专利名称：车域网中的智能天线及其信号处理方法
技术领域：
本发明是在高速运行的交通工具上形成的车域网中使用的智能接收技术，属于移动通信领域。
背景技术：
因特网的迅速发展，使人们期望能够将网络随身携带，小范围个人无线通信能够很好地满足这个要求。从网络的角度来看，继广域网，局域网之后，人们又提出了“无线个域网”。
无线个域网的应用之一车载通信最典型的情况是人在车上用手机打电话。当手机在以较高的速度运行的车上工作时，通常它的发射功率是最大的，因此耗电和对人的健康的危害也就是最大的时候；同时这时所使用的系统资源也是最多的时候，尤其是对于实时性要求很高的话音通信，因为蜂窝系统为了使其在越区切换时不间断，必然要有更多的基站和手机保持通信并不断地进行检测、判断以及产生相应的动作。一般来说，车速越快，手机的发射功率越大、动用的系统资源越多。因此，如果能够利用无线个域网的概念，将车载通信分为两部分，一部分是以人携带的移动终端(典型的例子是手机，也可以是笔记本电脑、PDA等)和车内的对应设备构成的小范围网络，它们均以功率发射低为特点，另一部分是与蜂窝网通信的部分，包括收、发和天线等，这样把车载接入端使用大功率，移动终端使用微功率，并且便于使用许多复杂而有效的技术，则可以很好地解决上述两个问题。这个网络我们称之为无线车域网(WVAN，Wireless Vehicle AreaNetwork)，简称车域网，它实质上是无线个域网的一个分支。
工作过程是车内的移动终端和装在车上的WPAN接入设备A通过WPAN协议进行微功率的通信，A和车上蜂窝网B之间通过接口AB进行转换，B通过天线系统C和蜂窝网的基站或其它公众移动通信系统的固定设备(如移动通信卫星，平流层空间平台等)进行远距离的通信。这样，车载设备(包括A、AB、B、C各部分)对于移动终端来说，它好像是公众移动通信系统的基站；对于基站来说，它又是普通的终端。
这样做的好处是多方面的。车内形成一个典型的小范围个人通信环境，手机等移动终端可以减少发射功率，从而节省电池，减少对人体的危害；B和C构成典型的公众移动通信系统终端，但它的供电由车负责，在设计上带来更大的自由度；最为关键的是可以将智能天线的概念及其技术应用到车上，解决在手机等小型移动终端使用智能天线技术所面临的困难，为公众移动通信系统的宽带化和大容量提供一个好的解决方案。
车域网的目标是通过车载通信系统的接入，车内各个设备间构成WPAN，并使得它们和车外的公众移动通信系统以及广域网、局域网、互联网等系统进行数据和话音通信。它是一种车内微功率、车外大功率的系统。在目前，车内可以使用蓝牙或类似的系统，车外就是普通的蜂窝网；在将来，车内将使用带宽更宽的WPAN的系统，车外是3G或更新的公众移动通信系统。
在这些系统中要比现有的系统更高速的比特率，更高的传输质量，还有高容量的要求。这样需要尽量不牺牲频率带宽的情形下获得高的接收信噪比，显然，现有的单个全向接收天线将难于满足在这种恶劣环境下的对数据传输的高质量，高速，还有高容量的要求。现有的蜂窝通信系统仅研究了基站端的智能天线的设计和性能，主要因为手机等小型移动终端使用智能天线技术所无法实现，车域网的形成，使得研究移动端智能天线既紧迫又实用，但是由于信号形式的不同，使得基站智能天线和移动端智能天线有不同的形式。
发明内容
(1)发明目的本发明的目的是提供一种高增益、高信噪比、适用于车域网实际应用环境的车域网中的智能天线及其信号处理方法。
(2)技术方案本发明是一种车域网中的智能天线及其信号处理方法。该天线由天线阵列传感器、波束成形器、解扩器、信号处理器、信道估计器、多径合并器所组成，天线阵列传感器的输出端接波束成形器和解扩器的输入端，波束成形器的输出端接解扩器的输入端，解扩器的输出端接信号处理器、多径合并器、信道估计器的输入端，信号处理器的输出端接波束成形器的输入端，信道估计器的输出端接多径合并的输入端；天线阵列传感器由相同的若干组并联排列的信号处理电路组成，每一组该信号处理电路由天线传感器、去载波电路、低通滤波器依次串联而成；解扩器由相同的若干组并联排列的信号处理电路组成，每一组该信号处理电路由解扩器电路、积分电路串联所组成；信号处理的方法是将天线阵列传感器接收的信号经解扩器的解扩后，再送信号处理器处理，获得波束成形矢量送波束成形器，再由此波束成形矢量对天线阵列传感器接收的信号波束成形后，经解扩器，再由信道估计器，得到的信号后，通过多径合并器，得到判决信号。
