CN1853360A - 包括到达方向估计的无线信号处理方法和装置 - Google Patents

Abstract

在此描述了包括信号到达方向估计的无线信号处理方法和装置。

Description

包括到达方向估计的无线信号处理方法和装置

技术领域

本发明一般涉及通信领域，尤其涉及无线通信。

背景

集成电路、微处理器、网络、电信和其它相关技术的发展使得例如移动无线“蜂窝”电话的无线通信被广泛采用。在诸如移动无线“蜂窝”电话的无线通信的情况下，通常，移动无线“蜂窝”电话(也称作移动手持设备)与“邻近”服务站(也称作基站)进行通信，该邻近服务站为移动手持设备中继通信信号。服务/基站为其覆盖区域(其“蜂窝”)内的所有移动手持设备提供中继服务。因此，服务/基站通常同时接收并处理来自其“蜂窝”中的数个移动手持设备的通信信号。

因为在增强无线通信系统的容量和吞吐量方面存在几个优点，在服务/基站处使用多个天线用于接收来自移动手持设备的通信信号已变得普遍。各种信号处理技术被用于处理接收到的通信信号，包括但不限于“时空”处理技术。

在时空处理技术之中，波束赋形是所关注的用于提升从期望方向接收的信号强度的有前景的领域之一。一种已知的技术是采用已知的训练序列来估计最佳权重(例如，使用最小均方(LMS))，用于对期望方向的波束赋形。用于估计到达方向(DOA)的其它已知技术包括使用Bartlett处理器或MUSIC(多信号分类)技术。

训练的缺点是引起系统吞吐量的开销，且收敛会花费比进行判断可用的时间更长的时间。后者技术需要大量接收信号的快照以提供反映来自独立信号源的接收信号的相关性(或其缺乏)的相关矩阵的良好估计。

此外，在每个通信信号通常具有若干多径的同时，由于诸如反射中断结构(reflection off structure)的环境因素，这些技术通常仅根据信号的最主要的多径来估计DOA。

附图说明

将通过附图描述本发明的实施例，其中相同的标号表示类似的元件，其中：

图1示出了根据一个实施例的适于实施本发明的通信环境。

图2示出了根据一个实施例的确定从J个信号源无线发送的J个信号的到达方向的一部分操作流程。

图3示出了根据一个实施例的确定从J个信号源无线发送的J个信号的L个多径的到达方向的一部分操作流程。

图4示出了根据一个实施例的适用于实施图2-3的一个或多个信号处理方法的一个或多个方面的计算机系统。

具体实施方式

本发明的实施例包括但不限于用于确定无线发送的若干信号的到达方向的方法和装置。本发明的实施例还包括用于确定无线发送的若干信号的多径的到达方向的方法和装置。

在以下描述中，将描述本发明的实施例的各方面。但是，本领域的熟练技术人员显而易见的是，可以仅用所述方面的一些或全部来实施其它实施例。出于说明目的，阐述了特定的数字、材料和配置以提供对实施例的透彻理解。然而，本领域熟练技术人员显而易见的是，可以在没有特定细节的情况下实施其它的实施例。在其它实例中，省去或简化了公知特点以不模糊描述内容。

按最有助于理解实施例的方式将各种操作依次描述为多个离散的操作，但是，描述顺序不应解释为暗示这些操作是必须依赖顺序的。特别是，这些操作不需要按介绍的顺序执行。

重复使用短语“在一个实施例中”。该短语通常不表示同一实施例，但这也是可以的。除非上下文另外指出，否则术语“包含”、“具有”和“包括”是同义的。

现在参考图1，其中示出了根据一个实施例的适于实施本发明的通信环境的概况。如图所示，对于该实施例，通信环境100包括相互通信耦合的J个移动手持设备102a-102j和基站106。基站106中继用于移动手持设备102a-102j的通信信号，包括这些手持设备无线发送的接收信号。尤其是，接收信号可被处理并转发到与基站106耦合的无线通信服务网络的另一信号处理节点(未示出)，和/或到PSTN(公共交换电话网络)的信号处理节点(未示出)。

对于该实施例，基站106包括如图所示地相互耦合的N个天线108a-108n、RF单元110和信号处理单元110(RF＝射频)。天线108a-108n用于对移动手持设备102a-102h发送和接收信号。此外，天线108a-108n可用于其它用途。天线108a-108n也可称作传感器。对于本申请的用途，这两个术语是同义的。

RF单元110用于将天线108a-108n接收的RF信号下变频为基带信号，或者将基带信号上变频为用于通过天线108a-108n发送的RF信号。

信号处理单元110用于处理下变频的基带信号，并处理用于上变频的输出信号。对于该实施例，如图所示，信号处理单元110特别地包括DOA估计单元112和波束赋形单元114，它们相互耦合并耦合到RF单元110。

在各种实施例中，DOA估计单元112估计J个信号的DOA(J是整数)，这将在以下参考图2更完整地进行描述。对于这些实施例，波束赋形单元114至少部分基于由DOA估计单元112所估计的J个信号的DOA来形成相应加权的输出信号。

在其它实施例中，DOA估计单元112估计J个信号的L个多径(L是整数)的DOA，这将参考图3更完整地进行描述。一些实施例支持要参考图2和3描述的两种方法之一。其它实施例支持它们两者。对于支持图2-3所述方法两者的那些实施例，实施例也可支持将两种方法之一作为当前操作方法的配置。可以按静态或动态的方式支持所述配置。

