專利名稱：盲目適應(yīng)波束形成技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種智能型天線系統(tǒng)，特別地涉及一種用于諸如WCDMA和CDMA-2000的無(wú)線通信系統(tǒng)的智能型天線系統(tǒng)中的增強(qiáng)的盲自適應(yīng)波束形成技術(shù)。
智能天線系統(tǒng)通常與基站共址，其將天線陣與數(shù)字信號(hào)處理能力結(jié)合起來(lái)，以便能以自適應(yīng)的、空間敏感的方式發(fā)送和接收。換言之，該系統(tǒng)能夠根據(jù)所在的信號(hào)環(huán)境自動(dòng)地變換它的輻射圖的定向。這樣就可以明顯地提高無(wú)線系統(tǒng)的性能特征(如容量)。
自適應(yīng)波束形成天線系統(tǒng)是所述智能型天線系統(tǒng)中的一種。
自適應(yīng)天線技術(shù)代表了目前最先進(jìn)的智能型天線方案。自適應(yīng)系統(tǒng)使用了各種新的信號(hào)處理算法，它的優(yōu)勢(shì)在于其能夠有效地定位和跟蹤各種類型的信號(hào)，以動(dòng)態(tài)地使干擾達(dá)到最小，使預(yù)定的信號(hào)接收達(dá)到最大。
在自適應(yīng)天線系統(tǒng)中，通過(guò)用于控制各種復(fù)雜運(yùn)行條件的組合的先進(jìn)的技術(shù)(算法)提高了基本的信號(hào)處理能力。典型地，將來(lái)自空間分布的天線單元的接收的信號(hào)乘以一個(gè)加權(quán)矢量，對(duì)幅度和相位進(jìn)行復(fù)合的調(diào)整。將這些信號(hào)組合，產(chǎn)生天線陣的輸出。自適應(yīng)算法根據(jù)預(yù)先確定的目標(biāo)控制加權(quán)矢量。這些動(dòng)態(tài)的計(jì)算使系統(tǒng)能夠改變其輻射方向圖，以使信號(hào)的接收最佳化。
自適應(yīng)波束形成算法分為基于定方的波束成形、基于訓(xùn)練序列的波束成形和盲波束形成算法。
所述基于定方的波束形成算法檢測(cè)來(lái)自移動(dòng)終端的信號(hào)的各種到達(dá)角度，以形成最佳的波束方向圖。但是，該算法要求陣列校準(zhǔn)具有高的精確度，因此在無(wú)線通信系統(tǒng)中有限制地使用。
所述基于訓(xùn)練序列的波束形成算法使用基準(zhǔn)信號(hào)(訓(xùn)練信號(hào))來(lái)估算加權(quán)矢量，以便根據(jù)加權(quán)矢量形成波束方向圖。
最后，所述盲波束形成算法的特征在于，在加權(quán)矢量的估算中無(wú)需使用基準(zhǔn)(訓(xùn)練)信號(hào)。
本發(fā)明的波束形成算法屬于盲波束形成算法。
已研究和開(kāi)發(fā)了很多的用于形成最佳波束方向圖的波束形成算法。Seungwon Chui et.al.開(kāi)發(fā)了一種自適應(yīng)的波束形成算法(Seungwon Choi和Donghee Shim的“一種用于CDMA移動(dòng)通信環(huán)境中的智能型天線系統(tǒng)的新的自適應(yīng)波束形成算法”，IEEE Trans.OnVehicular Technology，Vol.49，No.5 pp1793-1806，2000年9月)，它的特征在于將信噪比最大(SNR)，而不是使信號(hào)與干擾加上噪音的比(SINR)最大。但是，該波束成形算法在高能量干擾的環(huán)境中不能很好地工作，因?yàn)樵摬ㄊ尚嗡惴ㄊ筍NR最大。
Donghee Shim et.al.開(kāi)發(fā)了另一個(gè)波束成形算法(Donghee Shim，F(xiàn)akhrul Alam和Jeongho Kim的“采用盲自適應(yīng)算法的智能型天線系統(tǒng)的性能分析”，VT MPRG workshop，2001)，它的特征在于，根據(jù)自相關(guān)矩陣的倒置使SINR最大。但是，由于該波束形成算法在更新加權(quán)矢量的等式中使用近似值，因此可對(duì)系統(tǒng)的性能造成不利影響。
本發(fā)明的目的是提供一種自適應(yīng)的波束形成方法，在寬帶碼分多址(WCDMA)、CDMA-2000等的智能型天線系統(tǒng)中使用梯度搜索算法將SINR作為性能數(shù)據(jù)，使SINR最大。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的自適應(yīng)波束形成方法包括以下步驟設(shè)置初始加權(quán)矢量，根據(jù)新的信號(hào)的矢量計(jì)算各種矢量和/或標(biāo)量的值，使用新信號(hào)的矢量和標(biāo)量的值在梯度搜索方法中更新加權(quán)矢量，使加權(quán)矢量歸一化，并基于更新的加權(quán)矢量形成最佳波束的方向圖。
