方向评估方法

专利名称：方向评估方法
技术领域：
本发明涉及到一个接收信号的部分波的方向评估方法，例如在移动无线电通信网的基站或使用于雷达-或声纳定位系统以及地震测量系统中。
一个或多个用户信号可以由一个或多个通信用户发送到达一个共同的接收站，通过由一个或多个发送器的发送或由于一个测量信号在障碍物或岩石层的反射引起重叠的测量信号。
在R.Roy和T.Kailath，“ESPRIT-用回转恒定技术评估信号参数”，IEEE会议文集。声学，语音，信号处理，ASSP-37卷，984-995页1989年7月中有一种确定各种信号入射方向的方法。例如从DE 195 11 752中已知的按照UNITARY-ESPRIT-方法的一个方向评估方法直接从接收信号中进行部分波的方向确定。
例如下面讨论方向评估在移动无线电中的应用。
方向评估与移动无线电或移动无线电类似的方法一样包括有一个新的应用领域。信号在一个传播媒体中传播时由于噪声受到干扰。信号组成由于绕射和反射经过各种传播路径和在接受器上重叠和在那里导致释放效应。另外在多信号源时出现这些信号的重叠。频分多址(FDMA)，时分多址(TDMA)或一个作为码分多址(CDMA)的已知的方法用作为区分信号源和从而用作信号的计算。
例如如果一个CDMA-方法被使用作为用户分离，然后同时有数个用户信号可以在一个频率信道上被传输和在接收时被分离。
在，P.Jung，J.Blanz，“用相关接收器天线共同检测CDMA移动无线电系统中的差异”，IEEE车辆技术会议文集，VT-44卷，1995年，76-88页，文中的数学描述，CDMA(码分多址)-无线电传输系统的功能方法和结构是已知的。当这种系统使用在移动通信中时存在一个在位置固定的基站与移动的移动站之间的功能接口。从一个基站到一个移动站的传输路段被称为向下路段和从一个移动站到一个基站的传输路段被称为上升路段。
在P.Jung，J.Blanz，“用相关接收器天线共同探测CDMA移动无线电系统中的差异”，IEEE车辆技术会议文集，VT-44卷，1995年，76-88页，文中进一步表示，在这种无线电传输系统中的传输质量可以这样被改进，代替一个唯一的接收传感器可以使用一个具有多个接收传感器的装置。与上述文献中的术语相对应的人们用K表示从一个基站同时在相同频率信道中传输的例如供应给移动站的用户信号数。Ka表示接收传感器数，它从属于一个接收装置，例如基站。在一个这样的方案中随后在上升路段中在K移动站和Ka基站的接收传感器之间存在K*Ka无线电信道。这些无线电信道的每一个是由它的信道脉冲响应g(k)(ka)其中k＝1...K，ka＝1...Ka的一个时间离散的基带当量为特征的。这些信道脉冲响应g(k)(ka)在信道模型化的数据检测时被使用。关于部分波射入方向的解释在本方法中没有考虑。
本发明的任务是，给出一个改进的方向评估方法，用很少的计算费用得到干扰信号对方向评估影响的减小。此方法是通过具有权利要求1特征的方法解决的。本发明的进一步的结构在从属权利要求中得到。
对于按照本发明的至少一个用户信号的部分波的方向评估方法，一个数量的Ka接收传感器是从属于一个接收装置的。经过接收传感器接收Ka接收信号，它们来源于至少一个通过一个发射器独特的精密结构为特征的用户信号，此时一个第k个用户信号，k＝1...K，通过Kd在它的射入方向上在接收地点被区分的部分波被传输。从接收信号中从属于ka接收传感器的信道脉冲响应被确定和从信道脉冲响应中被求得至少一个部分波的射入方向。
从而方向评估的精度被改善，因为信道脉冲响应作为方向评估的未加工信息已经考虑了信道的特征。为了信道评估在接收装置上可以追溯到关于接收信号以发送器独特的精密结构形式的知识基础上。从而方向评估比用未知的，还要准备检测的数据更准确些。