对于后者的实施例，波束赋形单元114至少部分基于由DOA估计单元112估计的J个信号的L个多径的DOA来形成相应的输出信号。更特别地，波束赋形单元114确定若干相应的权重并至少部分基于由DOA估计单元112所估计的J个信号的L个多径的加权贡献形成相应的输出信号。

除基站106获取信号104a-104j的有利方式之外，移动手持设备102a-102j和RF单元110表示这些元件的较宽范围。以下将参考图4进一步描述适于承载DOA估计单元112和波束赋形单元114的软件实现的计算机系统。可以用若干编程语言中的任何一种或多种来开发该软件实现。但是，本发明预期DOA估计单元112和波束赋形单元114的所有或一些部分可以用硬件实现，例如使用一个或多个专用集成电路(ASIC)或现场可编程逻辑装置。基于这里提供的描述，本领域的普通技术人员将能这么作。

对于以下的其余描述，且对于权利要求，采用以下的约定：

—粗体大写字母，诸如A，M，表示矩阵或子空间，

—粗体小写字母，诸如v，表示矢量，且

—非粗体字母，诸如“s”，表示标量。

现在参考图2，示出了说明根据一个实施例的用于确定J个信号的DOA的DOA估计单元112的操作流程的流程图。该实施例假定以下内容：

J个独立信号在J个不同方向θ₁，...θ_j上射向N天线阵列，其中相对于端射方向测量角度θ_j。

用于接收信号的单个快照的输出信号矢量由以下公式给出：

(1)x(t)＝As(t)+n(t)

其中x(t)是N×1列矢量，被写作

(2)x(t)＝[x₁(t)，...，x_L(t)]^T

(3)A＝[a(θ₁)，...a(θ_J)]，其中A是N×J方向响应矩阵

(4)

是信号方向矩阵。每个a(θ_j)矢量都具有维度N×1。

(5)s(t)＝[s₁(t)，...，s_J(t)]^T，s(t)是J×1矢量，它包含由J个独立源发送的J个信号。

k＝2πf₀/c，f₀是中心频率，且c是电磁波的速度，k是波长，且

d是天线元素之间的间隔且t对应于时间下标..

因此，x(t)是J个线性无关Vandermonde矢量的线性组合，每一个都对应于一个源方向，且x(t)可以被认为是

(6)x(t)＝a(θ₁)s₁(t)，+...+a(θ_J)s_J(t)

在公式(3)中，矩阵A表示跨过x(t)所属的J维子空间的基。因此，其分解中的x(t)具有作为其元素的方向矢量之一。

因此，存在一相关性，使得由x(t)(用于单个快照的输出信号矢量)跨过的一维子空间和其J个信号方向矢量中的任一个的交集是非零的。

因此，如果θ_i不对应于真实源方向之一，即θ_i(θ₁，...，θ_J)，则x(t)和a(θ_i)之间的交集将是零。

因此，计算问题被表示为

(7)x(t)∩a(θ_i)＝0，for θ_i(θ₁，...，θ_J)

(8)x(t)∩a(θ_i)≠0 for θ_i∈(θ₁，...，θ_J)

如果θ_i∈(θ₁，...，θ_J)，被表示为D(t)＝[x(t)，a(θ_i)]的Nx2矩阵将降秩或接近于降秩。

因此，在确定J个信号θ₁，...，θ_J的DOA时，图2的过程首先为信号源j选择试验方向～θ_i，框202。

在选择了试验方向后，该过程行进到计算

第一系数(9a)r₁₁＝‖x(t)‖，且

第一正交单位矢量(9b) $q_1=\frac{x\left(t\right)}{r_{11}},$ 框204。

在计算该第一系数和第一正交单位矢量后，过程行进到计算

第二系数(10a) $r_{12}=q_1^{H}a(~{\mathrm{\θ}}_i),$ 第二正交单位矢量(10b)q₂＝a(～θ₁)-r₁₂q₁，以及

第三系数(10c) $r_{22}=\left|\right|q_2^{H}a(~{\mathrm{\θ}}_i)\left|\right|,,$ 框206

随后，过程行进到对一函数求值

(11)

以及

确定该求值是否产生用于该函数的峰值。如果是，则该试验方向被认为是J个信号的DOA之一。

在框210处，该过程确定是否要确定附加方向。如果是，则过程返回到框202并从那里继续，如上所述。如果不是，则过程终止。

现在参考图3，示出了根据一个实施例的用于确定J个信号的L个相干多径的DOA的DOA估计单元112的操作流程的流程图。该实施例包括J个信号的DOA的初始确定，且随后连同其它信息一起采用所确定的J个信号的DOA，以确定J个信号的L个多径的DOA。

在基站处对应于第j个源和L个相干多径的信号由以下公式给出

(12) $x_j\left(t\right)={\mathrm{\Σ}}_{l=1}^L{R}_{j1}{e}^{12\mathrm{\π}(f_d\cos {\mathrm{\θ}}_{j1}-f{\mathrm{\τ}}_{j1})}s(t-{\mathrm{\τ}}_{j1})$

