專利名稱：具有子陣列選擇的陣列接收機、其使用方法及包含其的接收機系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包括一個天線和一個接收機的接收機系統(tǒng)，天線包括一個天線元件陣列；涉及一種在其中使用的接收機本身；以及涉及一種使用這種接收機接收來自多個發(fā)射用戶的信號的方法。本發(fā)明特別，但不惟一適用于這種在數(shù)字蜂窩無線電通信網(wǎng)絡(luò)基站中使用的陣列接收機和方法。
背景技術(shù)：
本專利說明書中的數(shù)學(xué)表達(dá)式是基于復(fù)等價基帶符號(complexequvilent baseband notation)[1，pp.152-163]的?；旧鲜褂脧?fù)量來表示消除載波影響之后的無線電信號的幅度和相位。因此，如果sl(t)是帶通調(diào)制信號s(t)的復(fù)基帶等效，fc是載波頻率，則我們得到s(t)=Re[sl(t)ej2πfcl]---(1)]]>其中Re[·]表示其幅度的實部，且j=-1.]]>陣列天線無線電接收機典型地用于數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)的基站(例如，移動電話網(wǎng)、因特網(wǎng)和/或廣域網(wǎng)的寬帶無線接入等等)以提高接收鏈路質(zhì)量(即提供抗多徑衰落的魯棒性)和/或降低干擾電平，其中干擾可以包括有效信號頻帶中存在的熱噪聲和人為信號。因為在任意給定的蜂巢或蜂巢扇區(qū)中，這種系統(tǒng)一般容納大量的同時活動用戶，所以基站接收機必須能夠保持多個無線電鏈路。
已知的天線陣列無線電接收機系統(tǒng)包括一個連接到一個信號接收設(shè)備(也稱作射頻(RF)前端)的天線元件陣列，信號接收設(shè)備又連接到一個信號處理設(shè)備。信號接收設(shè)備在各個支路中獨立地處理來自不同天線元件的信號，并對每個信號執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)下變頻、解調(diào)、濾波以隔離出感興趣的通道，而且可能對信號進(jìn)行某種變換使其變成信號處理設(shè)備可用的形式(例如，信號處理器是數(shù)字處理器的情況下的模數(shù)變換)。信號處理器捕獲來自所有支路的信息(即來自每個單獨天線元件的解調(diào)、濾波并適當(dāng)變換后的信號數(shù)據(jù))，并使用多種已有合適方法中的一種對其進(jìn)行組合和處理，從而提取一個有用的信號y(t)，該信號是有效用戶信號的最佳可能估計。
在無線通信的情況下，接收向量x(t)(即經(jīng)過所有陣列元件的接收信號)包括由無線終端發(fā)射的有效信號s0(t)、由在相同頻帶或在存在一些交擾的相鄰頻帶上運行的競爭終端發(fā)射的干擾信號si(t)和白噪聲。因此x(t)=c0(t)s0(t)+Σi=1Mci(t)si(t)+n(t)---(2)]]>其中ci(t)是一個描述從第i個終端到所有N個陣列元件的信道的N×1復(fù)元件向量，M是干擾信號的數(shù)量，n(t)是白噪聲向量。
在這種情況下，天線陣列無線電接收機的功能是將有效信號s0(t)與干擾源和白噪聲分離，并補償信道c0(t)中引入的失真(例如多徑衰落)，這樣在任何時刻，陣列輸出y(t)都盡可能近的接近有效信號s0(t)。
典型的，來自各個元件的信號的組合只是一個線性加權(quán)相加運算。如果考慮一個N個元件的陣列，且x(t)是陣列元件輸出處的N×1向量，則陣列輸出定義為y(t)＝w(t)Hx(t) (3)其中w(t)是N×1復(fù)權(quán)重向量，(·)H表示其參數(shù)的厄米共軛轉(zhuǎn)置(即復(fù)共軛轉(zhuǎn)置)，不管參數(shù)是一個向量(象它在上面一樣)還是一個矩陣。雖然權(quán)重向量是時變的，但它與輸入和輸出信號相比變化比較慢。當(dāng)組合器根據(jù)等式(3)進(jìn)行運算時，其被稱作線性組合器，而整個接收機叫做線性陣列接收機。
已知一個N個元件的線性陣列，雖然代價是一定程度的噪聲增加，但理論上可能使高達(dá)N-1個干擾源無效。但是，還能夠使用陣列提供抗多徑衰落的分集增益(因為在假定天線元件間隔足夠大的情況下將很少在多于一個支路上同時發(fā)生強衰落)。已知一個K+M個元件的陣列能夠使高達(dá)M-1個干擾源失效，并同時提供抗多徑衰落的K+1級分集改善。還已知(下面描述的)一個最優(yōu)組合器隱含地首先為抗干擾分配自由度(DOF)。若有剩余的自由度，將其用于抗衰落。
典型地，接收機采集輸入信號的統(tǒng)計，并利用它們推導(dǎo)出一個將陣列輸出y(t)和有效信號s0(t)之間的某個誤差測量減到最小的權(quán)重向量。最常用的誤差測量是均方誤差
