专利名称：信号来向角度的估计装置及方法与其通信系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种估计装置及方法与其通信系统，且特别涉及一种信号来向角度的估计装置及方法与其通信系统。
背景技术：
多输入多输出(Multi Input Multi Output, ΜΙΜΟ)技术由于具有改善系统效能及提升数据传输吞吐量(Throughput)的优点，故近年来越来越受到重视。由MIMO技术所衍伸出来的波束合成(Beam-Forming)技术，在使用上也越来越普遍。波束合成技术主要是利用信号来向角度(Direction of Arrival, D0A)的信息，适应性地调整天线阵列方向图O^ttern)于接收信号时的方位，来增加所接收的信号的强度，或是抑制于多重路径 (Multi-path)衰落通道效应的天线间干扰。波束合成技术主要分成切换式波束合成技术及适应式波束合成技术。在切换式波束合成技术中，传送端系统将给定的一组波束中做最佳波束的选择，波束并不会随着使用者的移动而改变。如果波束会随着使用者的移动而改变者，则为适应式波束合成技术。另一种常用的通信技术为正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing, OFDM)技术，此技术是利用快速傅利叶变换O^ast FourierTransform,FFT)方式将原本使用单一个载波频率(Carrier frequency)的信号转换为使用多个子载波频率(Sub-carrier frequency)的信号。MIM0-0FDM技术是结合两种技术的优点的混合技术，其常被业界所使用。第一种传统作法为Chen Jian Yun和 Yan Jun所提出的“Adaptive BlindDoppler DOA Estimate Algorithm Based on Doppler Orthogonalized," The 4thInternational conference on Wireless Communicaitons, Networking andMobile Computing,12—14, Oct. 2008.此种方法是将多普勒偏移视为干扰，须将其影响去除后再进行信号来向角度的估计。然而其方法须计算自相关矩阵与自相关逆矩阵。第2种传统作法为华南理工大学提出的中国专利申请号101232316A的“Method for estimating wave arriving based on mobile WIMAX，，。其使用逆矩阵将多普勒效应消除，再进行信号来向估计。此一方法理论上虽可将多普勒效应完全去除，但是此方法必须完整正确估计通道矩阵系数，在实际情况受多普勒影响是难度比较高。同时此方法必须计算通道逆矩阵，逆矩阵的计算复杂度是较高的。此外，信号来向角度的估计亦必须再由传统的阵列天线信号的来向角度估计演算法来计算估计，因此此作法等于是需要经过两层高复杂度的计算才可获得信号来向角度。然而，当在高速移动下进行宽频无线通信时，通信信号会受到多普勒效应 (Doppler Effect)的影响。多普勒效应主要是由于相对速度所引起的载波频率偏移， 而此偏移在宽频无线通信所采用的OFDM技术下会造成子载波间干扰(Inter Carrier Interference, ICI)效应，而破坏系统的正交性，使得系统效能产生错误延续(Error Floor)的现象。因此，如何减少多普勒效应的影响，以提升系统在高速移动环境中的数据传输吞吐量，乃业界所致力解决的课题之一。
发明内容
