專利名稱：期望信號初始doa估計、doa跟蹤及智能天線新方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信系統(tǒng)中采用陣列天線進(jìn)行接收和發(fā)射方法，尤其涉及蜂窩式移動通信領(lǐng)域在蜂窩小區(qū)基站采用智能天線技術(shù)進(jìn)行接收和發(fā)射的方法。
第一代移動通信系統(tǒng)開始于二十世紀(jì)七十年代末到八十年代初。第一代移動通信系統(tǒng)是基于模擬通信技術(shù)，所有蜂窩系統(tǒng)均采用頻率調(diào)制，而移動通信系統(tǒng)提供的服務(wù)僅為語音通信。盡管第一代移動通信系統(tǒng)在當(dāng)時發(fā)展迅速，但是它存在許多問題，如頻譜利用率低，系統(tǒng)容量小；不能提供高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)；保密性差；移動設(shè)備成本高、體積大等。
第二代移動通信系統(tǒng)主要興起于二十世紀(jì)九十年代。采用數(shù)字通信技術(shù)，開始支持?jǐn)?shù)字業(yè)務(wù)，實現(xiàn)了更好的話音質(zhì)量、加密技術(shù)和更大的系統(tǒng)容量，引入了更合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)。由于第二代移動通信系統(tǒng)的巨大成功，全球范圍內(nèi)移動通信用戶數(shù)急劇增加；另一方面在全球移動通信用戶數(shù)激增的同時，Internet也正在全球飛速發(fā)展，使移動通信技術(shù)與Internet技術(shù)結(jié)合起來，或說要求無線通信系統(tǒng)承擔(dān)更高速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)越來越成為移動用戶的迫切要求。這一切成為第三代移動通信系統(tǒng)發(fā)展的主要動力。
第三代移動通信系統(tǒng)又稱IMT-2000，其主要目標(biāo)可以概括如下在全球形成統(tǒng)一頻率、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、實現(xiàn)全球漫游并提供多種業(yè)務(wù)的服務(wù)。對IMT-2000無線傳輸技術(shù)(RTT)而言，ITU要求在市內(nèi)環(huán)境數(shù)傳碼率達(dá)到2Mbps，室外步行環(huán)境碼率達(dá)到384Kbps，室外車載臺達(dá)到144Kbps，衛(wèi)星移動環(huán)境中達(dá)到96Kbps。
移動用戶的迅猛增長和不斷提高的無線業(yè)務(wù)要求迫使現(xiàn)在的移動通信系統(tǒng)急于解決如何進(jìn)一步提高系統(tǒng)地頻譜利用率和增大系統(tǒng)容量地問題。抑制無線通信系統(tǒng)容量增大和傳輸數(shù)據(jù)率不斷提高的因素主要集中在以下幾個方面1、因頻率復(fù)用造成的共信道干擾(CCI)，采用蜂窩式的小區(qū)結(jié)構(gòu)和頻率復(fù)用技術(shù)是解決頻率資源緊張的有效方法，特別是在CDMA系統(tǒng)中，頻率復(fù)用系數(shù)可以是1，甚至在同一小區(qū)的不同扇區(qū)間采用相同的載頻，這樣必然會產(chǎn)生CCI。在CDMA系統(tǒng)中，由于不同用戶擴頻碼的非正交性或異步同樣會造成CCI。
2、多徑現(xiàn)象由于移動環(huán)境的復(fù)雜性，通常從發(fā)射機到接收機的信號包含有折射、衍射、繞射等多種信號成分，不同成分到達(dá)接收機的強度不同，時間不同，方向不同，甚至在通常情況下，發(fā)射機到接收機不存在直達(dá)波束。
3、衰落由于多徑效應(yīng)的影響，接收機收到信號的功率會隨收發(fā)信機之間的距離而存在大幅度的波動(通?？蛇_(dá)20dB)。衰落通常分為陰影衰落(慢衰落)和多徑衰落(快衰落)。慢衰落是由于遮擋效應(yīng)造成的，其信號的局部平均近似對數(shù)正態(tài)分布，而快衰落是因為接收信號分量的相位差引起的，其信號近似服從瑞利分布。實際的接收信號是由快衰落信號與慢衰落信號的乘積得到。
4、多譜勒擴展由于收發(fā)信機之間的相對運動，使得接收信號存在多普勒頻移，又由于多徑現(xiàn)象，不同的多徑分量有著不同的多普勒頻移，從而使接收信號帶寬整體被展寬。多普勒頻移的大小反映了信道特性變化的快慢，多普勒頻移越高，信道變化越快，信號的快衰落越嚴(yán)重。