ϵ=⟨[y(t)-s0(t)]2⟩=⟨[wH(t)x(t)-s0(t)]2⟩---(4)]]>其構(gòu)成一個關(guān)于權(quán)重向量元素的N維二次曲面。因此它有一個全局極小值。這個標(biāo)準(zhǔn)的最小值構(gòu)成了均方誤差(MSE)最小化線性陣列接收機、或相當(dāng)?shù)淖钚【秸`差(MMSE)線性陣列接收機(也稱作最優(yōu)組合器)的基礎(chǔ)。(在下面的等式(5)以及其后面的其它等式中，為了清楚起見，忽略了對t的依賴性。)自適應(yīng)濾波理論表明，對于給定的接收數(shù)據(jù)序列最佳權(quán)重組合計算如下w=RXX-1c0---(5)]]>其中，RXX是所接收的陣列輸出的協(xié)方差矩陣，計算如下RXX=⟨x(t)xH(t)⟩---(6)]]>其中 表示其參數(shù)的期望值(即總體均值)。
這種陣列接收機適合用由多徑傳播引起的時間分散沒有顯著擴(kuò)展超過單個符號周期的情況。即符號間干擾(ISI)很小或沒有。
當(dāng)傳送有用信號的信道呈現(xiàn)出顯著的ISI時，傳統(tǒng)解決方法是使用一個均衡器，均衡器是一個自適應(yīng)濾波器，目的是使信道脈沖響應(yīng)反相(從而解決ISI)，這樣在其輸出處的總脈沖響應(yīng)將趨向于具有一個理想、平坦(或均衡)的頻譜。
除了信號源不是空間上的點(即天線元件陣列)而是時間上的點之外，標(biāo)準(zhǔn)線性均衡器的信號處理部分工作方式與線性自適應(yīng)陣列接收機相同。信號在沿著符號間隔的延遲線(稱作抽頭延遲線或TDL)的一系列點處分接出，然后被加權(quán)和組合。
雖然均衡器和陣列接收機的信號處理設(shè)備的實現(xiàn)可以是相同的(通過將輸入自適應(yīng)加權(quán)使MSE最小化)，但性能將是不同的。因為信號是由陣列接收機在空間的不同點上物理抽樣的，所以在使非期望的信號源或同信道干擾(CCI)無效方面非常有效。但是由于分散衰落，即頻率選擇性衰落，其抗符號間干擾(ISI)的能力有限，因為后者在時間上是擴(kuò)展的。另一方面，均衡器擅長抗ISI，但抗CCI能力有限。
在ISI和CCI都存在的環(huán)境中，可以將陣列接收和均衡組合以形成一個空時處理器。后者最通常的形式是通過用一個總數(shù)為N個均衡器的全均衡器替換窄帶陣列中的每個加權(quán)乘法器得到的。另外，信號處理設(shè)備的實現(xiàn)可以是相同的，并且取決于上面的等式(3)。惟一的不同是權(quán)重向量w和輸入向量x將更長。實際上，對于L個抽頭的均衡器長度和N個元件的陣列大小，向量w和x將都具有LN個元素。
標(biāo)準(zhǔn)線性均方誤差最小化空時接收機(即最明顯和最直接的線性空時接收機結(jié)構(gòu)，而且還在某些方面是最復(fù)雜的)包括一個天線陣列，其中每個陣列元件輸出都傳送到一個在這里被稱作均衡器的有限脈沖響應(yīng)(FIR)自適應(yīng)濾波器。每個自適應(yīng)濾波器包括具有按一個符號周期或一個符號周期的一部分間隔開的抽頭的抽頭延遲線。為了得到優(yōu)良的性能，抽頭延遲線的長度應(yīng)該等于或超過平均信道存儲長度。在很多情況下，這意味著抽頭數(shù)量會非常大(例如每個自適應(yīng)濾波器10-100個)。一個重要的特殊情況是信道存儲長度約為一個符號周期。于是該信道被稱作是平衰落的，每個支路中的自適應(yīng)濾波器簡化成單加權(quán)復(fù)數(shù)乘法器。這種簡化結(jié)構(gòu)稱作窄帶陣列或空間處理器。
另一方面，如果信道存儲長度大于單個符號周期，信道就會受到頻率選擇性衰落(也稱作時間分散衰落或簡稱分散衰落)的影響，從而在接收機處引起符號間干擾(ISI)。這種情況要求一種每個支路都有一個完整自適應(yīng)濾波器的更通用的結(jié)構(gòu)；這種系統(tǒng)被不同地稱作寬帶陣列或空時處理器。
與各個抽頭輸出相乘的權(quán)重必須不斷適應(yīng)，以跟隨有效用戶信道和干擾源信道特性的變化。在這種系統(tǒng)的典型分類中，權(quán)重是在逐塊基礎(chǔ)上計算的(塊適應(yīng))，每個塊包含一個用于該目的的、已知訓(xùn)練符號的訓(xùn)練序列。在數(shù)字無線通信系統(tǒng)中，用于適應(yīng)目的的塊將典型地對應(yīng)一個按照所使用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議定義的數(shù)據(jù)包。
通過適應(yīng)權(quán)重來使整體性能指標(biāo)，即有用信號和S-T接收機輸出之間的均方誤差，最小化，接收機無疑執(zhí)行下列●減小或消除寬帶信道中由頻率選擇性衰落引起的符號間干擾(ISI)；●減小或消除來自最近的、載波再用的蜂巢或來自蜂巢內(nèi)部的同信道干擾(CCI)，由于空時處理器的空間分辨能力，它允許在蜂巢或扇區(qū)內(nèi)部載波再用——常常稱作空分多址(SDMA)。
●提高輸出SNR(因為陣列的較大有效孔徑)。
時間元素的數(shù)量主要取決于符號間干擾的程度，可以在例如10到100之間?？臻g元素的數(shù)量取決于天線元件的數(shù)量，可以是，例如，10。天線元件的數(shù)量按照將被失效的干擾源的最大數(shù)量和抗衰落有效增益的函數(shù)來選擇。
