估计发射机到接收机信号的角扩展的方法和相应的接收机的制作方法

专利名称：估计发射机到接收机信号的角扩展的方法和相应的接收机的制作方法
技术领域：
本发明的领域是无线电传输系统，特别是蜂窝系统。更准确的讲，本发明涉及估计由发射机传送到接收机的信号的角扩展(angular spread)的方法。
本发明可以有利地应用在SDMA(空分多址)传输网路中。本发明也涉及实现上面的方法的接收机。
下列的描述是在确定发射机和接收机之间传送的信号的角扩展的情况下中给出的。正如在

图1表示的当发射机10向接收机发射时，由于在发射机10的周围存在障碍，多路径传播产生了该传送信号的角扩展。这个角扩展的特征为角α，最初近似反比于发射机10和接收机11之间的距离。
作为常规的准则，对于接收由发射机发送的信号的任何接收机，不论它是不是蜂窝状网络的一部分，角扩展是必须考虑的一个重要参数。例如，希望该算法适合于把在接收机11接收的信号均衡成角扩展α的值。这样适应的一个目标是当有一个高角扩展时使用更强大的均衡算法，而当有一个低角扩展时使用一个不太强大的均衡算法。
而且，当有高角扩展时，例如在蜂窝状网络的一个小区中的SDMA传输的情况下-在该情况下接收机11是一个基站并且发射机10通常是一个移动终端-它不可能与信号的精确到达方向(DOA)相结合并因而在发射机10的方向形成一个波瓣。则重新利用的系数较高。更精确的讲，在SDMA传输的情况下，当该发射机接近该基站时，也就是说，当α有一个高值时，不能在该发射机方向形成波瓣。
特别根据上述理由，因此希望知道在接收机11的角扩展α的值。
有各种技术用于估计α的值。该接收机通常包括一天线阵单元，其中每个接收该传送的信号，这个天线阵连接到用于计算角扩展的装置。现有技术的主要缺点是它们都要求对该接收信号进行相当大的处理。例如，MUSIC或者ESPRIT类型算法可以确定接收信号的角扩展，但是要求计算协方差矩阵，需要相当大的计算能力。另外一个缺点是必须在较长的时间周期观察该接收信号。而且，就收敛而言上面的算法缺乏鲁棒性(robustness)。
本发明的一个目的是补救上面的缺点。
更准确地讲，本发明的目的是提供估计由发射机传送到接收机的信号的角扩展的一种方法，该方法容易使用并需要较小的处理能力。
本发明的另一个目的是提供包含用于估计角扩展的装置的接收机。
上面的目的和在下面变得清楚的其它的目的是通过估计由发射机传送并且由接收机接收的信号的角扩展的一种方法实现的，这种方法在于至少在一给定的时间周期通过观察表示只与由接收机天线阵的每个天线振子接收信号的幅度或者功率有关的一个变量的数据来仅仅估计该角扩展。
在第一实施例中，该数据是由该天线振子接收信号的幅度差的方差的平均，该差值是以成对的天线振子计算出的。
在第二实施例中，该数据是由每个天线振子接收的信号幅度的方差的平均。
在首选的应用中，发射机是一个移动终端而接收机是蜂窝传输网路的一个基站。
该蜂窝传输网路有利于使用SDMA传输。
估计的角扩展最好与参考值比较使该发射机能有选择地执行SDMA传输。
在一个变型中，该数据有选择地与参考值比较以使发射机能执行SDMA传输。
本发明也提供一个接收机，包含适合于能够估计在天线阵接收的信号角散布天线阵，该接收机包括提供表示仅仅与由该天线阵的每个天线振子接收的信号的幅度或者功率有关的变量的数据的装置。
该接收机还有利地包括用于提供该角扩展值的变换器装置。
本发明的其它特性和优点在阅读作为非限制的例子和从附图给出的本发明的优选实施例的下列描述变得清楚了，其中图1是表示从发射机传送到接收机的信号的角扩展的图；图2是天线阵的平面图；图3表示在该天线阵的天线接收的一个分量的功率的角扩展；图4表示根据各种平均DOA的角扩展、天线阵的天线振子对获得的功率差的方差的平均；图5表示SDMA网络的一个基站和其中不能进行SDMA传输的一个区域；图6表示模拟可能性的结果，按照本发明使用第一计算方法计算出的角扩展值比参考值高，这个可能性是角扩展的函数。
