CN1574683A - 搜索基站的分布式信号源的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种用于搜索基站的分布式信号源的方法和装置，它包括一对相互之间在上/下方向上保持一预定距离的圆天线阵列对，根据TLS－ESPRIT法估算由圆天线阵列对的每一传感器接收的分布式信号源的初始圆心垂直角，通过利用估算的分布式信号源的初始圆心垂直角将二维成本函数转化为第一一维成本函数，估算作为令第一一维成本函数具有最大值的解的圆心水平角，通过利用估算的分布式信号源的圆心水平角将二维成本函数转化为第二一维成本函数，并估算作为令第二一维成本函数具有最大值的解的圆心垂直角。

Description

搜索基站的分布式信号源的方法和装置

发明背景

1.技术领域

本发明涉及搜索移动通信基站的信号源，尤其涉及搜索具有自适应天线的基站的分布式信号源的方法和装置。

2.相关技术描述

在移动通信系统中，无线电信号通过多径发送，并因此变为分布式信号源。

基站通常通过使用图1的圆天线阵列估算分布式信号源的信号到达方向，即移动通信终端的方向。在圆天线阵列10中，在半径为R的圆周上从轴30开始以预定间隔布置多个传感器20。

圆天线阵列10的传感器20的每一个单独地完成天线的功能。当每一传感器20从一个信号源接收信号时，由(多个)传感器20接收的信号具有相位差。基站估算最佳信号到达方向，并通过补偿或修正传感器接收信号的相位差，在估算的方向上形成束。

图2说明了使用圆天线阵列搜索基站信号源的常规装置的结构图。

搜索基站信号源的常规装置包括2-D搜索单元40，用于通过使用2-D成本函数(二维成本函数)同时估算来自圆天线阵列10的分布式信号源的圆心垂直角和圆心水平角，以及控制单元50，用于通过使用2-D搜索单元40中估算的圆心垂直角和圆心水平角在分布式信号源的信号到达方向上形成束。

当通过使用一个圆天线阵列10估算分布式信号源的信号到达方向时，基站使用2-D成本函数(或二维判定函数)，诸如以下以圆心垂直角和圆心水平角作为参数的公式1：

公式1

$V(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})=\frac{1}{1-{\widehat{\mathrm{\λ}}}_{\max }(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})}$

这里，

是矩阵 $\hat{T}(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})={\hat{E}}_s^H\mathrm{\ψ}(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ}){\hat{E}}_s^{*}{\hat{E}}_s^T{\mathrm{\ψ}}^{*}(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ}){\hat{E}}_s$ 的最大特征值，

是信号特征向量矩阵，ψ(θ，φ)为L×L，是满足 $\mathrm{\ψ}(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})=\mathrm{diag}(e^{j2\mathrm{\η}\sin \mathrm{\θ}\cos (\mathrm{\φ}-{\mathrm{\γ}}_1)},\·\·\·,e^{j2\mathrm{\η}\sin \mathrm{\θ}\cos (\mathrm{\φ}-{\mathrm{\γ}}_L)})$ 的对角矩阵，η是与圆天线阵列的半径R和传感器20之间的距离相关的常数，r_k为 L是传感器20的个数。

2-D成本函数在Q.Wan与Y.N.Peng的题为“Low-complexity estimator forfour-dimensional parameters under a reparameterized distributed sourcemodel”，IEEE Proc.-Radar，Sonar，Navig.，卷148，313-317页，(2001年12月)中有详细描述，因此此处省略其详细解释。

通过圆天线阵列10的传感器20接收的分布式信号源发送至2-D搜索单元40。2-D搜索单元40根据牛顿方法(S10)设定初始值，并同时估算令2-D成本函数具有如以下公式2所示的最大值的参数值，即基于设定的初始值的分布式信号源的最优圆心垂直角和圆心水平角：