因為無線系統(tǒng)典型是受干擾限制的(即干擾是阻礙容量增加——容納更多活動用戶——到超過某個界限的主要障礙)，所以為了增加容量，空時處理器的前兩個優(yōu)點最讓人感興趣。為了獲得最大好處，最好將陣列與蜂巢內(nèi)載波再用(RWC)組合在一起，蜂巢內(nèi)載波再用也被稱作空分多址(SDMA)。在已知的此類系統(tǒng)中，必須為每個用戶實現(xiàn)獨立的S-T處理器(所有處理器共享相同的物理天線陣列和前端接收機電路，但具有截然不同的均衡器和組合器)。就數(shù)值和/或硬件復(fù)雜度而言，這會導(dǎo)致一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜、令人望而卻步的接收機系統(tǒng)，特別是如果信道的存儲長度L大而不管是否使用了RWC的情況下。因此，開發(fā)復(fù)雜度降低的空時接收機結(jié)構(gòu)是非常適當(dāng)?shù)摹?br> 已知是通過使用單個RF接收機并輪流選擇不同的天線元件來降低陣列接收機的復(fù)雜度和/或硬件需求的。這稱作選擇分集，它提供了一定的抗多徑衰落增益，但通常提供了很小的或沒有提供抗CCI增益。
另外，已知是通過對每個用戶選擇一個來自天線元件的信號子集并處理它們來實現(xiàn)這一點的。
在無線通信的情況下，當(dāng)遠(yuǎn)端站發(fā)射一個信號給陣列天線時，多徑效應(yīng)將導(dǎo)致相消/相長干擾，因此每個支路中的信號，即從不同天線元件中提取的信號，將具有不同的信噪比。另外，根據(jù)天線陣列的配置，在某個角度的扇區(qū)或錐面內(nèi)信號可能是最強的。實際上，在高架基站的臨近范圍內(nèi)會發(fā)生少量散射，這樣大部分接收的能量將典型地集中在一個主到達(dá)方向周圍的一個狹窄角度內(nèi)。
因此，已知只選擇并處理一個包含那些具有最高信噪比的信號的信號子集，例如象在2000年8月IEEE通信學(xué)報，第48卷(Vol.48)第8期(No.8)第1266-1271頁(pp.1266-1271)中N.Kong和L.B.Milstein的名為“結(jié)合非恒等瑞利衰落統(tǒng)計的廣義分集選擇的SNR”的文章中提出的。這些技術(shù)的缺點是他們的子集選擇是基于在每個支路中瞬時測量的功率，這仍然需要相當(dāng)大的硬件復(fù)雜度和/或計算開銷。實際上，雖然可能只需要與子集元件一樣多的完整RF前端，但必須一直監(jiān)視所有陣列元件，可能會使用多個信號功率測量設(shè)備。此外，軟件-無線電型實現(xiàn)會要求處理器經(jīng)常查詢所述測量設(shè)備，因此引入了不希望的開銷。
這種已知技術(shù)的另一個缺點是它們不區(qū)分來自其它用戶的干擾和白噪聲。當(dāng)組合時，具有最高單獨信噪比的支路信號的子集執(zhí)行得不如其中一個或多個支路信號具有較低單獨信噪比的不同子集好是可能的。例如，后者的信號子集可能會包含信號趨向彼此抵消的干擾源，這樣當(dāng)組合時，它們產(chǎn)生更好的總信號質(zhì)量。
Molnar等人于2000年6月27日發(fā)表的美國專利號6,081,566公開了一種接收機，其子集選擇基于多種標(biāo)準(zhǔn)，包括根據(jù)信號功率測量的信號質(zhì)量和所謂的“損傷(impairment)功率”。但是因為信號質(zhì)量測量仍然是對每個單獨的支路進(jìn)行計算，因此仍然會導(dǎo)致選擇不最理想的子集，所以這不完全令人滿意。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目標(biāo)是至少改善一個或多個與上面提到的已知陣列天線系統(tǒng)有關(guān)的問題。為了這個目的，在本發(fā)明的實施方案中，根據(jù)每個信號子集的電位性能測量而不是根據(jù)每個單獨信號的電位性能測量來選擇應(yīng)該用于特定用戶的信號子集。
在本說明書中，術(shù)語“用戶”將用于表示其信號由接收機部件接收的遠(yuǎn)端發(fā)射機。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，一種用于接收來自多個發(fā)射用戶的信號的陣列接收機系統(tǒng)包括一個天線元件陣列和一個具有多個接收機部件的接收機，每個接收機部件對應(yīng)一個不同的用戶，接收機部件各有一個信號處理單元，信號處理單元處理和組合來自天線元件的信號子集以產(chǎn)生一個關(guān)于對應(yīng)用戶的接收信號，接收機還包括開關(guān)裝置，該開關(guān)裝置用于從天線元件選擇多個不同的信號子集供信號處理單元處理，每個子集包括預(yù)定數(shù)量的所述信號，每個信號處理裝置用于根據(jù)對應(yīng)接收機部件關(guān)于所述多個信號的不同子集的電位性能測量來控制開關(guān)裝置以改變包含由該對應(yīng)接收機部件使用的信號子集的信號，其中所述測量是基于組合信號子集。
