专利名称：无线通信系统上行接收阵列的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于无线通信系统上行接收阵列的自适应算法及设备。
长期以来，无线通信系统始终面临着有限的可利用频谱资源与不断快速增长的用户需求之间的矛盾。因此人们开始利用信道的空域特性，采用分集、扇区化以及最近提出的采用阵列天线的智能天线等技术，都能够不同程度地改善无线通信系统的通信质量，提高了系统容量。
分集主要利用间距大于10个载波波长的不同天线所接收的信号是互不相关的特性，对各个天线接收的信号采用最大比合并，使系统抗多径衰落性能得到改善。
扇区化方法是将小区分成3、6、9或12个扇区，每个扇区有各自配套的天线和预置的频谱范围。扇区化在一定程度上减小了同信道干扰，从而提高了系统的通信质量。
智能天线技术则通过调整多个天线阵元上信号的相位和幅度在信号方向上形成波束，提高信号质量。智能天线算法主要可分为两类，一类是开关多波束方法。这类算法在不同方向形成固定波束覆盖整个小区，基站检测每个波束中期望信号的信号质量，选择最好的波束进行接收。
另一类重要的智能天线算法为自适应阵列，它根据某种准则自适应地对各天线阵元接收的信号进行加权合并，增强信号，抑制干扰和噪声，从而提高无线系统的整体性能。常见的自适应算法有基于最小均方误差准则的最小均方(LMS)、递归最小二乘(RLS)、采样矩阵求逆(SMI)等有师算法及基于最大输出信干比准则的码滤波等盲算法。
分集方法需要天线之间的间距较大(一般大于10个波长)，因此天线占用的空间较大。另外，采用最大比合并的分集方法虽然具有抗多径衰落效果，但不能有效抑制干扰信号。
常见的扇区化方法是采用3扇区或6扇区，之所以没有采用更多的扇区是因为扇区分裂得越多，每个扇区可利用的频谱资源则越少，降低了中继效率，且需要频繁切换，降低系统效率。
开关多波束方法是一种次最优的接收方法，它对色噪声的抑制能力较差。另外，现有开关多波束系统的开关矩阵是由射频开关器件实现的，增加了系统的硬件成本。
自适应天线阵在理论上可以使系统性能在某种准则下达到最优。常用的准则多为最小均方误差准则和最大输出信噪比准则，一定条件下两种准则是等价的。实际应用时，SMI、RLS和绝大多数盲算法的计算量都很大，用现有数字处理芯片很难实现。现有的LMS算法虽然运算量小，但算法的收敛速度和稳定性受信号环境、参考信号的选择以及校正步长大小等因素的影响严重。
本发明的目的是为了克服上述现有技术的缺点而提供的一种无线通信系统上行接收阵列的方法及装置，通过对归一化最小均方(NLMS)算法的算法结构进行优化，设计了小运算量而性能优的自适应阵列接收方案，分析和仿真验证了算法具有良好的性能。
实现本发明目的的技术方案是无线通信系统上行接收阵列的方法，接收阵列的每根天线单元接收到的模拟信号经过模拟/数字转换为阵列数字信号，阵列数字信号经过解扩得到解扩后的阵列信号数据流，利用解扩后的阵列数据信号形成阵列的加权向量，并用生成的权向量对解扩后的阵列信号加权求和形成波束，波束形成后的信号送到瑞克接收机相应的径，由瑞克接收机在时域对信号进行最大比合并；其特点是，所述波束采用归一化最小均加权求和方法形成，其步骤为(1)选取阵列初始权向量；(2)读入第一个时隙的所有阵列信号数据样本和第一个时隙的参考信号；(3)对第一个时隙的所有数据样本重复以下(i)～(V)的过程(i)用前一个样本数据对应的权向量的共轭转置和阵列接收信号的当前样本作复共轭相乘求和加权运算；(ii)用当前样本对应的参考信号和步骤(i)中所得到的值相减得到误差信号；(iii)计算阵列接收信号当前样本的模；(iv)选择适当的步长因子，对前一个样本对应的权向量的每个分量并行地迭代更新；(v)将每个时隙最后一个样本对应的最终更新的权矢量进行归一化，并送入阵列加权模块；(4)读入下一个时隙的阵列信号数据和参考信号；(5)重复步骤(3)中(i)～(V)的过程，循环往复，最终使得权向量收敛。
