于需要对各个天线阵元的权值系数同时进行更新，需要的硬件成本相对较高。并且，由于这些算法属于多维的自适应算法，相对复杂度较大。即使考虑简单的情况，各个阵元对应权值的更新模块互不相关。假设天线阵列中共有N个天线阵元，这在硬件实现时，需要N个权值更新计算单元。在实际的智能天线系统中，一般需要对多条多径进行联合时—空处理。假设对M条多径进行处理，则整个系统中总共需要MN个更新计算单元。这种系统的规模是十分巨大的，硬件成本十分巨大。如果算法在各个权值计算中存在耦合，这时系统的规模会更加庞大，实现成本也更高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中全自适应阵列天线权值更新实现时硬件规模过大，实现成本过高的问题。

本发明的主要思想是：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参考序列，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算法更新。

图2说明了这一方法的物理意义。如图2所示，点200对应的是某一最优权值矢量所应指向的位置，点201对应该权值当前所在的起点位置。矢量210是当采用现有权值更新方法进行权值更新时，权值所需要改变的矢量。矢量221、矢量222是采用本发明提出的方法进两次自适应更新时分别对应的权值变化量矢量(假设仅仅在两个方向上进行自适应)的矢量示意图，矢量211为这两次变化的结果的总和。由图可以看出，矢量211与矢量210的差值很小，在经过多次自适应权值更新之后，这两种方法都会收敛到最优权值所对应的位置点。

本发明提出一种阵列天线全自适应权值更新的方法，包括下列步骤：

第一步对输入信号进行射频前端处理，即将无线信号转化为基带数字信号；

第二步将得到的基带数字信号用当前的波束权值进行加权求和；

第三步将加权求和的结果与相应的伪随机序列码进行共轭相乘，得到解扰解扩后的信号；

第四步将解扰解扩后的信号与相应的参考导频信号求取误差；

第五步利用原有的权值、基带数字信号和前一步中求取的误差结果按照一定的权值更新算法计算更新后的权值。

本发明还提出了一种实现上述阵列天线全自适应权值更新方法的装置，包括天线阵列10、射频通道11，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11的输入端；所述射频通道11接收来自天线阵列的信号并完成低噪声放大，自动增益控制，解调，通道校正，基带转换，A/D采样，匹配滤波；本发明提出的阵列天线全自适应权值更新装置还包括数字波束赋形单元30、解扰解扩单元31、误差求解单元32和权值更新单元33；所述数字波束赋形单元30用于对权值ω₁～ω_N和射频通道输出的信号X₁～X_N进行加权求和，将结果y输出到解扰解扩单元31，其输入端接射频通道11的输出端和权值更新单元33的输出端；解扰解扩单元31产生伪随机序列码C_s ^*，并且完成输入信号y和伪随机序列码C_s ^*的共轭相乘，其输出S_o为本阵列天线全自适应权值更新装置的输出，并同时作为误差求解单元32的输入；误差求解单元32产生参考导频信号S_r，完成输入信号S_o与参考导频信号S_r的误差求取，并将结果e输出到权值更新单元33；权值更新单元33根据输入的基带数字信号X₁～X_N和误差结果e，利用一定的权值更新算法计算出更新后的权值，并将其输出到数字波束赋形单元30。

采用本发明提出的方法和装置，与现有智能天线技术相比。首先，避免了矩阵求逆等很难实现的计算，也不必进行波束综合算法，更不必进行复杂的信号到达方向角判定计算，本发明的实现复杂度是较低的。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。最后，本发明降低了系统的规模，减少了系统意见成本。对比现有的智能天线算法的MN个权值更新计算单元，本发明中的方法仅仅需要M个权值更新计算单元，极大地降低了系统的规模和实现成本。

附图说明

图1是现有智能天线的结构示意图。

图2是本发明的基本思想的物理意义示意图。

图3是本发明提出的阵列天线全自适应权值更新方法的流程图。

图4是本发明提出的阵列天线全自适应权值更新装置的基本结构示意图。

图5是图4中权值更新单元的一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本技术方案在WCDMA系统的实施作进一步的详细描述。

