CN1992432B - 一种智能天线上行赋形增益的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能天线上行赋形增益的确定方法，基于具有测量功能的通信系统中，要求外环功控关闭，内环功控打开，通过单天线和多天线下分别测量得到系统连续时间内的有用信号码功率、干扰信号码功率、宽带信号时隙功率、信干比等相关参数下，根据本发明所提出的方法实现对应的瞬时状态下的上行智能天线的增益，之后对连续时间内的瞬时增益采用最大比合并，获得稳态下的上行智能天线赋形增益即为实际系统的上行智能天线赋形增益。采用本发明所述的方法，以有效的利用测量所得到的相关参数，实现实际系统的智能天线上行赋形增益，为验证智能天线在系统中的性能提供一种适合的方法。

Description

一种智能天线上行赋形增益的确定方法

技术领域

本发明涉及智能天线系统的天线赋形增益的实现方法，其中智能天线包括所有具备阵列特性的天线，适用于CDMA系统下实现智能天线赋形增益的方法，尤其涉及时分同步码分多址(TDSCDMA)系统中采用智能天线技术的上行天线赋形增益的实现方法。

背景技术

智能天线是一种基于自适应天线原理的移动通信新技术，它结合了自适应天线技术的优点，利用天线阵列对波束的汇成和指向的控制，可以自适应地调整其方向图以跟踪信号的变化。

在接收时，每个阵元的输入被自适应的加权调整，并与其它的信号相加，已达到从混合的接收信号中解调出期望得到的信号并抑制干扰信号的目的，在用户信息到达方向形成波束，在干扰用户的到达方向形成零陷，提高信号干噪比，从而提高系统的性能。

下行发射时，根据从接收信号中获取′的UE信号方位图，通过自适应调整每个辐射阵元输出的幅度和相位，使得它们的输出在空间最大功率叠加，产生指向目标UE的赋形波束。理论上讲，对于具有M个天线阵元的智能天线系统，经过智能天线处理，信噪比可以提高101og(M)dB，即为智能天线的增益为101og(M)dB。

在实际的系统中，受诸多因素的限制，比如智能天线系统射频通道的一致性、系统硬件的稳定性，及实际无线环境的深衰落特性，智能天线的增益高于或低于理论的增益。

在下列文献中介绍了阵列天线增益的方法及相关知识：

【1】公开号为CN1588699A，公开日期为2005年3月2日的“阵列天线优化增益赋形方法”专利申请；

【2】公开号为CN1555108A，公开日期为2004年12月15日的“自适应阵列天线”专利申请；

【3】STEINER B，BAIER P.Low cost channel estimation in the uplinkreceiver of CDMA mobile radio sys tems，Frequenz，1993，47(12)：292-298；

【4】“TD-SCDMA系统中低代价信道估计方法的改进”，康绍莉，裘正定等，《通信学报》，2002，23(10)：125-130。

文献【1】提出一种优化的阵列天线的赋形方法，文献【2】提出一种自适应阵列天线的阵列模型；文献【1】【2】都是提出了阵列天线的阵列模型以及赋形方法，没有提出如何验证实现该阵列模型及赋形方法可以得到的赋形增益。文献【3】、【4】介绍了采用阵列天线系统的常规信道估计方法及简单后处理信道估计方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：为了克服在实际系统中采用理论分析方法实现智能天线赋形增益的缺点，解决在现有技术中通过实际的测量参数实现智能天线赋形增益的方法。

本发明技术方案的构思如下：

本发明所述的智能天线上行赋形增益的确定方法是基于具有测量功能的通信系统中，要求外环功控(用于控制信号的传输质量)关闭，内环功控(根据外环功控的目标值控制调节终端的发射功率)打开，通过单天线和多天线下分别测量得到系统连续时间内(以实际系统的帧或子帧为周期)的有用信号码功率(RSCP)、干扰信号码功率(ISCP)、宽带信号时隙功率(RWTP)、信干比(SIR)等相关参数下，根据本发明所提出的方法实现对应的瞬时状态下的上行智能天线的增益，之后对连续时间内的瞬时增益采用最大比合并，获得稳态下的上行智能天线赋形增益即为实际系统的上行智能天线赋形增益。