公式2

$(\widehat{\mathrm{\θ}},\widehat{\mathrm{\φ}})=\arg \underset{\mathrm{\θ},\mathrm{\φ}}{\max }V(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})$

当估算的分布式信号源的圆心垂直角和圆心水平角是令2-D成本函数具有全局最大值而非局部最大值的解时，控制单元50控制天线束在估算的圆心垂直角和圆心水平角的方向，即相应分布式信号源的信号到达方向上的形成。

牛顿方法是用于计算非线性多维函数的解的通用方法。一次很难得到非线性多维函数的解。根据牛顿方法设定的初始值可能是令2-D成本函数具有全局最大值的解(图3的x0)的近似值，但是更可能是令2-D成本函数具有局部最大值的解(图3的x1)的近似值。

因此，用于搜索基站的分布式信号源的常规装置采用来自一个圆天线阵列的分布式信号源来计算2-D成本函数，根据牛顿方法设定初始值，并在设定的初始值的基础上得到令2-D成本函数具有局部最大值的解。所以它不可能估算分布式信号源的最优信号到达方向。

另外，用于搜索基站的分布式信号源的常规装置在2-D成本函数具有最大值(或最小值)时必需同时估算圆心垂直角和圆心水平角，并且也估算最优圆心垂直角和圆心水平角，而未考虑整个分布式信号源的非线性2-D函数的局部最大值问题，从而需要较多计算来估算分布式信号源的信号到达方向。因此，用于搜索基站的分布式信号源的常规装置严重地产生了采用一个圆天线阵列(或自适应天线)的束形成系统的负载。

发明概述

因此，本发明的目的是提供一种用于搜索基站的分布式信号源的方法和装置，它能够通过使用一对圆天线阵列估算分布式信号源的初始圆心垂直角，将估算的初始圆心垂直角应用到2-D成本函数来估算分布式信号源的圆心水平角，并将估算的圆心水平角应用到2-D成本函数来估算分布式信号源的圆心垂直角，以减少用于估算分布式信号源的信号到达方向的方法的复杂性，并避免局部最大值问题。

为达到上述目的和其它优点且依照本发明的目的，如此处实施并概括描述的，提供了一种用于搜索基站的分布式信号源的装置，包括：一对圆天线阵列，相互之间在其上/下方向上保持预定距离；用于估算来自圆天线阵列对的分布式信号源的初始圆心垂直角的预处理单元；用于通过使用该初始圆心垂直角来估算分布式信号源的圆心水平角的圆心水平角搜索单元；以及用于通过使用所估算的圆心水平角来估算分布式信号源的圆心垂直角的圆心垂直角搜索单元。

依照本发明的一个方面，用于搜索基站的分布式信号源的方法包括以下步骤：通过圆天线阵列对的每一传感器接收分布式信号源；估算接收的分布式信号源的初始圆心垂直角；通过使用分布式信号源的初始圆心垂直角来估算分布式信号源的圆心水平角；以及通过使用所估算的圆心水平角来估算分布式信号源的圆心垂直角。

结合附图阅读以下本发明的详细描述，能够更清楚以上内容以及本发明的其它目的、特征、方面和优点。

附图的简要描述

所包含的附图提供了对本发明的进一步理解，将其结合在本说明书中并成为说明书的一部分，阐述了本发明的实施例，并与说明书部分一起解释本发明的原理。

附图中：

图1是说明基站的通用圆天线阵列的结构图；

图2是说明用于通过使用通用圆天线阵列搜索基站的分布式信号源的常规装置的结构图；

图3是显示全局最大值和局部最大值示例的曲线图；

图4是说明依照本发明的一对圆天线阵列的结构图；

图5是说明依照本发明的用于搜索基站的分布式信号源的装置的结构图；

图6是说明依照本发明的用于搜索基站的分布式信号源的方法的顺序步骤的流程图。

较佳实施例的详细描述

现在详细描述本发明的较佳实方式，其例子示于附图。

本发明采用一对圆天线阵列。

图4所示的结构图是依照本发明的一对圆天线阵列。

参考图4，在圆天线阵列对100中，第一圆天线阵列10和第二圆天线阵列10’置于上层和下层，其轴在同一直线上。第一圆天线阵列10的传感器20和第二圆天线阵列的传感器20’之间分别保持了一距离d。这一距离d是波长λ的倍数，如λ/2或λ。

