专利名称：阵列天线无线电通信设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用阵列天线的无线电通信设备及其路径定时检测方法，更具体来说，涉及一种用于处理基带信号的结构。
背景技术：
作为下一代的移动通信系统，使用DS-CDMA(直扩码分多址)技术的数字蜂窝无线电通信系统正在发展中。
已经提出了CDMA系统，以通过利用编码分配信道来实现同时通信。在这种系统中，来自同时通信下的其它信道的信号产生了干扰，由此，用于同时通信的信道数量(信道容量)就受到了限制。
也就是说，在使用DS-CDMA技术的移动通信系统中，通信质量(数字通信过程中的平均误比特率)由来自具有多个连接的其他用户的干扰量劣化了，并且系统容量是基于满足预定通信质量的多址用户的数量来确定的。
因此，干扰抑制技术的自适应对增加信道容量是有效的。
自适应阵列天线是这样一种技术，即，其可以被自适应地引导以对希望用户进行波束形成并向产生大干扰源的用户进行空点(null point)形成，并且该自适应阵列天线还是一种使得能够增加信道容量的技术。
即，通过沿希望用户的方向形成信号波束，并且将空点导向作为大干扰源的用户，可以按更高的灵敏度从希望用户处接收无线电信号。
如上所述可以通过减少干扰量来增加信道容量。
而且，在移动通信环境下的CDMA通信系统中，系统容量可能由于从仅与一个基站通信的许多用户到该基站的距离差而降低。
因此，可以通过控制发送功率以使基站的每个用户的接收功率均衡化，来增加系统容量。
当将阵列天线用于DS-CDMA系统以执行发送功率控制时，执行该发送功率控制以使波束形成和RAKE组合后的SIR(信号干扰功率比)恒定。
图6示出第84216/2002号日本公开未审专利申请中所示的现有DS-CDMA阵列天线接收设备的基带信号处理单元结构的现有技术。
利用包括多个天线振子的阵列天线201的每个天线振子接收的无线电频率信号，在变频单元中被转换成基带信号，然后由A/D转换器转换成离散/量化的数字基带信号(未示出)。
接着将所述基带信号输入到用于执行波束形成和解调处理的自适应阵列接收单元100和用于执行路径搜索的搜索器200。
自适应阵列接收单元100由用于利用RAKE接收方法接收多径信号的多个指部101构成，并且每个指部101为每条路径的接收信号处理设有解扩单元102、波束形成装置103以及相干检测单元104，以执行每条路径的接收信号处理。
通过在RAKE组合单元108中将由多个指部101所解调的多个输出信号相干地组合起来，来执行RAKE接收。
此外，在根据接收环境的自适应波束形成中还包括使用自适应算法的权重更新单元106。由于该权重更新单元106的权重更新算法是公知的，在此就省略了其详细描述。
根据该公知的权重更新算法，可以通过将波束导向希望方向，而且将空点导向具有更大干扰功率的其他用户的方向，来降低干扰量。
波束形成装置103对接收信号或发送信号的相对相位进行调节，然后通过将来自每个天线振子的信号乘以一由复数表达的权重，来改变从阵列天线发送的信号的发送/接收密度最密的方向(波束形成的方向)。
权重更新单元106对波束形成装置103所用权重的值进行更新，然后把该更新过的值赋给波束形成装置103，以便最优化波束形成装置103所形成的波束的方向。
同时，利用相关处理单元212-1、212-2、212-3、212-4，通过针对用于每个天线振子的解扩处理的相关处理，将阵列天线201输入到搜索器200的信号转换成复相关值信号，接着将所述信号输入到天线组合路径定时检测单元202和天线间相关评测单元203。
在天线组合路径定时检测单元202中，由功率值转换器205将在各天线的相关处理后出现的复相关值信号转换成功率值，接着利用组合装置206对该复相关值信号进行组合。
