CN1992956B - 一种基于智能天线系统的上下行信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于智能天线系统的上下行信号处理方法，首先提出一种每根阵元个体为定向辐射的天馈架构，在此基础上，提出多阵元圆阵的智能天线上、下行信号处理方法和建网中、后期的小区“平滑”裂化方法，在建网初期，设置所有阵元为一小区服务，此时根据各个用户在不同阵元上CIR，确定每个用户参入上行联合检测的有效阵元，对剩余阵元的CIR做剔除处理，降低了上行解调运算复杂度，同时根据用户上行独有的CIR，搜索用户最佳发射角度、及对应的参入发射信号的阵元、及阵元赋形权值；在建网中、后期，设置所有阵元为多个小区提供服务，每个小区服务的阵元确定，此时各个小区完全独自处理。所述方法与现有技术相比提高系统容量。

Description

一种基于智能天线系统的上下行信号处理方法

技术领域

本发明属于数字移动通信领域，特别涉及适合应用智能天线的通信系统，尤其涉及时分同步码分多址(TD-SCDMA)系统中的智能天线的实现。

背景技术

智能天线是由在空间分布的一系列阵元(天线阵子、Element)组成的天线阵列，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。

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10log(M)dB。智能天线的特点是能够以较低的代价换得天线覆盖范围、系统容量、频谱利用率、业务质量等性能的提高。

现有的专利或相关文献资料的实际系统中通常采用直线阵和圆环阵，并且其中的阵元个体在其覆盖扇区内都可以认为是全向的。

对于圆环阵而言，阵元个数通常为8或6个，以达到整个360度的全向覆盖；对于直线阵而言，阵元个数通常为8或4个，以达到120度扇区的覆盖，同时通过3个这样的直线阵，达到整个360度的覆盖。

在下列文献中介绍了关于智能天线的现有技术：

【1】“弧形智能天线装置”，中国专利，专利号：01273276，公告日：2002.10.2；

【2】Takashi Inoue等“Radiation patterns of various beams formed by circular arrayemployed for imt-2000 smart antenna systems”；

【3】STEINER B，BAIER P.Low cost channel estimation in the uplink receiver of CDMAmobile radio systems，Frequenz，1993，47(12)：292-298；

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

然而，上述常规的智能天线系统，存在明显的不足：

(1)对于圆环阵而言，由于其阵元个体为全向的，只能作为全向扇区使用，同时阵元个体的单元天线增益也较低，特别不足的是，其业务波束存在较大的后瓣和旁瓣，对本小区和邻小区造成较大的干扰。

(2)对于常规的用3扇区以达到整个360度的覆盖的直线阵而言，其优势是阵元个体的单元天线增益较高，后瓣抑制较好，但由于各个扇区之间是相互独立的，需要付出更多的基带硬件资源，特别是各个扇区的硬件资源不能“共享”使用，不能针对用户DOA(Direction ofArrinal来波方向)，采用最佳阵元赋形机制(对于线阵而言，如果DOA与阵列的法线方向重合，则可以获得最大的赋形增益)，同时直线阵的广播波束的“不圆度”也非常大(以4直线阵而言，广播波束的“不圆度”达到5dB左右)。

综合起来就是：(1)假如建站初期，以全向扇区规划，则后期需要通过“分裂”小区提供容量时，则多次馈线、天馈等工程施工显得极为“烦琐”，有时是不可能的，同时其较大的后瓣和旁瓣，对本小区和邻小区造成较大的干扰；(2)假如建站初期，就以直线阵进行多扇区规划，不能获得最大的赋形增益，同时又存在基带硬件资源浪费的问题和广播波束的“不圆度”较大的问题。

发明内容

针对现有智能天线系统的不足，本发明提出了一种新型的智能天线系统，及基于这种系统的上下行信号处理方法。

本发明一种基于智能天线系统的上下行信号处理方法，具体是这样实现的：

步骤一、建立天馈系统，采用多阵元，每个阵元个体为定向辐射的天馈架构，

所述多阵元构成圆阵的智能天线系统；

步骤二、建网初期：

第1步、在一小区内，采用多阵元全向覆盖，在子帧的时隙时间内，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击响应及信道估计后处理结果；