圆天线阵列对100接收到的每一分布式信号源具有圆心垂直角θ、垂直角分布σ_θ、圆心水平角φ和水平角分布σ_φ。这里，本发明的主要目的是估算分布式信号源的信号到达方向，因此省略了垂直角分布σ_θ和水平角分布σ_φ的估算。

图5是说明依照本发明的用于搜索基站的分布式信号源的装置的结构图。

如图5所示，用于搜索基站的分布式信号源的装置包括在其第一和第二圆天线阵列10和10’之间保持预定距离的一对圆天线阵列100、用于估算来自圆天线阵列对100的分布式信号源的初始圆心垂直角的预处理单元110、用于通过将估算的初始圆心垂直角应用到2-D成本函数来生成1-D成本函数并通过使用该1-D成本函数来估算分布式信号源的圆心水平角的圆心水平角搜索单元120、用于通过将估算的圆心水平角应用到2-D成本函数来生成1-D成本函数并通过使用该1-D成本函数来估算分布式信号源的圆心垂直角的圆心垂直角搜索单元130、以及用于通过使用估算的圆心垂直角和圆心水平角来在每一分布式信号源的信号到达方向上形成束的控制单元140。

当估算分布式信号源的初始圆心垂直角时，预处理单元110可以采用MUSIC法、最大似然(ML)法或通过循环不变技术的信号参数总最小二乘估算(TLS-ESPRIT)。MUSIC法使用通过本征分离协方差矩阵所得的噪声相关特征向量和实际信号到达方向的控制向量之间的正交性，来估算满足基于频谱的点上的正交性的信号到达方向。ML法找出用于将由参数模型估算的协方差矩阵和包含未知变量的理论协方差矩阵之间的差异最小化的变量。TLS-ESPRIT通过使用点信号源模型中天线的构造特性简单地估算信号到达方向。通用TLS-ESPRIT在R.Roy和T.Kailath的题为“ESPRIT-Estimation of signal parameters via rotationalinvariance techniques”，IEEE Trans.Acoust.，Speech Signal Process.，卷37，984-995页(1989年7月)中有详细描述。

依照本发明，分布式信号源由相互保持预定距离的圆天线阵列对100接收。因此，预处理单元110中使用的TLS-ESPRIT获得圆天线阵列对100的控制向量之间的一些关系，将某些关系表示为矩阵，并从矩阵的特征向量和协方差矩阵之间的关系初步估算分布式信号源的圆心垂直角。

ML法能够最精确地估算信号到达方向。然而，由于ML法通过使用非线性多维函数来估算信号到达方向，ML法十分复杂，并需要较多时间来处理相应的信号。因此，本发明使用RLS-ESPRIT来估算分布式信号源的初始圆心垂直角。

现在描述依照本发明的用于搜索基站的分布式信号源的装置的运作。

图6是说明依照本发明的用于搜索基站的分布式信号源的方法的顺序步骤的流程图。

当在其上/下方向上相互保持一预定距离d的圆天线阵列对100接收分布式信号源时，预处理单元110通过使用分布式信号源的入射角和相位差，根据TLS-ESPRIT来估算由圆天线阵列对100的每一传感器20和20’接收的分布式信号源的初始圆心垂直角

初始圆心垂直角

并不表示令2-D成本函数具有全局最大值的解，而是近似该解的值。预处理单元估算由圆天线阵列对100接收的整个分布式信号源的初始圆心垂直角 (例如，当分布式信号源的个数是q时的q个分布式信号源)(S20)。