本发明的智能天线是安装在高速移动的火车，轿车等移动终端，形成车域网，本发明基于第三代移动通信系统的下行链路的信号传输方式。
(3)技术效果根据移动端的信号的不同特点，提出使用先对接收阵列信号进行解扩，利用解扩后信号计算最佳权矢量w，由于是处理解扩后信号，其速率远远低于解扩前信号，运算量大为减少，计算时间随之减少，非常适合于信道变化恶劣的无线信道环境，和车载环境。
四
图1是本发明的总体结构框图。
图2是由天线阵列传感器1，解扩器3和信号处理器4组成的波束成形的最佳权重矢量计算的方法。其中还有天线传感器7，去载波8，低通滤波器9，解扩器电路10，积分器11。
图3是在信号处理器4算的最佳权矢量w的基础上，接收信号的信号处理方法。其中有天线传感器7，去载波电路8，低通滤波器9，解扩器10，积分器11，波束成形器12，信号处理器4五具体实施方式
以下结合实施例和附图，对本发明作进一步说明。
首先从天线阵列传感器1接收来波信号S1(n)，其中包括去载波和抽样过程，从天线阵列传感器1出来的是阵列数字信号，是含有期望用户信号，干扰用户信号，噪声等。S1(n)经过波束成形器2后，其中的波束成形矢量由信号处理器4得到，获得具有最大信号干扰噪声比的信号S2(n)，再由本地产生的扩频序列对信号S2(n)进行解扩，得到解扩后信号S3(n)，再进行信道估计，由多径合并器6进行最大比合并。再进行判决，从而完成接收过程。
其中的信号处理器的输入信号来自于解扩后信号S4(n)，S4(n)是对没有经过波束成形的信号S1(n)直接进行解扩，而现有的智能天线的信号处理器的输入信号是天线阵列传感器1的输出S1(n)，由于S3(n)是解扩后信号，其速率远远低于解扩前信号S1(n)，运算量大为减少，计算时间随之减少，非常适合于信道变化恶劣的无线信道环境。这种对天线阵列传感器接收信号解扩后，送交信号处理器，再由特殊的算法获得波束成形矢量的方法，是本发明的创新之一。
本发明的核心部分是天线阵列传感器1，波束成形器2，解扩器3和信号处理器4组成的权重矢量计算模块。其详细的信号处理图如图3和图4，分别包含着两个信号通路，其工作过程如下图2是由天线阵列传感器1，解扩器3和信号处理器4组成的波束成形的最佳权重矢量计算的方法。首先由天线传感器7将无线电信号转化为电信号，经过去载波电路8，低通滤波器9，初步除去带外噪声，经过抽样后，得到阵列数字信号，进入解扩器10，用本地产生的扩频序列对阵列信号分别进行解扩，积分后。得到解扩后信号，它也是阵列数字信号。由积分后的样值，取得充分多的样值估计阵列协方差矩阵Ryy。再由信号处理部分又相应公式计算出噪声加干扰协方差矩阵Ruu，这样矩阵对(Ryy，Ruu)其最大特征值对应的特征向量就是最佳权矢量w。这就是图2的输出信号送给波束成形器2用来对解扩前信号进行波束成形。
图3是在信号处理器4算的最佳权矢量w的基础上，接收信号的信号处理方法。由天线阵列7将无线电信号转化为电信号，经过8的去载波，9的低通滤波，初步除去带外噪声，经过抽样后，得到阵列数字信号，进入12波束成形，由此得到具有最大信号干扰噪声比的信号，之后是普通的用本地产生的扩频序列对阵列信号分别进行解扩，积分得到各径信号。
再根据由导频辅助估计得到的各衰落信道的估计如图二，求出各路径的衰落的幅度和相位，并由此结果在输出端对多径信号进行最大比合并，从而获的最大信噪比接收质量信号。就是时域处理部分。再将合并后的信号进行判决。这样就完成了接收。由图一中的设备AB将这种信号通过802.11等无线个域网协议转发，以微功率和车上的移动终端进行通信。