根據(jù)以下cost函數(shù)的最大，將所述加權(quán)矢量設(shè)置為使SINR最大J(wk,pλ)=wk,pHRsswk,p+λ(1-wk,pHRuuwk,p)]]>其中H是復(fù)共軛轉(zhuǎn)置矩陣(厄密共軛算子)，λ是拉格朗日算子，Wk，p是第k個(gè)用戶終端的第p個(gè)多路徑信號(hào)的加權(quán)矢量，Rss是所需信號(hào)的自協(xié)方差矩陣，以及Ruu是不需要信號(hào)的自協(xié)方差矩陣，即干擾信號(hào)和噪聲的和(u)。
所述梯度搜索方法由下列等式構(gòu)成wk,p(m+1)=wk,p(m)+12μ▿w]]>=wk,p(m)+μ(Rss(m)wk,p(m)-λ(m)Ruu(m)wk,p(m))]]>這里，w(m)是函數(shù)J(Wk，p，λ)在瞬態(tài)(snapshot)指數(shù)m的梯度矢量，μ是步進(jìn)尺寸。
根據(jù)以下等式，分別計(jì)算所需的和不需要的信號(hào)的自相關(guān)矩陣Rss，k，p(m)和Ruu，k，p(m)。
Rss，h，p(m)=fRss，k，p(m-1)+s(m)sH(m)和Ruu，k，p(m)＝fRuu，k，p(m-1)+μ(m)μH(m)其中f是忘記因子(forgetting factor)(0≤f≤1)。
可用以下等式表示λ(m)λ(m)=wm,pH(m)Rss,k,p(m)wk,p(m)wk,pH(m)Ruu,k,p(m)wk,p(m)]]>用以下等式更新加權(quán)矢量wk,p(m+1)=wk,p(m)+μ[y~k,p(m)-λ(m)q~k,p(m)]]]>通過(guò)以下等式使更新的加權(quán)矢量歸一化wk,p(m+1)=wk,p(m+1)||wk,p(m+1)||]]>


圖1是一個(gè)表示了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的盲自適應(yīng)波束形成方法的流程圖。
在本發(fā)明所述的自適應(yīng)波束形成方法中，可以用采用拉格朗日算子的cost函數(shù)將按如下方式計(jì)算加權(quán)矢量，以使SINR最大J(wk,p·λ)=wk,pHRsswk,p+λ(1-wk,pHRuuwk,p)---(1)]]>其中H是復(fù)共軛轉(zhuǎn)置矩陣(厄密共軛算子)，λ是拉格朗日算子，Wk，p是第k個(gè)用戶終端的第p個(gè)多路徑信號(hào)的加權(quán)矢量，Rss是所需信號(hào)的自協(xié)方差矩陣，以及Ruu是不需要的信號(hào)的自協(xié)方差矩陣，即干擾信號(hào)和噪聲的和(u)。
可用以下公式表示所述加權(quán)矢量Wk，pwk,p=[wk,p(0)wk,p1···wk,pN-1]H---(2)]]>其中N是天線的數(shù)量。從等式(2)中，使函數(shù)J(Wk，p，λ)最大的加權(quán)矢量Wk，p可通過(guò)約束wk,pHRuuwk,p10=1]]>條件得出。
Rsswk，p＝λRuuwk，p(3)從等式(1)中，可通過(guò)如下等式計(jì)算函數(shù)J(Wk，p，λ)的與wk，p*有關(guān)的梯度矢量w(m)w(m)=2(Rss(m)Wk，p(m)-λ(m)Ruu(m)Wm，p(m))(4)其中m是瞬態(tài)指數(shù)，*是復(fù)共軛。
根據(jù)梯度搜索方法，按如下方式更新加權(quán)矢量wk,p(m+1)=wk,p(m)+12μ▿w---(5)]]>=wk,p(m)+μ(Rss(m)wk,p(m)-λ(m)Ruu(m)wk,p(m))]]>其中，μ為步進(jìn)尺寸?？赏ㄟ^(guò)如下等式獲得協(xié)方差矩陣Rss和RuuRss，k，p(m)=fRss，k，p(m-1)+s(m)sH(m) (6)Ruu，k，p(m)＝fRuu，k，p(m-1)+u(m)uH(m) (7)其中f是忘記因子(0≤f≤1)。從等式(5)中，λ(m)可表示如下λ(m)=wm,pH(m)Rss,k,p(m)wk,p(m)wk,pH(m)Ruu,k,p(m)wk,p(m)---(8)]]>同樣，按如下方式將所述加權(quán)矢量wk，p歸一化wk,p(m+1)=wk,p(m+1)||wk,p(m+1)||---(9)]]>使用協(xié)方差矩陣，可以推出能夠減少盲梯度搜索方法(BGSA)的計(jì)算復(fù)雜程度的線性化的盲自適應(yīng)算法。
