CN1512791A - 一种基于智能天线的信道自适应分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及种基于智能天线的信道自适应分配方法，该方法包括：(1)通过接收阵列，A/D采样变换，得到用户终端采样信号；(2)将用户终端采样信号累积，得到信息更新数据块；(3)利用更新数据块，构造更新用户终端信号矩阵；(4)加入反馈因子，调整保留信息矩阵；(5)利用相同子空间矩阵求得针对用户信息的加权系数；用于智能天线的上行和下行的波束形成模块中，完成信道的自适应分配过程；从而得到分离信号；本发明减少了硬件资源的占有量，降低了系统成本。

Description

一种基于智能天线的信道自适应分配方法

技术领域

本发明涉及一种通信技术，更确切的说，涉及一种使用智能天线技术系统的信道自适应分配技术。

背景技术

人们通过引入智能天线技术来克服共信道，多径衰落等日益严重的干扰问题，并提高通信系统容量，扩大基站覆盖面积。

在中国专利97104039中公开了一种“具有智能天线的时分双工同步码分多址无线通信系统”，该系统公开了一种采用现代智能天线的无线通信系统的基站结构，包括由一个或多个天线单元组成的天线阵列、相应的射频馈电电缆和一株相干的射频收发信机。根据天线阵列中各天线单元所接收到的，来自用户终端的信号的不同响应，在基带处理器获得此信号的空间特征矢量和信号到达方向(DOA)，并使用相应的算法实现接收天线波束形成。其中任一天线单元、相应的射频馈电电缆和相干的射频收发信机称为一条链路。将从上行接收波束形成中获得的每一条链路的加权值用于下行发射波束形成，在对称条件下，实现智能天线的功能。

空分复用技术是智能天线系统中的一项关键技术。信道空分复用的实现方法决定了智能天线系统的性能。在上述专利申请及在许多公开发表的技术文献中，都涉及到对智能天线的波束形成方法的研究，但是方法的功能越强，方法就越复杂。而通信系统要求实时的完成功能。

考虑到上面的矛盾，一般寻找合适的自适应迭代方法完成空分复用技术。然而，大部分的自适应方法都存在着占用较大硬件资源，实时性较难达到的问题，同时，还需要一定的先验信息作为方法的基础和保证。

综上所述，为了使智能天线系统具有更好的性能，必须找到一种能够较好的实时实现的信道自适应分配方法。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种基于智能天线的信道自适应分配方法，该方法克服了现有技术需要参考信号的缺点，同时，也适于在实际系统中实时实现，减少了硬件资源的占有量，降低了系统成本。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于智能天线的信道自适应分配方法，包括下述步骤：

(1)通过接收阵列接收用户信号，并利用第1～m时刻用户终端采样信号即1～m时刻得到的用户终端信息矩阵得到系统迭代工作的初值，根据运算量和初值精度的要求，选择m≤5；

(2)通过接收阵列接收用户信号，得到n时刻用户终端采样信号即n时刻的信息单向量；

(3)将n时刻的信息单向量累积，得到n时刻的信息更新数据模块；

(4)利用n时刻的信息更新数据模块，更新n-1时刻的用户终端采样信号矩阵，得到n时刻的待处理信息矩阵，以及n时刻的保留信息矩阵；

(5)将(4)步得到的n时刻的保留信息矩阵，结合遗忘因子，与利用(3)步的方法得到的n+1时刻得到的信息更新数据模块一起更新n+1时刻的用户终端信息矩阵；

(6)重复(2)至(5)步骤，直到得到每一时刻的待处理信息矩阵和每一时刻的保留信息矩阵；

(7)利用相同子空间矩阵方法对每一时刻的待处理信息矩阵进行处理，得到针对每一时刻用户信息的加权系数，将此加权系数用于智能天线的上行和下行的波束形成模块中，完成信道的自适应分配过程。

所述的步骤(1)中的得到系统迭代信息初值包括下述步骤：

a、信息更新数据模块X_m是由式 合成(i＝1，…，m)，其中x₁，…，x_m分别为第1时刻到第m时刻的信息单向量；

b、根据上述a步得到采样数据块X_m来计算，并设置迭代过程的迭代初值，该迭代初值由式 $X_m=U_m\[B_m\]V_m^H$ 来计算，其中U_m和V_m分别是X_m的左奇异向量和右奇异向量，B_m为奇异值对角阵。