在陣列接收機系統(tǒng)用在空分多址(SDMA)通信系統(tǒng)中的場合，在每個接收機部件中開關(guān)裝置可以包含一個開關(guān)矩陣，接收機包括多個射頻(RF)前端部件，每個前端部件將各自的一個天線元件連接到各個所述開關(guān)裝置和各個信號處理裝置。每個前端部件將來自對應(yīng)天線元件的信號轉(zhuǎn)換成適合由所述處理裝置處理的格式，每個所述開關(guān)矩陣選擇轉(zhuǎn)換信號子集以應(yīng)用到不同接收機部件中相關(guān)的一個。
在陣列接收機系統(tǒng)用在非SDMA系統(tǒng)中的地方(即在接收機涉及每載波單個有效用戶的地方)，每個接收機部件可以包括多個射頻(RF)前端單元，其數(shù)量等于每個連接到信號處理裝置的所述子集中的信號數(shù)量，開關(guān)裝置可以包括一個開關(guān)矩陣，用于將所選的幾個天線元件連接到每個接收機部件中相應(yīng)的幾個RF前端部件，每個RF前端部件用于將來自對應(yīng)天線元件的信號子集轉(zhuǎn)換為一種適合由所述處理裝置處理的格式。
不同子集的性能測量可以優(yōu)選地利用接收信號中嵌入的已知訓(xùn)練序列的采樣來周期性地執(zhí)行。
設(shè)想當(dāng)遠(yuǎn)端站正在與接收機建立通信時，可能是在通常的識別/驗證過程期間，可以進(jìn)行初始子集選擇。后面對所選子集的改變可以使用不需要已知訓(xùn)練序列或引導(dǎo)符號的標(biāo)準(zhǔn)連續(xù)(即跟蹤)算法來執(zhí)行。
天線陣列可以包括一個定向元件的輻射狀陣列，特別是計劃在基站中使用時。
在蜂窩電話系統(tǒng)的情況下，體現(xiàn)本發(fā)明的接收機可以用于基站或移動站。當(dāng)用于移動站時，接收機通常包括一個具有數(shù)量與子集大小一樣多的RF前端部件的接收機部件，從而降低了RF硬件需求。這是有利的，因為假定高架基站處的所有接收信號(有效或干擾)的大部分能量正常都集中在一個狹窄錐面內(nèi)，則窄波束寬度天線元件方向圖——彼此可以重疊或不重疊——構(gòu)成一種預(yù)濾波。這種空間預(yù)濾波是有幫助的，因為它減低了獲得規(guī)定的性能水平所需的元件數(shù)量(即子集大小)。
替代做法是，當(dāng)使用全向天線元件陣列而不是定向天線元件的輻射狀陣列時，可以使用相同的預(yù)濾波，其后接一個預(yù)處理波束賦形矩陣。該矩陣提供陣列元件輸出的線性組合作為輸出，其中線性組合被選擇以模擬輻射狀陣列的方向圖。
優(yōu)選地，信號處理單元通過在一個長到足以使由子集信號的多徑分量的相位關(guān)系引起的快衰落效應(yīng)最終得到平衡的周期上監(jiān)視從不同子集得到的信號統(tǒng)計來測量性能。
實質(zhì)上，長期統(tǒng)計中所捕獲的是“陰影”(即慢衰落)系數(shù)的瞬時值和快衰落的相關(guān)特性(與其瞬時值相對)。
有利地，這種配置允許子集選擇過程相對很少執(zhí)行，從而在沒有過度性能下降的情況下降低了相關(guān)計算負(fù)擔(dān)。
優(yōu)選地，為了子集選擇目的而收集的統(tǒng)計包括一個描述有效信號特性的平均(長期)空間(或空時實施方案中的空時)協(xié)方差矩陣和一個描述損傷(inpairment)(集總干擾和熱噪聲)特性的類似協(xié)方差矩陣。其它可以使用的統(tǒng)計包括●另外的如上所述的瞬時(即短期)協(xié)方差矩陣；●所有元件處的瞬時有效信號功率(和空時實施方案中的時間延遲)；●所有元件處的瞬時信號干擾比加信噪比(SINR)(和空時實施方案中的時間延遲)；●所有元件處的瞬時有效信號功率和干擾功率(和空時實施方案中的時間延遲)；●瞬時有效信號功率和短期或長期干擾協(xié)方差矩陣。
本發(fā)明的其它方面包括接收機本身和運行陣列天線接收機系統(tǒng)的方法。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種使用一個陣列天線接收來自多個發(fā)射用戶的信號的方法，陣列天線包括一個天線元件陣列和一個具有多個接收機部件的接收機，每個接收機部件對應(yīng)一個不同的用戶并通過開關(guān)裝置(180)連接到天線元件，方法包括步驟(i)周期性的從天線元件中選擇不同的信號子集，處理并組合每個信號子集，計算一個特定用戶的接收機部件關(guān)于該子集的電位性能；(ii)確定哪個子集會提供最佳性能，以及(iii)控制開關(guān)裝置以改變包含由該對應(yīng)接收機部件使用的信號子集的信號。
本發(fā)明的實施方案沒有設(shè)法確定有效用戶信道的所有自由度，而是使用陣列元件的指向來選擇S個最重要的元件，從而實現(xiàn)最小均方誤差。因為在選擇過程中也考慮了干擾源，所以這種選擇不是真正基于識別有效用戶信道的自由度或模式的。這是一個(通過使用撞擊波的幾 何形狀)智能地降低陣列自由度數(shù)量的過程，需要動態(tài)適應(yīng)以達(dá)到數(shù)值和硬件復(fù)雜度成比例降低的目的。
