CN1801666A - 码分多址中波束形成与瑞克接收的联合处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于码分多址(CDMA)系统中的智能天线与瑞克接收机相结合的联合处理方法。它对每个用户的所有多径信号只采用一个波束形成器，在阵列处理部分采用最小均方(LMS)自适应算法更新阵元权矢量，该方案的误比特率性能优于一般方法中对每个用户的每条多径均采用一个波束形成器的方案，且降低了系统实现复杂度。

Description

码分多址中波束形成与瑞克接收的联合处理方法

技术领域

本发明涉及CDMA系统中智能天线与瑞克接收相结合的联合处理方法。

背景技术

随着无线网络、多媒体技术和因特网的逐渐融合，人们对无线通信业务的类型和质量的要求越来越高。为满足无线多媒体和高速率数据传输的要求，人们提出并开发了第三代移动通信系统(3G)。3G系统中，采用了码分多址(CDMA)技术。然而CDMA系统是干扰受限系统，降低并消除CDMA系统中的同道干扰(CCI)、多径衰落以及远近效应等因素的影响成为提高CDMA系统容量的关键问题。

一般BF-瑞克接收系统采用了多个波束形成器203-1～203-N，如图2所示，其工作原理为：由多个天线200接收用户载波信号，用户载波信号经射频前端和基带转换单元202下变频为基带信号后送入多个波束形成器BF 203-1～203-N进行空域波束形成，BF输出信号经解扩单元(206)解扩后送入瑞克接收机207进行多径合并，然后输出到后续的处理单元，例如判决单元209等中。

瑞克接收机能够在时域利用信号的多径，提高系统的输出信噪比，是CDMA系统中广泛应用的一种抗多径技术。但一般的时域的瑞克接收机，只能分离时延超过一个码片的不相关多径信号，无法分辨时延小于一个码片的相关多径信号。

随着移动通信技术的发展，人们把阵列信号处理技术引入到移动通信中，即智能天线技术。它可以从空域上抑制到达方向(DOA)与用户的期望不同的干扰信号，从而提高系统的输出信噪比。因此，在传统的瑞克接收机前采用智能天线，引入一个新的空间维，形成空时联合处理，能够充分利用对用户多径信号的空间与时间的可分辨性，有效地抗多径衰落和同道干扰，显著提高系统容量和性能。

已有一些文献研究了接收天线阵列与瑞克接收的联合空时处理问题，在下面所列的文献[2]提出的系统结构中，均采用了对每个用户的每条多径均采用一个波束形成器中的方案，这种结构存在系统复杂度高的缺点。为降低系统实现复杂度，本发明提出一种简单实用的波束形成-瑞克(下称BF-瑞克)接收机结构。

参考文献列表：

[1]Tanaka S、Miya K、Adachi F.发表在IEICE TransFundamentals，1997年E80-A(12)第2445～2453上的PilotSymbol-Assisted Decision-Directed Coherent Adaptive ArrayDiversity for DS-CDMA Mobile Radio Reverse Link[J]。

[2]Rong Z、Rappaport T S、Petrus P等人发表在Proc 47th IEEEVehicular Technology Conf[C](菲尼克斯，亚利桑那州)IEEE Press，1997年第1-5页上的Simulation of multitarget adaptive arrayalgorithms for wireless CDMA systems[A]。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低复杂度的波束形成-瑞克接收系统方案。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方案，提出了一种波束形成与瑞克接收的联合处理方法，包括以下步骤：通过天线阵列接收信号；利用一个波束形成器，对接收到的信号进行空域处理，更新天线阵的权矢量；利用接收端已知的导频符号和瑞克接收机的信道估计值获得参考信号；对多个不相关多径分量进行解扩，得到用户的各条不相关多径解扩信号；以及利用瑞克接收机，在时域对解扩信号进行多径合并，输出所得到的信号。