上述无线通信系统上行接收阵列的方法，其中，所述步骤(iv)的步长因子的取值范围为10-6≤步长因子≤0.1。
上述无线通信系统上行接收阵列的方法，其中，所述的参考信号由已知的发射导频符号/训练序列和估计的信道响应相乘得到。
上述无线通信系统上行接收阵列的方法，其中，所述的估计的信道响应是由利用天线的解扩信号估计的信道衰落响应。
一种天线阵列接收机，包括天线阵列、阵列数字信号生成模块、数字波束形成模块、以及Rake接收机；所述的阵列数字信号生成模块包括接收单元及模拟到数字转换单元；天线阵列输入多径信号到阵列数字信号生成模块，数字波束形成模块同时对一个信道的不同多径信号分别形成波束，波束形成后的多径信号送至Rake接收机相应的径，Rake接收机对多径信号进行最大比合并；其特点是所述的数字波束形成模块包括多径搜索单元、解扩单元、信道响应估计单元、参考信号生成单元、加权向量生成器、乘法器、加法器及再生导频符号或训练序列；多径搜索及跟踪模块对每一个信道进行多径搜索及跟踪处理，将多径时延信息提供给解扩单元；在每个径中，解扩单元对指定的时延进行解扩，m路解扩后的信号分成两路，一路进入加权向量生成器，一路作为被加权数据，准备与加权向量生成器输出的加权因子W1～Wm通过乘法器进行乘法运算并最终经加法器进行加法合并后得到数字波束形成后的数据，该数据输出到瑞克接收机相应的径。
上述一种天线阵列接收机，其中，所述的导频符号模块在每个时隙中产生基站事先已知的各个移动台的发射导频，提供接收机对每个移动台进行数字信号处理时的参考信号。
上述一种天线阵列接收机，其中，所述的信道响应估计模块利用解扩单元输出的一个阵元的数字信号和已知的导频符号在每个时隙中相关，得到一个信道的不同多径在每个时隙中信道衰落的粗略估计。
上述一种天线阵列接收机，其中，所述的参考信号生成模块在每个时隙中利用信道响应估计模块得到估计值和已知导频符号相乘得到加权向量生成器所需的参考信号。
上述一种天线阵列接收机，其中，所述的加权向量生成器在每个时隙对阵列天线的权矢量更新，并将每个时隙更新的权矢量提供给乘法器进行波束加权。
由于本发明采用了以上的技术方案，使上行接收阵列的方法简单，能有效抵抗路径衰落效应，使系统信噪比增益接近阵列接收的最优值，而且利用现有通用的DSP芯片等即可完成，可实现性强。
本发明的具体性能特征由以下的实施例及其附图进一步说明。
图1是现有的阵列接收机原理图。
图2是本发明对应一个多径信号的Rake径(finger)的NLMS数字波束形成模块原理图。
图3是本发明方法的程序流程图。
图4是针对WCDMA系统的上行链路仿真结果。
请参阅图1，本发明一种用于码分多址无线通信系统的阵列接收装置，包括天线阵列101、阵列数字信号生成模块102、数字波束形成模块103以及Rake接收机104；在服务小区范围内，天线单元之间的间距可以选择为载波中心频率对应波长的一半。阵列数字信号生成模块将接收到的阵列模拟信号转换成可供数字处理的阵列数字信号，该阵列数字信号生成模块包括接收单元105及模拟到数字转换单元106。数字波束形成模块对一个信道的不同多径信号分别形成波束，波束形成后的信号送到瑞克接收机相应的径，由瑞克接收机在时域对信号进行最大比合并。所述的波束采用归一化最小均加权求和方法形成。