假定子集大小S是固定的，且最有用的選擇(取決于有效復(fù)雜度/性能折衷)很可能在2到4個元件之間。但是應(yīng)該指出，本發(fā)明的本質(zhì)不依賴于固定子集的大小，易于想到將會自適應(yīng)地選擇子集大小的擴(kuò)展情形(例如將會為具有大角度擴(kuò)展的信號分配較大的子陣列)。
對于固定陣列子集大小S，有NS=NS---(7)]]>個可能的子集 理論上根據(jù)Sopt=maxS⟨c0(SS)HRI+N(SS)-1c0(SS)⟩,s=1,...,Ns---(8)]]>執(zhí)行子集選擇可以將均方誤差最小化(或等效地，將信號干擾比加信噪比(SINR)最大化)，其中c0是整個陣列上的N×1有效用戶特征(即向量信道)， 表示其參數(shù)的中期平均值，RI+N是陣列輸入處的N×N短期干擾加噪聲的協(xié)方差矩陣，可以表示為干擾用戶特征的函數(shù)RI+N(SS)=Σm=1Mcm(SS)cm(SS)H---(9)]]>其中M是同信道干擾源的數(shù)量。
在幾乎所有地面?zhèn)鞑キh(huán)境中，眾所周知窄帶(即平衰落)無線信道在短期內(nèi)可以被準(zhǔn)確地描述為零均值(Rayleigh型衰落)或非零均值(Rician型衰落)復(fù)數(shù)高斯變量。由此得出結(jié)論，在任一瞬間得到的特征向量cm(SS)都是一個復(fù)高斯向量，該復(fù)高斯向量的特征由它的中期協(xié)方差矩陣(和Rician情況下的均值向量)來描述。在本文件的剩余部分中，雖然概述的原則和發(fā)明本身同樣很好地適用于Rician情況，但為了清楚起見假定是Rayleigh衰落。
(8)中的選擇標(biāo)準(zhǔn)可以在小規(guī)模衰落上求平均值，然后根據(jù)如下的中期協(xié)方差矩陣修訂 其中∑0(SS)是有效用戶向量信道在整個陣列子集SS上的中期平均協(xié)方差矩陣，tr[·]代表其矩陣參數(shù)的跡。同樣，∑n(SS)是第n個用戶向量信道在整個子集SS上的中期協(xié)方差矩陣，ΣI0(SS)=Σm=1MΣm(SS)]]>是影響用戶0的干擾的協(xié)方差矩陣。
基于中期統(tǒng)計的子集選擇過程表明子集選擇能以可以忽略不計的數(shù)值成本(例如作為后臺任務(wù))來執(zhí)行，還可以降低硬件要求。實際上，對于移動無線系統(tǒng)[23]中一秒數(shù)量級的周期和固定無線系統(tǒng)(象所提出的寬帶無線系統(tǒng)，例如本地多點分配業(yè)務(wù)(LMDS))中甚至更長的周期，可以假定中期協(xié)方差矩陣是固定的。
應(yīng)該注意的是，這里描述的系統(tǒng)不依賴多用戶信息(雖然在多用戶的情況下一些次要算法的復(fù)雜度降低是可能的)，因此能夠為在其中每個用戶信號典型地被獨立處理的現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)立一個更自然的升級途徑。另外，不管是按(平衰落環(huán)境中的)窄帶處理器還是按(散亂衰落環(huán)境中的)寬帶處理器來實現(xiàn)系統(tǒng)，復(fù)雜度的相對降低都大致相同。
附圖簡述現(xiàn)在將只通過舉例的方式并參照附圖來描述本發(fā)明的實施方案，其中

圖1是一個用于SDMA系統(tǒng)的、包括本發(fā)明第一實施方案的陣列天線無線電接收機系統(tǒng)的一部分的簡化方框圖；圖2是一個描述在圖1的接收機系統(tǒng)中計算協(xié)方差矩陣的估計的流程圖；圖3是一個描述在圖1的接收機系統(tǒng)中確定子集選擇的流程圖；圖4是一個描述在圖1的接收機系統(tǒng)中計算MMSE權(quán)重向量的流程圖；圖5是一個用于SDMA的接收機系統(tǒng)的簡化方框圖，該系統(tǒng)是本發(fā)明的第二實施方案；圖6是一個描述在沒有使用SDMA的接收機系統(tǒng)中計算協(xié)方差矩陣的流程圖；圖7是一個描述在圖5的接收機系統(tǒng)中確定子集選擇的流程圖；以及圖8是一個將本發(fā)明具體化的空時接收機的簡化方框圖。
優(yōu)選實施方案的詳細(xì)描述參看圖1，用于接收來自多個用戶發(fā)射機(沒有顯示)的信號的陣列天線接收機系統(tǒng)包括一個具有多個天線元件的天線，具體來說是10個元件22/1，...，22/10，天線元件通過一組射頻(RF)前端單元26/1，...，26/10連接到一個具有數(shù)個接收機部件的陣列接收機，每個接收機部件對應(yīng)各個用戶發(fā)射機。舉例說明了8個接收機部件(0，1，...，7)，但可以有更多。