按照一个优异的进一步结构是从发送器独特的精密结构构成的用户信号的训练顺序中被确定信道脉冲响应。这样的训练顺序在移动无线电，例如在GSM网络信道中作为中间部分(Midambles)是已知的。这种训练顺序可以用简单方法为按照本发明的方法所利用。从而按照本发明的方法在移动无线电通信网络上的实施用很少的费用是可能的。
通过发送器独特的精密结构被分离的由多个发送器或反射器来的用户信号在接收装置上相遇和与接收信号相重叠，此时这些信号同时在一个频率信道上被传输。精密结构可以优异地同时被使用作为方向评估和作为用户分离，如果出现一个信息传输时。这意味着在接收方的一个进一步的费用减少。
按照本发明的一个进一步的优异结构为求得部分波的射入方向作为附加信息至少考虑下面数值中的一个干扰信号的射入方向、功率、频谱或一个相关矩阵。关于干扰源的知识愈多展现在眼前，应该被评估的射入方向的信号，可以越好地被计算。同样用这个措施可以改善方向评估。
按照本发明的一个进一步结构用户信号是通过具有一个独特用户编码的一个分开是可以分离的。从而部分波的射入方向可以被从属于用户信号，这种从属方式使本发明的优异的应用例如在移动无线电系统中的应用成为可能，在其中方向评估提出了一个附加信息用于数据检测。
优异的是为了求得射入方向使用了高分辨率的方向评估方法。例如一个MUSIC-方法(多信号分类)或一个一维的或多维的UNITARY-ESPRIT-方法(用回转恒定技术评估信号参数)进行具有经济计算费用的一个高精确度的建立在信道脉冲响应基础上的方向评估。MUSIC-方法或ESPRIT-方法利用接收传感器的复杂的射线特性知识以及接收传感器装置的一定的几何条件，以便得到一个准确的和具有很少信号处理费用的方向评估。
为了得到部分波的射入方向按照本发明的一个进一步结构在一个时间间隔内的一定的数值求取平均值。在一个时间间隔内，它可以对应于信道脉冲响应相关时间的数倍，射入方向变化很小。一个平均值改善了方向评估，因为偶然误差被减小。在用户信号以一个无线电程序块方式在TDMA-系统中传输时，求取一个无线电程序块的或也求取一个数倍的无线电程序块的平均值。一个平均值的无线电程序块的数目，也就是说在这里时间间隔是可以调整的，射入方向的改变引起时间间隔的一个改变。如果信道条件变化快，例如当一个移动站的运动加速时，然后方向评估可以被限制于一个比较短的时间间隔内。
除了已经叙述的在移动无线电系统中的应用以外还考虑了在一个雷达-以及声纳定位系统或在一个地震测量系统中的进一步应用。在后面的应用中至少一个用户信号也可能以一个或多个反射的部分波形式在接收站相遇。
下面本发明将借助于两个实施例，其中一个方向评估被应用于移动无线电系统的一个数据检测以及另外的一个雷达系统对于一个飞行物体进行一个方向评估，在附图表示的基础上进一步叙述。
其中表示附

图1一个移动无线电通信网络的一个方框图，附图2无线电接口的无线电程序块的一个框架结构的一个方框图，附图3具有相关接收传感器的一个接收装置的一个方框图，附图4一个方向选择的信道评估器的一个方框图，附图5一个检测装置的一个方框图，附图6一个雷达方案的一个简图，和附图7雷达系统的一个接收装置的一个方框图第一个实施例是借助于附图1至5叙述的。