请参阅图2，这是本发明对应一个多径信号的Rake径(finger)的NLMS数字波束形成模块原理图，所述的数字波束形成模块包括多径搜索单元201、解扩单元202、加权向量生成器207、乘法器208、加法器209、导频符号副本/训练序列提供单元205、信道响应估计单元204和参考信号生成单元206。其中导频符号模块205在每个时隙中产生基站事先已知的各个移动台的发射导频，提供接收机对每个移动台进行数字信号处理时的参考信号。
参考信号生成模块206在每个时隙中利用信道响应估计模块得到估计值和已知导频符号相乘得到加权向量生成器所需的参考信号。本发明的一个重要方面就在生成参考信号中之所以融入了信道响应补偿的思想，主要存在两个好处，在估计接收信号与参考信号的互相关向量Rxd时可以使得信号相参积累，同时降低噪声的影响，最终可以提高NLMS方法的性能。
信道响应估计模块204利用解扩单元输出的一个阵元的数字信号和已知的导频符号在每个时隙中相关，得到一个信道的不同多径在每个时隙中信道衰落的粗略估计(这里假定信道衰落在一个时隙的短时间中保持不变)。
多径搜索及跟踪模块201对每一个信道进行多径搜索及跟踪处理，将多径时延信息提供给解扩单元。
加权向量生成器207是任何采用阵列接收机的核心部分，本发明采用基于最小均方误差准则的NLMS方法形成加权向量W1～Wm。本发明装置中，所述的加权向量生成器每个时隙对阵列天线的权矢量更新，并将每个时隙更新的权矢量提供给乘法器进行波束加权。
在每个径中，解扩单元202对指定的时延进行解扩，m路解扩后的信号各分成两路，一路进入加权向量生成器207，一路作为被加权数据，准备与加权向量生成器输出的加权因子W1～Wm通过乘法器208进行乘法运算并最终经加法器209进行加法合并后得到数字波束形成后的数据108，该数据输出到瑞克接收机相应的径。瑞克接收机接收到来自一个通道的不同多径的波束形成信号后，估计多径的信道响应(这里信道响应估计较204中得到是要精确很多)，然后用最大比准则实现同一通道不同多径的时域合并。信道响应估计单元204利用某根天线的解扩信号(图中标出了第一根天线的解扩信号203 1)估计信道的衰落响应，参考信号生成单元206则利用204估计的信道响应和再生导频符号或训练序列产生加权向量生成器207中NLMS方法的参考信号。
NLMS方法相对SMI、RLS和码滤波等方法要简单的多，加权向量生成器中的NLMS方法每一步所需的运算量仅为(21m+18)×N个浮点加/乘运算。另一方面，其稳定性和收敛速度也明显优于LMS方法。
例如将一个通道阵列接收数字信号表示为x=Σl=1La(θl)hl(t)Cs(t-τl)s(t-τl)+n(t)----(1)]]>其中l＝1，2，...，L为多径数，a(θl)为第l条多径信号的阵列响应，θl是第l条多径的波达方向DOA；hl(t)是第l条多径信号经历的衰落；s(t)是发射的期望信号，Cs(t)是对应期望信号的扩频码，τ1是第l条多径信号的时延；n(t)是阵列干扰和噪声信号，每个天线上的噪声看作独立不相关的零均值加性高斯白噪声。