因此，在存在路径时，在多个天线振子中可以获得电平几乎相同的大信号，但是当不存在路径并且出现噪声时，就组合了具有较低电平的随机信号。结果，信号分量与天线的数量相乘，而噪声未与天线的数量相乘，并被均衡化为一平均值。因此，与组合之前相比，组合之后噪声相对信号的分布受到了抑制。
在平均化单元207中，通过按预定时间累计功率值，对通过组合针对每个天线振子的复相关值而获得的信号进行了时间平均，并且在对由每条路径中的衰落导致的变化进行平均化处理后，将延迟特征分布(delayprofile)存储到延迟特征分布单元208中。
通过使用该延迟特征分布在路径检测单元209中搜索更大电平的路径，来执行路径定时检测。
在天线间相关评测单元203中，在天线间相关单元210中评测天线间相关值(由相邻天线振子接收的信号之间的交叉相关值)，并且在平均化单元211中对评测的天线间相关值进行时间平均。从而，可以对由于衰落造成的路径电平波动进行补偿。
作为平均化单元211的平均化处理的输出，可以获得与延迟特征分布的每个定时相对应的天线间相关评测值。
在自适应阵列接收单元100中，将从搜索器200获得的天线间相关评测值的相位项信息转换成权重转换单元105中的权重信息，并将其设为权重更新单元106的初始值。
搜索器200检测到的多个路径定时信息项被发送到自适应阵列接收单元100的指部赋值单元107，并被用作每个指部101的解扩定时。
在现有技术中，路径定时检测是通过在搜索器中对每个天线振子的相关处理、所获得复相关值到功率的转换以及接着对这些功率进行组合(相加)来进行的。
原因在于，由于每个天线振子的复相关值产生了因接收信号的频率变化(多普勒，载波频率变化等)而导致的相位旋转，所以在将天线振子的复相关值按电压相加时，即作为矢量进行相加时，组合处理之后的值可以随要相加的复相关值而被劣化，从而天线振子的复相关值不能作为矢量进行相加。
因此，为消除相位旋转的影响，必须将复相关值转换成功率。
如上所述，在现有技术中，必须将频率变化考虑在内，并且在转换成功率值之后在时间平均的长度上执行平均化处理，其中可以忽略频率变化。
而且，在现有技术中，通过在搜索器中在利用扩频码的副本和接收信号执行相关处理(对应于解扩过程)之后进行平均化处理，获得了延迟特征分布。然而，接收信号矢量被调制数据旋转了。
因此，在对多个码元执行时间平均化处理的情况下，必须抵消码元的极性，并且通常可以使用的只有已知的导频码元，并且可以使用的仅是少量的采样。
因此，需要这样一种技术，其可以实现系统的稳定操作并通过路径检测特性的改进而提高系统容量，并且可以改进去噪效果。
发明内容
因此，本发明的一个目的是，通过提供搜索器的电路配置来改进适用阵列天线时的路径检测特性，由此实现稳定的系统操作并提高系统容量，以在使用所述阵列天线的接收设备中包括的基带处理单元中实现高速波束形成。
此外，本发明的另一目的在于，通过提供一种电路配置来改进去噪效果，以能够通过消除相位旋转来忽略因频率变化和调制数据所导致的接收信号的相位旋转。
本发明的阵列天线无线电通信设备包括搜索器装置，用于从具有多个天线振子的阵列天线的一部分或全部接收信号，并且用于检测多个已接收信号的路径定时；和信号处理装置，用于基于从搜索器装置获得的路径定时执行对从多个天线振子接收到的信号的解扩，其中，所述搜索器装置还包括相关装置，用于获得作为多个已接收信号中的相关值的多个第一相关值；天线间相关装置，用于获得作为多个第一相关值的相关值的多个第二相关值；以及，路径定时检测单元，用于基于根据多个第二相关值获得的振幅信息来检测路径定时。
上述阵列天线无线电通信设备的搜索器装置包括天线间相关处理装置，用于基于通过对多个第一相关值之间的相关值进行组合而获得的多个第二相关值，获得天线振子间的相位差信息和振幅信息；和相位差检测装置，用于基于相位差信息向一波束形成装置提供权重，以形成所述阵列天线的信号波束。
此外，上述阵列天线无线电通信设备可以构成为包括发送波束形成装置，该发送波束形成装置基于利用天线间相关装置获得的多个第二相关值形成发送波束。
