專利名稱：一種基于路徑選擇的波達(dá)方向估計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信系統(tǒng)接收機(jī)中的接收技術(shù)，具體地說涉及到無線通信系統(tǒng)上行信號的波達(dá)方向(DOA)估計(jì)技術(shù)。
目前，常用的DOA估計(jì)方法是快速付立葉變換(FFT)方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡單，但是存在著無法確定信號數(shù)目以及估計(jì)誤差方差較大的問題，而且由于FFT方法并不是一種統(tǒng)計(jì)方法，其性能受噪聲的影響很大，因此估計(jì)值的波動很大。在無線通信系統(tǒng)中，采用上述方法進(jìn)行信號的波達(dá)方向的估計(jì)，不能很好地利用一段時(shí)間內(nèi)的接收信號以減小估計(jì)結(jié)果的誤差。如果利用基于導(dǎo)頻碼獲得的所有信道估計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行波達(dá)方向的估計(jì)，則因?yàn)橛行┬诺拦烙?jì)中信號的能量很低，最終將造成處理時(shí)實(shí)際信噪比的降低。
針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種基于路徑選擇的波達(dá)方向估計(jì)的方法，使用該方法能夠提高波達(dá)方向估計(jì)數(shù)據(jù)的信噪比，從而提高估計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種基于路徑選擇的波達(dá)方向估計(jì)方法，該方法包括以下步驟(1)判斷天線各陣元是等距離線性放置還是等距離放置在圓環(huán)上，如果是等距離線性放置，轉(zhuǎn)步驟(3)繼續(xù)操作，否則繼續(xù)以下操作；
(2)對于環(huán)形天線，針對信道估計(jì)向量y0(m)，利用已知的或已經(jīng)估計(jì)出來的信號到達(dá)方向的俯仰角，應(yīng)用下述公式y(tǒng)(m)＝Ty0(m)，m∈∧)做線性變換，得到等效信號列向量y(m)；(3)確定要估計(jì)的參數(shù)數(shù)目Np；(4)利用等效信號列向量y(m)構(gòu)造降維信號向量zi(m)，i＝1，2，…，P-NP+1，按照公式RSS(m)=1P-Np+1Σi=1P-Np+1zi(m)zi(m)H]]>計(jì)算得到瞬時(shí)相關(guān)矩陣RSS(m)的估計(jì)；(5)重新安排上述步驟(4)計(jì)算得到的結(jié)果，根據(jù)公式R(l)＝λfR(l-1)+RSS(l)計(jì)算相關(guān)矩陣R(l)，得到需要的參數(shù)多項(xiàng)式向量w(l)=[w1w2...wNP]T]]>的估計(jì)；(6)利用上一步驟得到的向量所包含的多項(xiàng)式參數(shù)值w1，w2，… ，構(gòu)成如下所述的方程 ，通過該方程的求解，得到相角φ1，φ2，… (7)對于環(huán)形天線，信號到達(dá)方向方位角估計(jì)為φ1，φ2，… 對于線性天線，通過式θi=sin-1(λφi2πd)]]>，i＝1，2，… 得到所需要估計(jì)的信號到達(dá)方向角度。
上面所述得到需要的參數(shù)多項(xiàng)式向量w(l)=[w1w2...wNP]T]]>的估計(jì)通過下述迭代方法得到設(shè)該方法的初始條件為w(0)，殘差向量g(0)，梯度向量p(1)＝g(0)，l＝1，依次計(jì)算更新步長α(l)=ηp(l)Tg(l-1)p(l)TR(l)p(l),(λf-0.5)≤η≤λf]]>所需參數(shù)多項(xiàng)式向量更新計(jì)算為w(l)＝w(l-1)+α(l)p(l)殘差向量更新公式為g(l)＝λfg(l-1)-a(l)R(l)p(l)-RSS(l)w(l-1)梯度調(diào)整步長計(jì)算如下面公式為β(l)=(g(l)-g(l-1))Tg(l)g(l-1)Tg(l-1)]]>梯度向量更新計(jì)算p(l)＝g(l)+β(l)p(l)通過多次迭代計(jì)算得到所需要的參數(shù)多項(xiàng)式向量w(l)=[w1w2...wNP]T.]]