在附图1中表示的移动-通信系统在它的结构上对应于一个已知的GSM-移动无线电通信网，它是由很多移动交换站MSC组成的，它们相互连成网络以及建立了到达一个固定网的入口。此外这些移动交换站MSC各自至少与一个基站监测器BSC相连。每个基站监测器BSC又可以连接至少一个基站BS。一个这样的基站BS是一个无线电站，它经过一个无线电接口可以建立与移动站MS的一个通信连接。在附图1中表示了例如在三个移动站MS与一个基站BS之间的三个无线电连接。一个运行-和维护中心OMC实现了移动无线电通信网以及其中一部分的监测-和维护功能。这种结构可以移植到其它的移动无线电通信网上，在其中本发明可以被使用。
在基站BS与移动站MS之间的通信连接是以一个多路径传播为基础的，它是由于例如建筑物或树木的反射附加在直接传播路径中的。如果人们从移动站MS的一个移动出发，然后多路径传播与其它的干扰在一起导致，在接收的基站BS上一个用户信号的各种传播路径的信号组成与时间有关的相互重叠。此外从这点出发，各种移动站MS的用户信号在接收站重叠成为一个接收信号e，em。接收基站BS的任务是，检测在用户信号上传输的数据d和分配给单个的用户独有的通信连接。
在附图2上表示了用户信号经过无线电接口的传输。此时接口有一个频分多址-(FDMA)，一个时分多址(TDMA)和一个码分多址-部件(CDMA)。对于移动无线电通信网考虑了沿着频率坐标f的数个频带。此外时间坐标t被分为由单位时间框架中数个时间间隙组成的一个时间网格，进行了以无线电程序块的一个传输。数个移动站MS的用户信号被从属于一个用户组Tln1，Tln2..Tln120，也就是说当一个用户组的无线电程序块，例如附图1上的三个移动站MS的用户组Tln3-在实施例中为k＝3，与用各种用户编码标志的用户信号重叠成为一个接收信号e，em，它在基站BS中的一个接收装置中被计算。
在一个无线电程序块内一个用户信号是由两个具有数据d的数据承载段组成的，在它的中间安排了一个用户独有的训练顺序tseq1至tseqK。无线电程序块被一个保护时间gp封闭。用户信号是通过一个用户编码c相互区别的，从而在数据承载段内通过用户专用的精密结构，由用户专用的CDMA-编码c(k)，k＝1..K，确定的。通过这个在下面被称为用户编码的CDMA-编码c，对于接收方是熟悉的，对用户信号进行一个分离是可能的。
在附图3上表示了一个接收装置具有从属的接收传感器A。这个接收装置是基站BS的一部分和接收移动无线电通信网MS上从发送的移动站MS来的接收信号e、em.。在下面表示了基站BS的接收情况，即使如此一般来说组成一个双向通信连接，也就是说基站BS也有一个发送装置。
Ka＝4接收传感器A构成为一个天线装置，它是被构成为智能的天线装置，也就是说这个智能天线装置的数个接收传感器A在同一个时间点上接收接收信号e或em，它们是这样被相互组合在一起的，传输质量相对于具有一个接收天线的系统被改善。
从接收信号e、em例如通过一个传输给基带和随后的模拟/数字转换产生数字信号和在接收装置中被计算。
接收装置包括有数个信道评估器JCE，数个方向评估器DOAE，一个方向选择的信道评估器JDCE和一个检测装置JDD。附加在接收信号e、em上位于接收装置上有一个关于用户数K，其训练顺序tseq1，..，tseqK和它的用户编码c的区分优先次序-信息的一个知识，必要时也可以提供关于干扰信号的信息。
接收传感器A的接收信号em-已经数字化的-被输入给信道评估器JCE。在信道评估器JCE中通过一个高斯-马尔科夫-或一个最大-类似性-评估确定非方向选择的信道脉冲响应g。每个信道评估器JCE上一个接收传感器A的接收信号被计算，其中在信道评估器JCE的输出端被准备好各自的K非方向选择的信道脉冲响应g。这个非方向选择的信道脉冲响应g是由接收信号em(ka)，ka＝1..Ka，它们来源于K用户信号的训练顺序tseq1至tseqK。