圆心水平角搜索单元120将初始圆心垂直角 作为圆心垂直角变量θ_i输入到用于求解如公式2所示的二维最优化问题的，并因此将2-D成本函数转化成对圆心水平角φ_i的1-D成本函数，如公式3所表示：

公式3

${\widehat{\mathrm{\φ}}}_i=\arg \underset{\mathrm{\φ}}{\max }V({\mathrm{\θ}}_i,{\stackrel{\‾}{\mathrm{\φ}}}_i)$

这里，θ_i表示第i个分布式信号源的圆心垂直角变量，φ_i表示第i个分布式信号源的圆心水平角变量。

圆心水平角搜索单元120估算令1-D函数具有全局最大值的解，即第i个分布式信号源的圆心水平角 (S22)。获得1-D函数的解的方法在计算上比获得非线性2-D函数的解的方法要简单，并且不会得到具有局部最大值的解。

圆心垂直角搜索单元130将估算的第i个分布式信号源的圆心水平角

作为圆心水平角变量φ_i输入到用于求解如公式2所示的2-D最优化问题的公式中，并因此将2-D成本函数转化为对圆心垂直角变量θ_i的1-D函数，如以下公式4所示：

公式4

${\widehat{\mathrm{\θ}}}_i=\arg \underset{\mathrm{\θ}}{\max }V({\mathrm{\θ}}_i,{\widehat{\mathrm{\φ}}}_i)$

此后，圆心垂直角搜索单元130估算令1-D函数具有全局最大值的解，即第i个分布式信号源的圆心水平角

(S24)。

圆心水平角搜索单元120和圆心垂直角搜索单元130确认q个分布式信号源的圆心垂直角和圆心水平角是否都已估算。圆心水平角搜索单元120和圆心垂直角搜索单元130随后使用初始圆心垂直角执行圆心水平角的估算，并使用估算的圆心水平角执行圆心垂直角的估算，直到q个分布式信号源的圆心垂直角和圆心水平角都被估算(S26)。

当q个分布式信号源的圆心垂直角和圆心水平角都已估算，控制单元140控制每一分布式信号源的信号到达方向上的束的形成。

如先前讨论的，依照本发明，用于搜索基站的分布式信号源的方法和装置通过根据TLS-ESPRIT初步估算由圆天线阵列对接收的分布式信号源的圆心垂直角，简化了主要的估算计算并避免了局部最大值问题。

另外，用于搜索基站的分布式信号源的方法和装置在存在q个分布式信号源时，通过估算分布式信号源的初始圆心垂直角，随后使用初始圆心垂直角执行分布式信号源的圆心水平角的估算，并使用估算的每一信号源的圆心水平角执行分布式信号的圆心垂直角的估算，执行了2q次1-D搜索(一维搜索)。

而且，用于搜索基站的分布式信号源的方法和装置估算分布式信号源的圆心垂直角、通过将分布式信号源的初始圆心垂直角输入到2-D成本函数将2-D成本函数转换为对圆心水平角变量的1-D成本函数、计算令1-D成本函数具有最大值的解，即圆心水平角、通过将计算所得的圆心水平角输入到2-D成本函数将2-D成本函数转化为对圆心垂直角变量的1-D成本函数并计算令1-D成本函数具有最大值的解，即圆心垂直角。1-D成本函数的计算比非线性2-D成本函数的计算更简单。因此，可以降低用于估算分布式信号源的信号到达方向的计算的复杂性，并减小用于估算分布式信号源的信号到达方向的基站的负载。

本发明可以在不脱离其精神或本质特性的情况下以若干种形式来实施，也应当理解，上述实施例并非被任何前面描述的细节所限制，除非另外指定，而应在由所附权利要求书中定义的范围和精神内概括解释，因此所有处于权利要求书边界和范围，或者等效的边界和范围内的变化和修改都包含在所附权利要求书内。