第2步，采用12阵元的天馈系统，每个阵元个体为120度定向辐射的设计；对任意用户将12个阵元以任意一个阵元作为起始点、依次循环11次、每次按照阵元序号增大的方向滑动5个阵元，将这5个阵元上经过信道估计后处理之后的每条有效径的冲击响应的功率加起来求平均、然后找出11次平均值的最大值，记录所述用户对应的这5个阵元的序号，只记录起始点的阵元序号；根据用户的信道冲击响应搜索到的阵元起始标号，依次保留所述用户5个阵元的冲击响应，对剩余7个阵元上的冲击响应全部置0，将信道冲击响应不为0的天线进行联合检测运算，进行数据解调；；

第3步，根据搜索到任意用户对应的阵元起始标号，及依次保留从搜索到的阵元的起始标号起5个阵元上的冲击响应后的处理结果，按照最大能量准则，搜索出该任意用户对应的DOA；

第4步，根据搜索到的各用户DOA信息，产生各用户最优赋形权值；

步骤三、建网中、后期：

第1步，设置所有阵元为多个小区提供服务，各个小区完全独自处理；在每个小区内，将阵元按照扇区的个数均分，每个扇区依靠确定个数的定向阵元实现本扇区覆盖；

第2步，在扇区内，在子帧的时隙时间内，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击响应及信道估计后处理处理结果；

第3步，采用12阵元的天馈系统，每个阵元个体为120度定向辐射的设计；对任意用户将12个阵元以任意一个阵元作为起始点、依次循环11次、每次按照阵元序号增大的方向滑动5个阵元，将这5个阵元上经过信道估计后处理之后的每条有效径的冲击响应的功率加起来求平均、然后找出11次平均值的最大值，记录所述用户对应的这5个阵元的序号，只记录起始点的阵元序号；根据用户的信道冲击响应搜索到的阵元起始标号，依次保留所述用户5个阵元的冲击响应，对剩余7个阵元上的冲击响应全部置0，将信道冲击响应不为0的天线进行联合检测运算，进行数据解调；

第4步，根据搜索到任意用户的信道冲击响应对应的阵元起始标号，及依次保留从搜索到的阵元的起始标号起5个阵元上的冲击响应后的处理结果，按照最大能量准则，搜索出该用户对应的DOA；

第5步，根据搜索到的各用户DOA信息，产生各用户最优赋形权值。

本发明提出一种新型的智能天线系统，既能作为一个全向扇区使用，获得极佳的广播波束方向图，同时能提供良好的业务波束的后瓣和旁瓣抑制；同时根据需要，又可“分裂”为多个小区使用，已做到在不更改射频硬件资源的情况下，通过修改配置，达到小区“平滑”裂化，以提高系统容量。

附图说明

图1是本发明实施的12天线圆阵阵列模型示意图，也是建网初期某用户最终信道冲击响应搜索示意图；

图2是本发明实施的12天线圆阵阵列模型中单根定向天线的方向图示意图；

图3是本发明实施的，在建网后期，12天线“裂化”成3扇区的阵列模型示意图；

图4是本发明实施的建网初期，智能天线基带信号上行技术实现流程图；

图5是本发明实施的建网建网中后期，智能天线基带信号上行技术实现流程图；

图6是本发明实施的智能天线基带信号下行技术实现流程图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例详细描述本发明所述方法，本发明首先提出一种M阵元(一般情况下为12阵元)，每根阵元个体为定向辐射的天馈架构(一般情况下，每根阵元个体为120度的定向辐射)，在此基础上，提出一种M阵元圆阵的智能天线上、下行信号处理方法和建网中、后期的小区“平滑”裂化方法。