5、延時擴展由于不同多徑分量的不同到達(dá)時間，造成接收信號的時域展寬。時延擴展直接造成接收信號的碼間干擾，從而決定了信道能傳輸?shù)淖罡咝盘査俾省?br> 傳統(tǒng)的對付上述問題的辦法主要包括調(diào)制解調(diào)技術(shù)、信道的編解碼技術(shù)、信道均衡技術(shù)、分集聯(lián)合技術(shù)等等，這些技術(shù)已日益成熟，對于上述問題的進(jìn)一步解決已十分困難。近年來陣列天線技術(shù)在移動通信領(lǐng)域的引入為這些問題的進(jìn)一步解決帶來了新的思路。陣列天線技術(shù)廣泛地應(yīng)用于雷達(dá)、聲納及軍事通信領(lǐng)域，它在移動通信領(lǐng)域的引入特別是在蜂窩式移動通信系統(tǒng)基站的使用為從空間角度上區(qū)分期望信號提供了可能。陣列天線技術(shù)只通過改變天線陣元的相對相位及增益實現(xiàn)對天線陣方向圖及陣元信號合成方式的靈活控制，故又稱為智能天線技術(shù)或軟件天線技術(shù)。智能天線技術(shù)與傳統(tǒng)時域信號處理技術(shù)的結(jié)合形成的空時信號處理技術(shù)在擴大小區(qū)范圍、提高系統(tǒng)容量、提高系統(tǒng)頻率使用效率、降低發(fā)射功率、減小用戶干擾等方面顯示了巨大的潛能。
智能天線的接收處理算法在很多資料、文獻(xiàn)、專利上都有討論，總體上可以分為兩類，一類是基于一定最優(yōu)準(zhǔn)則直接利用接收信號和相關(guān)的系統(tǒng)信息求出陣列處理的復(fù)數(shù)加權(quán)矢量，另一類是首先通過一定的方法估計出接收信號中期望信號的空間到達(dá)方向(Direction Of Arrival，簡稱DOA)，然后按照陣列的空間結(jié)構(gòu)形成與估計的DOA對應(yīng)的理想的陣列處理矢量。
第一類方法多數(shù)是基于接收符號的權(quán)矢量更新，因而陣列處理大大加重了基站的處理負(fù)荷。特別是許多智能天線算法在求解權(quán)矢量時需要進(jìn)行接收矢量矩陣的求逆運算(如基于MMSE準(zhǔn)則的大量算法)或干擾加噪聲矩陣的求逆運算(如基于最大信號干擾噪聲比準(zhǔn)則的大量算法)，這樣進(jìn)一步加重了基站的附加運算量。盡管一些自適應(yīng)算法如LMS算法運算量不大，但是它的收斂速度較慢，實際實現(xiàn)時步長選取不當(dāng)容易造成算法發(fā)散。第一類方法中還存在一類盲自適應(yīng)智能天線算法如恒模算法(CMA)，由于它使用了系統(tǒng)調(diào)制信號的公共特性，必須在權(quán)矢量更新過程中不斷利用正交化算法如GSO法對不同輸出斷口的權(quán)矢量進(jìn)行正交化處理，然后在陣列輸出端運用不同路信號的其它特征如在DS/CDMA系統(tǒng)中用不同用戶的擴頻碼對不同端口的信號進(jìn)行識別。盲智能天線算法如MT-LSCMA還存在一個問題就是陣列輸出端口數(shù)目受陣列陣元數(shù)的限制。整個這一類智能天線算法還存在一個穩(wěn)定性、可靠性的問題，如果因為干擾或某種原因?qū)е虏ㄊ纬善?，波束形成的接收效果會?yán)重惡化，甚至比單陣元接收效果還差。另外，由于在接收符號內(nèi)利用有限的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征矩陣的形成，基于符號的權(quán)矢量更新算法形成的波束圖通常會隨符號的不同有很大的波動(即使移動臺處于靜止?fàn)顟B(tài))，導(dǎo)致接收性能的明顯下降。
DOA跟蹤的智能天線算法分為兩個步驟，首先對期望信號的初始DOA進(jìn)行估計，然后對DOA進(jìn)行跟蹤，在對權(quán)矢量更新時，直接由當(dāng)前估計的期望期望信號DOA按陣列空間結(jié)構(gòu)形成與估計DOA對應(yīng)的理想波束形成矢量，然后又重新估計新的DOA。這種方法利用了在蜂窩移動通信系統(tǒng)中實際數(shù)據(jù)符號率通常遠(yuǎn)大于移動臺相對于基站的角度變化的特點，對多個符號采用相同的陣列權(quán)矢量進(jìn)行接收，因而相對基于符號更新權(quán)矢量的智能天線算法可以大大降低基站處理的運算量。直接權(quán)矢量形成的陣列接收算法每個數(shù)據(jù)比特都按一定的最優(yōu)準(zhǔn)則形成陣列接收權(quán)矢量，實現(xiàn)時復(fù)雜度較大。
對于DOA估計，多數(shù)資料、文獻(xiàn)上均采用通常的空間譜估計算法如多重信號分類法(MUSIC)、通過旋轉(zhuǎn)不變技術(shù)估計信號參數(shù)(ESPRIT)法等。這些算法在雷達(dá)、軍事通信等領(lǐng)域廣泛采用，但是在移動通信系統(tǒng)基站采用是不合適的。在雷達(dá)等領(lǐng)域，天線陣列相對移動通信系統(tǒng)有多得多的陣元數(shù)目，空間處理具有足夠的自由度，即滿足獨立陣元數(shù)目大于甚至遠(yuǎn)大于需要空間處理信號的數(shù)目；而在移動通信系統(tǒng)基站，由于成本的限制，陣元數(shù)通常只能取4到8個陣元，在絕大多數(shù)情況下陣元數(shù)目是小于小區(qū)或扇區(qū)內(nèi)激活用戶數(shù)目的。另外這些特征子空間分析類的DOA估計方法要求不同的空間入射信號不相關(guān)，否則首先需要進(jìn)行去相關(guān)處理，從而進(jìn)一步降低了陣列的有效陣元數(shù)目，這對陣元數(shù)目本來很少的移動通信基站是很難接受的，而且通常情況下移動通信環(huán)境存在許多相關(guān)的多經(jīng)分量。