可按如下方式定義瞬態(tài)指數(shù)m中的拉格朗日算子λλ(m)=λnum(m)λden(m)---(10)]]>由公式(10)，將λnum(m)表示如下λnum(m)=wk,pH(m)Rss(m)wk,p(m)]]>=wm,pH(m)≥[fRss(m-1)+s(m)sH(m)]wk,p(m)---(11)]]>=fwk,pH(m)Rss(m-1)wk,p(m)+wk,pH(m)s(m)sH(m)wk,p(m)]]>≈fwk,pH(m-1)Rss(m-1)wk,p(m-1)+wk,pH(m)s(m)sH(m)wk,p(m)]]>同樣，從等式(11)中，可將λnum(m)表示如下λnum(m)＝fλnum(m-1)+|yk，p(m)|2(12)從等式(12)中，可yk，p(m)將表示如下yk,p(m)=sk,pH(m)wk,p(m)---(13)]]>以同樣的方式，將λden表示如下λden(m)＝fλden(m-1)+|qk，p(m)|2(14)從等式(14)中，可將qk，p(m)表示如下qk，p(m)＝uH(m)wk，p(m) (15)同樣，可將加權(quán)矢量更新等式(5)寫成如下wk，p(m+1)＝wk，p(m)+μzk，p(m) (16)在等式(16)中，可將zk，p(m)表示如下zk，p(m)＝[Rss(m)-λ(m)Ruu(m)]wk，p(m) (17)在等式(17)中，可將zk，p(m)表示為zk，p(m)＝［fRss(m-1)+s(m)sH(m)-λ(m)(fRuu(m-1)+u(m)uH(m))]wk，p(m)＝[(fRss(m-1)wk，p(m)+s(m)sH(m)wk，p(m))-fλ(m)Ruu(m-1)wk，p(m)-λ(m)u(m)wk，p(m)](18)從等式(13)和(18)中，可將 表示為y~k,p(m)=fRss(m-1)wk,p(m)+s(m)sH(m)wk,p(m)]]>≈fRss(m-1)wk,p(m-1)+s(m)sH(m)wk,p(m)---(19)]]>=fy~k,p(m-1)+yk,p(m)s(m)]]>其中可將初始值表示為y~k,p(0)=yk,p(0)s(0).]]>以相同的方式，從公式(15)和(18)可將 表示如下q~k,p(m)=fRuu(m-1)wk,p(m)+u(m)uH(m)wk,p(m)---(20)]]>=fq~k,p(m-1)+qk,p(m)u(m)]]>其中，可將初始值表示為q~k,p(0)=qk,p(0)u(0).]]>相應(yīng)地，可將zk，p(m)表示為zk,p(m)=[y~k,p(m)-λ(m)qk,p(m)]---(21)]]>將參照?qǐng)D1對(duì)本發(fā)明所述的盲自適應(yīng)波束形成方法進(jìn)行描述。
當(dāng)本發(fā)明所述的盲自適應(yīng)波束形成算法用于接收的信號(hào)時(shí)，利用如下(22)-(27)的等式計(jì)算的初始矢量和/或標(biāo)量，在步驟S101來(lái)設(shè)置初始加權(quán)矢量wk，p(0)wk，p(0)＝s(0) (22)yk，p(0)＝sH(0)wk，p(0)(23)qk，p(0)＝uH(0)wk，p(0)(24)λnum(0)＝|yk，p(0)|2(25)λden(0)=|qk,p(0)|2---(26)]]>λ(0)=λnum(0)λden(0)---(27)]]>接收到新的信號(hào)時(shí)，就在步驟S102按如下方法使用新信號(hào)的信號(hào)矢量更新以前的矢量和/或標(biāo)量yk，p(m)＝sH(m)wk，p(m) (28)qk，p(m)＝uH(m)wk，p(m) (29)λnum(m)＝fλnum(m-1)+|yk，p(m)|2(30)λden(m)＝fλden(m-1)+|qk，p(m)|2(31)λ(m)=λnum(m)λden(m)---(32)]]>y~(m)=fy~k,p(m-1)+yk,p(m)sk,p(m)---(33)]]>q~k,p(m)=fq~k,p(m-1)+qk,p(m)u(m)---(34)]]>上述值更新后，在步驟S103中，采用梯度搜索方法中的更新的矢量和/或標(biāo)量值來(lái)更新加權(quán)矢量如下wk,p(m+1)=wk,p(m)+μ[y~k,p(m)-λ(m)q~k,p(m)]---(35)]]>更新后，在步驟S104，按如下方法對(duì)加權(quán)矢量進(jìn)行歸一化wk,p(m+1)=wk,p(m+1)||wk,p(m+1)||---(36)]]>如果繼續(xù)進(jìn)行自適應(yīng)的更新程序，則自適應(yīng)波束成形算法重復(fù)地回到步驟S102。