具体讲：(1)在建网初期，设置所有M阵元为某一个360度小区服务，此时根据各个用户在不同阵元上的信道冲激响应(CIR)，基于一定的判定准则与门限，对各个用户而言，确定每个用户参入上行联合检测的有效阵元(以CIR体现)，对剩余阵元的CIR做剔除处理，不参入联合检测运算，大大降低上行解调运算复杂度；同时根据各用户上行独有的CIR，按照一定的规则，搜索该用户最佳发射角度、及对应的参入发射信号的阵元、及阵元赋形权值；

(2)在建网中、后期，容量需求为主时，设置所有M阵元为N个小区提供服务，每个小区服务的阵元为Ka个，满足M＝N*Ka，此时各个小区完全独自处理；在每个小区内，其上行基于常规的CIR估计与后处理，然后采用常规的联合检测方法；下行是根据各个用户独立的CIR，搜索该用户最佳DOA，得出对应的下行最优赋形权值。

为清楚表述，分三大部分公开如下(以TD-SCDMA系统为例)：

(一)天馈系统

采用一种M阵元，每根阵元个体为定向辐射的天馈架构。一般情况下为12阵元，每根阵元个体为120度的定向辐射。

(二)建网初期

第一步：采用M阵元全向覆盖，在某个子帧的某个时隙时间内，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。

本步骤又可以包括下列步骤：

1.1M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；

1.2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                    (1)

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(2)：

$\hat{h}=\mathrm{ifft}(\mathrm{fft}\left(e\right)/\mathrm{fft}\left(m\right))---\left(2\right)$

1.3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1.2中计算的信道特性值进一步抑噪声处理，得到后处理信道特性值，即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，则保留该抽头的位置；否则，去掉该抽头的响应。

第二步：根据第一步估计出来的各用户的信道冲击响应

进行上行数据解调，一般采用常规的联合检测的数据解调方法，输出符号级数据后，送入译码模块进行信道译码。

本步骤又可以包括下列步骤：

2.1用户数据通过扩频加扰、无线信道后，到达接收机，接收信号e可以表示为：

e＝Ad+n                    (3)

d是所有用户的符号组成的列向量，用户各自的扩频扰码和后处理的信道冲激响应

生成系统传输矩阵A， $A={\left[\begin{array}{cccc}{A}^{k_1}& A^{k_2}& L& A^{\mathrm{Ka}}\end{array}\right]}^{\′},$ Ka是天线个数；

2.2对用户数据解调，解调方法表示如下：

$\hat{d}={(A^H\·A)}^{-1}{A}^{H}e---\left(4\right)$

进一步，根据单个阵元个体为定向的特性，并考虑基站天线一般架设较高，UE的DOA扩展角度一般不超过±30°(角度扩展60°)，因此利用此特性，可以大大简化上行联合检测解调的算法复杂度，具体为：

2.3根据上述DOA角度扩展假定，并根据12阵元，每根阵元个体为120度定向辐射的设计，则任意一个用户，其信道冲击响应

(即用户能量)最多集中在相邻的5个阵元上。这样就可以对1.3处理后的

进一步做后处理，具体为：对某一个用户k而言、将其12根天线以任意一根天线作为起始点、依次循环11次、每次按照天线序号增大的方向滑动5个天线阵元，将这5个阵元上经过信道估计后处理之后的每条有效径的冲击响应的功率加起来求平均(或者总和)、然后找出11次平均值(或总和)的最大值 $\mathrm{Max}\left(\frac{1}{5}\underset{i=1}{\overset{W}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k_a=m}{\overset{m+4}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_k^{k_a}\left(i\right)\right|}^2\right),$ 记录该用户对应的这5根天线的序号(此时只记录起始点的天线序号即可)；