本发明具体是这样实现的：

一种智能天线上行赋形增益的确定方法，包括：

第一步：配置系统相关参数，保证系统控制单元、基带信号处理单元、射频信号处理单元、室外信号放大单元、系统校正单元、信号收发单元处于正常工作状态；

激活系统校正单元使之修正系统各通道的幅度和相位，保证各通道的幅相特性相一致；

第二步：激活M阵元覆盖当前小区，在指定子帧的指定时隙时间内，根据当前时隙激活用户的训练序列，估计出该用户的原始信道冲激响应及简单的信道冲击响应后处理结果，以及结合该用户的复合扩频码实现多天线下瞬时的有用信号码功率、干扰信号码功率、宽带信号时隙功率、信干比；

第三步：分别激活单个阵元，使之能正常发射和接收数据，通过测量模块得到单天线下测量得到的有用信号码功率、干扰信号码功率、宽带信号时隙功率、信干比；

第四步：根据第二步、第三步中的测量的对应稳态数据实现上行智能天线赋形增益，所述智能天线的赋形增益为单天线下测量得到的有用信号码功率与干扰信号码功率的比值减去多天线的有用信号码功率与干扰信号码功率的比值，再减去单天线的信干比，加上多天线的信干比。

所述第一步中，

激活系统校正单元，可以通过手动的方式或自动的方式；

所述系统通道为，基带信号处理单元到信号收发单元的信号传输载体。

所述第二步还可以包括：

2.1M阵元分别接收当前时隙所有激活用户的数据信息，每个阵元从接收到的数据信息中按照数据流的帧格式结构提取、分离训练序列；

2.2按照估计方法估计出各个用户在每个天线上的原始信道冲击响应；接收到的训练序列可表示为循环右移矩阵与用户的信道冲击响应的乘积与高斯白噪声的和；

2.3按照CIR后处理方法，设置信道特性功率门限，对2.2中得到的信道特性值进一步抑噪声处理，得到后处理信道特性值，对信道冲击响应的每个抽头的功率进行判断，得到信号抽头、噪声抽头和空窗内的噪声抽头；

2.4根据2.3中的信号抽头、噪声抽头和空窗内的噪声抽头及复合扩频码分别实现多天线下的瞬时有用信号码功率、干扰信号码功率、宽带信号时隙功率、信干比。

所述第二步中：

所述步骤2.2中利用循环右移矩阵的循环移位特性，在信道估计时，可以采用FFT/IFFT快速方法实现。

所述步骤2.3中对信道冲击响应的每个抽头的功率进行判断，

若抽头的功率大于等于设置的门限值，则保留该抽头为信号抽头；否则，保留该抽头为噪声抽头，

如果某个信道冲击响应的窗没有被用户占用，则将该窗的抽头保留为空窗内的噪声抽头。

所述第三步还可以包括：

3.1对于所有单个阵元，计算单个阵元下的瞬时有用信号码功率、干扰信号码功率、宽带信号时隙功率、信干比；

根据最大比合并得到每个阵元下的稳态有用信号码功率、干扰信号码功率、宽带信号时隙功率、信干比；

3.2对不同天线阵元的稳态有用信号码功率、干扰信号码功率、宽带信号时隙功率、信干比，根据最大比合并得到单阵元平均下的有用信号码功率、干扰信号码功率、宽带信号时隙功率。

所述第四步中：

若单天线的信干比与多天线下的信干比接近时，

所述智能天线的赋形增益为单天线的有用信号码功率与干扰信号码功率的比值减去多天线的有用信号码功率与干扰信号码功率的比值。

采用本发明所述的实现智能天线赋形增益的方法，可以有效的利用测量所得到的相关参数，实现实际系统的智能天线上行增益，为验证智能天线在系统中的性能提供一种适合的方法。

附图说明

图1为采用智能天线的TDSCDMA系统结构示意图；

图2为信号接收发射单元的阵列模型；

图3为实现智能天线赋形增益的实施流程图。

具体实施方式

下面以单用户为例，对本发明的技术方案作进一步描述，对于多用户时，根据实际系统的测量参数的实现过程不同，依据本发明的实现思想作进一步的深入扩展，同样可以实现多用户下的上行智能天线的赋形增益。

本发明提出的核心实现方案可用如下公式表示：

$G=\frac{{\mathrm{RSCP}}_k}{{\mathrm{ISCP}}_k}-\frac{{\mathrm{RSCP}}_K}{{\mathrm{ISCP}}_K}-{\mathrm{SIR}}_k+{\mathrm{SIR}}_K---\left(1\right)$