>由上述本發(fā)明采用的技術(shù)方案可以看出，由于本發(fā)明采用利用統(tǒng)計(jì)信號處理的方法，同時(shí)利用路徑選擇的結(jié)果，結(jié)合多組信道估計(jì)數(shù)據(jù)，將多個(gè)時(shí)刻的信道估計(jì)數(shù)據(jù)很好地結(jié)合起來，避免了常用的FFT方法容易受噪聲影響的缺點(diǎn)，提高了波達(dá)方向估計(jì)數(shù)據(jù)的信噪比以及提高了信號波達(dá)方向估計(jì)的正確性和穩(wěn)定性，從而可以改善無線通信接收的性能。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。


圖1是本發(fā)明方法的流程示意圖。
一般說來，實(shí)際的無線通信系統(tǒng)中，信號的波達(dá)方向變化是比較緩慢的，如果采用FFT方法，則只能對每一個(gè)時(shí)刻的信道估計(jì)數(shù)據(jù)應(yīng)用變換方法分別獲得估計(jì)，而無法利用這些緩慢變化的信息改善估計(jì)結(jié)果，因此估計(jì)結(jié)果受噪聲影響較大。本發(fā)明采用統(tǒng)計(jì)信號處理方法解決上述問題。應(yīng)用統(tǒng)計(jì)信號處理需要將信號更好地從噪聲中分離出來，因此需要先應(yīng)用路徑選擇方法，例如，應(yīng)用“寬帶直擴(kuò)-碼分多址(DS-CDMA)移動通信中基于匹配濾波器的RAKE合并機(jī)”(S Fukumoto，M Sawahashi，and FAdachi.″Matched filter-based RAKE combiner for wideband DS-CDMAmobile radio″，IEICE Trans Commun，Vol.E81-B，No.7，July 1998，pp.1384～1391)一文中提供的方法，將包含信號能量低的信道估計(jì)數(shù)據(jù)首先分離出來并舍棄，保證實(shí)際處理采用的數(shù)據(jù)具有足夠的信噪比。
具體說，本發(fā)明的方法是針對天線各個(gè)陣元接收到的基帶信號的處理，通過導(dǎo)頻符號獲得單個(gè)用戶的各陣元上的信道估計(jì)，以符號h(n)(m)表示，n＝1，2，…，√N(yùn)代表不同陣元，m＝1，2，…，W表示不同時(shí)刻的采樣，在這些信道估計(jì)數(shù)據(jù)中包含信號波達(dá)方向的信息，需要綜合起來應(yīng)用某種估計(jì)方法得到所需要的信號波達(dá)方向的估計(jì)。
設(shè)符號h(n)(m)表示經(jīng)過路徑選擇后保留下來的信道估計(jì)數(shù)據(jù)，n＝1，2，…，N保持不變，m∈∧表示路徑選擇所保留的具有足夠高信噪比的采樣時(shí)刻。
針對天線形狀不同，本發(fā)明其后的步驟也要采用不同的處理。各陣元等距離分布在圓環(huán)上的天線，即環(huán)形天線的接收信號相對于各陣元線性等距離放置的天線，即線性天線的接收信號而言，需要對信號預(yù)先進(jìn)行如下的處理假設(shè)環(huán)形天線的圓環(huán)半徑為r，載波波長λ，到達(dá)信號俯仰角可以通過估計(jì)得到，現(xiàn)假設(shè)該俯仰角θ∈
，令M為不大于min{2πr/λ，N/2}的最大整數(shù)，min{a，b}代表取a，b中較小的數(shù)，ξ＝2πr sinθ/λ；T=diag[j-MJM-1(ζ),...,j-1J1-1(ζ),J0-1(ζ),j-1J1-1(ζ),...,j-MJM-1(ζ)}VH,]]>其中，j＝ Jm(ξ)是階數(shù)為m的第一類貝舍爾函數(shù)，diag{a，b}代表主對角元素分別為a，b的對角陣，VH代表取矩陣V的共軛轉(zhuǎn)置。則(2M+1)×N的矩陣為 對環(huán)形天線接收信號所做的預(yù)處理就是對天線接收到的N×1的信道估計(jì)列向量y0(m)做如下變換y(m)＝Ty0(m)，m∈∧(1)上式中，y0(m)＝[h(1)(m)… h(N)(m)]T，上標(biāo)T代表轉(zhuǎn)置操作。變換后的等效信號列向量y(m)的元素個(gè)數(shù)為P＝2M+1，這里定義y(m)＝[x(1)(m)…√x(P)(m)]T。