RF“前端”單元26/1，...，26/10是相同的，具有常規(guī)結(jié)構(gòu)。參照圖5中的插圖，將只對一個進(jìn)行描述。如圖5中的插圖所示，RF前端單元26/1包括一個RF/IF下變頻器28/1、一個信道濾波器30/1(只分離有效信道并抑制波段之外的噪聲和干擾)和一個用于執(zhí)行帶通采樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換器單元32/1。換句話說，可以在A/D轉(zhuǎn)換之前將IF或RF信號下變頻到基帶。A/D轉(zhuǎn)換器單元32/1的輸出也是RF前端單元26/1的輸出，被連接到各個陣列接收機部件。
接收機部件都是相同的，所以只詳細(xì)顯示了用于用戶0的接收機部件并將再參照圖1來進(jìn)行描述。
接收機部件0包括一個選擇器單元，具體來說是一個RF6×3矩陣開關(guān)180，其具有六個連接到六個RF前端單元26/1，...，26/10各自的輸出的輸入端口20/10，...，20/100和三個連接到信號處理單元16的各自的數(shù)據(jù)輸入的輸出端口。矩陣開關(guān)180的一個控制輸入連接到信號處理單元160的一個控制信號輸出。所有六個RF前端單元26/1，...，26/10的輸出連接到信號處理單元160。信號處理單元160可以由一個定制的超大規(guī)模集成電路(VLSI)芯片、一個現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)或由運行在一個數(shù)字信號處理器(DSP)上的軟件來實現(xiàn)。
信號處理單元160執(zhí)行特征(即有效用戶向量信道)估計和協(xié)方差矩陣估計、MMSE處理、加權(quán)和組合、匹配濾波和符號檢測。后兩個是標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字無線電接收機操作，因此圖1中沒有具體顯示，并且不會在這里詳細(xì)描述。
另外，為了簡化描述，圖1中只顯示了并將描述用于有效用戶m的信號處理單元160的操作；應(yīng)該認(rèn)識到，可以為其它用戶(發(fā)射臺)提供類似的信號處理單元并處理相應(yīng)的信號子集。
示出的RF矩陣開關(guān)180的三個輸出在信號處理單元160內(nèi)部連接到乘法器34/10、34/20和34/30，乘法器各自的輸出連接到一個加法元件360，加法元件360的輸出通過檢測器380連接到接收機的后面部分，檢測器380是常規(guī)的，在這里不必詳細(xì)描述。
乘法器34/10、34/20和34/30將來自三個RF前端單元26/1、26/2和26/3的數(shù)字信號分別乘以權(quán)重w1(0)、w2(0)和w3(0)，權(quán)重w1(0)、w2(0)和w3(0)由最小均方誤差(MMSE)計算單元400提供，功能上由信號處理單元160實現(xiàn)。MMSE權(quán)重計算單元400根據(jù)上面的等式5按已知方式使用MMSE標(biāo)準(zhǔn)更新權(quán)重。
信號處理器單元160還執(zhí)行子集選擇過程，因此顯示為包括一個連接到RF前端單元的短期信道估計器42、一個長期信道估計器440和一個通常為一個邏輯電路的子集選擇器單元460。短期信道估計器420利用來自RF前端單元的信號提取信道參數(shù)，并將它們提供給MMSE權(quán)重計算裝置用于更新用于特定信號子集的權(quán)重。長期信道估計器440監(jiān)視長期統(tǒng)計，并利用它們確定是否控制矩陣開關(guān)180為一個特定用戶選擇一個不同的信號子集。當(dāng)然，子集選擇器單元460可以與處理器單元160是分開的。
運行時，信號處理單元160監(jiān)視來自所有六個天線元件22/1，...，22/10的信號，對具有預(yù)定元件數(shù)量(在這種情況下是三個)的各個不同子集執(zhí)行統(tǒng)計分析，如果當(dāng)前子集選擇導(dǎo)致的性能比使用其它子集中的一個所預(yù)期的性能差，則周期性的操作矩陣開關(guān)180以選擇天線元件22/1，...，22/10中不同的三個，后面將更全面的解釋。
現(xiàn)在將針對用戶0，在子陣列子集大小S是固定的基礎(chǔ)上概括地描述圖1中顯示的陣列接收機的操作。應(yīng)該提到的是，按照常規(guī)做法，在下面的描述中，有效用戶被認(rèn)為是用戶0，干擾源被認(rèn)為是用戶1到M；因此系統(tǒng)中有M+1個用戶。
此外，不失一般性，描述將假定是窄帶情況。因此，一個所選子集中的每個支路與單個復(fù)權(quán)重相乘(與通過全均衡器濾波相對)。
運行時，信號處理器單元160的長期信道估計器440使用一個圖2和圖3中說明的“長期”循環(huán)，根據(jù)具有不同天線元件子集的接收機性能測量來計算關(guān)于一個特定用戶的子集選擇，短期信號估計器420使用一個圖4中說明的“短期”循環(huán)來計算和更新權(quán)重以將關(guān)于該所選子集的性能最優(yōu)化。
使用SDMA的實現(xiàn)表明接收機必須同時處理相同載波頻率上的多個用戶。