优选地，所述空域处理步骤包括以下步骤：利用乘法器将所接收到的信号与对应的权值相乘；利用加法器对所述乘法器的输出进行求和运算，并输出求和结果；以及利用接收端已知的导频信号和信道估计信号，采用最小均方算法，自适应地调整每个天线单元的权值。

优选地，所述对多个不相关多径分量进行解扩，得到用户的各条不相关多径解扩信号的步骤包括步骤：将每个用户的扩频码与波束形成器输出的信号相乘；以及在信号持续时间内对所得到的结果进行积分运算。

优选地，所述在时域对解扩信号进行多径合并的步骤包括步骤：采用信道估计器估计出每径信道增益；利用该增益对多径进行补偿；和利用加法器对每径信号进行合并。

根据本发明的另一方案，提出了一种波束形成器，包括：接收装置，接收来自至少一个天线单元的信号以及接收端已知的导频信号和信道估计信号；调整装置，利用接收端已知的导频信号和信道估计信号，自适应地调整与每个天线单元相对应的权值；乘法器，将所接收到的信号与对应的权值相乘；以及加法器，对所述乘法器的输出进行求和运算，并输出求和结果。

优选地，所述调整装置采用最小均方算法自适应调整与每个天线单元相对应的权值。

根据本发明的另一方案，本发明还提出了一种包括上述波束形成器的基站。

根据本发明的另一方案，本发明还提出了一种包括上述波束形成器的波束形成与瑞克接收系统。

在本发明的BF-瑞克接收系统中，在基站端安装阵列接收天线，接收到的用户载波信号经射频前端和基带转换单元下变频为基带信号后送入一个波束形成器BF(智能天线)进行空域波束形成，BF中采用最小均方(LMS)算法自适应算法调整每个天线单元的权值，其输出信号经解扩后送入RAKE接收机进行多径合并，然后输出到后续的处理单元进行解调、译码等。与一般的BF-RAKE接收机相比，本发明的主要区别在于：它对每个用户只采用了一个波束形成器，而一般BF-RAKE接收机采用了多个波束形成器。

BF-RAKE联合处理主要包括两个部分：一是接收天线阵列在空域的干扰抑制及对期望信号的相关多径分量的合成，二是RAKE接收机对期望信号的不相关多径分量的合成。处理步骤为：

第一步，对接收信号进行空域处理。在波束形成器中，把每个阵元信号与对应的权值相乘后，采用加法器把各阵元的输出相加。采用最小均方(LMS)算法自适应地更新天线阵的权矢量，即根据期望的参考信号与接收信号的均方误差最小原理来获得最佳权矢量。在计算误差信号的产生时需要参考信号，这时，利用接收端已知的导频符号和RAKE接收机的信道估计值能够获得该参考信号。

第二步，对几个不相关多径分量分别解扩，得到用户各条不相关多径解扩信号。在解扩器中，利用各用户扩频码与波束形成器输出的信号相乘，并进行信号持续时间内的积分运算，然后得到解扩后的信号，该信号输入到瑞克接收机。

最后，在时域对解扩信号利用瑞克接收机进行多径合并，输出信号送入到解调、译码单元进行解调和译码处理。在瑞克接收机内，采用信道估计器估计出每径的信道增益，利用该增益对多径作补偿后，采用加法器对每径信号进行合并，然后输出到后续处理单元等。

本发明对每个用户的所有多径信号均采用一个波束形成器，只需进行一次波束形成处理，大大降低了系统复杂度；且在相同信噪比情况下，根据本发明的方案的误比特率BER性能优于传统方案。

附图说明

下面，将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述，其中：

图1示出了根据本发明的BF-瑞克接收机结构的示意图；

图2示出了传统BF-瑞克接收机结构的示意图；

图3示出了根据本发明的BF-瑞克接收处理的流程图；

图4(a)、4(b)和4(c)详细示出了根据本发明的BF-瑞克接收处理的流程图；以及

图5示出了本发明的接收机与传统接收机的系统误比特率(BER)性能的比较的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作具体说明。应该指出，所描述的实施例仅是为了说明的目的，而不是对本发明范围的限制。本发明以CDMA系统为例，但应当理解本发明并不局限于此，本发明能够应用于任何采用波束形成与瑞克接收方法的系统。

