专利名称：一种移动通讯系统来波方向的高分辨率估计方法
技术领域：
本发明涉及一种TD-SCDMA系统超多DOA的高分辨率估计的方法或装置，本方法同时适用于其它CDMA通信领域。
背景技术：
在无线通讯系统中，往往需要估计移动用户的来波方向(DOA)，以满足各种不同的应用需要，如移动用户定位，波束赋形，等等，DOA估计一般是通过对多阵元的天线阵列的接收信号进行联合处理来实现的。传统的DOA估计技术，如MUSIC算法，ESPRIT算法和以MUSIC算法为基础改进的Root-MUSIC等，所能估计的DOA数受天线阵列的阵元数的限制，M根阵元只能估计M-1个DOA。而在实际中，考虑成本与复杂度，基站所采用的天线阵列一般为4-8根阵元，也就是说，在实际的8阵元的天线阵列系统中，传统的DOA估计方法只能估计最多7个DOA。这是不能满足需要的，因为在无线通信环境中，一个基站往往需要同时与十几到几十个用户同时通信，且这些用户信号的传播环境还存在多径，需要估计的DOA个数常常多于7个。基于MUSIC算法改进的循环MUSIC算法根据谱相关性，能估计的DOA数不受阵元数的限制，但要求的数据量较大，计算复杂。
因此，现有技术存有缺陷，而有待于改进和发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种移动通讯系统来波方向的高分辨率估计方法，能够高分辨率地估计出各用户的多径来波方向，且最多能估计的DOA数数倍于天线阵列的阵元数，为(M-1)K个，其中M是天线阵列的阵元数，K是用户个数，而且本发明提出的方法计算量少，易于工程实现。
本发明的技术方案为一种移动通讯系统来波方向的高分辨率估计方法，其包括以下步骤估计出各天线阵元上每个用户的信道信息，然后利用各天线阵元上每个用户的信道信息构成各个用户的信号协方差矩阵，再对每个用户的信号协方差矩阵进行特征分解，分离信号子空间和噪声子空间，然后在噪声子空间搜索来波方向，将每个用户的多径方向准确搜索出来。
所述的方法，其中，所述方法还包括以下步骤a)估计用户信道响应值利用每个时隙中已知的Midamble码构成G矩阵，估计所有用户在M元阵元上的信道响应值，第m根阵元上的信道响应值为h^(m)=(GHG)-1GH·r(m)----(4);]]>b)根据用户k的midamble码移位取得该相应位置上的信道矩阵；c)求取用户k的信道矩阵的相关矩阵Rhh(k)=H(k)·H(k)H=h(k,1)h(k,2)···h(k,M)h(k,1)*h(k,2)*···h(k,M)*;]]>=h(k,1)h(k,1)*h(k,1)h(k,2)*···h(k,1)h(k,M)*h(k,2)h(k,1)*h(k,2)h(k,2)*···h(k,2)h(k,M)*············h(k,M)h(k,1)*h(k,M)h(k,2)*···h(k,M)h(k,M)*----(7)]]>d)对该相关矩阵进行特征分解；e)根据特征值的大小排序，取最小的M-Lk个特征值对应的特征向量组成噪声空间Vn(k)=g1(k)g2(k)···gM-Lk(k)----(9);]]>f)用户k的第l径的方向向量a(θl(k))，l＝1∶Lk，可表示为a(θl(k))=ej2πrλcosθl(k)ej2πrλcos(θl(k)-2π(ka-1)Ka)···ej2πrλcos(θl(k)-2π(Ka-1)Ka)T---(10)]]>由于用户k的第l径属于信号空间，因此有a(θl(k))HVnVnHa(θl(k))=0]]>于是，用户k的Lk个入射信号的来波方向可通过确定MUSIC空间谱的峰值而作出估计，具体如下令P(θl(k))=1al(k)HVn(k)Vn(k)Hal(k)----(11)]]>或P(θl(k))=al(k)Hal(k)al(k)HVn(k)Vn(k)Hal(k)---(12)]]>令θ从0到360度取值，计算P(θ)值，取P(θ)的Lk个峰值对应的Lk个θ值为θl(k)，l＝1…Lk；g)重复步骤b)-f)，估计出所有用户(k＝1…K)的来波方向。