根据本发明，可以评测来自用户的无线电波的到达方向，并且还可以通过获得来自阵列天线的每个天线振子的信号的相关值，然后获得天线间的相关值，来检测信号的功率值。因此，由于与现有技术不同，不再需要利用其它电路对功率值进行计算和进行平均化处理，所以可以减小电路规模。
此外，由于天线间复相关值的相位不依赖于接收信号和调制信号的载波频率变化，而仅依赖于信号的到达方向，所以可以通过对天线间相关值(相邻天线振子的接收信号之间的交叉相关值)的矢量进行相加来实现平均化处理，由此可以防止路径检测准确度的劣化。
而且，由于搜索器使用通过矢量相加获得的天线间复相关值延迟特征分布来检测路径和评测到达方向，所以可以对阵列天线所适于的系统执行稳定的路径搜索操作。
而且，由于通过取天线间相关值没有产生因频率变化造成的矢量旋转，并且矢量的相位不依赖于调制数据而保持恒定，所以不仅可以使用已知的导频码元部分，而且可以使用未知的调制数据部分，可以增加用于平均化处理的采样数，还可以改进去噪效果，并且可以使接收信号和发送信号的质量保持在更高的质量。
而且，由于矢量的相位保持恒定，所以即使对于使用已知导频模式获得多个码元的时间平均值，也不再需要导频模式消除处理(导频比特掩码处理)，并且可以进一步加强去噪效果。
由于上述效果，所以当把阵列天线适用于CDMA移动通信系统时，可以抑制由路径搜索特性劣化和不完全波束形成产生的发送功率增加。
因此，当在系统容量受到来自其他用户的干扰量限制的CDMA系统中适用阵列天线时，可以在不使特性劣化的情况下增加系统容量。
图1是用于说明本发明优选实施例的原理的图。
图2是示出本发明的阵列天线接收器结构的实施例的图。
图3中的(a)到(g)示出其中使用了4个天线振子的线性阵列天线的天线结构。
图4示出在图2所示本发明实施例中针对CNR(载波噪声功率比)的路径检测概率特性(计算结果)。
图5示出本发明的阵列天线通信设备结构的另一实施例。
图6示出第84216/2002号日本公开未审专利申请中所示的现有DS-CDMA阵列天线接收设备的基带信号处理单元的结构的现有技术。
具体实施例方式
下面参照附图对本发明的优选实施例进行说明。
图1是用于说明本发明优选实施例的原理的图。
由多个天线振子构成的阵列天线21的所有信号被输入到搜索器20。当在搜索器20的相关检测单元22中对每个天线振子执行了用于解扩的相关处理之后，将这些信号输入到天线间相关评测单元23。
在天线间相关评测单元(天线间相关处理单元)23中，利用通过在天线的相关处理之后组合(相加)复相关值信号所获得的信号，来对天线间相关值进行评测，以便执行路径定时检测和相位差提取(使用相位差计算权重信息)。
自适应阵列接收单元10与搜索器20之间的接口被提供有路径定时信号和权重信号。
自适应阵列接收单元10是由用于RAKE接收多径信号的多个指部15形成的。每个指部15包括解扩单元12、波束形成装置13、以及相干检测单元14，并且执行每条路径的接收信号处理。
可以通过在RAKE组合单元16中对利用每个指部15解调的输出信号进行相干组合来实现RAKE接收。
此外，将从搜索器20获得的权重信息设置给权重设置单元11。
图2是示出本发明的阵列天线接收器结构的实施例的图。
在变频单元中将由阵列天线21的每个天线振子接收的射频信号转换成基带信号，然后通过A/D转换单元(未示出)中的离散和量化将其转换成数字基带信号。
接着将所述数字基带信号输入到用于执行波束形成和解调处理的自适应阵列接收单元10以及用于进行路径搜索的搜索器20。
在搜索器20中，输入阵列天线21的多个天线振子的信号。
将阵列天线21的多个天线振子的信号输入给相关检测单元22，并且通过用于各天线中的解扩处理的相关处理接着将其输入给天线间相关评测单元23，作为复相关信号。
在天线间相关评测单元23中，为在来自天线振子的复相关信号之间获得相关，在天线间相关单元24中，将某个天线振子的复相关值与相邻基准天线振子的复相关值的共轭相乘。这样，就可以获得天线间相关值。