本发明涉及一种信号来向角度的估计装置及方法与其通信系统，可有效地降低多普勒效应的影响，以提升MIM0-0FDM系统在高速移动环境中的数据传输吞吐量。根据一实施范例，提出一种信号来向角度的估计装置，包括一产生单元、一相关性计算单元及一选取单元。产生单元用以产生一多普勒偏移表，多普勒偏移表包含一相对移动速度下的对应至多个候选入射角度的多个候选多普勒偏移矩阵。相关性计算单元用以计算一接收信号与多个候选多普勒偏移矩阵的相关性。选取单元则是用以选取接收信号与多个候选多普勒偏移矩阵的相关性最高者所对应的候选入射角度，并据以决定一信号来向角度。根据另一实施范例，提出一种信号来向角度的估计方法。此方法包括下列步骤。产生一多普勒偏移表，此多普勒偏移表包含一相对移动速度下的对应至多个候选入射角度的多个候选多普勒偏移矩阵。计算一接收信号与多个候选多普勒偏移矩阵的相关性。选取接收信号与多个候选多普勒偏移矩阵的相关性最高者所对应的候选入射角度，并据以决定一信号来向角度。根据另一实施范例，提出一种通信系统，包括一天线阵列、一估计装置、一波束合成器、及一数据解码器。天线阵列用以输出一接收信号。估计装置包括一产生单元、一相关性计算单元及一选取单元。产生单元用以产生一多普勒偏移表，多普勒偏移表包含一相对移动速度下的对应至多个候选入射角度的多个候选多普勒偏移矩阵。相关性计算单元用以计算一接收信号与多个候选多普勒偏移矩阵的相关性。选取单元用以选取接收信号与多个候选多普勒偏移矩阵的相关性最高者所对应的候选入射角度，并据以决定一信号来向角度。波束合成器用以根据信号来向角度，决定一波束角度。数据解码器用以根据波束角度解码接收信号，以产生一接收数据。为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举一优选实施例，并配合附图，作详细说明如下
图1绘示乃使用空间复用处理(Spatial Multiplexing)的ΜΙΜΟ的系统架构图的
一实施例。图2绘示空间复用处理时两组天线阵列的关系示意图。图3绘示使用波束合成技术的系统示意图。图4绘示依照本实施例的一种于多普勒效应下的信号来向角度的估计装置的方块图。图5绘示多普勒偏移表的一实施例。图6绘示使用图4的估计装置的通信系统的一实施例的方块图。图7绘示将图4的估计装置应用于使用平行传输技术的通信系统时的示意图。图8绘示将图4的估计装置应用于使用OFDM技术的通信系统时的示意图。图9绘示为仿真结果的误比特率相对于信噪比的曲线图。
图10绘示为仿真结果的传输吞吐量相对于信噪比的曲线图。主要元件符号说明102 空间解复用处理单元104 传送器106、108、308、310、602、704、706、805、806 天线阵列110:接收器112:空间复用处理单元302 数据输出单元304、306、604、708、712、811、812 波束合成器312、314:窄波束400,400a,400b 估计装置402 产生单元404 相关性计算单元406 选取单元600,700,800 通信系统606,710,814 数据处理器608,702,804 传送天线610、718、720、807、808 多普勒补偿单元612、714、716、815、816 天线方向图控制单元801 空间编码器802、803 :0FDM 调制单元809、810 :0FDM 解调制单元902、904、906、1002、1004、1006 曲线
具体实施例方式请参照图1，其绘示乃使用空间复用处理(Spatial Multiplexing)的ΜΙΜΟ的系统架构图的一实施例。信号经过空间解复用处理(Spatial demultiplexing)单元102的处理之后，经由N个传送器104进行处理，并且由具有N根天线的天线阵列106来传送。所传送的信号由具有M根天线的天线阵列108接收之后，再经由M个接收器110与空间复用处理单元112进行处理，以产生对应的信号。现在以N与M值均为2来简化说明。请参照图2，其绘示空间复用处理时具有2根天线的天线阵列106与具有2根天线的天线阵列108的关系示意图。天线阵列106传送的
信号S1与&和天线阵列108所接收的信号禹与笔具有以下关系 r π~ — 一
O h h 9
O2 L 12 ''22 JL 2 _其中，hn、h21, h12、与h22为天线阵列106与108之间的传输通道的通道响应 (Channel response) 0通道响应h21与h12代表了天线阵列108的两根天线之间的干扰。通过使用波束合成技术，可以有效地降低天线之间的干扰。