为N元素天线阵列扩展以上公式，获得以下的关系。

(13) $x_j\left(t\right)={\mathrm{\Σ}}_{l=1}^{L}v\left({\mathrm{\θ}}_{j1}\right)R_{j1}{e}^{12\mathrm{\π}(f_d\cos {\mathrm{\θ}}_{j1}-f{\mathrm{\τ}}_{j1})}s(t-{\mathrm{\τ}}_{j1}),$

其中 $v\left({\mathrm{\θ}}_{j1}\right)={\left[\begin{array}{ccccc}1& e^{\frac{-12\mathrm{\πCos}{\mathrm{\θ}}_{j1}}{\mathrm{\λ}}}& e^{\frac{14\mathrm{\πCos}{\mathrm{\θ}}_{j1}}{\mathrm{\λ}}}& \·\·\·\·\·\·\·& e^{\frac{12\mathrm{\π}(N-1)\mathrm{Cos}{\mathrm{\θ}}_{j1}}{\mathrm{\λ}}}\end{array}\right]}^T$ 是用于第j1个多径分量的阵列响应矢量。以上的符号具有以下的意义。

R_j1是第1个多径的信号强度或幅度

f_dCosθ_j1是第j1个多径的多普勒位移

τ_j1＝r_j1/c是第j1个多径的时延，

r_j1是第j1个多径的范围，以及

c是电磁波的速度，

θ_j1是对应于第j1个多径的DOA

L是用于第j个源的主要多径的数量。

在多径延迟扩展T＝max(τ_j1)-max(τ_j1)＜＜1/B的假定之下，其中B是信号带宽，s_j(t)，即第j个源的基带信号可以被建模为窄带信号，即s(t-τ_j1)≈s(t-τ₀)，其中τ₀∈[min(τ_i)，max(τ_i)]。x_j(t)也被写作

(14)

其中

(15)_J1＝2ππ(f_dCosθ_J1-fτ_J1)此外，来自移动的所有多径在平均到达角度θ_j附近±Δ内均匀地到达基站阵列。

此外，假定信号是窄带的，可以把复杂的基带信号矢量写作

(16)

进一步使得

(17)

是用于与第j个源相对应的L数量个相干多径的阵列响应矢量。

由于与该源相对应的所有L个多径都是相干的，所以使用如MUSIC的常规算法引起同一方向θ_j的估计。

因此，可用θ_j来替代θ_j1。

在这种情况下，以上公式可被近似为

(18)a_j(t)≈v(θ_j)β_j，其中

对于J个用户，阵列处的信号矢量由以下公式给出

(19) $x\left(t\right)=x_1\left(t\right)+x_2\left(t\right)+......+x_J\left(t\right)={\mathrm{\Σ}}_{j=1}^J{s}_j\left(t\right)a_j+n\left(t\right)$

n(t)是噪声矢量(列)，噪声被假定为在空间和时间上是白的。

(20)R＝E[y(t)y(t)^H]

     ＝AΦA^H+σ²I

R是相关矩阵。它是通过接收到的信号+噪声矢量x(t)的外积获得的并在几个快照上求平均。

平均由E表示。

H表示’Hermitian(转置和共轭)。

A是大小NxJ的矩阵(N个天线，J个源)；

σ²是噪声方差，

I是N×N单位矩阵且

(21)Φ＝E[s(t)s(t)^H]是J×J源协方差矩阵。

s(t)是沿Φ对角元素分布的基带信号功率。

其大小是J×J，其中J是源数量。噪声协方差由以下公式给定

(22) $E\left[n\left(t\right)n^H\left(t\right)\right]={\mathrm{\σ}}_n^{2}I$

因此，使得R的特征值按降序排列，并由λ₁≥λ₂≥，...≥λ_N来表示，以及使得u₁，...u_N是相应的特征矢量，其中特征值λ_n由以下公式给出

(23) ${\mathrm{\λ}}_n=\left\{\begin{array}{c}{v}_n+{\mathrm{\σ}}^2\mathrm{for\; n}=1,...K\\ {\mathrm{\σ}}^2\mathrm{for\; n}=K+1,...N\end{array}\right.$

U_s＝[u₁，...u_J]可以被认为是信号子空间，且

U_n＝[u_J+1，...u_N]可以被认为是噪声子空间。

对于j＝1，...，J，U_nv(θ_j)＝0，其它情况U_nv(θ_j)≠0。

该实施例假定由估计的特征矢量U_s＝[u₁，...u_J]跨过的子空间对应于由J个真实源方向跨过的空间。应注意，由于第j个源，第j个特征矢量对应于L个相干多径。可以通过如MUSIC的任何公知方法进行第j个源方向θ_j的估计。该实施例在以所确定的第j个源的DOAθ_j为中心的方向范围θ_j±Δ内进行搜索，以确定第j个源的L个多径。

因此，信号矢量x_j(t)可以被认为是

(24) $x_j\left(t\right)=\left[\begin{array}{cccc}v\left({\mathrm{\θ}}_{j1}\right)& v\left({\mathrm{\θ}}_{j2}\right)& ...& v\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{jL}}\right)\end{array}\right]{\tilde{s}}_{\mathrm{jl}}$

其中 ${\tilde{s}}_{\mathrm{jl}}=R_{\mathrm{jl}}{e}^{12\mathrm{\π}(f_d\cos {\mathrm{\θ}}_{j1}-{\mathrm{f\τ}}_{j1})}{s}_j(t-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{jl}})$

(25)x_j(t)∈span{v(θ_J1)，...v(θ_JL)}.