所述的步骤(4)中利用n时刻的信息更新数据模块，更新n-1时刻的用户终端采样信号矩阵而得到n时刻的待处理和保留矩阵的过程，包括下述步骤：

a、先计算n时刻的信息更新数据模块X_n，该计算是将n-1时刻得到的信息单向量x_n-1，由式 $X_{n-1}=\[{x_1}^H\·\·\·{x_i}^H]$ (其中i＝1，…，n-1)进行合成计算，式中H为矩阵的共轭转置运算：

b、利用公式x_n＝[X_n-1 x_n]，计算n时刻的信息更新数据块X_n，其中x_n为n时刻得到的信息单向量；

c、根据b步的n时刻的信息更新数据块以及迭代保留值U_n-1，V_n-1，B_n-1，来计算n时刻数据块的奇异分解值，该奇异分解值由式

$X_n=U_n\left[\begin{array}{cc}{B}_n& 0\\ 0& Q\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{V}_n& 0\\ 0& 1\end{array}\right]$ 来计算，其中U_n＝[U_n-1 I]，Q＝x_n，I为单位矩阵；同样，n时刻得到的U_n，V_n，B_n将在n+l时刻作为c步的迭代保留值使用；其中迭代保留值在n＝m+1时刻为系统迭代信息初值，在n＞m+1时刻则为本步骤得到的n-1时刻的迭代保留值；

d、利用Givens正交变换算法，消去c步中的Q值，利用

$X_n=U_n{G}_L\left(n\right)\[{\tilde{B}}_n\]G_R^H\left(n\right)\left[\begin{array}{cc}{V}_n& 0\\ 0& 1\end{array}\right]\≡\tilde{U}\[\tilde{B}\]{\tilde{V}}^H$

得到Givens左旋转矩阵G_l(n)以及用于步骤(5)的保留信息矩阵

e、同时由式 $\tilde{U}=U_n{G}_L\left(n\right)$ 得到待处理信息矩阵

所述的遗忘因子β为0＜β＜1。

所述的加权系数的获得包括下述步骤：

a、由公式 ${\tilde{U}}_1=J_1\tilde{U}$ 和 ${\tilde{U}}_2=J_2\tilde{U},$ 式中J₁＝[I_N-1，0]  J₂＝[0，I_N-1]；得到 ${\tilde{U}}_1^{+}=({\tilde{U}}_1^H{\tilde{U}}_1{)}^{-1}{\tilde{U}}_1^H,$ I_N-1为单位矩阵；

b、由公式 ${\tilde{U}}_1^{+}{\tilde{U}}_2=T^{-1}\mathrm{\ΘT},$ 式中矩阵Θ和T^-1分别是 的特征值和特征向量；

c、由公式 $W=T\tilde{U}$ 得到加权系数W。

所述的迭代的过程是从步骤(2)至步骤(5)循环进行，从而得到每一时刻的待处理信息矩阵和每一时刻的保留信息矩阵。

所述的n≥m+1。

本发明相比现有技术具有如下优点：

1、本发明首先给出了一种盲波束形成的方法，可以达到不利用，或者少利用先验信息的目的，这样，可以减少导频信号的使用，达到增加通信系统容量的同时，提高通信系统的效率。

2、本发明针对盲波束形成的方法，提出了一种自适应迭代的结构。按照本发明给出的步骤，盲波束形成的方法可以一步步迭代的实现。改变了原来系统需要等待合并数据的时间，减少了系统数据存储了要求。同时，新的迭代方法只需要求得相应的信息矩阵，而对过程中无关的结果可以忽略，这样减少了运算量，减少了实现自适应空分复用的复杂程度。降低数据存储要求、减少运算量的特点降低了系统的硬件开销和成本。

3、本发明的方法，计算量较小，可以在数字信号处理芯片(DSP)上实现。使自适应盲波束形成方法能够实时的实现。

附图说明

图1是智能天线的原理结构图；

图2是本发明信道自适应分配方法流程图。

具体的实施方式

图1是典型的智能天线原理结构图，图中的接收机、发射机分别包含了天线单元，馈电电缆，收发信机以及相应的A/D、D/A变换模块。得到的数字信号通过101步骤进入下面的波束形成处理过程；步骤102，上行(由用户终端到基站)数据经过波束形成后送入信道自适应分配模块；步骤103，经自适应迭代后得到新的加权系数应用在上行波束形成模块中；步骤104，波束形成后的数字信号送入处理模块进行信息提取等处理；步骤106至步骤109是发射信息的过程，与接收信息的过程对称。其中下行(由基站到用户端)波束形成的权值也由信道自适应分配模块得到。

这部分详细的基站工作基本研究及智能天线的工作方法，已经在发明专利申请“具有智能天线的时分双工同步码分多址无线通信系统”(97104039.7)中说明，本发明的信道自适应分配技术可应用在该结构的基站中。

结合图1和图2，步骤201，由接收机经由模拟数字转换器得到用户信号的数字采样x(n)，阵列接收得到信息单向量x′_n；步骤202，由公式(1)将得到的信息单向量组合成为信息更新数据块x_n-1。步骤203，进行更新用户终端矩阵的构造，得到信息矩阵

和保留信息矩阵 步骤204，依靠衰减因子β，将迭代的用户终端信息矩阵反馈的到信息矩阵构造模块，在步骤203中使用。步骤205，求得用户终端加权系数W。步骤206，步骤F得到分离信号。步骤205得到的加权系数将通过步骤103和步骤107应用在上行和下行的波束形成模块中。