2.4根据用户k的信道冲击响应

搜索到的天线起始标号，依次保留该用户5根天线的

对剩余7根天线上的

全部置0；

2.5对所有用户的信道冲击响应

依次进行2.3-2.4步骤；

2.6对于任意用户，其对应的有7根天线的信道冲击响应

为0，对于此用户而言，这些天线不参入公式(4)描述的联合检测运算，这样就大大降低了运算复杂度。

第三步：根据第二步，搜索到任意用户k的信道冲击响应对应的天线起始标号，及依次保留该用户5根天线的按照最大能量准则，搜索出该用户对应的DOA；

第四步：根据第三步搜索到的各用户DOA信息，产生各用户最优赋形权值(注：每个用户最多只需要5根阵元参入下行能量发射。)

(三)建网中、后期

设置所有M阵元为N个小区提供服务，每个小区服务的阵元为Ka个，满足M＝N*Ka，此时各个小区完全独自处理(一般设M＝12，N＝3，Ka＝4)；在每个小区内，其上行基于常规的CIR估计与后处理，然后采用常规的联合检测方法；下行是根据各个用户独立的CIR，搜索该用户最佳DOA，得出对应的下行“最佳”赋形权值。

具体描述如下：

第一步：以12阵元为例，分3个扇区，每个扇区依次依靠4根定向天线实现本扇区覆盖；每个扇区依次分别进行后续步骤；

第二步：在某个扇区内，在某个子帧的某个时隙时间内，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。

本步骤又可以包括下列步骤：

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；具体依据公式(1)、(2)；

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中计算的信道特性值进一步抑噪声处理，得到后处理信道特性值，即对信道冲击响应

的每个抽头的功率进行判断，如果大于等于设置的门限值，则保留该抽头的位置；否则，去掉该抽头的响应。第三步：根据第二步估计出来的各用户的信道冲击响应进行上行数据解调，一般采用常规的联合检测的数据解调方法，输出符号级数据后，送入译码模块进行信道译码。具体的步骤可参见公式(3)、(4)。

第四步：根据第三步，搜索到某个小区中用户k的信道冲击响应按照最大能量准则，搜索出该用户对应的DOA；

第五步：根据第四步搜索到的各用户DOA信息，产生各用户最优赋形权值(注：每个用户需要4根阵元参入下行能量发射。)

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系统和所有SCDMA系统。任何具有信号处理，通信等知识背景的工程师，都可以根据本发明设计相应的信道估计和联合检测装置，其均应包含在本发明的思想和范围内。

Claims (7)

1.一种基于智能天线系统的上下行信号处理方法，其特征在于，包括：

步骤一、建立天馈系统，采用多阵元，每个阵元个体为定向辐射的天馈架构，

所述多阵元构成圆阵的智能天线系统；

步骤二、建网初期：

第1步、在一小区内，采用多阵元全向覆盖，在子帧的时隙时间内，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击响应及信道估计后处理结果；

第2步，采用12阵元的天馈系统，每个阵元个体为120度定向辐射的设计；对任意用户将12个阵元以任意一个阵元作为起始点、依次循环11次、每次按照阵元序号增大的方向滑动5个阵元，将这5个阵元上经过信道估计后处理之后的每条有效径的冲击响应的功率加起来求平均、然后找出11次平均值的最大值，记录所述用户对应的这5个阵元的序号，只记录起始点的阵元序号；根据用户的信道冲击响应搜索到的阵元起始标号，依次保留所述用户5个阵元的冲击响应，对剩余7个阵元上的冲击响应全部置0，将信道冲击响应不为0的天线进行联合检测运算，进行数据解调；

第3步，根据任意用户对应的阵元起始标号，及依次保留从搜索到的阵元的起始标号起5个阵元上的冲击响应后的处理结果，按照最大能量准则，搜索出该任意用户对应的DOA；

第4步，根据搜索到的各用户DOA信息，产生各用户最优赋形权值；

步骤三、建网中、后期：

第1步，设置所有阵元为多个小区提供服务，各个小区完全独自处理；在每个小区内，1个小区包含1个扇区，将阵元按照扇区的个数均分，每个扇区依靠确定个数的定向阵元实现本扇区覆盖；

第2步，在扇区内，在子帧的时隙时间内，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击响应及信道估计后处理结果；