我们看图一的情况。假设当移动用户在小轿车上时，欲访问因特网。如果使用传统的蜂窝网时，由于车的高速行驶，必然占用大量的资源和很大的发射功率。有了车域网后，用户首先通过安装于车上的无线接入系统把蜂窝的信号转换为低功率的无线个域网支持的信号进行通信。本发明的重点是无线接入时的智能天线，它的工作原理是分两步。第一步是波束成形，由图3首先由天线阵列7将无线电信号转化为电信号，经过8的去载波，9的低通滤波，初步除去带外噪声，经过抽样后，得到阵列数字信号，进入10，用本地产生的扩频序列对阵列信号分别进行解扩，积分后。得到解扩后信号，它也是阵列数字信号。由积分后的样值，取得充分多的样值估计阵列协方差矩阵Ryy。再由信号处理部分又相应公式计算出噪声加干扰协方差矩阵Ruu，这样矩阵对(Ryy，Ruu)其最大特征值对应的特征向量就是最佳权矢量w。这就是图3的输出信号送给波束成形器2用来对解扩前信号进行波束成形。
第二步图3是在信号处理器4算的最佳权矢量w的基础上，接收信号的信号处理方法。由天线阵列7将无线电信号转化为电信号，经过8的去载波，9的低通滤波，初步除去带外噪声，经过抽样后，得到阵列数字信号，进入12波束成形，由此得到具有最大信号干扰噪声比的信号，之后是普通的用本地产生的扩频序列对阵列信号分别进行解扩，积分得到各径信号。每一径的时延可由导频估计得到，在获得每一径的最佳权矢量后，对接收信号在各条径进行波束成形，如图二所示，从而得到各径的最大信号干扰噪声比。再根据由导频估计得到的各路径的衰落信道的估计，进行最大比合并。就是时域处理部分。再将合并后的信号进行判决。这样就完成了接收。由图一中的设备AB将这种信号转化，再以微功率和车上的移动终端进行通信。
权利要求
1.一种车域网中的智能天线，其特征在于该天线由天线阵列传感器(1)、波束成形器(2)、解扩器(3)、信号处理器(4)、信道估计器(5)、多经合并器(6)所组成，天线阵列传感器(1)的输出端接波束成形器(2)和解扩器(3)的输入端，波束成形器(2)的输出端接解扩器(3)的输入端，解扩器(3)的输出端接信号处理器(4)、多径合并器(6)、信道估计器(5)的输入端，信号处理器(4)的输出端接波束成形器(2)的输入端，信道估计器(5)的输出端接多径合并(6)的输入端。
2.根据权利要求1所述的车域网中的智能天线，其特征在于天线阵列传感器(1)由相同的若干组并联排列的信号处理电路组成，每一组该信号处理电路由天线传感器(7)、去载波电路(8)、低通滤波器(9)依次串联而成。
3.根据权利要求1或2所述的车域网中的智能天线，其特征在于解扩器(3)由相同的若干组并联排列的信号处理电路组成，每一组该信号处理电路由解扩器电路(10)、积分电路(11)串联所组成。
4.一种车域网中的智能天线信号处理方法，其特征在于信号处理的方法是将天线阵列传感器(1)接收的信号经解扩器(3)的解扩后，再送信号处理器(4)处理，获得波束成形矢量送波束成形器(2)，再由此波束成形矢量对天线阵列传感器(1)接收的信号波束成形后，经解扩器(3)，再由信道估计器(5)，得到的信号后，通过多径合并器(6)，得到判决信号。
全文摘要
车域网中的智能天线及其信号处理方法是在高速运行的交通工具上形成的车域网中使用的智能接收技术,该天线由天线阵列传感器、波束成形器、解扩器、信号处理器、信道估计器、多经合并器所组成,天线阵列传感器的输出端接波束成形器和解扩器的输入端,波束成形器的输出端接解扩器的输入端,解扩器的输出端接信号处理器、多径合并器、信道估计器的输入端,信号处理器的输出端接波束成形器的输入端,信道估计器的输出端接多径合并的输入端。
文档编号H04B1/707GK1388718SQ0213784
公开日2003年1月1日 申请日期2002年6月25日 优先权日2002年6月25日
发明者沈连丰, 徐平平, 付永生, 胡静, 叶芝慧 申请人:东南大学, 南京东大移动互联技术有限公司