请参照图3，其绘示使用波束合成技术的系统示意图。数据输出单元302输出信号至波束合成器304与306之后，波束合成器304与306分别控制天线阵列308与310以产生朝特定方向的窄波束312与314，来抑制干扰源以降低天线间的干扰。如此，可达成并行传输，以提高通信数据传输量。此外，在高速移动环境之下，常常会因为多普勒效应的影响，而造成对信号来向角度的误判。错误的信号来向角度的判断将造成错误的波束合成，而使得天线间互相干扰的情况变得更严重。因此，本发明通过提出于多普勒效应下的信号来向角度的估计装置，来正确地估计信号来向角度，以提高系统在高速移动环境中的数据传输的吞吐量。现在更进一步地详述如下。在有相对移动的状况下，接收端的天线阵列所接收到的接收信号U受到多普勒效应以及多重路径衰落的影响后，可以表示为式(1)
权利要求
1.一种信号来向角度的估计装置，包括一产生单元，用以产生一多普勒偏移表，该多普勒偏移表包含一相对移动速度下的对应至多个候选入射角度的多个候选多普勒偏移矩阵；一相关性计算单元，用以计算一接收信号与这些候选多普勒偏移矩阵的相关性；以及一选取单元，用以选取该接收信号与这些候选多普勒偏移矩阵的相关性最高者所对应的候选入射角度，并据以决定一信号来向角度。
2.如权利要求1所述的估计装置，其中，通过将这些候选多普勒偏移矩阵取共轭之后， 分别与该接收信号相乘，以得到该接收信号与这些候选多普勒偏移矩阵的相关性。
3.一种信号来向角度的估计方法，包括产生一多普勒偏移表，该多普勒偏移表包含一相对移动速度下的对应至多个候选入射角度的多个候选多普勒偏移矩阵；计算一接收信号与这些候选多普勒偏移矩阵的相关性；以及选取该接收信号与这些候选多普勒偏移矩阵的相关性最高者所对应的候选入射角度， 并据以决定一信号来向角度。
4.如权利要求3所述的估计方法，其中，通过将这些候选多普勒偏移矩阵取共轭之后， 分别与该接收信号相乘，以得到该接收信号与这些候选多普勒偏移矩阵的相关性。
5.一种通信系统，包括一天线阵列，用以输出一接收信号； 一估计装置，包括一产生单元，用以产生一多普勒偏移表，该多普勒偏移表包含一相对移动速度下的对应至多个候选入射角度的多个候选多普勒偏移矩阵；一相关性计算单元，用以计算一接收信号与这些候选多普勒偏移矩阵的相关性；及一选取单元，用以选取该接收信号与这些候选多普勒偏移矩阵的相关性最高者所对应的候选入射角度，并据以决定一信号来向角度；一波束合成器，用以根据该信号来向角度，决定接收天线方向图的相关参数； 一天线方向图控制单元，用以接收波束合成器产生的参数改变及控制天线阵列的方向图；一多普勒补偿单元，用以补偿多普勒偏移；以及一数据处理器，用以根据多普勒补偿后接收信号，产生一接收数据。
6.如权利要求5所述的通信系统，其中，通过将这些候选多普勒偏移矩阵取共轭之后， 分别与该接收信号相乘，以得到该接收信号与这些候选多普勒偏移矩阵的相关性。
7.如权利要求6所述的通信系统，其中，该接收信号与这些候选多普勒偏移矩阵的相关性最高者，为将这些候选多普勒偏移矩阵取共轭之后，分别与该接收信号相乘后的乘积最尚者。
8.如权利要求5所述的通信系统，其中，该天线阵列包括多个接收天线，用以接收至少来自一个传送天线的该接收信号。
9.如权利要求8所述的通信系统，其中，该接收信号由多个传送天线以平行传输的方式所传送。
10.如权利要求5所述的通信系统，其中，该接收信号为正交频分复用调制后的信号，该通信系统还包括一多普勒补偿单元，用以根据该信号来向角度，对该接收信号进行多普勒补偿； 一 OFDM解调制单元，用以解调制多普勒补偿过的该接收信号。
全文摘要
信号来向角度的估测估计装置及方法与其通信系统。该信号来向角度的估计装置，包括一产生单元、一相关性计算单元、及一选取单元。产生单元用以产生一多普勒偏移表，多普勒偏移表包含一相对移动速度下的对应至多个候选入射角度的多个候选多普勒偏移矩阵。相关性计算单元用以计算一接收信号与多个候选多普勒偏移矩阵的相关性。选取单元则是用以选取接收信号与多个候选多普勒偏移矩阵的相关性最高者所对应的候选入射角度，并据以决定信号来向角度。
文档编号H04B7/08GK102281090SQ201010200340
公开日2011年12月14日 申请日期2010年6月13日 优先权日2010年6月13日
发明者曾铭健, 林信标, 林坤毅, 郑名宏 申请人:财团法人工业技术研究院