本发明所提供的一种移动通讯系统来波方向的高分辨率估计方法，结合传统MUSIC的思想，利用各天线阵元上每个用户的信道信息构成各个用户的信号协方差矩阵，再对每个用户的信号协方差矩阵进行特征分解，分离信号子空间和噪声子空间，然后在噪声子空间搜索来波方向，估计的DOA数远远突破天线阵列阵元数的限制，并且计算量少，易于工程实现。
图1、图2是本发明的移动通讯系统来波方向的高分辨率估计方法的效果示意图。
具体实施例方式
下面以实施例子具体说明本发明方法。
本发明方法的核心思想为，首先估计出各天线阵元上每个用户的信道信息，然后结合传统MUSIC算法的思想，利用各天线阵元上每个用户的信道信息构成各个用户的信号协方差矩阵，再对每个用户的信号协方差矩阵进行特征分解，分离信号子空间和噪声子空间，然后在噪声子空间搜索来波方向，将每个用户的多径方向准确搜索出来。
下面是对本发明方法做进一步详细描述。
对一个离散输入输出的CDMA系统，设系统共有K个用户接入，第k个用户所发送的信号可表示为s(k)(t)=Σn=1Ndn(k)·Σq=1Qcq(k)·gc{t-[(n-1)Q+q]Tc}----(1)]]>其中，dn(K)表示用户发送的数据符号；N为用户发送的符号数，Q为扩频系数，Tc为码片持续时间，gc(τ)为码片冲激响应，cq(k)为第k个用户的扩频码片值。
设基站使用M元的天线阵列(均匀线阵、圆阵或其它流形)，则第m个阵元上的接收数据为x(m)(t)=Σk=1KΣl=1Lkal(k,m)sk(t)·hl(k,m)(τ,t)+n(t)----(2)]]>其中，Lk是第k个用户信号到达接收端的多径数；hl(k，m)(τ，t)是第k个用户的第l径到达天线第m阵元的等效信道冲激响应，它包含了空中衰落信道和接收端信道滤波器的影响，含有幅度的瑞利衰落、多径时延、因移动台高速移动引起的多谱勒频移、角度扩展等信息，是时变信道；al(k，m)是第k个用户的第l径到达天线第m阵元的阵列因子，它主要与阵列间距和信号的波达角有关；n(t)为加性噪声。
则M根天线的接收信号合成一个矩阵为X＝[x(1)(t) x(2)(t) ... x(M)(t)]T(3)其中，T为转置。
根据TD-SCDMA物理层协议，一个时隙中的K个用户的Midamble码由一基本的Midamble码移位形成，移位的窗长度W＝[128/K]，这个W值对于基站和用户都是事先已知的。根据Steiner信道估计方法，利用每个时隙中已知的Midamble码构成G矩阵，估计所有用户在第m根阵元上的信道响应值h^(m)=(GHG)-1GH·r(m)----(4)]]>其中r(m)是接收信号x(m)中相应于Midamble码的部分。
联合M根阵元上的信道响应 每个用户根据自己的Midamble码的移位，在 中有相应的M×W的信道值，如式(5)的标记所示。第k个用户的信道矩阵H(k)=h1(k,1)···hW(k,1)h1(k,2)···hW(k,2)·········h1(k,M)···hW(k,M)----(6)]]>由式(4)估计的信道响应值，不仅包含时延和衰落信息，还包含角度信息，是式(2)中的hl(k，m)(τ，t)和al(k，m)两项的乘积。求用户k的信道相关矩阵Rhh(k)=H(k)·H(k)H=h(k,1)h(k,2)···h(k,M)h(k,1)*h(k,2)*···h(k,M)*]]>=h(k,1)h(k,1)*h(k,1)h(k,2)*···h(k,1)h(k,M)*h(k.2)h(k,1)*h(k,2)h(k,2)*···h(k,2)h(k,M)*············h(k,M)h(k,1)*h(k,M)h(k,2)*···h(k,M)h(k,M)*----(7)]]>容易验证，协方差矩阵Rhh(k)为Hermitian矩阵，它的特征值为非负值。令特征值λ1≥λ2≥...