图7表示另外一个模拟该可能性的结果，使用第一计算方法计算出的角扩展值比参考值高，这个可能性也是角扩展的函数；图8表示根据各种平均DOA的角扩展天线阵的天线振子获得的功率的方差的平均；图9表示模拟该可能性的结果，使用按照本发明的第二计算方法计算出的角扩展值比参考值高，这个可能性是角扩展的函数；和图10表示采用本发明的方法的接收机。
图1在上面参照该现有技术描述了。
本发明建议利用由接收机天线阵接收的信号幅度或者功率的空间和瞬时变动的统计属性。该天线阵包含数量为M的天线，在此M至少等于2，例如M=12。该天线阵可以是一个三维的天线阵，但是为了简单起见，下列描述是指相等地间隔的天线的平面天线阵(二维)。
由发射机传送的信号S(t)有一个波长λ。该天线阵的每个天线接收被限制在角α内的一组信号，正如在图2表示的，该图表示天线200至20M-1。
图2表示在天线阵的天线200和天线20n之间的距离d0n(n位于0到M-1的范围内)。参数θ0n是在该信号的平均DOA和垂直于连接天线200和20n的直线段之间的角。特别的值表示如下D00=0和θ00=0
以平均方向θ到达的该平均功率的角分布P(α)特征在于由图3所示的参数α表示(rms表示″均方根″)。
因为每个变量α有一个(高斯)平均值零αrms=1α∫α2P2(α)dα]]>在实践中，可以考虑对应于N个离散的角度αi接收的离散数量N的分开的分量。因此，可以确定在该天线阵的N个天线振子接收的信号的一般表达式xn(t)=Σi=1Ngi(t)s(t-τi)e2jπdOnλsin(θOn+αi)+bn(t)]]>对于n从0至M-1，在此gi(t)是分量Ⅰ的复数增益，τi是它的相对延迟和bn(t)是噪音分量。
已经知道E[｜gi(t)｜2]=P(αi)因此以下考虑在每个天线振子接收的信号的幅度Xn=∫0T|xn(t)|2dt]]>对于n从0至M-1，或者更简单地，在每个天线振子接收的该信号的功率Xn2。
更准确地讲，本发明建议估计由发射机传送的和由接收机从在至少给定的时间周期单独观察表示仅与由接收机的天线阵列的每个天线振子接收的信号的幅度或者功率有关的变量的数据中接收的信号的角扩展。在实践中，正如在下面描述的，在M天线振子上执行次数为B的连续测量。
由天线振子接收的分量的功率的统计属性直接地与角扩展αrms的值有关。测量的功率的任何组合的特征在于一个统计模型，该统计模型可以被识别并且其后用于估计角扩展。依据该估计的预期应用，确定产生适当的统计模型的功率组合是可能的。
在下面，认为高斯型的噪音具有不必相等的方差σn2。在特别的情况下(例如发送已知的学习顺序)，噪音的作用或多或少可以完全地消除。在其它情况下，下面建议的解决办法提供重要的性能，即使噪声功率不能消除。例如，如果该方差对于所有的天线振子是相同的，建议的第一方法消除了该噪音的方差。
本发明的方法的各种实施例在下面描述。在所有这些实施例中，为了模拟的目的，假定该噪音是高斯噪声，发送信道是雷利(Rayleig)信道，该分布角的功率分布图是均匀的(P(α)是不变的)，N(多路径数)等于10并且天线阵是包含空间分开一个距离d/λ=0.5的M=12天线振子的平面天线阵。在所有的模拟中，平均DOAθ是均匀分布在相对于该天线阵的法线从-60°扩展到+60°的一个扇形中。
第一方法第一方法在于确定在包含多个天线振子的天线阵接收的该信号的角扩展。该方法在于确定由该天线振子接收的该信号的幅度差别的方差的平均值，该差别是以成对的天线振子计算出的。
更准确地讲，所考虑的变量的组Zn定义如下对于N从0变至M-2,Zn=Xn-Xn+1这产生一组变量Zn，每个表示在以d/λ间隔的两个天线接收的信号之间的功率(或者幅度)差别。对于离散的角度θ等于0°(对应于面对该天线阵的发射机)，±30°，和±60°，根据角扩展上述差别的方差的平均VARz表示在图4中。