W.G.Hou等提出了在角度空間逐比特搜索的DOA估計方法(W.G.Hou，etc.Interference suppression receiver with adaptiveantenna array for code division multiple access communication system.VTC2000 fall.Boston，Ma USA.)，然而逐位迭代時，為了反映DOA隨比特的變化，迭代步長必須很小，迭代步長很小時，確定的初始DOA與迭代初值有很大關(guān)系，這樣很容易收斂到陣列方向圖的一個局部極大值(即方向圖的一個副瓣)上去(即初值靠近一個局部極大值)，從而導(dǎo)致錯誤的DOA跟蹤。而且沒有先驗知識很難估計應(yīng)采用的步長。
對于DOA的跟蹤，W.G.Hou等采用固定步長的嘗試法，也就是以一定的固定步長，將當(dāng)前DOA左右的角度所對應(yīng)的權(quán)矢量均用來進(jìn)行期望信號的接收，根據(jù)輸出的大小來判斷DOA向哪個方向改變。雖然該方法看上去簡略，但是在對DOA要求不是十分精確的移動通信環(huán)境還是比較實用的，其主要優(yōu)點是運算量比較小，穩(wěn)定，不存在收斂問題，如果跟蹤比較準(zhǔn)確(陣列方向圖主瓣3dB以內(nèi))，期望信號可以得到比DOA不在主瓣內(nèi)的干擾得到8到9個dB的增強(半波長間距6陣元均勻線性陣ULA)。但是由于基站事先對移動臺的角速度并無任何先驗信息可以利用，如果采用固定步長Δθ，為了保證陣列波束的掃描速度跟蹤得上移動臺的角速度變化，必需將Δθ取得較大，這樣必然會帶來比較大的DOA估計偏差。
本發(fā)明的解決方案期望信號初始DOA估計方法包括步驟根據(jù)基站采用的陣元數(shù)目確定覆蓋智能天線對應(yīng)的扇區(qū)所需的初始定位區(qū)域數(shù)；利用每一初始定位區(qū)域相應(yīng)定位角對應(yīng)的權(quán)矢量分別對接收信號進(jìn)行加權(quán)處理，并用加權(quán)處理后的權(quán)矢量分別對陣列接收信號進(jìn)行解調(diào)；
將解調(diào)的輸出值排序，根據(jù)排序結(jié)果確定期望用戶的初始DOA。
期望信號DOA的跟蹤方法包括步驟1)建立一緩存器，并確定緩存器的長度、期望信號DOA值的更新周期及初始跟蹤步長；2)利用當(dāng)前期望信號DOA值和跟蹤步長構(gòu)造兩個權(quán)矢量；3)計算更新周期內(nèi)該兩權(quán)矢量的接收結(jié)果，并根據(jù)該結(jié)果確定新的期望信號DOA值；4)將新的期望信號DOA值的增量移入緩存器，并判斷緩存器是否已滿，如果緩存器未滿則轉(zhuǎn)步驟2)，否則進(jìn)行下步；5)根據(jù)緩存器的狀態(tài)確定跟蹤步長，然后轉(zhuǎn)步驟2)。
智能天線新方法包括期望信號初始DOA估計和期望信號DOA跟蹤；所述期望信號初始DOA估計包括下述步驟1)根據(jù)基站采用的陣元數(shù)目確定覆蓋智能天線對應(yīng)的扇區(qū)所需的初始定位區(qū)域數(shù)；2)利用每一初始定位區(qū)域相應(yīng)定位角對應(yīng)的權(quán)矢量分別對接收信號進(jìn)行加權(quán)處理，并用加權(quán)處理后的權(quán)矢量分別對陣列接收信號進(jìn)行解調(diào)；3)將解調(diào)的輸出值排序，根據(jù)排序結(jié)果確定期望用戶的初始DOA。
所述期望信號DOA跟蹤包括下述步驟a)建立一緩存器，并確定緩存器的長度、期望信號DOA值的更新周期及初始跟蹤步長；b)利用當(dāng)前期望信號DOA值和跟蹤步長構(gòu)造兩個權(quán)矢量；c)計算更新周期內(nèi)該兩權(quán)矢量的接收結(jié)果，并根據(jù)該結(jié)果確定新的期望信號DOA值；d)將新的期望信號DOA值的增量移入緩存器，并判斷緩存器是否已滿，如果緩存器未滿則轉(zhuǎn)步驟b)，否則進(jìn)行下步；e)根據(jù)緩存器的狀態(tài)確定跟蹤步長，然后轉(zhuǎn)步驟b)。
采用本發(fā)明所述的期望信號初始DOA估計新方法消除了DOA估計時因初值選取不當(dāng)而收斂到陣列方向圖副瓣的危險；而自適應(yīng)步長DOA跟蹤法可以根據(jù)移動臺對基站的角速度動態(tài)調(diào)整DOA跟蹤的步長，解決了當(dāng)固定步長較小時算法跟蹤不上移動臺運動角速度的危險，當(dāng)跟蹤步長較大時給DOA跟蹤帶來很大的估計誤差的缺點。


圖1是一個蜂窩小區(qū)基站采用智能天線技術(shù)進(jìn)行收發(fā)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明提出的基于DOA跟蹤的智能天線方法的系統(tǒng)流程圖。
圖3是采用本發(fā)明提出的初始DOA估計方法的處理示意圖。
圖4是采用固定步長DOA跟蹤的均方誤差圖。