Claims (15)

1.一种用于搜索基站的分布式信号源的装置，其特征在于，它包括：

在其上/下方向上互相保持预定距离的圆天线阵列对；

用于估算来自所述圆天线阵列对的所述分布式信号源的初始圆心垂直角的预处理单元；

用于利用所述初始圆心垂直角来估算所述分布式信号源的圆心水平角的圆心水平角搜索单元；以及

用于利用所述估算的圆心水平角来估算所述分布式信号源的圆心垂直角的圆心垂直角搜索单元。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述圆天线阵列对的两条轴线置于同一直线上相互之间有预定距离，并且所述圆天线阵列对的传感器相互之间在上/下方向上保持与所述预定距离相对应的距离。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述预定距离包括波长的倍数。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述预处理单元根据TLS-ESPRIT法估算由所述圆天线阵列对接收的所述分布式信号源的初始圆心垂直角。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述圆心水平角搜索单元通过将所述初始圆心垂直角作为圆心垂直角变量的值输入到对圆心垂直角变量和圆心水平角变量的二维成本函数中，生成对所述圆心水平角变量的第一一维成本函数，并估算令所述第一一维成本函数具有最大值的分布式信号源的圆心水平角。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述圆心垂直角搜索单元通过将所述估算的圆心水平角作为圆心水平角变量的值输入到对圆心垂直角变量和圆心水平角变量的二维成本函数中，生成对所述圆心垂直角的第二一维成本函数，并估算令所述第二成本函数具有最大值的分布式信号源的圆心垂直角。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，它还包括用于通过利用所述估算的圆心垂直角和圆心水平角，在所述分布式信号源的信号到达方向上形成束的控制单元。

8.一种用于搜索基站的分布式信号源的方法，其特征在于，它包括以下步骤：

通过所述圆天线阵列对的每一传感器接收分布式信号源；

估算所述接收的分布式信号源的初始圆心垂直角；

通过利用所述分布式信号源的所述初始圆心垂直角估算所述分布式信号源的圆心水平角；

通过利用所述估算的圆心水平角估算所述分布式信号源的圆心垂直角。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，它还包括一步骤，用于将以下步骤顺序地执行等于分布式信号源的个数的次数：

估算所述圆心水平角的步骤，和

估算所述圆心垂直角的步骤。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述圆天线阵列对的两条轴线置于同一直线上相互之间的预定距离对应于波长的倍数，并且所述圆天线阵列对的传感器相互之间在上/下方向上保持与预定距离相对应的距离。

11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，用于估算所述初始圆心垂直角的步骤根据TLS-ESPRIT法估算由所述圆天线阵列对的每一传感器接收的所述分布式信号源的所述初始圆心垂直角。

12.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述用于估算所述分布式信号源的所述圆心水平角的步骤包括以下步骤：

将对圆心垂直角变量和圆心水平角变量的二维成本函数转化为对圆心水平角变量的第一一维成本函数；以及

估算令所述第一一维成本函数具有最大值的所述分布式信号源的圆心水平角。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述将所述二维成本函数转化为所述第一一维成本函数的步骤将所述初始圆心垂直角作为圆心垂直角变量的值输入到所述对圆心垂直角变量和圆心水平角变量的二维成本函数中。

14.如权利要求8所述的方法，其特征在于，用于估算所述分布式信号源的所述圆心垂直角的步骤包括以下步骤：

将对圆心垂直角变量和圆心水平角变量的二维成本函数转化为对圆心垂直角变量的第二一维成本函数；以及

估算令所述第二一维成本函数具有最大值的所述分布式信号源的圆心垂直角。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，用于将所述二维成本函数转化为所述第二一维成本函数的步骤将所述估算的圆心水平角作为圆心水平角变量的值输入到所述对圆心垂直角变量和圆心水平角变量的二维成本函数中。

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