对于每个值θ，从VARz确定单个值α是可能的。在这里建立一对一的关系。注意，对于范围±30°中的角度θ，根据VARz的α值的低扩展，它对应于60°的覆盖角。
在这里使用下列关系VARz=1BΣb=1BVARzb]]>其中VARzb=1M-1Σn=0M-2(Zn-b-Z-b)2]]>和Z-b=1M-1Σn=0M-2Zn,b]]>换言之，VARz是B方差的平均值，每个方差是从为分析b计算出的M-1个差Zn,b差估算的。
方法1的应用方法1有利地应用于指示计算出的角扩展值(或者计算出的VARz值)比参考值αref(或者VARref)高的概率。这个概率直接地与获得的估计准确度有关。如果该估计低于阈值，理想情况下它等于0，或者如果该估计高于阈值，它等于1。这个概率在下面被称为正确的检测概率。
更准确地讲，在本发明应用到SDMA传输网络的情况下，为了引起基站注意必需知道由终端传送的信号的角扩展的值，正如图5表示的。
该图表示SDMA网络(例如GSM或者CDMA类型的)的一个基站和不能在其中进行SDMA传输的一个区域。
基站11覆盖一个小区50，该小区理想情况下是一个圆形的小区。利用终端101至105例如移动终端的SDMA传输预先假定基站11能够在终端101至终端105的方向形成波瓣。在这里波瓣的该构造形成四个扇形51至54并且在那些扇形使用的传输资源可以是相同的(用于CDMA传输的相同的载频和相同扩展码或者用于TDMA传输的相同时间间隔分配)。例如，终端101可以使用与终端104相同的传输信道，因为它们是在不同的扇形。在围绕基站11的区域55中，不能进行SDMA传输，因为在这个区域角扩展太高因为基站11的发送天线的副瓣，没有另外一个分享相同资源的终端接收不是供该终端使用的数据，则不能传送数据到在区域55内部的一个终端。在这种情形下出现了在呼叫之间的相互干扰。
因此重要的是检测一个终端是在该区域55内部或者是在其外部。为此目的，本发明建议例如使用由方法1获得的角扩展的值作为一个终端是在或者不在该地区11中的标准。如果获得的α值是低于参考值αref，则有关的终端被认为是在区域11外部，并且如果α值高于参考值αref，则有关的终端被认为是在区域11内部。因此αref的值对应于由紧挨着该区域11边界的终端传送的信号角扩展。
因为它指示了用于确定角扩展的该方法的适当性，角扩展值正确检测概率的上述概念正确地对应于此标准。
例如，图6表示对于参考值αref等于7，根据角扩展(使用方法1获得的)的正确检测概率Pbd的模拟，它大致对应于等于0.3的VARz(参见图4)。
分别表示的三特性60,61,62对应于B=3,B=10和B=30。注意，该斜率以及性能随处理的测量样值B的数量而增加。
方法1的不同的应用方法1的一种不同的应用在于不是比较B方差的平均值与参考值，而是根据VARzb(对于两个相邻的天线振子获得的功率差别的方差)使用B差别判定采取多数表决。每一个值VARzb与相同的参考值比较，在每个b比较以后，进行多数表决以确定该响应为″是″的比较数量是否大于该响应为″否″的比较数量。图7的特性用这种方式构成，Pbd为正确的检测概率。
对于B=3,B=10和B=30，分别地获得特性70,71和72。特性71和72一致，它指示对于B大于10准确度没有进一步改善。除此以外，性能可与方法1的第一应用的性能匹敌。
方法2建议的第二方法也是以表示与由每个天线振子接收的信号的幅度有关的变量的观察数据为基础。然而，该数据不是值VARz，正如在方法1那样，而是由每个天线振子接收的信号的幅度(或者功率)的方差的平均值VARx。因此在方法2中，由两个天线振子接收的信号的幅度没有减少。