因此，如图3所示，用于搜索组Θ_j＝(θ_j1，θ_j2，...θ_JL)其中θ_j1∈(θ_j±Δ)，1＝1，2，...L的过程以首先选择用于第j个源的L个多径的试验方向组Θ＝(θ_jk1，θ_jk2，...θ_jkL)的过程开始，框302。

找到Θ＝Θj的过程，即

(θ_jk1，θ_jk2，...θ_jkL)＝(θ_j1，θ_j2，...θ_jL)如下地说明。

首先，该过程随机选择一组(θ_jk1，θ_jk2，...θ_jkL)

其次，该过程形成以下矩阵

$D\left(\mathrm{\θ}\right)=\left[\begin{array}{ccccc}v\left({\mathrm{\θ}}_{j{k}_1}\right)& v\left({\mathrm{\θ}}_{{\mathrm{jk}}_2}\right)& ...& v\left({\mathrm{\θ}}_{{\mathrm{jk}}_L}\right)& u_j\end{array}\right]$ 其中 ${\mathrm{\θ}}_{{\mathrm{jk}}_1}\∈({\mathrm{\θ}}_j\±\mathrm{\Δ})$

第三，该过程计算以下关系

(26) $r_{11}={\left|\right|v\left({\mathrm{\θ}}_{{\mathrm{jk}}_1}\right)\left|\right|}_2,,$ 以及

(27) $q_1=\frac{v\left({\mathrm{\θ}}_{{\mathrm{jk}}_1}\right)}{r_{11}},$ 框304。

‖‖₂是矢量的2-范数。

类似地，对于以下系数和矢量，该过程计算

(28) $r_{11}=q_1^{H}v\left({\mathrm{\θ}}_{{\mathrm{jk}}_1}\right);$ 1≤i≤l-1；l＝2，...，L+1

(29) $r_{11}={\left|\right|v\left({\mathrm{\θ}}_{{\mathrm{jk}}_1}\right)-\underset{i=1}{\overset{l-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{11}{q}_1\left|\right|}_2,$ l＝2，...，L+1，以及

(30) $q_1=[v\left({\mathrm{\θ}}_{{\mathrm{jk}}_1}\right)-\underset{i=1}{\overset{l-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{11}{q}_1]/r_{11},$ l＝2，...，L+1，

框306。执行该计算直到I＝L+1，这样获得r_L+1，L+1。

随后，在框308处，该过程计算函数

(31) $B\left({\mathrm{\Θ}}_j\right)=\frac{1}{r_{L+1,L+1}}.$

如果B(Θ_j)的结果产生“新”的一组峰值，则试验方向组Θ被设定为L个强多径的到达方向。

在框310处，确定是否要重复该过程。可以针对操作效率或基于减小边际改善的预定阈值预先确定要重复的试验数量。

如果要对另一试验组求值，该过程返回到框302。

最终，满足终止求值过程的标准，并终止该过程。L个多径方向 ${\widehat{\mathrm{\Θ}}}_{j=}\{{\widehat{\mathrm{\θ}}}_{j1},...,{\widehat{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{jL}}\}$ 在那时的当前估计被用于获得组合信号z(t)(参见图1)，如

(32) $z\left(t\right)=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_n{w}_{\mathrm{nl}}$ 其中 $w_{\mathrm{nl}}=e^{-\mathrm{ikd}(n-1)\cos {\widehat{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{jl}}}$

换句话说，在DOA估计单元112中用于第j个源的L个多径方向组的估计之后，天线元素处的接收信号被近似地加权，如公式(32)中所给出的。

为天线元素处接收到的所有J个信号源重复该过程，其中每个源信号通由与L个多径相对应的系数加权。

现在参考图4，示出了说明适用于承载DOA估计单元112和波束赋形单元114的软件实现的示例计算机系统的框图。如图所示，计算装置400包括如图所示地经由系统总线412相互耦合的一个或多个处理器402、系统存储器404、大容量存储装置406、其它I/O装置408和网络通信接口410。

处理器402被用于执行DOA估计112和/或波束赋形单元114的软件实现。处理器402可以是本领域中已知的或要设计的若干处理器中的任一种。合适的处理器的示例包括但不限于可从Santa Clara，CA的Intel公司获得的微处理器。

系统存储器404用于存储估计112和/或波束赋形114以及操作系统服务的工作拷贝。系统存储器404可以是动态随机存取存储器(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)或其它存储装置等。

大容量存储装置406用于持久地存储数据，包括估计112和/或波束赋形114的持久拷贝。大容量存储装置406的示例包括但不限于硬盘、CDROM、DVDROM等。

其它I/O装置408用于帮助输入/输出的其它方面。其它I/O装置408的示例包括但不限于键盘、光标控制、视频显示器等。

网络通信接口410用于帮助与其它装置的网络通信。网络通信接口410可以是有线或无线的。在各种实施例中，网络通信接口410可支持较宽范围的连网协议中的任一种。

在可选实施例中，计算系统可以是多处理器系统，连网计算机群，包括大规模并行的计算节点阵列。

因此，各种创新方法和装置用于确定J个信号的DOA和/或确定J个信号的L个多径的DOA，该J个信号由它们的源无线发送。

虽然根据前述实施例描述了本发明，但本领域的熟练技术人员将认识到，本发明不限于所述实施例。可以用所附权利要求书的精神和范围内的修改和变型来实施其它实施例。因此，描述被认为是说明性而非限制性的。