通过将在组合单元29中获得的天线振子间的相关值相加(组合处理)，可以获得存在路径时天线振子间几乎处于相等电平的大信号。即，信号分量可以增加至倍乘天线振子数的值。
同时，当不存在路径时，随机地对噪声(即，小电平信号)进行组合，并且不与天线振子数相乘，将这些信号平均化。与组合前相比，噪声相对于组合信号的分布得到了抑制。
由组合天线间相关值而获得的信号通过在平均化单元25中的时间平均化对路径电平的变化(如，衰落)进行了补偿。从而，可以改进天线间相关评测的准确度。
该天线间相关值表示为一矢量，该矢量具有恒定的振振幅和不依赖于调制数据的相位。
也可以获得平均化单元25中的平均化处理的输出值，作为天线间相关值。
这里，将参照图3中的(a)-(g)对本发明的天线间相关进行说明。
图3中的(a)-(g)示出线性阵列天线的天线结构，在该线性阵列天线中使用了4个天线振子。
图2的相关处理获得的各天线振子的复相关信号，如图3中的(a)-(d)所示具有等于矢量长度r的振幅R(R＝r)。各矢量的长度是相等的。
而且，相位θ产生由到达角度确定的相位差Δθ。
接下来，根据各天线振子的复相关信号获得天线间复相关值。
图3中的(e)-(g)示出天线振子0和1、天线振子1和2、以及天线振子2和3的天线间复相关值。这些天线间复相关值全部指示振幅R＝r2和相位θ＝Δθ。
因此，通过复相关处理获得的天线间复相关值具有相等的矢量。振幅表示信号功率值，而相位表示到达方向。
根据上述计算，在线性阵列天线的结构中，所有复相关值都具有相等的矢量。因此，通过组合这些矢量对噪声分量进行了平均化，并且将天线间复相关值进行了相加。从而，可以实现去噪效果。
如上所述，在图2中作为平均化单元25的输出的天线间复相关值信号，其相位表示到达方向，而其振幅表示信号功率。
将该天线间复相关值信号存储到复延迟特征分布单元26。
路径检测单元27基于复延迟特征分布单元26中存储的延迟特征分布检测超过路径检测阈值的路径定时，并传送与路径的该时刻同步化的定时脉冲。
同时，相位差检测单元28基于复延迟特征分布单元26中存储的天线间复相关值的相位信息和来自路径检测单元27的检测信息，计算检测路径的相位差(即，到达角度)，此后，通过计算或者利用表将该数据转换成权重信息，接着，作为用于波束形成的权重传送该权重信息。
这里，搜索器20本身计算权重，然后将该权重传送到自适应阵列接收单元10。然而，从相位差检测单元28传送相位差信息并接着将其转换成权重设置单元11中的权重，也是可以的。
自适应阵列接收单元10的每个指部15基于从路径检测单元27传送的路径定时信号(定时脉冲)，在解扩单元12中对接收信号和扩频码执行相关处理，由此来执行解扩。
使用与从路径检测单元27传送的路径定时信号对应的来自相位差检测单元28的权重，利用波束形成装置13中的波束形成信号，来执行解扩处理，如相干检测单元14中的相干检测和RAKE组合单元16中的RAKE组合。
在该实施例中，在搜索器20中稳定地使用根据相位差信息计算出的权重，但是也可以将搜索器20计算出的权重设为初始值，然后使用公知的算法在权重设置单元11中更新该权重。
此外，在该实施例中，针对所有指部设置了公共的权重设置单元11，但是也可以分别为对应于每条路径的每个指部设置不同的权重。
本实施例中的天线间复相关值不依赖于接收信号的频率变化。
因此，不需要将天线间复相关值转换成电功率值，可以通过矢量相加处理来实现组合单元29中的组合处理，而且与电功率值组合处理相比，可以更多改进去噪效果。
而且，由于天线间复相关值不依赖于调制数据，所以不再需要现有技术中必需的导频模式(pilot pattern)消除功能，并且还可以使用不同于已知导频模式的信号，这进一步导致去噪效果的改进。
图4示出在图2所示的本发明实施例中针对CNR(载波噪声功率比)的路径检测概率特性(计算结果)。