本发明提出的应用于CDMA系统的BF-瑞克接收机的结构如图1所示。BF-瑞克接收机包括阵列接收天线100、射频单元RX 102、波束形成器103、解扩器106，多个乘法器以及瑞克接收机107。波束形成器103中包括加法器104和权值更新单元105。

下面结合图1说明根据本发明实施例的BF-瑞克接收机的操作。在基站端安装阵列接收天线100，各阵元接收到的用户载波信号可以表示为[r⁽¹⁾…r^(j)…r^(N)]，接收的载波信号经射频单元RX 102下变频为基带信号，然后送入一个波束形成器BF(智能天线单元)103进行空域波束形成。在波束形成器中，由权值更新单元105采用LMS算法自适应地调整每个天线单元的权值w_k，把每个阵元信号与对应的权值相乘后(1、2、3)，采用加法器104把各阵元的输出相加，其结果输入到解扩器106。在解扩器106，利用乘法器6将各用户扩频码c_k与波束形成器的输出信号相乘，并在信号持续时间内积分(∫110)运算后得到解扩后的信号，该信号输入到瑞克接收机107。在瑞克接收机107内，采用信道估计器111估计出每径的信道增益，利用乘法器(7)该增益对多径作补偿后，采用加法器(∑112)把每径信号合并后输出到后续的处理单元，例如判决单元109等。

与一般的BF-瑞克接收系统相比，本发明在结构上的主要不同之处在于：提出系统对每个用户只采用了一个波束形成器，而一般BF-瑞克接收系统采用了多个波束形成器。

下面，将参照图1、图3和图4对本发明的系统的操作进行描述。

设系统的基站天线阵100采用N个阵元的均匀线阵(ULA)，假设阵列响应矢量在观测时间内保持不变，则阵元j在t时刻的接收信号如公式(1)所示：

$x^{\left(j\right)}\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=1}{\overset{L_k}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{2p_{k,l}}{\mathrm{\α}}_{k,l}\left(t\right)b_k(t-{\mathrm{\τ}}_{k,l})c_k(t-{\mathrm{\τ}}_{k,l})\×a^{\left(j\right)}\left({\mathrm{\θ}}_{k,l}\right)+n^{\left(j\right)}\left(t\right),j=1,\·\·\·,N\·---\left(1\right)$

式中：K为小区内激活用户的数目；L_k为用户k在t时刻到达基站天线阵的可分辨多径数目；p_k，l为用户k的第l条多径分量的平均功率；α_k，l(t)为用户k的第l条多径分量的幅度衰落；τ_k，l为用户k的第l条多径分量的时延；用户k的信息比特，b_k(t)＝b_m，mT≤t＜(m+1)T，b_m∈{-1，1}，表示b_m取值为1或-1，T为符号周期；用户k的扩频码c_k(t)＝c_n，nT_c≤t＜(n+1)T_c，c_n∈{-1，1}，表示c_n取值为1或-1，T_c为扩频码的码片周期，处理增益P＝T/T_c；a^(j)(θ_k，l)为第k个用户的第l条多径分量对基站天线阵的方向矢量a(θ_k，l)的第j个分量，且a(θ_k，l)＝[1，e^jφ，e^j2φ，...，e^j(N-1)φ]^T， $\mathrm{\φ}=\frac{d\sin \left({\mathrm{\θ}}_{k,l}\right)}{\mathrm{\λ}}2\mathrm{\π},$ d为ULA阵元间距，λ为工作波长；n^(j)(t)为第j个阵元上的加性高斯白噪声分量，设各阵元之间的噪声互不相关；则x(t)＝[x⁽¹⁾(t)，x⁽²⁾(t)，…，x^(N)(t)]^T表示整个阵列一个快拍的输出。