Claims (52)

1.在系统中，一种操作方法，包括：

利用多个传感器接收由多个信号源无线发送的第一多个信号；

获取由所述传感器检测的接收信号的第一样本；

利用第一多个信号方向矢量，基于所述第一样本构建第一接收信号矢量；以及

至少部分基于所述第一接收信号矢量和所述第一多个信号方向矢量之间的关系，为所述信号确定第一多个到达方向。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述多个信号包括具有中心频率f₀的J个相应信号源无线发送的J个信号，所述J个信号以速度c行进并从到达方向θ₁...θ_J射向所述传感器；

所述接收包括使用具有间隔d的N个传感器接收J个信号，其中N是大于1的整数；以及

所述第一接收信号的构建包括构建第一接收信号矢量(x(t))，它由以下公式给出

     x(t)＝As(t)+n(t)

     x(t)＝[x₁(t)，...，x_J(t)]^T

其中

     A＝[a(θ₁)，...a(θ_J)]

j＝1，...J，是所述信号方向矢量，

s(n)＝[s₁(n)，...，s_J(n)]^T是所述传感器处的输出的复包络，以及

k＝2πf₀/c。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述为所述信号确定第一多个到达方向包括至少部分基于与由第一x(t)跨过的子空间相交的a(θ_i)，i＝1...J，来确定θ₁...θ_L。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述为所述信号确定第一多个到达方向还包括计算

第一系数r₁₁＝‖x(t)‖，以及

第一正交单位矢量 $q_1=\frac{x\left(t\right)}{r_{11}}.$

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述为所述信号确定第一多个到达方向还包括对a(～θ_i)计算

第二系数 $r_{12}=q_1^{H}a\left({~\mathrm{\θ}}_i\right),$ 第二正交单位矢量q₂＝a(～θ_i)-r₁₂q_1’，和

第三系数 $r_{22}=\left|\right|q_1^{H}a\left({~\mathrm{\θ}}_i\right)\left|\right|,$

其中

～θ_i是θ₁...θ_J的试验值。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述为所述信号确定第一多个到达方向还包括为～θ_i对函数 $B\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{1}{r_{22}}$ 求值，并确定所述求值是否为所述函数产生峰值。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述为所述信号确定第一多个到达方向还包括重复所述计算，对J或以上的a(～θ_i)求值并确定所述求值是否为所述函数产生峰值，以及设定J个峰值为θ₁...θ_J。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述为所述信号确定第一多个到达方向包括至少部分基于与由所述第一接收信号矢量跨过的子空间相交的所述第一多个信号方向矢量确定第一多个到达方向。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括

获取由所述传感器检测的接收信号的第二样本；

利用第二多个信号方向矢量，基于所述第二样本构建第二接收信号矢量；以及

至少部分基于所述第二接收信号矢量和所述第二多个信号方向矢量之间的关系为所述信号确定第二多个到达方向。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括至少部分基于所述第一和第二多个到达方向的相应平均来确定第三多个到达方向。

11.在系统中，一种操作方法，包括：

利用多个传感器接收由多个信号源无线发送的多个信号；

为所述信号中的第一个的第一多个多径确定第一多个到达方向；以及

至少部分基于为所述第一信号的第一多个多径所确定的第一多个到达方向获得所述第一接收信号。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，

所述方法还包括为所述信号确定第二多个到达方向；以及

所述为所述第一信号的第一多个多径确定第一多个到达方向包括在以第一信号的已确定到达方向为中心的方向范围内为第一信号的第一多个多径搜索第一多个到达方向。

13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，

所述方法还包括为所述信号确定相关矩阵，并确定与所述信号相对应的所述相关矩阵的多个特征矢量；以及

至少部分基于与所述信号相对应的相关矩阵的已确定特征矢量为所述信号确定第二多个到达方向，其中包括了第一信号的到达方向。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，相关矩阵的所述确定包括对基于由传感器检测的信号的多个相应快照所确定的多个信号加噪声矢量的多组外积求平均。

15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，

所述多个信号的接收包括利用N个传感器接收由J个信号源无线发送的J个信号，其中J和N是大于1的整数；

第j个发送信号被建模为x_j(t)＝s_j(t)e^{j(2π(2+0))}，s(t)是基带信号，₀是初始相位；以及接收到的第j个信号由以下公式给出： $x_j\left(t\right)={\mathrm{\Σ}}_{l=1}^L{R}_{\mathrm{jl}}{e}^{i2\mathrm{\π}(f_d{\cos \mathrm{\θ}}_{\mathrm{jl}}-{\mathrm{f\τ}}_{\mathrm{jl}})}s(t-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{jl}})$ 其中Rj1是第j个信号的第i个多径的信号强度，

f_dCosθ_j1是第j个信号的第i个多径的多普勒位移，

f是载波频率，

s()是基带信号，

π_j1＝r_j1/c是第j个信号的第1个多径的时延，

r_j1是第j个信号的第1个多径的范围，

c是电磁波的速度，以及

θ_j1是第j个信号的第1个多径的到达方向。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，

对于从角度θ入射的信号的N个传感器处的响应矢量由以下公式给出：

$v\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{jl}}\right)={\left[\begin{array}{ccccc}1& e^{\frac{-i2\mathrm{\π}{\mathrm{Cos\θ}}_{\mathrm{jl}}}{\mathrm{\λ}}}& e^{\frac{i4\mathrm{\π}{\mathrm{Cos\θ}}_{\mathrm{jl}}}{\mathrm{\λ}}}& \·\·\·\·\·\·& e^{\frac{i2\mathrm{\π}(N-1)\mathrm{Cos}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{jl}}}{\mathrm{\λ}}}\end{array}\right]}^T;$ 以及