其中G为上行智能天线赋形增益，RSCP_k对应单天线测量得到的有用信号码功率，ISCP_k为单天线下测量得到的干扰信号码功率，SIR_k为单天线下测量得到的信干比；RSCP_K、ISCP_K、SIR_K对应为多天线测量得到的有用信号码功率、干扰信号码功率及信干比，以上参数均为同一时隙下的测量参数。

特别的，在当SIR_k与SIR_K接近时(比如多天线和单天线的测试位置相同或外环功控关闭保持SIR_target为固定值)，可采用公式(2)实现赋形增益：

$G=\frac{{\mathrm{RSCP}}_k}{{\mathrm{ISCP}}_k}-\frac{{\mathrm{RSCP}}_K}{{\mathrm{ISCP}}_K}---\left(2\right)$

以TDSCDMA系统为例，说明本发明所提出的智能天线上行赋形增益的确定方法可以如下步骤实现：图1为采用智能天线的TDSCDMA系统结构示意图；

第一步：配置系统相关参数，保证系统设备(系统控制单元101、基带信号处理单元102、射频信号处理单元103、室外信号放大单元201、系统校正单元104、信号收发单元202)处于正常工作状态；激活系统校正单元104(一般可以手动或自动方式实现)使之修正系统各通道(泛指基带信号单元102到信号收发单元202的信号传输载体)的幅度和相位，保证各通道的幅相特性相一致；

第二步：激活M阵元覆盖当前小区，在指定子帧的指定时隙时间内，根据当前时隙所有激活用户的训练序列，估计出所有用户的原始信道冲激响应CIR及简单的CIR后处理结果。以及不同用户的复合扩频码(为用户扩频码和小区扰码的点积合成)实现多天线下瞬时的RSCP_K、ISCP_K、RTWP_K、SIR_K；

本步骤具体可以如下过程实现：

2.1M阵元分别接收当前时隙所有激活用户的数据信息，每个阵元从接收到的数据信息中按照数据流的帧格式结构提取、分离训练序列Em；

2.2按照文献[3]公开的Steiner估计方法(Steiner估计器是一种低代价信道估计方法)估计出各个用户在每个天线上的原始CIR；具体描述就是，接收到的训练序列可表示为

e=Gh+n

(3)

其中，G矩阵是由一个基本Midamble码构成的循环右移矩阵，h是用户的信道冲激响应CIR，n是高斯白噪声。因此，利用矩阵的循环移位特性，上述信道估计可以采用FFT/IFFT快速方法实现，从而显著的提高了运算速度，如下式(4)：

$\hat{h}=\mathrm{ifft}(\mathrm{fft}\left(e\right)/\mathrm{fft}\left(m\right))---\left(4\right)$

2.3按照文献[4]公开的CIR后处理方法，设置信道特性功率门限，对2.2中得到的信道特性值进一步抑噪声处理，得到后处理信道特性值，结合本发明的需求，可作如下判断：对信道冲击响应

的每个抽头的功率进行判断，如果大于等于设置的门限值，则保留该抽头为信号抽头Hs；否则，保留该抽头为噪声抽头Hsn，如果某个CIR窗没有被用户占用，则将该窗的抽头保留为空窗内的噪声抽头Hen。

2.4根据2.3中的Hs、Hsn、Hen及复合扩频码Q分别实现多天线下的瞬时RSCP_K、ISCP_K、SIR_K、RTWP_K分别由如下公式表示；

实现ISCP_多：

其中Hen_tap为空窗占优下的噪声Hen抽头个数，Hsn_tap为用户占优下的噪声Hsn的抽头个数。

实现RTWP：一个时隙的接收宽带总功率是用经过天线均衡的与midamble码对应的接收数据em来测量的，如下式

${\mathrm{RTWP}}_K=\frac{1}{P\·K_a}\underset{k_a=0}{\overset{K_a-1}{\mathrm{\Σ}}}{e}_m^{\left(k_a\right)}{\left(e_m^{\left(k_a\right)}\right)}^H---\left(6\right)$

其中e_m ^(ka)表示第ka个阵元上长度为P的训练序列Em

RSCP_多的实现方法：

当ISCP由Hen计算时，采用公式(7)实现

RSCP_K＝RTWP_K-ISCP_K    (7)

这是考虑由多个阵元平均后的信道特性功率门限截取CIR，可能使某个天线的Hs偏小，导致RSCP计算偏小。

当ISCP由Hsn计算时，RSCP直接由Hs得到：

${\mathrm{RSCP}}_K=\frac{1}{Q\·K_a}\×\left(\underset{k_a=0}{\overset{K_a-1}{\mathrm{\Σ}}}(c*H_s)\right)---\left(8\right)$