一旦計(jì)算出加權(quán)矢量，在步驟S105，根據(jù)更新的加權(quán)矢量計(jì)算天線陣的輸出。
當(dāng)結(jié)合目前認(rèn)為最為實(shí)用的和優(yōu)選的實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作了描述后，可以理解，本發(fā)明不僅限于公開(kāi)的實(shí)施例，相反，本發(fā)明包括在權(quán)利要求中所述的精神和范圍之內(nèi)的各種修改和等效設(shè)置。
如上所述，在本發(fā)明的盲自適應(yīng)波束形成算法中，由于形成最佳波束方向圖的加權(quán)矢量是在梯度搜索方法中計(jì)算的，因此有可能使同信道的干擾和噪聲最小，結(jié)果，使系統(tǒng)容量、覆蓋區(qū)域和可靠的高速數(shù)據(jù)通信服務(wù)達(dá)到最佳。
同樣，本發(fā)明所述的盲自適應(yīng)波束形成算法可用于第四代無(wú)線通信系統(tǒng)中，也可用于諸如WCDMA、CDMA-2000的其他無(wú)線系統(tǒng)中，以使系統(tǒng)性能最佳。
權(quán)利要求
1.一種自適應(yīng)波束形成方法，包括步驟設(shè)置初始加權(quán)矢量；根據(jù)新的信號(hào)的矢量計(jì)算各種矢量和/或標(biāo)量的值；使用新信號(hào)的矢量和標(biāo)量的值在梯度搜索方法更新加權(quán)矢量；根據(jù)更新的加權(quán)矢量形成最佳波束方向圖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)波束形成方法，其中所述加權(quán)矢量設(shè)置為使SINR最大。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自適應(yīng)波束形成方法，其中根據(jù)以下cost函數(shù)的最大使SINR最大J(wk,p·λ)=wk,pHRsswk,p+λ(1-wk,pHRuuwk,p)]]>其中H是復(fù)共軛轉(zhuǎn)置矩陣(厄密共軛算子)，λ是拉格朗日算子，wk，p是第k個(gè)用戶終端的第p個(gè)多徑信號(hào)的加權(quán)矢量，Rss是所需信號(hào)的自協(xié)方差矩陣，以及Ruu是不需要的信號(hào)的自協(xié)方差矩陣，即干擾信號(hào)和噪聲的和(u)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自適應(yīng)波束形成方法，其中使用拉格朗日算子使SINR最大。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的自適應(yīng)波束形成方法，其中梯度搜索方法用以下等式表示wk,p(m+1)=wk,p(m)+12μ▿w]]>=wk,p(m)+μ(Rss(m)wk,p(m)-λ(m)Ruu(m)wk,p(m))]]>其中，w(m)是函數(shù)J(Wk，p，λ)瞬態(tài)指數(shù)m的梯度矢量，以及μ是步進(jìn)尺寸。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的自適應(yīng)波束形成方法，其中根據(jù)以下等式，分別計(jì)算所需的和不需要的信號(hào)的自協(xié)方差矩陣Rss，k，p(m)和Ruu，k，p(m)Rss，k，p(m)＝fRss，k，p(m-1)+s(m)sH(m)和Ruu，k，p(m)＝fRuu，k，p(m-1)+u(m)uH(m)其中f是忘記因子(0≤f≤1)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的自適應(yīng)波束形成方法，其中用以下等式表示λ(m)λ(m)=wm,pH(m)Rss,k,p(m)wk,p(m)wk,pH(m)Ruu,k,p(m)wk,p(m)]]>
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的自適應(yīng)波束形成方法，其中通過(guò)下列等式更新所述加權(quán)矢量wk,p(m+1)=wk,p(m)+μ[y~k,p(m)-λ(m)q~k,p(m)]]]>