第3步，采用12阵元的天馈系统，每个阵元个体为120度定向辐射的设计；对任意用户将12个阵元以任意一个阵元作为起始点、依次循环11次、每次按照阵元序号增大的方向滑动5个阵元，将这5个阵元上经过信道估计后处理之后的每条有效径的冲击响应的功率加起来求平均、然后找出11次平均值的最大值，记录所述用户对应的这5个阵元的序号，只记录起始点的阵元序号；根据用户的信道冲击响应搜索到的阵元起始标号，依次保留所述用户5个阵元的冲击响应，对剩余7个阵元上的冲击响应全部置0，将信道冲击响应不为0的天线进行联合检测运算，进行数据解调；

第4步，根据任意用户的信道冲击响应对应的阵元起始标号，及依次保留从搜索到的阵元的起始标号起5个阵元上的冲击响应后的处理结果，按照最大能量准则，搜索出该用户对应的DOA；

第5步，根据搜索到的各用户DOA信息，产生各用户最优赋形权值。

2.如权利要求1所述的基于智能天线系统的上下行信号处理方法，其特征在于：

所述步骤二中的第1步具体包括：

(1)每个阵元分别接收当前时隙所有激活用户的数据信息，并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)利用矩阵的循环移位特性，采用FFT/IFFT快速方法实现所有激活用户在每个阵元上的原始信道冲击响应；

(3)采用冲击响应后处理方法，得到后处理信道特性值，设置信道特性功率门限，对信道冲击响应的每个抽头功率进行判断，如果大于等于设置的门限值，则保留所述抽头的位置，否则去掉所述抽头的响应。

3.如权利要求1或2所述的基于智能天线系统的上下行信号处理方法，其特征在于：

所述步骤二中的第4步，

所述用户最多只需要5根阵元参入下行能量发射。

4.如权利要求1所述的基于智能天线系统的上下行信号处理方法，其特征在于：

所述步骤三中的第1步，

所述阵元数为M，为N个小区提供服务，为每个小区服务的阵元为Ka，则满足M＝N*Ka。

5.如权利要求1所述的基于智能天线系统的上下行信号处理方法，其特征在于：

所述步骤三中的第2步，具体包括：

(1)每个阵元分别接收当前时隙所有激活用户的数据信息，并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)利用矩阵的循环移位特性，采用FFT/IFFT快速方法实现所有激活用户在每个阵元上的原始冲击响应；

(3)采用冲击响应后处理方法，得到后处理信道特性值，设置信道特性功率门限，对信道冲击响应的每个抽头功率进行判断，如果大于等于设置的门限值，则保留所述抽头的位置，否则去掉所述抽头的响应。

6.如权利要求1所述的基于智能天线系统的上下行信号处理方法，其特征在于：

所述步骤三中的第3步，具体包括：

(1)用户数据通过扩频加扰、无线信道后，到达接收机，确定接收信号；

(2)根据单个阵元个体为定向，基站天线架设高度，用户的DOA扩展角度取60度，并根据12阵元，每根阵元个体为120度定向辐射的设计，则任意一个用户，其信道冲击响应最多集中在相邻的5个阵元上；

(3)对任意用户将其12个阵元以任意一个阵元作为起始点、依次循环11次、每次按照阵元序号增大的方向滑动5个阵元，将这5个阵元上经过信道估计后处理之后的每条有效径的冲击响应的功率加起来求平均、然后找出11次平均值的最大值，记录所述用户对应的这5个阵元的序号，只记录起始点的阵元序号；

(4)根据用户的信道冲击响应搜索到的阵元起始标号，依次保留所述用户5个阵元的冲击响应，对剩余7个阵元上的冲击响应全部置0；

(5)将信道冲击响应不为0的天线进行联合检测运算，数据解调。

7.如权利要求1所述的基于智能天线系统的上下行信号处理方法，其特征在于：

所述步骤三中的第5步，具体包括：

12个阵元分3个扇区，每个扇区依靠4个阵元覆盖，所述用户需要4个阵元参入下行能量发射。

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