BF-瑞克联合处理包括两个部分：一是接收天线阵列100在空域的干扰抑制及对期望信号的相关多径分量的合成(103)，二是瑞克接收机107对期望信号的不相关多径分量的合成，下面分开讨论。

首先，对接收信号进行空域处理(S301)，设用户k的阵列接收权矢量为w_k＝[w_k1，w_k2，…，w_kN]^T，则用户k的阵列输出信号如公式(2)所示：

$y_k\left(t\right)=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{\mathrm{kj}}^{*}{x}^{\left(j\right)}\left(t\right)={w_k}^{H}x\left(t\right),---\left(2\right)$

这里，“*”、“H”分别表示矩阵(或向量)的复共轭和共轭转置。阵列处理时，采用LMS算法更新权矢量(S301)。LMS算法的原理是根据期望的参考信号r_k(m)与接收信号y_k(m)＝w_k ^Hx(m)的均方误差E{e_k ²(m)}最小的原理获得最佳的权矢量。由于计算误差信号的产生需要一个参考信号，利用接收端已知的导频符号和信道估计值获得该参考信号，并按以下公式(3)更新权矢量：

w_k(m+1)＝w_k(m)+μ x(m)e_k ^*(m+1)

e_k(m)＝r_k(m)-y_k(m)                  (3)

这里，μ表示步长；[ x(m)_N×P表示导频符号P个快拍的阵列接收矢量；[r_k(m)]_1×P为参考信号；[e_k(m)]_1×P表示导频符号的权矢量校正误差矢量；[y_k(m)]_1×P为导频符号的P个快拍的阵列输出(设每码片采样一次)。

图4(a)进一步详细描述了图3中的步骤S301的操作流程。如图4(a)所示，将每个阵元信号与对应的权值相乘(S3011)，之后，采用加法器把各阵元的输出相加(S3012)，以及利用接收端已知的导频符号和信道估计值，采用最小均方(LMS)算法自适应地更新天线阵权矢量(S3013)。

然后，对几个不相关多径分量分别进行解扩(106)(S302)。图4(b)详细描述了图3中的步骤S302的流程。如图4(b)所示，利用各用户的扩频码与波束形成器输出的信号相乘(S3021)，之后，在信号持续时间内对所得到的结果进行积分运算(S3022)。由此可得，用户k的第l条不相关多径在第m个符号的解扩信号如公式(4)所示：

$z_{k,l}\left(m\right)=\frac{1}{T}{\∫}_{\mathrm{mT}+{\mathrm{\τ}}_{k,l}}^{(m+1)T+{\mathrm{\τ}}_{k,l}}{y}_k\left(t\right)c_k(t-{\mathrm{\τ}}_{k,l})\mathrm{dt}---\left(4\right)$

最后，在时域对解扩信号利用瑞克接收机107进行多径合并(S303)。图4(c)详细描述了图3中的步骤S303的流程。如图4(c)所示，采用信道估计器估计出每径信道增益(S3031)，利用该增益对多径进行补偿(S3032)，最后，采用加法器把每径信号合并后输出(S3033)。

设信道估计器得到的用户k的l径的信道增益为H_k，l。若按最大比准则进行相干合并，即可得到用户k的输出 $z_k\left(m\right)=\underset{l=1}{\overset{L_k}{\mathrm{\Σ}}}{z}_{k,l}\left(m\right){h^{*}}_{k,l},$ 它用于用户k的后续解调、译码等处理。

综上所述，整个处理步骤的流程如图3所示，包括以下三步：第一步(S301)，对接收信号进行空域处理，采用最小均方适应算法更新天线阵权矢量；第二步(S302)，对不相关多径分量分别解扩，得到用户各条不相关多径分量的解扩信号；第三步(S303)，在时域对解扩信号利用瑞克接收机合并多径信号。