图1和图2在前面已经作了详细说明。

图3是本发明提出的阵列天线全自适应权值更新方法的流程图。如图3所示，本发明提出了一种阵列天线全自适应权值更新的方法，包括下列步骤：

第一步对输入信号进行射频前端处理，即将无线信号转化为基带数字信号；

第二步将得到的基带数字信号用当前的波束权值进行加权求和；

第三步将加权求和的结果与相应的伪随机序列码进行共轭相乘，得到解扰解扩后的信号；

第四步将解扰解扩后的信号与相应的参考导频信号求取误差；

第五步利用原有的权值、基带数字信号和前一步中求取的误差结果按照一定的权值更新算法计算更新后的权值。

在具体实现时，基于时分复用技术，可以在一定的时间段内仅仅对一个权值系数进行移位自适应的权值更新。由于实际用户信号相对权值更新周期而言是缓慢变化的，所要该方案是可行的。可以按照预定的顺序选择需要更新权值的天线阵元，所述的预定顺序是指在一个周期内，可以对每一个天线阵元均进行一次权值更新操作的一种调度编排方式，这种编排方式可以使固定的，也可以是不固定的。

图4是实现上述方法的全自适应权值更新装置的基本结构示意图。如图4所示，x_i为各射频单元的输出信号(i＝1，2，......，N，N为阵列天线系统的天线阵元数目)；y为经过数字波束赋形单元30加权之后的输出信号，S_o为解扩解扰之后的信号，C_s ^*为解扰解扩单元31产生的伪随机序列码，S_r为误差求解单元32产生参考导频信号，e为解扩解扰结果S_o与参考导频信号S_r的误差信号，ω_i为权值更新单元33确定的对应阵元i的权值(i＝1，2，......，N)。

本发明提出的阵列天线全自适应权值更新装置包括天线阵列10、射频通道11，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11的输入端；所述射频通道11接收来自天线阵列的信号并完成低噪声放大，自动增益控制，解调，通道校正，基带转换，A/D采样，匹配滤波。

本发明提出的阵列天线全自适应权值更新装置还包括数字波束赋形单元30、解扰解扩单元31、误差求解单元32和权值更新单元33。

所述数字波束赋形单元30用于对权值ω₁～ω_N和射频通道输出的信号X₁～X_N进行加权求和，将结果y输出到解扰解扩单元31，其输入端接射频通道11的输出端和权值更新单元33的输出端。

解扰解扩单元31产生伪随机序列码C_s ^*，并且完成输入信号y和伪随机序列码C_s ^*的共轭相乘，其输出S_o为本阵列天线全自适应权值更新装置的输出，并同时作为误差求解单元32的输入。

误差求解单元32产生参考导频信号S_r，完成输入信号S_o与参考导频信号S_r的误差求取，并将结果e输出到权值更新单元33。

权值更新单元33根据输入的基带数字信号X₁～X_N和误差结果e，利用一定的权值更新算法计算出更新后的权值，并将其输出到数字波束赋形单元30。

图5是图4中权值更新单元33的一个具体实施例的结构示意图。如图5所示，所述的权值更新单元33包括多路信号选择器40、一维权值更新计算模块41、权值更新模块42以及权值更新/选择模块43。

多路信号选择器40将选择的某个天线阵元的信号X_n输入一维权值更新计算模块41，一维权值更新计算模块41根据输入信号X_n和误差结果e计算出权值的更新变化量Δω，并将其输出到权值更新模块42，权值更新模块42根据来自权值更新/选择模块43的待更新权值ω′及权值的更新变化量Δω计算出更新后的权值ω，并将更新后的权值ω经过权值更新/选择模块43后输出；权值更新/选择模块43用于存储和选择输出待更新和更新后的权值。

在本发明的一个实施例中，所述的权值更新算法采用的是最小均方误差准则下的最陡下降算法。通过数学推导，可以得到在WCDMA系统条件下一维权值更新的最小均方准则的公式如下。

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_R(k+1)={\mathrm{\ω}}_R\left(k\right)+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ω}}_R\left(k\right)\\ {\mathrm{\ω}}_I(k+1)={\mathrm{\ω}}_I\left(k\right)+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ω}}_I\left(k\right)\end{array}\right.$