与从角度θ_j1入射的第j个信号的第1个多径相对应的基带信号矢量由以下公式给出：

$x_j\left(t\right)={\mathrm{\Σ}}_{l=1}^{L}v\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{jl}}\right)R_{\mathrm{jl}}{e}^{i2\mathrm{\π}(f_d{\cos \mathrm{\θ}}_{\mathrm{jl}}-{\mathrm{ft}}_{\mathrm{jl}})}s(t-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{jl}}).$

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述搜索包括计算搜索矢量{v(θ_jk1)，v(θ_jk2)，...，v(θ_jkL)}，θ_jk1是一搜索角， $r_{11}={\left|\right|v\left({\mathrm{\θ}}_{{\mathrm{jk}}_1}\right)\left|\right|}_2$ 以及 $q_1=\frac{v\left({\mathrm{\θ}}_{{\mathrm{jk}}_1}\right)}{r_{11}}$

‖‖₂是矢量的2-范数。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述搜索还包括计算

$r_{\mathrm{il}}=q_i^{H}v\left({\mathrm{\θ}}_{{\mathrm{jk}}_1}\right);$ 1≤i≤l-1；l＝2，...，L+1

$r_{\mathrm{ll}}={\left|\right|v\left({\mathrm{\θ}}_{{\mathrm{jk}}_1}\right)-\underset{i=1}{\overset{l-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{il}}{q}_i\left|\right|}_2,$ l＝2，...，L+1，

$q_l=[v\left({\mathrm{\θ}}_{{\mathrm{jk}}_1}\right)-\underset{i=1}{\overset{l-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{il}}{q}_i]/r_{\mathrm{ll}},$ l＝2，...，L+1.

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述搜索还包括确定函数 $B\left({\mathrm{\Θ}}_j\right)=\frac{1}{r_{L+1,L+1}}$ 是否产生一峰值，且如果是，则设定Θ_j＝{θ_j1，...，θ_jL}为第一信号的第一多个多径的第一到达方向。

20.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一接收信号的获得包括如下地基于第一接收信号的L个多径的已确定到达方向获得z(t)

$z\left(t\right)=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_n{w}_{\mathrm{nl}}$ 其中 $w_{\mathrm{nl}}=e^{-\mathrm{ikd}(n-1)\cos {\widehat{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{jl}}}$

21.一种装置，包括：

存储介质，其中存储了编程指令，所述编程指令被设计为使所述装置能：

利用第一多个信号方向矢量构建第一接收信号矢量；至少部分基于由多个信号源无线发送并用多个传感器接收的多个接收信号的第一样本；以及

至少部分基于所述第一接收信号矢量和所述第一多个信号方向矢量之间的关系为所述信号确定第一多个到达方向；以及

至少一个处理器，它与所述存储介质耦合以执行所述编程指令。

22.如权利要求21所述的装置，其特征在于，

所述多个信号包括由具有中心频率f₀的J个相应信号源无线发送的J个信号，所述J个信号以速度c行进并从到达方向θ₁...θ_J射向所述传感器；

利用具有间隔d的N个传感器接收所述J个信号，其中N是大于1的整数；以及

所述编程指令被设计成通过构建由以下公式给出的第一接收信号矢量(x(t))来进行所述第一接收信号的构建，x(t)＝As(t)+n(t)

x(t)＝[x₁(t)，...，x_J(t)]^T

A＝[a(θ₁)，...a(θ_J)]

其中 j＝1，...J，

是所述信号方向矢量，

s(n)＝[s₁(n)，...，s_J(n)]^T是所述传感器处的输出的复包络，以及

k＝2πf₀/c。

23.如权利要求22所述的装置，其特征在于，所述编程指令被设计成通过至少部分基于与由第一x(t)跨过的子空间相交的a(θ_i)，i＝1...J，确定θ₁...θ_L，来为所述信号确定第一多个到达方向。

24.如权利要求23所述的装置，其特征在于，所述编程指令被进一步设计成执行

第一系数r₁₁＝‖x‖

第一正交单位矢量 $q_1=\frac{x\left(t\right)}{r_{11}}$ 的计算，作为所述确定的一部分。

25.如权利要求24所述的装置，其特征在于，所述编程指令被设计为对a(～θ_i)计算

第二系数 $r_{12}=q_1^{H}a\left(~{\mathrm{\θ}}_i\right),$ 第二正交单位矢量q₂＝a(～θ_i)-r₁₂q_1’，和

第三系数 $r_{22}=\left|\right|q_1^{H}a\left({~\mathrm{\θ}}_i\right)\left|\right|,$ 其中