圖5是采用固定步長和自適應(yīng)步長DOA跟蹤的效果比較圖。
為了討論方便，首先將原DOA跟蹤方法說明如下假設(shè)系統(tǒng)為處于加性高斯信道的同步DS-CDMA系統(tǒng)，考慮一個蜂窩小區(qū)內(nèi)的一個扇區(qū)的接收處理。假設(shè)每個扇區(qū)內(nèi)采用有N個天線陣元的均勻線性陣列(ULA)，該扇區(qū)內(nèi)共有M個激活用戶，系統(tǒng)的處理增益為P。假設(shè)扇區(qū)內(nèi)M個用戶對基站天線陣均為遠(yuǎn)場信號源，則基站天線陣第k個陣元在t時刻(第i個用戶第j個信源符號)的接收信號為xk=Σi=1M2Eibi(j)ci((j-1)P+l)ak(θi)+nk(t),k=1,...,N]]>其中Ei表示第i個用戶的信源符號進(jìn)行擴頻后每個擴頻碼片(chip)的能量；bi(j)表示第i個用戶第j個信源符號的值，為+1或-1；ci((j-1)P+l)，l＝1，...，P表示第i個用戶第j個信源符號的第1個擴頻碼片；ak(θi)表示第i個期望信號對基站天線陣的方向矢量a(θi)的第k個分量，其中a(θi)=[1,ejφ,ej2φ,...,ej(N-1)φ]T.φ=dsin(θi)λ2π,]]>d為ULA陣元間距，λ為載波波長；nk(t)表示第k個陣元上的加性高斯白噪聲。則X(j)=[x1(j),x2(j),...,xN(j)]T=Σi=1M2Ekbi(j)ci((j-1)P+l)ak+n(j).]]>表示整個陣列一個快拍的輸出。設(shè)第i個用戶的接收權(quán)矢量為Wi＝[wi1，wi2，...，wiN]T.則第i個用戶的陣列輸出信號為Yi(j)=Σk=1Nwikxk(j)=WiHX(j).]]>Yi(j)用于進(jìn)行第i個期望信號的解擴。對Yi(j)直接匹配濾波得到Zi(j)=Σl=1Pci((j-1)P+l)·Yi(j).]]>Zi(j)即為第i個用戶第j個比特的判決變量。在進(jìn)行陣列處理時，就是要盡可能準(zhǔn)確地估計ai(j)或θi，從而使接收陣列的方向圖主瓣對準(zhǔn)期望用戶的DOA，利用相對較低的副瓣實現(xiàn)對干擾期望信號的抑制。
此處對本發(fā)明提出的初始DOA估計技術(shù)方案進(jìn)行描述由于該方法在時間T內(nèi)均采用相同的接收矢量，所以這僅是一種次最優(yōu)接收方法。只要保證期望用戶位于波束主瓣的3dB帶寬以內(nèi)，就認(rèn)為實現(xiàn)了對期望期望信號DOA的跟蹤。當(dāng)ULA陣元數(shù)N為6時，主瓣對副瓣大約有12dB的增益，即使期望用戶的實際DOA位于3dB帶寬的邊緣，對DOA位于副瓣內(nèi)的干擾用戶，期望用戶仍大約能保持9dB的天線增益。
由于半波長間距的ULA的主瓣3dB寬度約為BW0.5＝100/(N-1)度，這時可以預(yù)先將120o扇區(qū)均勻分為120/BW0.5＝1.2(N-1)區(qū)間，例如當(dāng)N＝6時，一個扇區(qū)分為彼此不相交的每個寬度為20o的6個扇形區(qū)域，設(shè)θ01，...θ06分別表示6個區(qū)域的中心角度。在初始定位期間，將6個中心角度對應(yīng)的權(quán)值都用來解調(diào)，輸出較大的那個區(qū)定位移動臺存在的區(qū)域，并以該區(qū)的中心角作為移動臺的初始DOA。如果區(qū)域判斷正確，期望用戶一定位于初始DOA所對應(yīng)波束主瓣的3dB帶寬以內(nèi)。
在按上述方法進(jìn)行初始定位時，為了提高初始定位的精確度，可以進(jìn)一步考慮以下問題初始DOA定位的平均接收長度不能太短，當(dāng)然在這個接收長度內(nèi)，移動臺的DOA只能有很小的變化。例如取幾百個比特(通常幾個ms)。
利用系統(tǒng)的扇區(qū)切換信息。當(dāng)移動臺從一個扇區(qū)剛切換到另一個扇區(qū)時，可以很容易地確定移動臺的初始位置在該扇區(qū)的第一或第六個初始定位區(qū)域。
當(dāng)移動臺位于某個定位區(qū)域的邊緣時，由于多徑效應(yīng)的影響，相鄰兩個區(qū)域接收權(quán)矢量對應(yīng)的輸出可能都很強，這時將初始DOA定為這兩個區(qū)域的交界(兩個中心角的平均)無疑是更準(zhǔn)確的定位。所以本文在進(jìn)行初始DOA估計時，首先將各區(qū)域的輸出Ai，i＝1，...6進(jìn)行排序，假設(shè)A1＞A2＞...＞A6，然后進(jìn)行如下判斷A1A2≥β*A2A3]]>如果上式成立，可以將期望用戶的初始DOA定為A1對應(yīng)的區(qū)域的中心角，否則將期望用戶的初始DOA定為A1、A2所對應(yīng)的定位區(qū)域的交界處。β為一個可以調(diào)節(jié)的與系統(tǒng)所處環(huán)境相關(guān)的系數(shù)，通常情況下β取1，在多徑數(shù)目較多的密集城區(qū)β取值大于1，在多徑數(shù)目較少的郊區(qū)β取值小于1，具體取值可由所處環(huán)境測量統(tǒng)計值估計。這樣在前述定位復(fù)雜度不變的情況下，實際上將120o扇區(qū)分成了11個初始定位區(qū)域。