SDMA實現(xiàn)的長期循環(huán)長期循環(huán)更新長期協(xié)方差矩陣的估計。協(xié)方差矩陣體現(xiàn)了一個特定用戶，在這種情況下是用戶0，的時變信道的統(tǒng)計特性。因為接收陣列的每個元件“看見”一個略有差別的信道，所以總信道可以表述為一個N個元素的向量，其特征由一個N×N協(xié)方差矩陣表示。在這種情況下，信號處理單元160的長期估計器440計算長期協(xié)方差矩陣，這是一個在一段長到足以消除多徑衰落(也稱作快衰落)影響的周期上測量并取平均的矩陣。因此，即使在不知道衰落過程瞬時行為的情況下，也保留了足夠的信息來識別衰落過程的主要模式(對應(yīng)于協(xié)方差矩陣的較大特征值)。所述模式以比多徑衰落本身慢得多的速度變化，但在它們自身中確實提供了足夠的信息來智能地預(yù)處理信號。因此在選擇最優(yōu)子集中使用長期協(xié)方差矩陣使子集選擇成為一個長期的、廉價的(在處理能力和/或硬件復(fù)雜度方面)過程。如后面將描述的，實際衰落波動由短期循環(huán)全部在最優(yōu)子集內(nèi)處理。
圖2和3顯示的流程圖表述了兩個截然不同的長期循環(huán)部分圖2中說明的部分是長期協(xié)方差矩陣估計，而圖3對應(yīng)于子集選擇的確定。因此，子集選擇嚴(yán)格地基于長期信息而不考慮瞬時多徑衰落。這不是最理想的，但性能損失被認(rèn)為通過因此而獲得的復(fù)雜度減低得到了更大的補償。
雖然接收機包括十個天線陣列元件22/1，...，22/10和十個RF前端部件26/1，...，26/10，但它們各被一組接收機部件120，...，127共享，每個接收機部件用于一個有效用戶。接收機部件120，...，127分別具有用戶處理單元160，...，167，每個用戶處理單元可以映射到一個不同的天線元件子集。這些陣列元件子集的方向圖順次由通過短期循環(huán)執(zhí)行的MMSE空間濾波來確定。因為這些方向圖的每一個都可以被有效地“操縱”以關(guān)注一個有效信號并使干擾源無效，所以很多用戶能夠在相同的載波頻率上共存。因此，在這個SDMA實現(xiàn)中，對應(yīng)于一個用戶的信號處理單元作為干擾所抑制的對于對應(yīng)于另一個用戶的信號處理單元來說可能是一個有效信號。
不失一般性，假定這是一個基于包的系統(tǒng)。每個用戶被分配惟一的一個包含在包中的訓(xùn)練序列(例如象在GSM蜂窩電話標(biāo)準(zhǔn)中的前綴、后綴、“中間碼”，或象一個散布在整個包中的序列)。訓(xùn)練序列由系統(tǒng)中應(yīng)用的任一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議確定和分配，即訓(xùn)練序列可以是固定的，或可以是依據(jù)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的入口分配的，或可以是某種在基站和用戶站之間建立協(xié)議的其它方式，訓(xùn)練序列按照這些協(xié)議用于它們的通信。
還假定包是具有固定長度的且該長度小于預(yù)定波段中的信道與運行環(huán)境的相干時間。這表明一個包短到足以使得在其持續(xù)時間上可以將多徑衰落信道看作是不變的。
將這里描述的實現(xiàn)擴(kuò)展到具有更大長度和/或長度可變的包(例如比信道的相干時間長)的系統(tǒng)、CDMA系統(tǒng)(其中用戶碼可以被用作連續(xù)存在的訓(xùn)練序列)和非包系統(tǒng)，對于本領(lǐng)域的專業(yè)人員來說將是顯然的。
在這個優(yōu)選實施方案中，每個包包含已知的32位訓(xùn)練序列，這被各個接收機部件用于識別來自對應(yīng)用戶的給定信號，并通過相關(guān)性來提取其信道特性。因此從每個包收集的信息用于更新子集選擇中所使用的長期協(xié)方差矩陣。信息還立即被短期循環(huán)用于調(diào)整組合器/空間濾波器的權(quán)重，從而確定可以最好地增強有效信號的接收并抑制干擾源的陣列子集方向圖。
因此，如圖3中的流程圖顯示的，接收機牽涉到接收的訓(xùn)練序列而不是全部內(nèi)容。
基于連續(xù)更新長期協(xié)方差矩陣的目的，接收機將周期性對包進(jìn)行采樣，可以大約每隔二個包提取訓(xùn)練序列，然后使用該特定訓(xùn)練序列計算信道參數(shù)。這個采樣速率定義了所謂的估計區(qū)間。如果包的到達(dá)速度是變化的，則應(yīng)該設(shè)計一個適當(dāng)?shù)牟呗?而不是每隔n-1個包提取一次)，使得采樣間隔在時間上保持比較恒定。
現(xiàn)在參看圖2中的流程圖，步驟2.1、2.2和2.3只包括一個序程序以檢測估計區(qū)間和下一個時隙的開始，并捕捉訓(xùn)練序列。在步驟2.4中，處理器14計算用戶0的短期協(xié)方差矩陣( )。為了在時間上正確定位這個操作，引入一個下標(biāo)i，這樣 是在第i個估計區(qū)間獲得的短期協(xié)方差矩陣估計。假定用戶的訓(xùn)練序列0(s0)的長度是K個符號，則向量x[k，i]是在第i個估計區(qū)間、對應(yīng)于訓(xùn)練序列第k個符號的整個陣列上的總接收向量，協(xié)方差矩陣估計是在步驟2.4通過與訓(xùn)練序列相關(guān)獲得的，如下所示R^0[i]=(Σk=1Kx[k,i]s0[k])X(Σk=1Kx[k,i]Hs0*[k])---(11)]]>其中s0[k]是用戶0的采樣訓(xùn)練序列中的第k個符號。