～θ_i是θ₁...θ_J的试验值，

作为所述确定的一部分。

26.如权利要求25所述的装置，其特征在于，所述编程指令被设计为为～θ_i对函数 $B\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{1}{r_{22}}$ 求值，并确定所述求值是否为所述函数产生峰值，作为所述确定的一部分。

27.如权利要求26所述的装置，其特征在于，所述编程指令被设计为重复所述计算，对J或以上的a(～θ_i)求值并确定所述求值是否为所述函数产生峰值，以及设定J个峰值为θ₁...θ_J，作为所述确定的一部分。

28.如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述编程指令被设计为至少部分基于与由所述第一接收信号矢量跨过的子空间相交的所述第一多个信号方向矢量确定第一多个到达方向，作为所述确定的一部分。

29.如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述编程指令被设计为执行：

至少部分基于由传感器检测的接收信号的第二样本，利用第二多个信号方向矢量，基于所述第二样本构建第二接收信号矢量；以及

至少部分基于所述第二接收信号矢量和所述第二多个信号方向矢量之间的关系为所述信号确定第二多个到达方向。

30.如权利要求29所述的装置，其特征在于，所述编程指令被进一步设计为使所述装置能至少部分基于所述第一和第二多个到达方向的相应平均来确定第三多个到达方向。

31.一种装置，包括：

存储介质，具有多个编程指令，所述编程指令被设计为使所述装置能

为由多个信号源无线发送并用多个传感器接收的多个信号中的第一个的第一多个多径确定第一多个到达方向；

至少部分基于为所述第一信号的第一多个多径所确定的第一多个到达方向获得所述第一接收信号；以及

至少一个处理器，它与所述存储介质耦合以执行所述编程指令。

32.如权利要求31所述的装置，其特征在于，

所述编程指令被进一步设计为使所述装置能为所述信号确定第二多个到达方向；以及

所述编程指令被设计成通过在以第一信号的已确定到达方向为中心的方向范围内为第一信号的第一多个多径搜索第一多个到达方向来为所述第一信号的第一多个多径确定第一多个到达方向。

33.如权利要求31所述的装置，其特征在于，

所述编程指令被进一步设计为使所述装置能为所述信号确定相关矩阵，并确定与所述信号相对应的所述相关矩阵的多个特征矢量；以及

所述编程指令被设计为至少部分基于与所述信号相对应的相关矩阵的已确定特征矢量为所述信号确定第二多个到达方向，其中包括了第一信号的到达方向。

34.如权利要求33所述的装置，其特征在于，所述编程指令被设计为通过对基于由传感器检测的信号的多个相应快照所确定的多个信号加噪声矢量的多组外积求平均来进行所述相关矩阵的确定。

35.如权利要求31所述的装置，其特征在于，

所述多个信号的接收包括利用N个传感器接收由J个信号源无线发送的J个信号，其中J和N是大于1的整数；

第j个发送信号被建模为x_j(t)＝s_j(t)e^{j(2π(2+0))}，s(t)是基带信号，₀是初始相位；以及

接收到的第j个信号由以下公式给出： $x_j\left(t\right)={\mathrm{\Σ}}_{l=1}^L{R}_{\mathrm{jl}}{e}^{i2\mathrm{\π}(f_d{\cos \mathrm{\θ}}_{\mathrm{jl}}-{\mathrm{f\τ}}_{\mathrm{jl}})}s(t-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{jl}})$

其中Rj1是第j个信号的第i个多径的信号强度，

f_dCosθ_j1是第j个信号的第i个多径的多普勒位移，

f是载波频率，

s()是基带信号，

τ_j1＝r_j1/c是第j个信号的第1个多径的时延，

r_j1是第j个信号的第1个多径的范围，

c是电磁波的速度，以及

θ_j1是第j个信号的第1个多径的到达方向。

36.如权利要求35所述的装置，其特征在于，

对于从角度θ入射的信号的N个传感器处的响应矢量由以下公式给出：

$v\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{jl}}\right)={\left[\begin{array}{ccccc}1& e^{\frac{-i2\mathrm{\πCos}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{jl}}}{\mathrm{\λ}}}& e^{\frac{i4\mathrm{\πCos}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{jl}}}{\mathrm{\λ}}}& \·\·\·\·\·\·& e^{\frac{i2\mathrm{\π}(N-1)\mathrm{Cos}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{jl}}}{\mathrm{\λ}}}\end{array}\right]}^T;$ 以及

与从角度θ_j1入射的第j个信号的第1个多径相对应的基带信号矢量由以下公式给出：

$x_j\left(t\right)={\mathrm{\Σ}}_{l=1}^{L}v\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{jl}}\right)R_{\mathrm{jl}}{e}^{i2\mathrm{\π}(f_d\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{jl}}-{\mathrm{f\τ}}_{\mathrm{jl}})}s(t-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{jl}}).$

37.如权利要求36所述的装置，其特征在于，所述编程指令被设计成，作为所述搜索的一部分，计算搜索矢量{v(θ_jk1)，v(θ_jk2)，...，v(θ_jkL)}，θ_jk1是一搜索角，

以及

$q_1=\frac{v\left({\mathrm{\θ}}_{{\mathrm{jk}}_1}\right)}{r_{11}}$

‖‖₂是矢量的2-范数。

38.如权利要求37所述的装置，其特征在于，所述编程指令被设计成，作为所述搜索的一部分，计算

$r_{\mathrm{il}}=q_i^{H}v\left({\mathrm{\θ}}_{{\mathrm{jk}}_1}\right);$ 1≤i≤l-1；l＝2，...，L+1

$r_{\mathrm{ll}}={\left|\right|v\left({\mathrm{\θ}}_{{\mathrm{jk}}_1}\right)-\underset{i=1}{\overset{l-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{il}}{q}_i\left|\right|}_2,$ l＝2，...，L+1，

$q_l=[v\left({\mathrm{\θ}}_{{\mathrm{jk}}_1}\right)-\underset{i=1}{\overset{l-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{il}}{q}_i]/r_{\mathrm{ll}},$ l＝2，...，L+1.