不失一般性，假設(shè)所有移動臺在小區(qū)內(nèi)均勻分布，同樣在每個初始定為區(qū)域內(nèi)也為均勻分布，這樣如果直接按每扇區(qū)6個初始定位區(qū)域定位，則初始定位的均方根誤差為 若利用上式再對初始定位區(qū)域的交界處進(jìn)行進(jìn)一步的劃分，此時初始定位的均方根誤差為 由于6陣元半波長ULA的3dB主瓣寬度約為20°，所以對初始定位細(xì)化后的精度2.89°應(yīng)該足以滿足將移動臺初始定位到主瓣3dB以內(nèi)的要求。
下面對本發(fā)明提出的自適應(yīng)步長DOA跟蹤方法的技術(shù)方案進(jìn)行描述因為基站事先對移動臺的角速度并無任何先驗信息可以利用，如果采用固定步長Δθ，為了保證陣列波束的掃描速度跟蹤得上移動臺的角速度變化，必需將Δθ取得較大，這樣必然會帶來比較大的DOA估計偏差，為了減小DOA估計的偏差，本發(fā)明設(shè)計了一種簡單的自適應(yīng)步長調(diào)節(jié)方法如下。
當(dāng)陣列波束對移動臺的DOA處于良好的跟蹤狀態(tài)時，DOA跟蹤的當(dāng)前值θcur應(yīng)在實際的DOA左右跳變，即θcur交替取θcur+Δθ、θcur-Δθ。當(dāng)陣列波束對移動臺處于跟蹤失敗狀態(tài)時，θcur會長時間超出或者低于實際的DOA。本發(fā)明設(shè)計一個長度為SL的先進(jìn)先出(FIFO)的緩存器，用于記錄連續(xù)的SL個θcur值的增量，每次進(jìn)行θcur更新時，判斷當(dāng)前存儲的SL個θcur的增量，如果連續(xù)SL個θcur增量的符號均為正(或負(fù))，說明按照當(dāng)前的步長Δθ，陣列波束跟蹤不上移動臺的角速度變化，這時Δθ增大1dB；如果連續(xù)的SL個相鄰θcur增量的符號彼此異號，說明步長Δθ可能偏大，這時可以減小步長Δθ1dB。這樣Δθ一直在檢測與調(diào)整之中，如果Δθ偏大或偏小，幾個DOA估計周期T后就能得到校正。
當(dāng)然每次步長變化的幅度可以由系統(tǒng)具體情況而改變，通常情況下1dB或2dB是足夠了的。為了避免過量步長調(diào)整，或者說為了排除已經(jīng)使用過的θcur對步長調(diào)整的影響，在每次步長增大或減小調(diào)整之后將FIFO緩存器清空，然后等緩存器滿后重新開始檢查緩存狀態(tài)。
從直觀上看，SL越長，越能反映當(dāng)前步長是否合適，但是越長的SL產(chǎn)生的調(diào)整滯后越大；但是過短的SL又很難反映當(dāng)前步長的特性，特別是當(dāng)步長過大時，必需通過DOA增量的符號反復(fù)才能看出來。從這一點上看，SL最短要取3或者4，5是比較合適的。一般在迭代初期，由于步長是隨機取的，所以步長應(yīng)該調(diào)整快一些，SL應(yīng)取短一點如取5，當(dāng)步長穩(wěn)定后，可以稍稍延長一點，如取到7。
假定在WCDMA系統(tǒng)中應(yīng)用該方法，每(10ms)更新一次θcur，SL取5，每次步長的調(diào)整量為1dB。如果初始跟蹤步長Δθ與實際移動臺的移動角速度相差很大，需要連續(xù)增加(或減小)Δθ，那么1秒鐘時間內(nèi)Δθ可以變化20dB，這么快的變化速度不當(dāng)?shù)摩う瘸踔翟诤芏痰臅r間內(nèi)可以得到校正。例如Δθ初始定為0.01，即可以跟蹤的最大移動臺角速度為1°/s，而實際移動臺的移動角速度為3°/s，則Δθ需要5dB的增大調(diào)整，SL為5時，完成5dB的調(diào)整需要250ms。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的解釋參見圖1，圖中示出了一個使用三扇區(qū)結(jié)構(gòu)的蜂窩小區(qū)內(nèi)其中一扇區(qū)的智能天線的使用示意圖。從天線陣元引下的信號先利用功能塊100進(jìn)行前端的濾波、變頻等處理，然后不同的激活用戶對應(yīng)不同的接收處理通道，例如激活用戶1的接收通道為120，在每個用戶的接收通道中接收信號經(jīng)過陣列加權(quán)110(波束形成)進(jìn)行空間加權(quán)及合并，不同用戶的接收通道利用一定的陣列接收算法130和該接收通道的解調(diào)信息獨立形成該通道的陣列加權(quán)矢量。