9.一種自適應(yīng)波束形成方法，包括步驟設(shè)置初始加權(quán)矢量；根據(jù)新的信號(hào)的矢量計(jì)算各種矢量和/或標(biāo)量的值；使用新信號(hào)的矢量和標(biāo)量的值在梯度搜索方法中更新加權(quán)矢量；使所述加權(quán)矢量歸一化；和根據(jù)更新的加權(quán)矢量形成最佳波束方向圖。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的自適應(yīng)波束形成方法，其中所述加權(quán)矢量設(shè)置為使SINR最大。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的自適應(yīng)波束形成方法，其中根據(jù)以下cost函數(shù)的最大使SINR最大J(wk,p·λ)=wk,pHRsswk,p+λ(1-wk,pHRuuwk,p)]]>其中H是復(fù)共軛轉(zhuǎn)置矩陣(厄密共軛算子)，λ是拉格朗日算子，wk，p是第k個(gè)用戶終端的第p個(gè)多徑信號(hào)的加權(quán)矢量，Rss是所需信號(hào)的自協(xié)方差矩陣，以及Ruu是不需要的信號(hào)的自協(xié)方差矩陣，即干擾信號(hào)和噪聲的和(u)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的自適應(yīng)波束形成方法，其中使用拉格朗日算子使SINR最大。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的自適應(yīng)波束形成方法，其中梯度搜索方法用以下等式表示wk,p(m+1)=wk,p(m)+12μ▿w]]>=wk,p(m)+μ(Rss(m)wk,p(m)-λ(m)Ruu(m)wk,p(m))]]>其中，w(m)是函數(shù)J(Wk，p，λ)瞬態(tài)圖指數(shù)m的梯度矢量，以及μ是步進(jìn)尺寸。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的自適應(yīng)波束形成方法，其中根據(jù)以下等式，分別計(jì)算所需的和不需要的信號(hào)的自協(xié)方差矩陣Rss，k，p(m)和Ruu，k，p(m)Rss，k，p(m)＝fRss，k，p(m-1)+s(m)sH(m)和Ruu，k，p(m)＝fRuu，k，p(m-1)+u(m)uH(m)其中f是忘記因子(0≤f≤1)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的自適應(yīng)波束形成方法，其中用以下等式表示λ(m)λ(m)=wm,pH(m)Rss,k,p(m)wk,p(m)wk,pH(m)Ruu,k,p(m)wk,p(m)]]>
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的自適應(yīng)波束形成方法，其中通過(guò)下列等式更新所述加權(quán)矢量wk,p(m+1)=wk,p(m)+μ[y~k,p(m)-λ(m)q~k,p(m)]]]>
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的自適應(yīng)波束形成方法，其中通過(guò)以下等式將所述加權(quán)矢量歸一化wk,p(m+1)=wk,p(m+1)||wk,p(m+1)||]]>
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種自適應(yīng)波束形成方法，它包括以下步驟設(shè)置初始加權(quán)矢量，根據(jù)新的信號(hào)的矢量計(jì)算各種矢量和/或標(biāo)量的值，使用新信號(hào)的矢量和標(biāo)量的值在梯度搜索方法中更新所述加權(quán)矢量，使所述加權(quán)矢量歸一化，并基于更新的加權(quán)矢量形成最佳波束方向圖。由于本發(fā)明的形成最佳波束方向圖的所述加權(quán)矢量是按照盲自適應(yīng)波束形成算法中的梯度搜索方法計(jì)算的，因此可使同信道的干擾和噪聲最小，結(jié)果，使系統(tǒng)容量、覆蓋區(qū)域和可靠的高速數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)達(dá)到最佳。
文檔編號(hào)H04J13/00GK1467941SQ0310845
公開(kāi)日2004年1月14日 申請(qǐng)日期2003年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月17日
發(fā)明者金相俊 申請(qǐng)人:Lg電子株式會(huì)社