39.如权利要求38所述的装置，其特征在于，所述编程指令被设计成，作为所述搜索的一部分，确定函数 $B\left({\mathrm{\Θ}}_j\right)=\frac{1}{r_{L+1,L+1}}$ 是否产生一峰值，且如果是，则设定Θ_j＝{θ_j1，...，θ_jL}为第一信号的第一多个多径的第一到达方向。

40.如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述编程指令被设计成通过如下地基于第一接收信号的L个多径的已确定到达方向获得z(t)来获得所述第一接收信号

$z\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_n{w}_{\mathrm{nl}}$ 其中 $w_{\mathrm{nl}}=e^{-\mathrm{ikd}(n-1)\cos {\widehat{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{jl}}}$

41.一种系统，包括：

多个天线，用于接收由多个信号源无线发送的多个信号；

RF单元，它与所述天线耦合以下变频接收到的信号；以及

到达方向估计单元，它与所述RF单元耦合，用于

利用第一多个信号方向矢量构建第一接收信号矢量；至少部分基于所述接收信号的第一样本；以及

至少部分基于所述第一接收信号矢量和第一多个信号方向矢量之间的关系为所述信号确定第一多个到达方向。

42.如权利要求41所述的系统，其特征在于，到达方向估计单元，作为所述确定的一部分，至少部分基于与由第一接收信号矢量跨过的子空间相交的第一多个信号方向矢量执行第一多个到达方向的确定。

43.如权利要求41所述的系统，其特征在于，所述到达方向估计单元还

至少部分基于接收信号的第二样本，利用第二多个信号方向矢量构建第二接收信号矢量；以及

至少部分基于所述第二接收信号矢量和所述第二多个信号方向矢量之间的关系，为所述信号确定第二多个到达方向。

44.如权利要求43所述的装置，其特征在于，所述到达方向估计单元至少部分基于所述第一和第二多个到达方向的相应平均进一步确定第三多个到达方向。

45.一种系统，包括：

多个天线，用于接收由多个信号源无线发送的多个信号；

RF单元，它与所述天线耦合以下变频所述接收信号；以及

到达方向估计单元，它与所述RF单元耦合，用于

为由多个信号源无线发送的多个接收信号中的第一个的第一多个多径确定第一多个到达方向；以及

至少部分基于为所述第一信号的第一多个多径确定的第一多个到达方向获得所述第一接收信号。

46.如权利要求45所述的系统，其特征在于，所述到达方向估计单元还

为所述信号确定第二多个到达方向；以及

通过在以第一信号的已确定到达方向为中心的方向范围内为第一信号的第一多个多径搜索第一多个到达方向，为第一信号的第一多个多径确定第一多个到达方向。

47.如权利要求45所述的系统，其特征在于，所述到达方向估计单元还

为所述信号确定相关矩阵，并确定与所述信号相对应的所述相关矩阵的多个特征矢量；以及

至少部分基于与所述信号相对应的相关矩阵的已确定特征矢量为所述信号确定第二多个到达方向，其中包括了第一信号的到达方向。

48.如权利要求47所述的系统，其特征在于，所述到达方向估计单元通过对基于接收信号的多个相应快照所确定的多个信号加噪声矢量的多组外积求平均来确定所述相关矩阵。

49.一种制品，包括

机器可读介质，其中存储了多个编程指令，所述编程指令被设计成使所述装置能

利用第一多个信号方向矢量构建第一接收信号矢量；至少部分基于由多个源无线发送的多个接收信号的第一样本；以及

至少部分基于所述第一接收信号矢量和第一多个信号方向矢量之间的关系为所述信号确定第一多个到达方向。

50.如权利要求49所述的制品，其特征在于，所述编程指令被设计成，作为所述确定的一部分，至少部分基于与由第一接收信号矢量跨过的子空间相交的第一多个信号方向矢量确定第一多个到达方向。

51.一种制品，包括：

机器可读介质，其中存储了多个编程指令，所述编程指令被设计成使所述装置能

为由多个信号源无线发送的多个接收信号中的第一个的第一多个多径确定第一多个到达方向，以及

至少部分基于为第一信号的第一多个多径确定的第一多个到达方向，获得所述第一接收信号。

52.如权利要求51所述的制品，其特征在于，所述编程指令被进一步设计为使所述装置能

为所述信号确定第二多个到达方向；以及

通过在以第一信号的已确定到达方向为中心的方向范围内为所述第一信号的第一多个多径搜索第一多个到达方向，为第一信号的第一多个多径确定第一多个到达方向。

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