根据多径搜索及跟踪模块201提供的多径时延信息，对于某一确定的可分多径信号解扩可以得到阵列解扩信号X(n)＝Gda(θd)hd(n)s(n)+n′(n)(2)式(2)中n′(n)的是解扩以后时延为τ1的其他多径信号、干扰信号以及噪声信号的总和，Gd为扩频增益。在图2的NLMS方法中参考信号取为d＝hd(n)s(n)(3)理论上NLMS方法的权值收敛于维那解Wopt=RXX-1*rxd----(4)]]>其中Rxx-1为接收阵列数据向量的自相关矩阵，rxd为阵列接收向量与参考信号的互相关rxd=GdE[|hd|2]a(θd)+E[hd]*E[n′s*]----(5)]]>从(5)式可以看出参考信号按(3)式选取即可保证信号的相干积累同时又可以减小噪声项对估计Rxd的影响，能够提高Rxd的估计精确性，因而算法的性能可以得到较大地改善。
NLMS方法的程序流程图见图3。图3中的μ为NLMS方法的步长因子，取值范围为10-6≤μ≤0.1，步长取值大小决定了算法的稳定性和收敛速度，N代表导频符号/训练序列的个数。
接收阵列的每根天线单元接收到的数据信号经过解扩得到解扩后的阵列信号数据流X(n)＝[X(1，n)…，X(M，n)]T，同时利用估计出的信道响应和导频符号或训练序列产生参考信号d(n)，这里M是阵列的阵元数，上标T表示向量和矩阵转置，并用生成的权向量对解扩后的阵列信号加权求和形成波束。本发明采用NLMS方法形成波束的步骤为(1)取初始权向量的值为W(0)＝
T，向量的维数为M；(2)读入第一个时隙的阵列信号数据样本X(1)，....X(N)和第一个时隙的参考信号d(1)，....d(N)，(N代表导频符号/训练序列的个数)；(3)对第一个时隙的所有数据样本(从n＝1到n＝N)重复以下(i)～(V)的过程(i)用前一个样本数据对应的权向量W(n-1的共轭转置WH(n-1和阵列接收信号的当前样本X(n作复共轭相乘求和加权运算y(n)＝WH(n-1)X(n)；(ii)用当前样本对应的参考信号d(n)和步骤(i)中得到的y(n)相减得到误差信号e(n)＝d(n)-y(n；(iii)计算阵列接收信号X(n的模 ，上标H表示标量的共轭；(iv)选择适当的步长因子，在当前权矢量的基础上采用迭代更新同时并行地更新权矢量的每个分量Wi(n)=Wi(n-1)+u1+||X(n)||2e*(n)X(i,n);]]>(v)将每个时隙最后一个样本对应的最终更新得到的权矢量W(N)＝[W1(N)，…，M(N)]T进行归一化W(N)＝W(N)/‖W(N)‖送到加权模块中；(4)读入下一个时隙的阵列信号数据X(N+1)，…，X(2N)和参考信号d(N+1)，…，d(2N)；(5)从n＝N+到n＝2重复步骤(3)的过程，循环往复，最终使得权向量收敛。
图4是针对WCDMA系统的上行链路仿真结果。其中多径环境参数如下表所示仿真参数
图中
表示单天线结果▲为NLMS方法结果从该图可以看出，对于4阵元阵列接收机采用本发明，系统性能接近最优。
本发明提出的在无线通信系统中应用的一种改进的低运算量而性能优的自适应阵列接收的方法，虽然是针对CDMA系统，但稍加改动即适用于所有无线通信系统。
权利要求
1.无线通信系统上行接收阵列的方法，接收阵列的每根天线单元接收到的模拟信号经过模拟/数字转换为阵列数字信号，阵列数字信号经过解扩得到解扩后的阵列信号数据流，利用解扩后的阵列数据信号形成阵列的加权向量，并用生成的权向量对解扩后的阵列信号加权求和形成波束，波束形成后的信号送到瑞克接收机相应的径，由瑞克接收机在时域对信号进行最大比合并；其特征在于，所述波束采用归一化最小均加权求和方法形成，其步骤为(1)选取阵列初始权向量；(2)读入第一个时隙的所有阵列信号数据样本和第一个时隙的参考信号；(3)对第一个时隙的所有数据样本重复以下(i)～(V)的过程(i)用前一个样本数据对应的权向量的共轭转置和阵列接收信号的当前样本作复共轭相乘求和加权运算；(ii)用当前样本对应的参考信号和步骤(i)中所得到的值相减得到误差信号；(iii)计算阵列接收信号当前样本的模；(iv)选择适当的步长因子，对前一个样本对应的权向量的每个分量并行地迭代更新；(v)将每个时隙最后一个样本对应的最终更新的权矢量进行归一化，并送入阵列加权模块；(4)读入下一个时隙的阵列信号数据和参考信号；(5)重复步骤(3)中(i)～(V)的过程，循环往复，最终使得权向量收敛。