特性A、C对应于与本发明中不同的接收系统(组合天线振子的功率值)，而特性B、D对应于本发明的实施例。
作为在组合天线振子的功率值的情况下的计算参数，将天线振子数设为2，将扩频系数设为256，将导频码元设为4个码元。在此情况下，基于扩频增益和相干组合的增益变为30dB(图6中的搜索器200的相关处理输出)。当把接收信号的CNR取为-30dB时，在功率转换点可以实现CNR＝0dB。
此外，当把积分长度和天线振子数的乘积定义为N时，就变成自由度n＝2(I.Q)×N(积分长度)的χ2(Chi-square)分布。
另一方面，在本发明的实施例中，扩频增益和基于相干组合的增益(图2中的相关检测单元22的输出)与对天线振子的功率值进行组合中的相等，并且如在对天线振子的功率值进行组合中的结构的情况下一样，在用于获得天线间相关值的复倍乘器的输入点处的CNR变为0dB。
在图2的天线间相关单元24的复倍乘器中，CNR产生3dB的劣化。
接下来，在平均化单元25中执行积分处理。当把积分长度定义为N时，将CNR的改进系数表示为 此后获得矢量长度的平方(振幅的平方)。然而，该相关能量的分布由自由度n＝2的χ2分布表示。
特性A、B对应于N＝128，特性C、D对应于N＝256。因此，本发明的效果是使针对CNR劣化的路径检测概率更高。
如特性A、B或特性C、D所示，与现有技术相比，在本发明中针对CNR劣化的路径检测概率得到改进。
而且，还可以理解的是，当如特性A、C所示将积分长度加倍时，路径检测概率的改进约为2dB。此外，当在本发明实施例的特性B、D中将积分长度加倍时，路径检测概率的改进为3dB。
即，可以理解为，由于在本发明中路径检测概率得到了相当大的改进，所以相对于现有技术中对天线振子的功率值进行组合，所述特性得到很大程度的改进。
图5示出本发明的阵列天线通信设备结构的另一实施例。
在未示出的变频器中将阵列天线21接收到的信号转换成基带信号，然后在A/D转换单元中通过离散和量化又将其转换成数字基带信号。
将数字基带信号输入到用于执行路径搜索的搜索器20。
本发明该实施例中的搜索器利用与图2中类似的结构和处理获得检测路径的相位差。
所获得的复相关值的相位差表示到达角度，而通过把这种相位差转换为权重来将其用作发送波束的权重，由此可以实现高速发送波束形成。
对于发送信号的发送，由于在接收信号的到达方向中无疑存在终端，所以可以针对接收信号的到达方向形成发送信号的波束。
发送波束形成过程是在发送波束形成装置31中进行的。
在此情况下，由于通常仅形成一个发送波束，所以使用了具有搜索器20所检测到的最大相关值的路径的天线间相关值。
具有发送波束形成装置31的自适应阵列发送单元30包括用于发送数据的扩频处理的扩频处理单元32、发送波束形成装置31以及权重设置单元33。
可以在基站中使用到达方向的检测，来向操作员提供管理信息，以检测用户的容纳状态。
尽管已描述了本发明的特定实施例，但是本领域技术人员应理解，存在与所述实施例等同的其它实施例。因此，应该理解，本发明不受具体示出的实施例限制，而只受所附权利要求书的范围限制。
权利要求
1.一种阵列天线无线电通信设备，包括搜索器单元，可操作以从具有多个天线振子的阵列天线中的至少一部分接收信号，并且可操作以检测多个已接收信号的路径定时，所述搜索器单元包括相关单元，可操作以获得作为所述多个已接收信号的相关值的多个第一相关值；天线间相关单元，可操作以获得作为所述多个第一相关值的相关值的多个第二相关值；以及，路径定时检测单元，可操作以基于根据所述多个第二相关值获得的振幅信息来检测路径定时；和信号处理单元，可操作以基于从所述搜索器单元获得的路径定时，执行对从所述多个天线振子接收到的信号的解扩。
2.根据权利要求1所述的阵列天线无线电通信设备，其中，所述天线间相关处理单元还可操作以基于所述多个第二相关值，获得所述多个天线阵子间的相位差信息和振幅信息。