图5示出了本发明的接收机与传统接收机的系统误比特率(BER)性能比较的曲线图。

仿真参数为：基站采用6阵元均匀线阵，相邻阵元间的间隔为工作波长的一半；采用WCDMA系统参数，每帧周期为10ms，由15个时隙(包括导频符号和数据符号)组成，系统扩频增益为32，码片率为3.84Mchip/s，扩频码选用伪随机序列(PN序列)，多普勒频移f_d＝42Hz，BPSK调制。假定期望用户和干扰用户有两条多径(时延差5个码片)。取权矢量的初始值为 $w_k^{\left(1\right)}\left(m\right)=1,w_k^{\left(j\right)}\left(m\right)=0(j>1),$ 迭代步长μ＝0.001。

仿真结果如图5所示，为了比较，图中示出了传统系统中对每个用户的每条多径均采用一个波束形成器的方案的误比特率(BER)性能。可以看到，在信噪比相同的情况下，本发明所提出的方案的BER性能优于传统方案。

同时，本发明的方案具有其优点和合理性，这是因为：

·实际系统中，基站接收阵元数常选用4～8个，半波长情况下基站波束的主瓣3dB宽度为15～25度。在宏蜂窝系统中，期望用户的角度扩展很可能基本上位于该宽度之内，所以一个波束形成器可以覆盖所有多径分量。

·采用多个波束形成器对每个多径分量进行波束形成时，如果有些波束没有收敛或存在指向错误，会导致整体性能下降，而采用单个波束形成器可避免该问题。

·采用单个波束形成器时，只需进行一次波束形成处理，故系统复杂度大大降低。

尽管已经针对典型实施例示出和描述了本发明，本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其他的改变、替换和添加。因此，本发明不应该被理解为被局限于上述特定实例，而应当由所附权利要求所限定。

Claims (8)

1、一种波束形成与瑞克接收的联合处理方法，包括以下步骤：

通过天线阵列接收信号；

利用一个波束形成器，对接收到的信号进行空域处理，更新天线阵的权矢量；

利用接收端已知的导频符号和瑞克接收机的信道估计值获得参考信号；

对多个不相关多径分量进行解扩，得到用户的各条不相关多径解扩信号；以及

利用瑞克接收机，在时域对解扩信号进行多径合并，输出所得到的信号。

2、根据权利要求1所述的波束形成与瑞克接收的联合处理方法，其特征在于所述空域处理步骤包括以下步骤：

利用乘法器将所接收到的信号与对应的权值相乘；

利用加法器对所述乘法器的输出进行求和运算，并输出求和结果；以及

利用接收端已知的导频信号和信道估计信号，采用最小均方算法，自适应地调整每个天线单元的权值。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述对多个不相关多径分量进行解扩，得到用户的各条不相关多径解扩信号的步骤包括步骤：

将每个用户的扩频码与波束形成器输出的信号相乘；以及

在信号持续时间内对所得到的结果进行积分运算。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述在时域对解扩信号进行多径合并的步骤包括步骤：

采用信道估计器估计出每径信道增益；

利用该增益对多径进行补偿；和

利用加法器对每径信号进行合并。

5、一种波束形成器，包括：

接收装置，接收来自天线单元的信号以及接收端已知的导频信号和信道估计信号；

调整装置，利用接收端已知的导频信号和信道估计信号，自适应调整与每个天线单元相对应的权值；

乘法器，将所接收到的信号与对应的权值相乘；以及

加法器，对所述乘法器的输出进行求和运算，并输出求和结果。

6.根据权利要求5所述的波束形成器，其中所述调整装置采用最小均方算法自适应调整与每个天线单元相对应的权值。

7、一种基站，其特征在于包括一个根据权利要求5或6所述的波束形成器。

8、一种波束形成与瑞克接收系统，其特征在于包括一个根据权利要求5或6所述的波束形成器。

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