≥λM≥0，其特征分解值可写成Rhh(k)=UΣUH=Σi=1MλiuiuiH.]]>式中，U＝[u1，u2...，uM]为特征向量组成的酉矩阵(即每个向量的模为1，向量之间相互正交，且UUH＝I，是复数的正交阵)。∑＝diag[λ1，λ2，...，λM]为特征值构成的对角矩阵。若将M个特征值按大小依次排列，则前Lk(Lk≤W)个与用户k的多径功率有关。从第Lk+1开始的小特征值完全确定于噪声，其值约等于σ2，即λLk+1≈λLk+2≈...≈λM≈σ2.]]>假设各用户有效的多径数Lk小于阵元数M(这是非常合理的假设，一般多径数在2-4间，阵元数在4-8间)，Rhh(k)有Lk个大特征值对应多径信号数，有M-Lk个最小特征值，对应于噪声功率。将与Lk个大特征值对应的特征向量ul(k)，l＝1，...，Lk，它们构成多径信号空间，与M-Lk个最小特征值对应的特征向量gj(k)，j＝1∶M-Lk，它们是噪声矢量，构成噪声空间。多径信号空间与噪声空间正交，也就是说u1(k)u2(k)···uLk(k)⊥g1(k)g2(k)···gM-Lk(k)----(8)]]>构造噪声矩阵Vn(k)=g1(k)g2(k)···gM-Lk(k)----(9)]]>根据(8)式，我们可得ul(k)HVnVnHul(k)=0.]]>用户k的第l径的方向向量a(θl(k))，l＝1∶Lk可表示为
a(θl(k))=ej2πrλcosθl(k)ej2πrλcos(θl(k)-2π(ka-1)Ka)···ej2πrλcos(θl(k)-2π(Ka-1)Ka)T----(10)]]>由于用户k的第l径属于信号空间，因此有a(θl(k))HVnVnHa(θl(k))=0]]>于是，用户k的Lk个入射信号的DOA可通过确定MUSIC空间谱的峰值而作出估计。
具体如下令P(θl(k))=1al(k)HVn(k)Vn(k)Hal(k)---(11)]]>或P(θl(k))=al(k)Hal(k)al(k)HVn(k)Vn(k)Hal(k)---(12)]]>令θ从0到360度取值，计算P(θ)值，取P(θ)的Lk个峰值对应的Lk个θ值为θl(k)，l＝1∶Lk。
一般来说，与Lk个大特征值对应的特征向量al(k)=a(θl(k)),]]>l＝1∶Lk，为导向矢量，可以将它们直接作为下行的加权矢量用于波束形成。但在仿真中发现，此方法形成的波束有一个缺点，就是求得的每个权矢量并没有严格地与来波方向一一对应，它们在除了自己方向的其它方向也有一定幅度地响应，这样使得形成的波束用于发射时，则把目标信号同时发射到其它径向上和其它用户方向上，形成干扰。另外，在宏小区的环境中，角度扩展一般为45°，使得同一用户的两个多径方向可能很相近，此时形成的波束则不能两径信号分开。如果用本发明的方法高精度地估计出各径的来波方向DOA，采用此方向的阵列响应矢量作为加权矢量，则会很大程度地避免上述问题。
本发明方法的具体操作步骤如下1.用Steiner方法估计用户信道响应值，见(4)式；2.根据用户k的midamble码移位取得相应位置上的信道矩阵；3.求取用户k信道矩阵的相关矩阵，见(7)式；4.对相关矩阵特征分解；5.根据特征值的大小排序，取最小的M-Lk个特征值对应的特征向量组成噪声空间(9)式；6.取θ等于0到360度，计算a(θ)和P(θ)，见(10)式和(11)式，取P(θ)的Lk个峰值对应的Lk个θ值为用户k的Lk个入射信号的DOA估计，记为θl(k)，l＝1∶Lk；重复步骤2到6，得出所有用户的DOA估计。
假设TD-SCDMA系统同时通信的用户数为5，每用户有4个多径，各径能量分配为
dB，这样总的来波数＝5*4＝20个，8阵元圆阵天线接收，阵列半径0.5λ，用户来波方向随机产生，角度扩展范围45，用户移动速度0km/h，输入信噪比Eb/NO为10dB。
则用户DOA的估计过程如下1分别用8阵元数据估计信道冲激响应；2根据第1用户的midamble码位移对应的位置，取得相应的信道矩阵。