參見圖2，圖2給出了本發(fā)明提出的基于DOA跟蹤的智能天線方法的系統(tǒng)流程圖。首先應(yīng)該根據(jù)陣元數(shù)目及陣列空間結(jié)構(gòu)確定覆蓋扇區(qū)需要多少個初始定位區(qū)域(圖中假定初始定位區(qū)域數(shù)為6)，并確定每個定位區(qū)域中心角對應(yīng)的理想陣列處理權(quán)矢量。并利用這些權(quán)矢量對陣列接收信號分別進(jìn)行解調(diào)，從而判斷期望用戶位于哪個定位區(qū)域，然后利用前面描述的方法對期望用戶的初始DOA估計進(jìn)行優(yōu)化處理并確定用戶當(dāng)前DOA，即θcur。DOA跟蹤時先設(shè)定DOA更新的周期T，緩存器長度SL，并設(shè)定初始步長Δθ，由于采用自適應(yīng)步長更新，Δθ的初始值只要不太大或太小，對跟蹤影響不大。然后將FIFO緩存器清零，利用當(dāng)前θcur和Δθ構(gòu)造兩個可能的接收權(quán)矢量進(jìn)行接收，時間長度為T，并利用T時間內(nèi)的接收結(jié)果平均確定新的DOA以更新θcur，θcur的增量移入FIFO緩存器。如果緩存器已滿，判斷緩存器的值是否同符號，若同符號說明當(dāng)前步長Δθ太小，Δθ增大1dB，并將緩存器清零，繼續(xù)循環(huán)。如果緩存器的相鄰值彼此異號，說明Δθ可能偏大，將Δθ減小1dB，并將緩存器清零，繼續(xù)循環(huán)。
參見圖3，圖3示出了以基站采用半波長間距6陣元ULA為例的初始DOA估計的示意圖。同樣首先對陣元信號利用功能塊100進(jìn)行射頻前端處理并變頻到基帶，然后利用已知的6個初始定位區(qū)域的中心角對應(yīng)的權(quán)矢量310到360對接收信號進(jìn)行分別解調(diào)，解調(diào)時間可以與DOA更新時間T相同或稍長，對解調(diào)結(jié)果按本說明書前面描述的方法利用功能塊370進(jìn)行比較并優(yōu)化，然后輸出對期望期望信號DOA的初始估計值。
參見圖4，圖4是對固定步長DOA跟蹤法的DOA估計誤差的一個定量仿真結(jié)果。以DS/CDMA系統(tǒng)為例，蜂窩小區(qū)內(nèi)一個扇區(qū)采用ULA，陣元數(shù)N為6，移動臺在擴頻增益P為32時，從扇區(qū)的-50°到50°連續(xù)運動，每發(fā)射1000比特對基站的角速度變化1°，DOA跟蹤步長Δθ從2°變化到10°。不同Δθ下的DOA估計的均方誤差(MSE)如圖4所示。從圖4可明顯看出，隨著DOA估計步長Δθ的增大，DOA估計的MSE單調(diào)增大，當(dāng)Δθ達(dá)到BW0.5的一半10°時，MSE為7，盡管仍然處于接收波束主瓣的3dB帶寬以內(nèi)，但是已存在較大的偏差。如果跟蹤步長小于移動臺對基站的角速度，則形成的波束跟蹤不上移動臺的移動，導(dǎo)致跟蹤失敗。
參見圖5，圖5示出了采用不同固定DOA跟蹤步長和自適應(yīng)跟蹤步長的跟蹤效果比較圖。同樣采用了DS/CDMA系統(tǒng)，期望用戶從-50°到50°勻速運動，每發(fā)射1000個比特其DOA變化2°，扇區(qū)內(nèi)共有20個激活用戶，干擾用戶的方向隨機產(chǎn)生，跟蹤結(jié)果如圖5所示。圖中(a)、(b)、(c)分別表示Δθ取1°、2°、10°的情況，(d)表示自適應(yīng)步長時的情況，“tracel”表示陣列的實際指向，“trace2”表示移動臺DOA的變化軌跡，表示成邊為從-50°到50°的正方形的對角線。從圖5可以明顯看出采用固定步長，若Δθ取得合適如圖5-(b)，陣列波束520可以很好地跟蹤期望期望信號DOA的變化，然而當(dāng)Δθ太小如圖5-(a)，陣列波束510一直跟不上移動臺的實際運動角速度而導(dǎo)致DOA跟蹤失敗，Δθ太大如圖5-(c)，陣列波束530盡管在實際移動臺運動軌跡上下變動，但是會產(chǎn)生很大的DOA估計偏差。當(dāng)采用自適應(yīng)Δθ時，如圖5-(d)，DOA跟蹤步長可以自動調(diào)整，此時陣列波束540對移動臺運動DOA軌跡的跟蹤與Δθ的初始取值關(guān)系不大，從而一方面可以保證對期望期望信號DOA的跟蹤又能保持較小的估計偏差。
本發(fā)明所述方法雖然一直以DS/CDMA系統(tǒng)為例進(jìn)行闡述，但是完全可以稍作修改應(yīng)用于TDMA或FDMA移動通信系統(tǒng)，但該種改變修改并不脫離本發(fā)明的精神。
權(quán)利要求
1.一種期望信號初始DOA估計方法，其特征在于包括以下步驟根據(jù)基站采用的陣元數(shù)目確定覆蓋智能天線對應(yīng)的扇區(qū)所需的初始定位區(qū)域數(shù)；利用每一初始定位區(qū)域相應(yīng)定位角對應(yīng)的權(quán)矢量分別對接收信號進(jìn)行加權(quán)處理，并用加權(quán)處理后的權(quán)矢量分別對陣列接收信號進(jìn)行解調(diào)；將解調(diào)的輸出值排序，根據(jù)排序結(jié)果確定期望信號的初始DOA。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于根據(jù)排序結(jié)果將最大解調(diào)結(jié)果對應(yīng)的初始定位區(qū)域的定位角確定為期望的初始DOA。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于根據(jù)排序結(jié)果對關(guān)系式A1A2≥β*A2A3]]>進(jìn)行判斷；如果判斷為真，即關(guān)系式成立，則將A1對應(yīng)的初始定位區(qū)域的定位角確定為期望信號的初始DOA；如果判斷為假，即關(guān)系式不成立，則將A1和A2所對應(yīng)區(qū)域的交界處確定為期望信號的初始DOA；其中A1、A2和A3表示排序后三個最大的值且A1＞A2＞A3，β為一個可以調(diào)節(jié)的與系統(tǒng)所處環(huán)境相關(guān)的系數(shù)，取值可由所處環(huán)境測量統(tǒng)計值估計。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的方法，其特征在于所述的定位角為初始定位區(qū)域的中心角。