考慮到上述變換，假設(shè)待處理的數(shù)據(jù)為x(n)(m)，n＝1，2，…，√P，m∈∧。對環(huán)形天線而言，P的定義如前所述；對于線性天線而言，P＝N，x(n)(m)＝h(n)(m)。在統(tǒng)計(jì)信號處理中，需要確定待估計(jì)的參數(shù)的數(shù)目，由于目前已經(jīng)有了公知的如何確定上述待估計(jì)的參數(shù)數(shù)目的方法，因此現(xiàn)假定這一數(shù)目為一個(gè)預(yù)先選好的數(shù)Np，實(shí)際中該參數(shù)可以根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況確定，也可以應(yīng)用文獻(xiàn)“現(xiàn)代信號處理”(張賢達(dá)，清華大學(xué)出版社，1995年5月第一版)中提出的信息量準(zhǔn)則法等參數(shù)方法確定。由y(m)＝[x(1)(m)…√x(P)(m)]T構(gòu)造一些新的降維信號向量，令z1(m)=[x(1)(m)...x(Np)(m)]T]]>z2(m)=[x(2)(m)...∋x(Np+1)(m)]T]]>ZP-Np+1(m)=[x(P-Np+1)(m)...x(P)(m)]T]]>按照下面的公式進(jìn)行計(jì)算瞬時(shí)相關(guān)矩陣RSS(m)=1P-Np+1Σi=1P-Np+1zi(m)zi(m)H---(2)]]>重新安排使得RSS(l)＝RSS(ml)，l＝1，2，…，且滿足l1＜l2，則 。計(jì)算R(l)＝λfR(l-1)+RSS(l)(3)其中，上式中遺忘因子λf滿足0＜λf≤1。在得到相關(guān)矩陣R(l)和瞬時(shí)相關(guān)矩陣RSS(l)的計(jì)算結(jié)果以后，可以通過以下方法計(jì)算得到需要的Np×1的參數(shù)多項(xiàng)式向量w(l)設(shè)該方法的初始條件為w(0)，殘差向量g(0)，梯度向量p(1)＝g(0)，l＝1，依次計(jì)算更新步長α(l)=ηp(l)Tg(l-1)p(l)TR(l)p(l),(λf-0.5)≤η≤λf---(4)]]>所需參數(shù)多項(xiàng)式向量更新計(jì)算為w(l)＝w(l-1)+α(l)p(l)(5)殘差向量更新公式為g(l)＝λfg(l-1)-a(l)R(l)p(l)-RSS(l)w(l-1)(6)梯度調(diào)整步長計(jì)算如下面公式為β(l)=(g(l)-g(l-1))Tg(l)g(l-1)Tg(l-1)---(7)]]>梯度向量更新計(jì)算
p(l)＝g(l)+β(l)p(l)(8)通過多次迭代計(jì)算，可以得到所需要的參數(shù)多項(xiàng)式向量w(l)=[w1w2...wNP]T.]]>最后通過所求得的向量獲得信號波達(dá)方向的估計(jì)。利用參數(shù)多項(xiàng)式向量w(l)中的Np個(gè)多項(xiàng)式參數(shù)值w1，w2，…， 構(gòu)成關(guān)于變量z的方程w1zNp-1+w2zNp-2+...+wNp=0---(9)]]>求解該方程得到Np-1個(gè)根，這些根的相角分別為φ1，φ2，…， 。對于環(huán)形天線而言，這就是需要估計(jì)的信號到達(dá)方向的方位角，單位是弧度；對于線性天線而言，所需要估計(jì)的信號到達(dá)方向角度估計(jì)可以通過如下公式計(jì)算得到θi=sin-1(λφi2πd),i=1,2,...,Np-1---(10)]]>λ同樣是載波波長，d是相鄰陣元之間的距離，sin-1(.)代表反正弦函數(shù)。
下面通過本發(fā)明應(yīng)用于TD-SCDMA(時(shí)分同步碼分多址)系統(tǒng)對本發(fā)明做進(jìn)一步描述。