非方向选择的信道脉冲响应g被各自输入给K方向评估器DOAE，它们在这个非方向选择的信道脉冲响应g基础上进行与用户有关的一个方向评估。每个用户信号确定的射入方向数被用Kd表示。这个数字Kd从用户信号到用户信号是可以相互区别的。在确定射入方向时(也被称为到达方向DOA)使用一维-或多维的UNITARY-ESPRIT-算法。按照本发明的方向评估是在方向评估器DOAE中进行。
在方向选择的信道评估器JDCE中由训练顺序tseq1至tseqK决定的接收传感器A的接收信号em(ka)，和部分波的一定的射入方向DOA被处理和从而确定了方向选择的信道脉冲响应h。这个信道评估是建立在最大-类似性-评估方法基础上的。
最后Ka接收信号e(ka)，ka＝1..Ka，确定的方向选择的信道脉冲响应h和确定的射入方向DOA被输入给检测装置JDD，它除此以外还处理用户编码c和以Rn形式或移动站MS相对于基站BS的地理位置的关于干扰信号射入方向的一个区分优先次序-信息的附加知识。
在这个检测装置JDD上在接收信号e(ka)基础上，它来源于数据承载段，进行数据d的检测。为此使用了一个零-促成-法。可选择的优异的方法是最大-类似性-评估或一个MMSE-方法。在数据检测结果中一个无线电程序块的K用户信号的被检测的数据d被放在检测装置JDD的输出端。
在一个按照本方法的数据检测的分析中在一个第一个处理步骤中不考虑方向不均匀性进行一个信道脉冲响应g的一个信道评估。在一个第二个处理步骤中从被确定的信道脉冲响应g中确定一个或数个部分波的射入方向DOA，以后在一个第三个处理步骤中在考虑射入方向DOA情况下从接收信号中被确定方向选择的，也就是说可以从属于不同的射入方向的，信道脉冲响应h。这个步骤是建立在知识基础上的，即每个原来的，非方向选择的信道脉冲响应g(k)(ka)通过重叠产生Kd方向选择的信道脉冲响应h(k)(ka)，其中k＝1..K和kk＝1..Ka。
即g(k)(ka)=Σkd=1kda(k)(ka)(kd)·h(k)(kd),k=1..k--ka=1..ka.----(1)]]>其中a(k)(ka)(kd)是为了方向选择的信道脉冲响应h(k)(ka)与非方向选择的信道脉冲响应g(k)(ka)重叠的复杂的计算系数。为了确定方向选择的信道脉冲响应h必要时也可以利用干扰的部分波的关于射入方向或相关矩阵的知识。
在g(k)(ka)，k＝1..K，ka＝1..Ka中总的准备评估的参数数目W*K*Ka一般来说在多答案系统中显著地大于在h(k)(kd)，k＝1..K，kd＝1..Kd中的总的准备评估的参数数目W*K*Kd，因为Ka＞Kd。因此按照本发明方法进行参数评估时计算费用被减小。
当接收一个组合接收信号em时，优异的是此信号来源于用户信号的训练顺序和包括有Ka接收传感器的接收信号em(ka)，ka＝1..Ka，这个接收信号em的公式是em＝G·h+nm (2)其中G为已知矩阵(L*Ka)×(W*k*Kd)，其中L是接收信号em的时间离散的扫描值数和W是信道脉冲响应的长度。这个G矩阵是由几何装置和Ka接收传感器的复杂特性，由被发送的训练顺序和Kd射入方向DOA给定的。矢量h包括K*Kd方向选择的信道脉冲响应h(k)(kd)·nm的时间离散的基带当量被称为一个时间离散的干扰信号的未知的一个(L*Ka)间隙矢量。
从公式(1)中G和em是已知的，则方向选择的信道脉冲响应h可以被确定。
当数据承载段时接收传感器的接收信号e(ka)的组合接收信号e的公式为e＝A·d+n (3)其中A是一个(M*Ka)*(N*K)矩阵，其中M是接收信号的离散的扫描时间点数和N是单位用户传输的数据符号数。n又是一个时间离散的干扰信号的一个未知的(M*Ka)间隙矢量。