SIR_K的实现方法；

首先根据解调后的符号(软信息)估计信号的功率：

$\stackrel{\‾}{d}=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\left|d\right|$

(9)

其中d为经过上行数据解调(一般采用常规的联合检测的数据解调方法)后的用户符号；

$P_n=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{(d-\stackrel{\‾}{d})}^2---\left(10\right)$

${\mathrm{SIR}}_K=\frac{{\left(\stackrel{\‾}{d}\right)}^2}{P_n}---\left(11\right)$

第三步：分别激活单个阵元，使之能正常发射和接收数据，通过测量模块得到单天线下的RSCP_k、ISCP_k、RTWP_k及SIR_k。

本步骤又可以包括下列步骤：

3.1对于所有单个阵元，依次进行2.1^-2.4步骤，计算单个阵元下的瞬时RSCP_k、ISCP_k、RTWP_k及SIR_k，根据最大比合并得到每个阵元下的稳态RSCP_k、ISCP_k、RTWP_k及SIR_k。

3.2对不同天线阵元的稳态RSCP_k、ISCP_k、RTWP_k及SIR_k，根据最大比合并得到单阵元平均下的、、

第四步：根据第二步、第三步中的测量的对应稳态数据实现上行智能天线稳态增益：

$G=\frac{\stackrel{\‾}{{\mathrm{RSCP}}_k}}{\stackrel{\‾}{{\mathrm{ISCP}}_k}}-\frac{{\mathrm{RSCP}}_K}{{\mathrm{ISCP}}_K}-\stackrel{\‾}{{\mathrm{SIR}}_k}+{\mathrm{SIR}}_K---\left(12\right)$

特别的，在当SIR_单与SIR_多接近时(比如多天线和单天线的测试位置相同或外环功控关闭保持SIR_target为固定值)，公式(1)可等价为：

$G=\frac{{\mathrm{RSCP}}_k}{{\mathrm{ISCP}}_k}-\frac{{\mathrm{RSCP}}_K}{{\mathrm{ISCP}}_K}$

$G=\frac{\stackrel{\‾}{{\mathrm{RSCP}}_k}}{\stackrel{\‾}{{\mathrm{ISCP}}_k}}-\frac{{\mathrm{RSCP}}_K}{{\mathrm{ISCP}}_K}---\left(13\right)$

在第二步的具体实施中，首先通过系统控制单元101，配置信号发射、接收单元202的M阵元为激活状态，启动系统校正单元104对系统的通道一致性进行验证和修正。建立无线链路，经过基带信号处理单元102中的信道常规估计及后处理过程，得到步骤2.3中的Hs、Hsn、Hen、，通过基带信号处理单元102中的测量模块过程分别得到多天线下的RSCP_K、ISCP_K、RTWP_K、SIR_K，保存测量参数到外部存储单元301；

在第三步的具体实施中，首先通过系统控制单元101，配置信号发射、接收单元202的任意一阵元激活状态，建立无线链路，经过基带信号处理单元102中的信道常规估计及后处理过程，得到步骤2.3中的Hs、Hsn、Hen、，通过基带信号处理单元102中的测量模块过程分别得到单天线下的RSCP_k、ISCP_k、RTWP_k及SIR_k；依次改变信号发射、接收单元202的阵元激活状态，实现不同阵元下的RSCP_k、ISCP_k、RTWP_k及SIR_k，保存此测量参数到外部存储单元301；根据存储单元301的所有阵元的RSCP_k、ISCP_k、RTWP_k及SIR_k，实现单天线阵元下的平均RSCP_k

至此，单天线阵元的

计算完毕。

在第四步的具体实施中，通过第二步和第三步的存储单元301中的多天线、单天线下的RSCP_k、ISCP_k、RTWP_k及SIR_k，根据公式(2)实现上、下行智能天线赋形增益，特别的，在当SIR_k与SIR_多接近时(比如多天线和单天线的测试位置相同或外环功控关闭保持SIR_target为固定值)，根据公式(2)实现上、下行智能天线赋形增益。

本发明适用于所有应用于智能天线的通信系统，特别是TDD-CDMA系统和TDSCDMA系统。任何具有信号处理，通信等知识背景的工程师，都可以根据本发明所提的思路实现智能天线相关增益，其均应包含在本发明的思想和范围内。