在TD-SCDMA系統(tǒng)中，首先利用經(jīng)過聯(lián)合檢測后得到的信道估計(jì)信號用于波達(dá)方向的估計(jì)。假設(shè)本例中系統(tǒng)采用的是環(huán)形天線，因此需要針對上述估計(jì)信號做如下式y(tǒng)(m)＝Ty0(m)，m∈∧所述的線性變換。在本例中，本發(fā)明的具體實(shí)施過程參考圖1。在步驟1，判斷天線各陣元是等距離線性放置還是等距離放置在圓環(huán)上，由于天線個(gè)陣元不是等距離線性放置，因此繼續(xù)以下操作；在步驟2，對經(jīng)過聯(lián)合檢測后得到的信道估計(jì)信號，利用已知的或已經(jīng)估計(jì)出來的信號到達(dá)方向的俯仰角，應(yīng)用下述公式y(tǒng)(m)＝Ty0(m)，m∈∧)做線性變換，假設(shè)得到等效信號列向量為x(n)(m)，其中n＝1，2，…，7，m∈{2，3，5，7}表示路徑選擇所保留的具有足夠高信噪比的采樣時(shí)刻，即P＝7，∧＝{2，3，5，7}。在步驟3，確定要估計(jì)的參數(shù)數(shù)目Np，在此假設(shè)需要估計(jì)用戶兩個(gè)主徑信號的波達(dá)方向，則后面的計(jì)算中可以確定Np＝3。在步驟4，利用等效信號列向量為x(n)(m)構(gòu)造相應(yīng)的降維信號向量zi(m)，i＝1，2，…，5，依照公式RSS(m)=1P-Np+1Σi=1P-Np+1zi(m)zi(m)H]]>估計(jì)瞬時(shí)相關(guān)矩陣RSS(m)。在步驟5，按對應(yīng)關(guān)系n＝2→l＝1，n＝3→l＝2，n＝5→l＝3，n＝7→l＝4重新安排RSS(m)，得到RSS(l)，l＝1，2，3，4，根據(jù)公式R(l)＝λfR(l-1)+RSS(l)計(jì)算相關(guān)矩陣R(l)，R(0)可以設(shè)置為零矩陣，或者設(shè)置為在實(shí)際分配給該用戶的前一個(gè)時(shí)隙的計(jì)算中得到的相關(guān)矩陣估計(jì)值，得到需要的參數(shù)多項(xiàng)式向量w(l)=[w1w2...wNP]T]]>的估計(jì)；在參數(shù)多項(xiàng)式向量w(l)＝[w1w2w3]T的迭代估計(jì)步驟中，可以設(shè)置w(0)＝[100]T，g(0)＝[-100]T，或者如同相關(guān)矩陣一樣，設(shè)置為在實(shí)際分配給該用戶的前一個(gè)時(shí)隙的計(jì)算中得到的估計(jì)值。由于瞬時(shí)相關(guān)矩陣RSS(l)的秩不為1，因此實(shí)際的迭代計(jì)算中針對每一個(gè)l，更新步長、參數(shù)多項(xiàng)式向量更新、殘差向量更新、梯度調(diào)整步長、梯度向量更新的計(jì)算也可以迭代多次。具體估計(jì)方法如下設(shè)該方法的初始條件為w(0)＝[100]T，殘差向量g(0)＝[-100]T，梯度向量p(1)＝g(0)，l＝1，依次計(jì)算更新步長α(l)=ηp(l)Tg(l-1)p(l)TR(l)p(l),(λf-0.5)≤η≤λf]]>所需參數(shù)多項(xiàng)式向量更新計(jì)算為w(l)＝w(l-1)+α(l)p(l)殘差向量更新公式為g(l)＝λfg(l-1)-α(l)R(l)p(l)-RSS(l)w(l-1)梯度調(diào)整步長計(jì)算如下面公式為β(l)=(g(l)-g(l-1))Tg(l)g(l-1)Tg(l-1)]]>梯度向量更新計(jì)算p(l)＝g(l)+β(l)p(l)在獲得w(l)的估計(jì)以后，當(dāng)殘差向量g(l)的范數(shù)足夠小，比如小于預(yù)先設(shè)定的門限值ε＝0.01時(shí)，就可以在步驟6，利用上一步驟得到的向量所包含的多項(xiàng)式參數(shù)值w1，w2，… ，構(gòu)成如下所述的方程w1zNp-1+w2zNp-2+...▿+wNp=0,]]>通過該方程的求解，得到相角φ1，φ2，… ；由于本例中采用的是環(huán)行天線，所以在步驟6直接確認(rèn)φ1，φ2，… 為信號到達(dá)方位角。如果本例中系統(tǒng)采用線性天線進(jìn)行信號接收，則本步驟中要通過公式θi=sin-1(λφi2πd)]]>，i＝1，2，…，Np-1得到所需要估計(jì)的信號波達(dá)方向。
總之，本發(fā)明適用于需要進(jìn)行DOA估計(jì)的移動通信系統(tǒng)，可以提供方差較小的DOA估計(jì)。
權(quán)利要求