3.根据权利要求2所述的阵列天线无线电通信设备，其中，所述搜索器单元还包括相位差检测单元，该相位差检测单元可操作以基于相位差信息向一波束形成装置提供权重，以形成所述阵列天线的信号波束。
4.根据权利要求3所述的阵列天线无线电通信设备，其中，所述相位检测单元还包括权重设置单元，该权重设置单元可操作以实时地更新所述权重。
5.根据权利要求4所述的阵列天线无线电通信设备，其中，所述天线间相关处理单元还可操作以将基于所述第二相关值获得的相位差信息转换成权重，并可操作以将所转换的权重传送到所述权重设置单元。
6.根据权利要求4所述的阵列天线无线电通信设备，其中，所述天线间相关处理单元还可操作以将基于所述第二相关值获得的相位差信息传送到所述权重设置单元，并且所述权重设置单元可操作以将所述相位差信息转换成权重。
7.根据权利要求1所述的阵列天线无线电通信设备，其中，所述信号处理单元还包括多个指部，每个所述指部都设有波束形成装置和权重设置单元。
8.根据权利要求7所述的阵列天线无线电通信设备，其中，所述天线间相关处理单元还可操作以获得针对每条路径的第二相关值，并且还可操作以独立地使用对应于每条路径的第二相关值来向每个指部提供用于波束形成的权重。
9.根据权利要求7所述的阵列天线无线电通信设备，其中，所述天线间相关处理单元还可操作以获得在所述多个天线振子间组合的第二相关值的针对时间的平均值。
10.根据权利要求1所述的阵列天线无线电通信设备，其中，所述信号处理单元包括多个指部，每个所述指部都设有权重设置单元，并且所述信号处理单元还可操作以获得由所述天线间相关装置获得的第二相关值，并可操作以向同一信道的多个指部提供用于形成相同波束的权重。
11.根据权利要求1所述的阵列天线无线电通信设备，还包括发射波束形成单元，该发射波束形成单元可操作以基于利用所述天线间相关装置获得的第二相关值来形成发送波束。
12.一种阵列天线无线电通信设备，包括搜索器单元，可操作以从具有多个天线振子的阵列天线中的至少一部分接收信号，并且可操作以检测多个已接收信号的路径定时，所述搜索器单元包括天线间相关处理单元，该天线间相关处理单元可操作以执行以下操作通过对所述阵列天线的每个天线振子的接收信号进行相关处理，获得第一相关值；基于通过组合所述多个天线振子间的多个相关所获得的第二相关值，获得所述多个天线振子间的相位差信息和振幅信息；基于所述振幅信息检测路径定时；以及，计算用于波束形成的权重；和信号处理单元，可操作以基于从所述搜索器单元获得的路径定时，执行对从所述多个天线振子接收到的多个信号的解扩，并可操作以执行所述阵列天线的波束形成。
13.一种阵列天线无线电通信设备中的路径定时检测方法，所述阵列天线无线电通信设备用于从具有多个天线振子的阵列天线中的至少一部分接收信号，该路径定时检测方法包括以下步骤获得作为多个已接收信号的相关值的多个第一相关值；获得作为所述多个第一相关值的相关值的多个第二相关值；以及基于根据所述多个第二相关值获得的振幅信息来检测路径定时。
全文摘要
阵列天线无线电通信设备。搜索器单元通过改进使用阵列天线的接收设备的基带处理单元中的路径检测特性，实现了通信系统的稳定操作，并提高了系统容量。阵列天线无线电通信设备包括搜索器单元，可操作以从具有多个天线振子的阵列天线的至少一部分接收信号，并且可操作以检测已接收信号的路径定时；信号处理单元，可操作以基于从搜索器单元获得的路径定时，执行对从所述多个天线振子接收到的信号的解扩，搜索器单元包括相关单元，可操作以获得作为已接收信号的相关值的第一相关值；天线间相关单元，可操作以获得作为第一相关值的相关值的第二相关值；以及，路径定时检测单元，可操作以基于根据第二相关值获得的振幅信息来检测路径定时。
文档编号H04B7/02GK1677894SQ20051005370
公开日2005年10月5日 申请日期2005年3月10日 优先权日2004年3月30日
发明者川崎敏雄 申请人:富士通株式会社