以及

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ω}}_R(k+1)=\underset{l=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}2\left\{e_I(\mathrm{kM}+l)\right[P{N}_I(\mathrm{kM}+l)x_{\mathrm{Rn}}(\mathrm{kM}+l)+P{N}_R(\mathrm{kM}+l)x_{\mathrm{In}}(\mathrm{kM}+l)\left]\right\}$

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ω}}_I(k+1)=\underset{l=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}2\left\{e_I(\mathrm{kM}+l)\right[P{N}_R(\mathrm{kM}+l)x_{\mathrm{Rn}}(\mathrm{kM}+l)-P{N}_I(\mathrm{kM}+l)x_{\mathrm{In}}(\mathrm{kM}+l)\left]\right\}$

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。

本发明提出的阵列天线全自适应权值更新的方法及装置可以应用于任何采用自适应控制阵列天线的码分多址(CDMA)通信系统中。

Claims (4)

1、一种阵列天线全自适应权值更新的方法，其特征在于包括下列步骤：

第一步对输入信号进行射频前端处理，即将无线信号转化为基带数字信号；

第二步将得到的基带数字信号用当前的波束权值进行加权求和；

第三步将加权求和的结果与相应的伪随机序列码进行共轭相乘，得到解扰解扩后的信号；

第四步将解扰解扩后的信号与相应的参考导频信号求取误差；

第五步利用原有的权值、基带数字信号和前一步中求取的误差结果按照最小均方误差准则下的最陡下降算法计算更新后的权值。

2、一种阵列天线全自适应权值更新的方法，其特征在于包括下列步骤：

第一步对输入信号进行射频前端处理，即将无线信号转化为基带数字信号；

第二步将得到的基带数字信号用当前的波束权值进行加权求和；

第三步将加权求和的结果与相应的伪随机序列码进行共轭相乘，得到解扰解扩后的信号；

第四步按照预定的顺序选择需要更新权值的天线阵元；

第五步将解扰解扩后的信号与相应的参考导频信号求取误差；

第六步利用原有的权值、相应的选定天线阵元的基带数字信号和前一步中求取的误差结果按照最小均方误差准则下的最陡下降算法计算更新后的权值。

3、一种实现上述阵列天线全自适应权值更新方法的装置，包括天线阵列(10)、射频通道(11)，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(11)的输入端；所述射频通道(11)接收来自天线阵列的信号并完成低噪声放大，自动增益控制，解调，通道校正，基带转换，A/D采样，匹配滤波，其特征在于：还包括数字波束赋形单元(30)、解扰解扩单元(31)、误差求解单元(32)和权值更新单元(33)；所述数字波束赋形单元(30)用于对权值(ω_l～ω_N)和射频通道输出的信号(X₁～X_N)进行加权求和，将结果(y)输出到解扰解扩单元(31)，其输入端接射频通道(11)的输出端和权值更新单元(33)的输出端；解扰解扩单元(31)产生伪随机序列码(C_s ^*)，并且完成输入信号(y)和伪随机序列码(C_s ^*)的共轭相乘，其输出(S_o)为本阵列天线全自适应权值更新装置的输出，并同时作为误差求解单元(32)的输入；误差求解单元(32)产生参考导频信号(S_r)，完成输入信号(S_o)与参考导频信号(S_r)的误差求取，并将结果(e)输出到权值更新单元(33)；权值更新单元(33)根据输入的基带数字信号(X_l～X_N)和误差结果(e)，利用一定的权值更新算法计算出更新后的权值，并将其输出到数字波束赋形单元(30)。

4、如权利要求3所述的一种阵列天线全自适应权值更新装置，其特征在于所述的权值更新单元(33)包括多路信号选择器(40)、一维权值更新计算模块(41)、权值更新模块(42)以及权值更新/选择模块(43)；多路信号选择器(40)将选择的某个天线阵元的信号(X_n)输入一维权值更新计算模块(41)，一维权值更新计算模块(41)根据输入信号(X_n)和误差结果(e)计算出权值的更新变化量(Δω)，并将其输出到权值更新模块(42)，权值更新模块(42)根据来自权值更新/选择模块(43)的待更新权值(ω′)及权值的更新变化量(Δω)计算出更新后的权值(ω)，并将更新后的权值(ω)经过权值更新/选择模块(43)后输出；权值更新/选择模块(43)用于存储和选择输出待更新和更新后的权值。

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