在公式(3)中A是-由K*Kd射入方向，方向选择的信道脉冲响应h，几何装置和接收传感器的复杂特性和在使用一个CDMA-用户分离方法时通过被使用的用户编码-和e是已知的，则数据d可以被检测。
在一个第四个处理步骤中来源于K用户信号的承载数据段的接收信号e在考虑前面确定的射入方向DOA和方向选择的信道脉冲响应h的情况下数据d被检测。在这个步骤中必要时也可以利用关于射入方向、功率、干扰信号的频谱或协变矩阵的知识。
确定方向选择的信道脉冲响应h最好按照高斯-马尔科夫-评估方法，其中方向选择的信道脉冲响应h的一个评估值
是从h^=(G*T·R‾n-1)-1·G*T·R‾n-1·em----(4)]]>中可以计算出来的。
表示干扰信号nm的协变矩阵，它是由干扰的部分波的射入方向和相对功率，干扰信号的频谱，以及由接收传感器的几何装置和复杂的发射特性被确定的。这种方法相当于方向选择的信道脉冲响应h的最大-类似性-评估和可以通过公式(4)的递推分解较少费用即可实现。
方向评估以及确定方向选择的信道脉冲响应和数据检测之间的关系如下面叙述的被充分利用。K用户信号是由数据承载段和训练顺序组成的，其中来源于K用户信号的训练顺序的接收信号被确定方向选择的信道脉冲响应和来源于数据承载段的接收信号的数据被检测。
为了减少费用也可以将射入方向DOA和/或方向选择的信道脉冲响应h在一个周期以后使用一个跟踪法，它比一个以无线电程序块为基础的框架结构长，被重新确定。
附图4表示一个方向选择的信道评估器JDCE，它包括一个发射形成器BF，它对Ka接收信号em(ka)各自通过发射形成器专用的重量系数w1至w4以及w5至w8进行一个重量分析和在一个加法器S中将信号组成相加成为一个信号，其信-噪-比变为最大，此时这个信号随后被输入给解相关的信号匹配滤波器DMF。在一个装置IC中为了相干分解被构成原相干-SI和互相干CI和得到方向选择的信道脉冲响应h。
在发射形成器BF中处理关于部分波的射入方向DOA的附加信息和干扰的部分波的方向和相对功率。这些方向单个地影响每个发射形成器BF的重量系数w1至w4以及w5至w8。发射形成器BF和解相干的信号匹配滤波器DMF作用如同一个空间分解的解相干信号匹配滤波器，它们各自被使用于一个部分波-即K*Kd。
在附图5上表示了检测装置JDD。这个检测装置JDD处理接收信号e的数据承载段，其中对应于在方向选择的信道评估器JDCE上已经叙述过的进行方式一个空间分解的解相干的信号匹配滤波器将接收信号e的K*Kd部分波重叠成为信-噪-比的最大化。这个信-噪-比的最大化对于一个每个用户信号的每个射入方向DOA被进行，其中一个用户信号的单个的部分波的Kd信号组成按照最大-比率-联合-法在加法装置S1至SK中被重叠。
随后用户信号被输入给一个相干分解装置IC，它将交互符号ISI和多次存取-干涉MAI平衡。其中关于用户编码c，射入方向DOA，方向选择的信道脉冲响应h和必要时关于干扰的区分优先次序知识以Rn形式的信息也被处理。在干涉分解装置IC的输出端出现被分离的用户信号的被检测的数据d。在干涉分解时使用一个所谓的JD(联合检测)法。
通过接收装置接收信号的时间离散和变化减小。此外通过空间分解在一个无线电范围一个比较大的数量的移动站MS可以被供应给一个基站BS以及无线电范围可以通过方向性效应被这样构成，移动站MS的发送功率也明显地减小。
附图6表示一个具有一个雷达系统方案的第二个实施例。
一个雷达系统包括一个发送装置和一个接收装置，它经过一个耦合环节K与一个天线装置A与Ka接收传感器连接。在一个发送周期内一个发送信号，它被安排具有一个发送器独有的精密结构，通过天线装置被发射。被发射的能量的一部分到达一个飞行物体和在那里被反射。