本发明是基于智能天线基础上空分复用技术的一种实现方法，只需简单改动即可兼容与很多通信系统，并提高系统性能。

Claims (7)

1、一种基于智能天线的信道自适应分配方法，包括下述步骤：

(1)通过接收阵列接收用户信号，并利用第1～m时刻用户终端采样信号即1～m时刻得到的用户终端信息矩阵得到系统迭代工作的初值，根据运算量和初值精度的要求，选择m≤5；

(2)通过接收阵列接收用户信号，得到n时刻用户终端采样信号即n时刻的信息单向量；

(3)将n时刻的信息单向量累积，得到n时刻的信息更新数据模块；

(4)利用n时刻的信息更新数据模块，更新n-1时刻的用户终端采样信号矩阵，得到n时刻的待处理信息矩阵，以及n时刻的保留信息矩阵；

(5)将(4)步得到的n时刻的保留信息矩阵，结合遗忘因子，与利用(3)步的方法得到的n+1时刻得到的信息更新数据模块一起更新n+1时刻的用户终端信息矩阵；

(6)重复(2)至(5)步骤，直到得到每一时刻的待处理信息矩阵和每一时刻的保留信息矩阵；

(7)利用相同子空间矩阵方法对每一时刻的待处理信息矩阵进行处理，得到针对每一时刻用户信息的加权系数，将此加权系数用于智能天线的上行和下行的波束形成模块中，完成信道的自适应分配过程。

2、如权利要求1所述的基于智能天线的信道自适应分配方法，其特征在于所述的步骤(1)中的得到系统迭代信息初值包括下述步骤：

a、信息更新数据模块X_m是由式 合成(i＝1，…，m)，其中x₁，…，x_m分别为第1时刻到第m时刻的信息单向量；

b、根据上述a步得到采样数据块X_x来计算，并设置迭代过程的迭代初值，该迭代初值由式 $X_m=U_m\[B_m\]V_m^H$ 来计算，其中U_m和V_m分别是X_m的左奇异向量和右奇异向量，B_m为奇异值对角阵。

3、如权利要求1所述的基于智能天线的信道自适应分配方法，其特征在于所述的步骤(4)中利用n时刻的信息更新数据模块，更新n-1时刻的用户终端采样信号矩阵而得到n时刻的待处理和保留矩阵的过程，包括下述步骤：

a、先计算n时刻的信息更新数据模块X_n，该计算是将n-1时刻得到的信息单向量x_n-1由式

(其中i＝1，…，n-1)进行合成计算，式中H为矩阵的共轭转置运算；

b、利用公式X_n＝[X_n-1 X_n]，计算n时刻的信息更新数据块X_n，其中x_n为n时刻得到的信息单向量：

c、根据b步的n时刻的信息更新数据块以及迭代保留值U_n-1，V_n-1，B_n-1，来计算n时刻数据块的奇异分解值，该奇异分解值由式

$X_n=U_n\left[\begin{array}{cc}{B}_n& 0\\ 0& Q\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{V}_n& 0\\ 0& 1\end{array}\right]$

来计算，其中U_n＝[U_n-1 I]，Q＝X_n，I为单位矩阵；同样，n时刻得到的U_n，V_n，B_n将在n+1时刻作为c步的迭代保留值使用；其中迭代保留值在n＝m+1时刻为系统迭代信息初值，在n＞m+1时刻则为本步骤得到的n-1时刻的迭代保留值；

d、利用Givens正交变换算法，消去c步中的Q值，算法输出的结果为Givens左旋转矩阵G_l(n)以及用于步骤(5)的保留信息矩阵

e、由式 $\tilde{U}=U_n{G}_L\left(n\right)$ 得到待处理信息矩阵

4、如权利要求1所述的基于智能天线的信道自适应分配方法，其特征在于所述的遗忘因子β为0＜β＜1。

5、如权利要求1所述的基于智能天线的信道自适应分配方法，其特征在于所述的加权系数的获得包括下述步骤：

a、由公式 $\tilde{U}=J_1\tilde{U}$ 和 ${\tilde{U}}_2=J_2\tilde{U}$ ，式中J₁＝[I_N-1，0]  J₂＝[0，I_N-1]；

得到 ${\tilde{U}}_1^{+}=({\tilde{U}}_1^H{\tilde{U}}_1{)}^{-1}{\tilde{U}}_1^H,$ I_N-1为单位矩阵；

b、由公式 ${\tilde{U}}_1^{+}{\tilde{U}}_2=T^{-1}\mathrm{\ΘT},$ 式中矩阵Θ和T^-1分别是

的特征值和特征向量；

c、由公式 $W=T\tilde{U}$ 得到加权系数W。

6、如权利要求1所述的基于智能天线的信道自适应分配方法，其特征在于迭代的过程从步骤(2)至步骤(5)循环进行，从而得到每一时刻的待处理信息矩阵和每一时刻的保留信息矩阵。

7、如权利要求1所述的基于智能天线的信道自适应分配方法，其特征在于所述的n≥m+1。