2.根据权利要求1所述的无线通信系统上行接收阵列的方法，其特征在于，所述步骤(iv)的步长因子的取值范围为10-6≤步长因子≤0.1。
3.根据权利要求1所述的无线通信系统上行接收阵列的方法，其特征在于，所述的参考信号由已知的发射导频符号/训练序列和估计的信道响应相乘得到。
4.根据权利要求1所述的无线通信系统上行接收阵列的方法，其特征在于，所述的估计的信道响应是由利用天线的解扩信号估计的信道衰落响应。
5.一种天线阵列接收机，包括天线阵列、阵列数字信号生成模块、数字波束形成模块、以及Rake接收机；所述的阵列数字信号生成模块包括接收单元及模拟到数字转换单元；天线阵列输入多径信号到阵列数字信号生成模块，数字波束形成模块同时对一个信道的木同多径信号分别形成波束，波束形成后的多径信号送至Rake接收机相应的径，Rake接收机对多径信号进行最大比合并；其特征在于所述的数字波束形成模块包括多径搜索单元、解扩单元、信道响应估计单元、参考信号生成单元、加权向量生成器、乘法器、加法器及再生导频符号或训练序列；多径搜索及跟踪模块对每一个信道进行多径搜索及跟踪处理，将多径时延信息提供给解扩单元；在每个径中，解扩单元对指定的时延进行解扩，m路解扩后的信号各分成两路，一路进入加权向量生成器，一路作为被加权数据，准备与加权向量生成器输出的加权向量通过乘法器进行乘法运算并最终经加法器进行加法合并后得到数字波束形成后的数据，该数据输出到瑞克接收机相应的径。
6.根据权利要求1所述的一种天线阵列接收机，其特征在于，所述的导频符号模块在每个时隙中产生基站事先已知的各个移动台的发射导频，提供接收机对每个移动台进行数字信号处理时的参考信号。
7.根据权利要求1所述的一种天线阵列接收机，其特征在于，所述的信道响应估计模块利用解扩单元输出的一个阵元的数字信号和已知的导频符号在每个时隙中相关，得到一个信道的不同多径在每个时隙中信道衰落的粗略估计。
8.根据权利要求1所述的一种天线阵列接收机，其特征在于，所述的参考信号生成模块在每个时隙中利用信道响应估计模块得到估计值和已知导频符号相乘得到加权向量生成器所需的参考信号。
9.根据权利要求1所述的一种天线阵列接收机，其特征在于，所述的加权向量生成器在每个时隙对阵列天线的权矢量更新，并将每个时隙更新的权矢量提供给乘法器进行波束加权。
全文摘要
本发明无线通信系统上行接收阵列的方法及其装置,接收阵列的每根天线单元接收到的数据信号经过解扩后的阵列信号数据流,对解扩后的阵列信号加权向量求和形成波束,波束形成后的信号送到瑞克接收机相应的径,由瑞克接收机在时域对信号进行最大比合并;其特点是,所述形成波束的加权向量采用归一化最小均方法取得,使系统信噪比增益接近阵列接收的最优值,有效抵抗路径衰落效应,且计算量低。
文档编号H04J13/00GK1351429SQ00125899
公开日2002年5月29日 申请日期2000年10月31日 优先权日2000年10月31日
发明者吴和兵, 李江, 张劲林, 丁齐, 郭俊峰 申请人:华为技术有限公司