Claims (7)

1.一种智能天线上行赋形增益的确定方法，其特征在于，包括：

第一步：配置系统相关参数，保证系统控制单元、基带信号处理单元、射频信号处理单元、室外信号放大单元、系统校正单元、信号收发单元处于正常工作状态；

激活系统校正单元使之修正系统各通道的幅度和相位，保证各通道的幅相特性相一致；

第二步：激活M阵元覆盖当前小区，在指定子帧的指定时隙时间内，根据当前时隙激活用户的训练序列，估计出该用户的原始信道冲激响应及简单的信道冲击响应后处理结果，以及结合该用户的复合扩频码得到多天线下瞬时的有用信号码功率、干扰信号码功率、宽带信号时隙功率、信干比；

第三步：分别激活单个阵元，使之能正常发射和接收数据，通过测量模块得到单天线下测量得到的有用信号码功率、干扰信号码功率、宽带信号时隙功率、信干比；

第四步：根据第二步、第三步中的测量的对应稳态数据得到上行智能天线赋形增益，所述智能天线的赋形增益为单天线下测量得到的有用信号码功率与干扰信号码功率的比值减去多天线的有用信号码功率与干扰信号码功率的比值，再减去单天线的信干比，加上多天线的信干比。

2.如权利要求1所述的智能天线上行赋形增益的确定方法，其特征在于：

所述第一步中，

激活系统校正单元，通过手动的方式或自动的方式；

所述系统通道为，基带信号处理单元到信号收发单元的信号传输载体。

3.如权利要求1所述的智能天线上行赋形增益的确定方法，其特征在于，所述第二步还包括：

2.1M阵元分别接收当前时隙所有激活用户的数据信息，每个阵元从接收到的数据信息中按照数据流的帧格式结构提取、分离训练序列；

2.2按照估计方法估计出各个用户在每个天线上的原始信道冲击响应；接收到的训练序列表示为循环右移矩阵与用户的信道冲击响应的乘积与高斯白噪声的和；

2.3按照CIR后处理方法，设置信道特性功率门限，对2.2中得到的信道特性值进一步抑噪声处理，得到后处理信道特性值，对信道冲击响应的每个抽头的功率进行判断，得到信号抽头、噪声抽头和空窗内的噪声抽头；

2.4根据2.3中的信号抽头、噪声抽头和空窗内的噪声抽头及复合扩频码分别得到多天线下的瞬时有用信号码功率、干扰信号码功率、宽带信号时隙功率、信干比。

4.如权利要求3所述的智能天线上行赋形增益的确定方法，其特征在于，所述第二步中：

所述步骤2.2中利用循环右移矩阵的循环移位特性，在信道估计时，采用FFT/IFFT快速方法实现。

5.如权利要求3所述的智能天线上行赋形增益的确定方法，其特征在于，所述第二步中：

所述步骤2.3中对信道冲击响应的每个抽头的功率进行判断，

若抽头的功率大于等于设置的门限值，则保留该抽头为信号抽头；否则，保留该抽头为噪声抽头，

如果某个信道冲击响应的窗没有被用户占用，则将该窗的抽头保留为空窗内的噪声抽头。

6.如权利要求1所述的智能天线上行赋形增益的确定方法，其特征在于，所述第三步还包括：

3.1对于所有单个阵元，计算单个阵元下的瞬时有用信号码功率、干扰信号码功率、宽带信号时隙功率、信干比；

根据最大比合并得到每个阵元下的稳态有用信号码功率、干扰信号码功率、宽带信号时隙功率、信干比；

3.2对不同天线阵元的稳态有用信号码功率、干扰信号码功率、宽带信号时隙功率、信干比，根据最大比合并得到单阵元平均下的有用信号码功率、干扰信号码功率、信干比和宽带信号时隙功率；

所述第四步中：

所述智能天线的赋形增益为所述单阵元平均下的有用信号码功率与所述单阵元平均下的干扰信号码功率的比值减去多天线的有用信号码功率与多天线的干扰信号码功率的比值，再减去所述单阵元平均下的信干比，加上多天线的信干比。

7.如权利要求1所述的智能天线上行赋形增益的确定方法，其特征在于，所述第四步中：

若单天线的信干比与多天线下的信干比接近时，

所述智能天线的赋形增益为单天线的有用信号码功率与干扰信号码功率的比值减去多天线的有用信号码功率与干扰信号码功率的比值。

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