3求信道矩阵的相关矩阵。
4对相关矩阵特征分解。
5根据特征值的大小排序，将特征向量分成信号空间和噪声空间。
6利用噪声空间矩阵在360度空间搜索DOA，得到第1用户多径来波方向，如图1所示。
7第2用户至第5用户的DOA估计重复第2步到第6步。
如图1和图2所示，分别显示了其中第1用户和第2用户的所有4径的来波方向，图上注明了实际的DOA以便与结果对比。其它3个用户的结果相似，就不再赘述。从仿真结果可以看出本发明能有效估计全部的5个用户的20个DOA。
应当理解的是，上述针对具体实施例的描述过于具体，不能因此而限制专利请求保护范围，专利请求保护范围应以所附权利要求为准。
权利要求
1.一种移动通讯系统来波方向的高分辨率估计方法，其包括以下步骤估计出各天线阵元上每个用户的信道信息，然后利用各天线阵元上每个用户的信道信息构成各个用户的信号协方差矩阵，再对每个用户的信号协方差矩阵进行特征分解，分离信号子空间和噪声子空间，然后在噪声子空间搜索来波方向，将每个用户的多径方向准确搜索出来。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤a)估计用户信道响应值利用每个时隙中已知的Midamble码构成G矩阵，估计所有用户在M元阵元上的信道响应值，第m根阵元上的信道响应值为h^(m)=(GHG)-1GH·r(m)---(4);]]>b)根据用户k的midamble码移位取得该相应位置上的信道矩阵；c)求取用户k的信道矩阵的相关矩阵Rhh(k)=H(k)·H(k)H=h(k,1)h(k,2)···h(k,M)[h(k,1)*h(k,2)*···h(k,M)*]]]>=h(k,1)h(k,1)*h(k,1)h(k,2)*···h(k,1)h(k,M)*h(k,2)h(k,1)*h(k,2)h(k,2)*···h(k,2)h(k,M)*············h(k,M)h(k,1)*h(k,M)h(k,2)*···h(k,M)h(k,M)*---(7)]]>d)对该相关矩阵进行特征分解；e)根据特征值的大小排序，取最小的M-Lk个特征值对应的特征向量组成噪声空间vn(k)=g1(k)g2(k)···gM-Lk(k)---(9);]]>f)用户k的第1径的方向向量a(θl(k)),l=1:Lk,]]>可表示为a(θl(k))=ej2πrλcosθl(k)ej2πrλcos(θl(k)-2π(ka-1)Ka)···ej2πrλcos(θl(k)-2π(Ka-1)Ka)T---(10)]]>由于用户k的第1径属于信号空间，因此有a(θl(k))HVnVnHa(θl(k))=0]]>于是，用户k的Lk个入射信号的来波方向可通过确定MUSIC空间谱的峰值而作出估计，具体如下令P(θl(k))=1al(k)HVn(k)Vn(k)Hal(k)---(11)]]>或P(θl(k))=al(k)Hal(k)al(k)HVn(k)Vn(k)Hal(k)---(12)]]>令θ从0到360度取值，计算P(θ)值，取P(θ)的Lk个峰值对应的Lk个θ值为θl(k)，l＝1...Lk；g)重复步骤b)-f)，估计出所有用户(k＝1...K)的来波方向。
全文摘要
本发明的一种移动通讯系统来波方向的高分辨率估计方法，其包括以下步骤估计出各天线阵元上每个用户的信道信息，然后利用各天线阵元上每个用户的信道信息构成各个用户的信号协方差矩阵，再对每个用户的信号协方差矩阵进行特征分解，分离信号子空间和噪声子空间，然后在噪声子空间搜索来波方向，将每个用户的多径方向准确搜索出来。本发明方法估计的DOA数远远突破天线阵列阵元数的限制，并且计算量少，易于工程实现。
文档编号H04J13/00GK1595190SQ20041002799
公开日2005年3月16日 申请日期2004年7月6日 优先权日2004年7月6日
发明者周用芳 申请人:中兴通讯股份有限公司