更准确地讲VARxb=1MΣn=0M-1(Xn,b-X-b)2]]>且X-b=1MΣn=0M-1Xn,b]]>
b值在范围1至B(B次连续的测量)内。VARx是方差VARzb的平均值。
图8表示根据各个平均DOAθ的角扩展α在天线阵的天线振子获得的功率的方差的平均值VARx。
在这里，在VARx和α之间也存在一对一的关系和在范围±30°中对角度θ的估计的低扩展。
方法2的应用正如在方法1的第一应用中那样，例如在SDMA网络传输的情况下，比较计算出的方差的平均与参考值VARref或者αref以确定正确的检测概率Pbd是有益的。
图9表示作为对于B分析计算出的角扩展α的函数的概率Pbd,B等于3,10或者30。使用的参考值是αref=7，它对应于VARref=0.75。注意，随着B增加该性能改善了。
实际的实施本发明也提供采用上面描述的方法的接收机。图10表示一种这样的接收机。
一个天线阵100包含多个天线振子200至20M-1。每个天线振子连接到处理装置101，提供表示仅仅与由天线阵100的每个天线振子接收的信号的幅度或者功率有关的变量的数据(例如VARz或者VARx，取决于使用的方法)。然后该数据馈送给变换器装置102，提供角扩展α的值。在CDMA传输情况下处理装置101分开这些信道。
在次要的级别，和正如预先指示的，值VARz(VARx)或者α的值可以在比较器装置103中与阈值VARref或者αref比较，提供指示是否得到VARz(或者VARx)＜VARref，或者α＜αref条件的比较信号COMP。
这样的比较器装置在应用到SDMA接收机中是特别地有益的。
本发明不仅仅应用于估计由接收机接收的信号的角扩展，而且特别应用到蜂窝网络的基站无论它为GSM,CDMA或者其它类型，以便能够重新使用传输资源(SDMA)。
权利要求
1．一种估计由发射机发送和由接收机接收的信号的角扩展(α)的方法，所述方法在于通过至少在一个给定的时间期间观察代表仅仅与由接收机天线阵(100)的每个天线振子(200至20M-1)接收的信号幅度或者功率有关的一个变量的数据(VARz,VARx)只估计所述角扩展(α)。
2．根据权利要求1的方法，其特征在于所述数据是由所述天线振子接收的信号幅度差的方差的平均值，所述差值是取成对的所述天线振子计算出的。
3．根据权利要求1的方法，其特征在于所述数据是由每个天线振子接收的信号幅度的方差的平均值。
4．根据权利要求1或者权利要求2的方法，其特征在于所述发射机是一个移动终端和所述接收机是蜂窝传输网络的一个基站。
5．根据权利要求4的方法，所述蜂窝传输网络使用SDMA传输。
6．根据权利要求1到5的任何一个权利要求的方法，其特征在于所述估计的角扩展(α)有选择地与一个参考值(αref)比较，以使发射机能进行SDMA传输。
7．根据权利要求1到5的任何一个权利要求方法，其特征在于所述数据(VARz,VARx)有选择地地与参考值(VARref)比较，以便能够由所述发射机进行SDMA传输。
8．一种接收机，包含适合于估计在所述天线阵接收的信号的角度扩散的一个天线阵(100)，其特征在于它包括提供表示仅仅与由所述天线阵的每个天线振子接收的信号幅度或者功率有关的一个变量的数据(VARz,VARx)的装置(101)。
9．根据权利要求8的接收机，其特征在于它还包括变换器装置(102)，用于提供所述角扩展(α)的所述值。
全文摘要
本发明涉及一种估计由发射机传送的和由接收机接收的信号的角扩展的方法。本发明的方法在于通过至少在一个给定的时间期间观察代表仅仅与由接收机天线阵(100)的每个天线振子(20
文档编号G01R29/08GK1231086SQ98800960
公开日1999年10月6日 申请日期1998年7月13日 优先权日1997年7月11日
发明者伊利·贝贾尼, 让－弗朗西斯·布凯尔, 文多·库玛 申请人:阿尔卡塔尔公司