5.如權(quán)利要求1、2或3所述的方法，其特征在于所述的定位角為初始定位區(qū)域中心角附近的角度。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于對接收信號進(jìn)行處理前還包括對接收信號進(jìn)行濾波和變頻處理。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于權(quán)矢量對陣列接收信號進(jìn)行解調(diào)的時間與期望信號DOA更新的時間相同或稍長。
8.一種期望信號DOA的跟蹤方法，其特征在于包括以下步驟1)建立一緩存器，并確定緩存器的長度、期望信號DOA值的更新周期及初始步長；2)利用當(dāng)前期望信號DOA值和步長構(gòu)造兩個權(quán)矢量；3)計算更新周期內(nèi)該兩權(quán)矢量的接收結(jié)果，并根據(jù)該結(jié)果確定新的期望信號DOA值；4)將新的期望信號DOA值的增量移入緩存器，并判斷緩存器是否已滿，如果緩存器未滿則轉(zhuǎn)步驟2)，否則進(jìn)行下步；5)根據(jù)緩存器的狀態(tài)確定步長，然后轉(zhuǎn)步驟2)。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于步驟2)所述的兩個權(quán)矢量按下述公式構(gòu)造w1m=1Ne-j2πλmdsin(θcur-Δθ),m=0,1,...,N-1.]]>w2m=1Ne-j2πλmdsin(θcur+Δθ),m=0,1,...,N-1.]]>其中W1m、W2m表示兩個矢量，θcur為期望信號當(dāng)前的DOA值，Δθ為當(dāng)前步長。
10.如權(quán)利要求8或9所述的方法，其特征在于步驟3)包括下述步驟1)按公式Y(jié)1=1LΣl=0L-1|W1X|]]>Y2=1LΣl=0L-1|W2X|]]>計算兩權(quán)矢量的接收結(jié)果；2)按公式 更新期望信號DOA值；其中T為期望信號DOA的更新周期，L為時間T內(nèi)的比特數(shù)，W1、W2分別表示由w1m，w2m，m＝0，...，N-1組成的矢量，X表示陣列陣元接收的空間信號，Y1，Y2分別表示用W1、W2接收時陣列的輸出信號，θcur(i)為期望信號當(dāng)前的DOA值，θcur(i+1)為更新后的期望信號DOA值。
11.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述的緩存器為先進(jìn)先出(FIFO)緩存器。
12.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于步驟5)所述的確定步長包括步驟1)對緩存器中增量值的符號進(jìn)行判斷，如果同符號則將當(dāng)前步長增大；如果相鄰值彼此異號則將當(dāng)前步長減?。?)將緩存器置零。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于跟蹤步長增大或減小的幅度為1～2dB，或由系統(tǒng)具體情而改變。
14.一種基于期望信號DOA跟蹤的智能天線新方法，包括期望信號初始DOA估計和期望信號DOA跟蹤，其特征在于所述期望信號初始DOA估計包括下述步驟1)根據(jù)基站采用的陣元數(shù)目確定覆蓋智能天線對應(yīng)的扇區(qū)所需的初始定位區(qū)域數(shù)；2)利用每一初始定位區(qū)域相應(yīng)定位角對應(yīng)的權(quán)矢量分別對接收信號進(jìn)行加權(quán)處理，并用加權(quán)處理后的權(quán)矢量分別對陣列接收信號進(jìn)行解調(diào)；3)將解調(diào)的輸出值排序，根據(jù)排序結(jié)果確定期望信號的初始DOA。所述期望信號DOA跟蹤包括下述步驟a)建立一緩存器，并確定緩存器的長度、期望信號DOA值的更新周期及初始步長；b)利用期望信號當(dāng)前的DOA值和步長構(gòu)造兩個權(quán)矢量；c)計算更新周期內(nèi)該兩權(quán)矢量的接收結(jié)果，并根據(jù)該結(jié)果確定新的期望信號DOA值；d)將新的期望信號DOA值的增量移入緩存器，并判斷緩存器是否已滿，如果緩存器未滿則轉(zhuǎn)步驟b)，否則進(jìn)行下步；e)根據(jù)緩存器的狀態(tài)確定步長，然后轉(zhuǎn)步驟b)。