1.一種基于路徑選擇的波達(dá)方向估計(jì)方法，其特征在于，該方法包括以下步驟(1)判斷天線各陣元是等距離線性放置還是等距離放置在圓環(huán)上，如果是等距離線性放置，轉(zhuǎn)步驟(3)繼續(xù)操作，否則繼續(xù)以下操作；(2)對于環(huán)形天線，針對信道估計(jì)向量y0(m)，利用已知的或已經(jīng)估計(jì)出來的信號到達(dá)方向的俯仰角，應(yīng)用下述公式y(tǒng)(m)＝Ty0(m)，m∈∧)做線性變換，得到等效信號列向量y(m)；(3)確定要估計(jì)的參數(shù)數(shù)目Np；(4)利用等效信號列向量y(m)構(gòu)造降維信號向量zi(m)，i＝1，2，…，P-NP+1，按照公式RSS(m)=1P-Np+1Σi=1P-Np+1zi(m)zi(m)H]]>計(jì)算得到瞬時(shí)相關(guān)矩陣RSS(m)的估計(jì)；(5)重新安排上述步驟(4)計(jì)算得到的結(jié)果，根據(jù)公式R(l)＝λfR(l-1)+RSS(l)計(jì)算相關(guān)矩陣R(l)，得到需要的參數(shù)多項(xiàng)式向量w(l)=[w1w2...wNP]T]]>的估計(jì)；(6)利用上一步驟得到的向量所包含的多項(xiàng)式參數(shù)值w1，w2，…， ，構(gòu)成如下所述的方程w1zNp-1+w2zNp-2+...+wNp=0]]>，通過該方程的求解，得到相角φ1，φ2，…， (7)對于環(huán)形天線，信號到達(dá)方向方位角估計(jì)為φ1，φ2，…， ；對于線性天線，通過式θi=sin-1(λφi2πd)]]>，i＝1，2，…，Np-1得到所需要估計(jì)的信號到達(dá)方向角度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于路徑選擇的波達(dá)方向估計(jì)方法，其特征在于，所述得到需要的參數(shù)多項(xiàng)式向量w(l)=[w1w2...wNP]T]]>的估計(jì)通過下述方法得到設(shè)該方法的初始條件為w(0)，殘差向量g(0)，梯度向量p(1)＝g(0)，l＝1，依次計(jì)算更新步長α(l)=ηp(l)Tg(l-1)p(l)TR(l)p(l),(λf-0.5)≤η≤λf]]>所需參數(shù)多項(xiàng)式向量更新計(jì)算為w(l)＝w(l-1)+α(l)p(l)殘差向量更新公式為g(l)＝λfg(l-1)-α(l)R(l)p(l)-RSS(l)w(l-1)梯度調(diào)整步長計(jì)算如下面公式為β(l)=(g(l)-g(l-1))Tg(l)g(l-1)Tg(l-1)]]>梯度向量更新計(jì)算p(l)＝g(l)+β(l)p(l)通過多次迭代計(jì)算得到所需要的參數(shù)多項(xiàng)式向量w(l)=[w1w2...wNP]T.]]>
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于路徑選擇的波達(dá)方向估計(jì)方法，其特征在于，所述確定要估計(jì)的參數(shù)數(shù)目Np，可以根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況確定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于路徑選擇的波達(dá)方向估計(jì)方法，其特征在于，所述確定要估計(jì)的參數(shù)數(shù)目Np，可以應(yīng)用信息量準(zhǔn)則法確定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于路徑選擇的波達(dá)方向估計(jì)方法,該方法利用統(tǒng)計(jì)信號處理的手段,同時(shí)利用路徑選擇的結(jié)果,結(jié)合多組信道估計(jì)數(shù)據(jù),將多個(gè)時(shí)刻的信道估計(jì)數(shù)據(jù)很好地結(jié)合起來,避免了常用的FFT方法容易受噪聲影響的缺點(diǎn),提高了波達(dá)方向估計(jì)數(shù)據(jù)的信噪比以及提高了信號波達(dá)方向估計(jì)的正確性和穩(wěn)定性,從而可以改善無線通信接收的性能。
文檔編號H04B7/08GK1388655SQ0111930
公開日2003年1月1日 申請日期2001年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月26日
發(fā)明者周雷, 范濤 申請人:華為技術(shù)有限公司