被反射的信号，以下被称为用户信号，是由很多的部分波组成的，此时Kd部分波经过各种传播路径到达天线装置A。用户信号的部分波在云中或建筑物上通过折射，绕射和反射被返回到达雷达系统和在接收装置上接收和计算。
附图7表示接收装置的简图，其中Ka是从属于接收传感器A的。在Ka信道评估器KS中以传感器为基础的一个信道脉冲响应g被评估。此外在雷达系统中已知的发送器独有的的精密结构与接收信号的相关性被求得。
从而被确定的Ka信道脉冲响应g，它被输入给方向评估器DOAS，求得这个Kd用户信号的射入方向DOA。在信道-和方向评估器中使用的方法相当于在第一个实施例中的方法。
在一个信号组合器SC中对信道脉冲响应g和用户信号的部分波的射入方向DOA作如下计算，位置-由射入方向DOA，信号运行时间，和部分波的接收场强-和飞行速度-由多普勒频率确定。
权利要求
1.至少一个用户信号的部分波的方向评估方法，在其中-一个数量Ka的接收传感器是从属于一个接收装置的，-Ka接收信号被接收，它来源于由一个发送器独有的精密结构标志的至少一个用户信号，其中一个第k-个用户信号，k＝1..K，通过Kd，在它的射入方向(DOA)在接收地点被区分的部分波被传输，-从接收信号中从属于Ka接收传感器的信道脉冲响应(g)被确定，-从信道脉冲响应(g)中至少一个部分波的射入方向(DOA)被确定，
2.按照权利要求1的方法，在其中信道脉冲响应(g)是由构成为发送器独有的精密结构的用户信号的训练顺序(tseq1，tseq2，...tseqK)被确定的。
3.按照权利要求1或2的方法，在其中由数个发送器(MS)或反射器(P1，P2)来的用户信号在接收装置上与接收信号重叠地相遇，此时这些信号被同时传输给一个频率信道。
4.按照上述权利要求之一的方法，在其中为确定部分波的射入方向(DOA)至少关于下面中的一个数值作为附加信息应被考虑干扰信号的射入方向(DOAS)、功率、频谱或一个相关矩阵。
5.按照权利要求3或4的方法，在其中用户信号通过具有独特的用户编码(tc1，tc2，..tcK)的一个分解是可以分开的。
6.按照上述权利要求之一的方法，在其中为求得射入方向(DOA)被使用高分辨率的方向评估方法。
7.按照权利要求6的方法，在其中为求得射入方向(DOA)被使用一个MUSIC-方法。
8.按照权利要求6的方法，在其中为求得射入方向(DOA)被使用一个一维的或多维的UNITARY-ESPRIT-方法。
9.按照上述权利要求之一的方法，在其中为确定部分波的射入方向(DOA)求取在一个时间间隔内的确定的数值的平均值。
10.按照上述权利要求之一的方法，应用在一个移动无线电系统中。
11.按照上述权利要求之一的方法，应用在一个雷达-以及声纳定位系统中。
12.按照上述权利要求之一的方法，应用在一个地震测量系统中。
全文摘要
按照本发明的至少一个用户信号的部分波的方向评估方法一个数量Ka的接收传感器是从属于一个接收装置的。通过接收传感器Ka接收信号被接收,它们是由至少一个通过一个发送器独有的精密结构表征的用户信号所组成的,其中一个第k－个用户信号,k=1..K,通过Kd在它的射入方向在接收地点被区分的部分波被传输。从接收信号中被确定从属于Ka接收传感器的信道脉冲响应和从信道脉冲响应中被求得至少一个部分波的射入方向。本方法可以优异地应用在移动无线电－、雷达－、声纳定位－或地震测量系统中。
文档编号G01S3/14GK1251656SQ98803725
公开日2000年4月26日 申请日期1998年3月25日 优先权日1997年3月25日
发明者P·W·拜尔, J·布兰兹, M·哈尔德特, R·施马伦－贝尔格 申请人:西门子公司