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于步驟3)是指根據(jù)排序結(jié)果將最大解調(diào)結(jié)果對應(yīng)的初始定位區(qū)域的定位角確定為期望信號的初始DOA。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于步驟3)是指根據(jù)排序結(jié)果對關(guān)系式A1A2≥β*A2A3]]>進(jìn)行判斷；如果判斷為真，即關(guān)系式成立，則將A1對應(yīng)的初始定位區(qū)域的定位角確定為期望信號的初始DOA；如果判斷為假，即關(guān)系式不成立，則將A1和A2所對應(yīng)區(qū)域的交界處確定為期望信號的初始DOA；其中A1、A2和A3表示排序后三個最大的值且A1＞A2＞A3，β為一個可以調(diào)節(jié)的與系統(tǒng)所處環(huán)境相關(guān)的系數(shù)，取值可由所處環(huán)境測量統(tǒng)計值估計。
17.如權(quán)利要求14、15或16所述的方法，其特征在于所述的定位角為初始定位區(qū)域的中心角。
18.如權(quán)利要求14、15或16所述的方法，其特征在于所述的定位角為初始定位區(qū)域中心角附近的角度。
19.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于步驟2)對接收信號進(jìn)行處理前還包括對接收信號進(jìn)行濾波和變頻處理。
20.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于步驟2)中權(quán)矢量對陣列接收信號進(jìn)行解調(diào)的時間與期望信號DOA更新的時間相同或稍長。
21.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于步驟b)所述的兩個權(quán)矢量按下述公式構(gòu)造w1m=1Ne-j2πλmdsin(θcur-Δθ),m=0,1,...,N-1.]]>w2m=1Ne-j2πλmdsin(θcur+Δθ),m=0,1,...,N-1.]]>其中W1m、W2m表示兩個矢量，θcur為期望信號當(dāng)前DOA值，Δθ為當(dāng)前步長。
22.如權(quán)利要求14或21所述的方法，其特征在于步驟c)包括下述步驟1)按公式Y(jié)1=1LΣl=0L-1|W1X|]]>Y2=1LΣl=0L-1|W2X|]]>計算兩權(quán)矢量的接收結(jié)果；2)按公式 更新期望信號DOA值；其中T為期望信號DOA的更新周期，L為時間T內(nèi)的比特數(shù)，W1、W2分別表示由w1m，w2m，m＝0，...，N-1組成的矢量，X表示陣列陣元接收的空間信號，Y1，Y2分別表示用W1、W2接收時陣列的輸出信號，θcur(i)為期望信號當(dāng)前的DOA值，θcur(i+1)為更新后的期望信號DOA值。
23.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于所述的緩存器為先進(jìn)先出(FIFO)緩存器。
24.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于步驟e)所述的確定步長包括步驟1)對緩存器中增量值的符號進(jìn)行判斷，如果同符號則將當(dāng)前步長增大；如果相鄰值彼此異號則將當(dāng)前步長減??；2)將緩存器置零。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于步長增大或減小的幅度為1～2dB。
全文摘要
本發(fā)明公開了期望信號初始DOA估計、DOA跟蹤及智能天線新方法，初始DOA估計包括步驟根據(jù)基站采用的陣元數(shù)目確定覆蓋智能天線對應(yīng)的扇區(qū)所需的初始定位區(qū)域數(shù)；利用始定位區(qū)域中心角對應(yīng)的權(quán)矢量分別對接收信號進(jìn)行加權(quán)處理，用權(quán)矢量分別對陣列接收信號進(jìn)行解調(diào)和排序，根據(jù)排序結(jié)果確定初始DOA。DOA跟蹤包括步驟建立一緩存器，并確定緩存器的長度、期望信號DOA值的更新周期及初始步長；利用當(dāng)前DOA值和步長構(gòu)造兩個權(quán)矢量；計算更新周期內(nèi)該兩權(quán)矢量的接收結(jié)果，并根據(jù)該結(jié)果確定新的期望信號DOA值；將DOA值的增量移入緩存器，并緩存器的狀態(tài)確定跟蹤步長。智能天線新方法包括所述期望信號初始DOA估計和期望信號DOA跟蹤。本發(fā)明適用于TDMA、FDMA和CDMA等系統(tǒng)。
文檔編號H04W88/08GK1474616SQ0310120
公開日2004年2月11日 申請日期2003年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月8日
發(fā)明者張華 , 林朝輝 申請人:深圳市中興通訊股份有限公司上海第二研究所, 華為技術(shù)有限公司