因此，R0[i]是從用戶0的單個包中得到的短期協(xié)方差矩陣的第i個估計。它等于用戶0的向量信道的估計(通過與訓(xùn)練序列相關(guān)得到的)乘以其轉(zhuǎn)置共軛。在數(shù)學(xué)上這表述為R^0[i]=c^0c^0H.]]>因此，通過如下相關(guān)得到任一個用戶m的向量信道估計
c^m=Σk=1Kx[k,i]sm[k]---(12)]]>在步驟2.5中，根據(jù)下式更新用戶0的長期協(xié)方差矩陣的運行估計(Σ^0)]]>Σ^0[i]=γΣ^0[i-1]+1-γKR^0[i]---(13)]]>其中 是前一個估計區(qū)間的估計，γ是遺忘因子。這個因子典型地采用0.8到0.99之間的值，確定新信息(體現(xiàn)為 )會以什么速度替換在以前的估計區(qū)間獲得的舊信息。因子的值根據(jù)信道參數(shù)改變得多快和每隔多久進(jìn)行估計來選擇。通常，較高的γ值表明在以前的估計中獲得的信息具有較長的壽命，即被遺忘得比較慢。
對于每個用戶m(m＝0...M)有類似的步驟計算協(xié)方差矩陣估計。因此，圖2顯示了對應(yīng)于步驟2.4和2.5、為用戶1計算協(xié)方差矩陣估計的步驟2.6和2.7，對應(yīng)于步驟2.4和2.5、為用戶7即本例中最后一個用戶計算協(xié)方差矩陣的步驟2.8和2.9。根據(jù)低級執(zhí)行細(xì)節(jié)，可以同時(即如果使用并行處理和/或如果為此目的提供了重復(fù)信號處理硬件)或順序(如在單處理器固件實現(xiàn)中或重復(fù)使用單個專用信號處理電路的情況下)為所有用戶計算協(xié)方差矩陣。
一旦已經(jīng)為所有用戶計算了協(xié)方差矩陣，就依次使用這些矩陣為每個用戶計算干擾協(xié)方差矩陣估計，即描述所考慮的用戶遇到的干擾信號總和，即除所考慮的用戶之外的所有用戶，的特性的協(xié)方差矩陣。一種計算對用戶m的干擾協(xié)方差矩陣 的方法是通過將除用戶m之外的所有用戶的協(xié)方差矩陣相加，即Σ^Im[i]=Σμ=0Mμ≠mΣ^μ[i]---(14)]]>圖2中的步驟2.10、2.11和2.12針對用戶0、1和7說明了這一點。
圖3通過一個流程圖說明了選擇天線元件子集的過程，這也是長期循環(huán)的一部分。圖3中流程圖的起點實際上是根據(jù)圖2的所有協(xié)方差矩陣和干擾協(xié)方差矩陣的輸入。
因為有10個天線元件，每個子集的大小是3個元件，所以有120種可能的此類元件組合。因此選擇算法將循環(huán)經(jīng)過這些組合中的每一個，(根據(jù)在圖2的過程中收集的長期信道信息)為每個子集確定一個性能標(biāo)準(zhǔn)，并為每個用戶選擇產(chǎn)生該性能標(biāo)準(zhǔn)最大值的子集。應(yīng)該注意的是，通常為每個用戶分配一個不同的子集。這就是為什么在SDMA實現(xiàn)中每個元件有一個RF前端單元，即在圖1的接收機中，對于每個元件20/1，...，20/10有一個RF前端單元26/1，...，26/10。
在非SDMA實現(xiàn)中，如稍后將要描述的，只有一個有效用戶，因此在任意時刻只有一個RF前端單元子集是活動的。因此，只需要與子集大小(在本例中是3)一樣多的RF前端，這些RF前端可以通過RF開關(guān)被動態(tài)分配給構(gòu)成所選子集的陣列元件。
因此，步驟3.1將子集下標(biāo)s設(shè)置為1，用戶下標(biāo)m設(shè)置為0。在步驟3.2中，(通過選取對應(yīng)于子集元件的合適行和列)使用關(guān)于用戶m的10×10元件協(xié)方差矩陣來形成一個關(guān)于用戶m、子集選擇s＝1的3×3協(xié)方差矩陣或子矩陣。在步驟3.3中，對關(guān)于用戶m的干擾協(xié)方差矩陣進(jìn)行同樣的操作，以形成關(guān)于用戶m的子集干擾協(xié)方差矩陣。步驟3.4判斷子集下標(biāo)是否等于最大值，在這種情況下最大值是20；如果不等于，則子集下標(biāo)增加1并重復(fù)步驟3.2和3.3。
一旦已經(jīng)為所有可能子集生成了子集協(xié)方差矩陣和子集干擾協(xié)方差矩陣，步驟3.6就確定關(guān)于用戶m的最優(yōu)子集Sopt(m)。這是通過為每個可能子集計算一個性能標(biāo)準(zhǔn)并選擇產(chǎn)生該標(biāo)準(zhǔn)最大值的子集來完成的。因此 其中s＝1，...，Ns，且(S0，...，SNS)構(gòu)成了大小S＝3的所有可能子集的集合。
本發(fā)明包括在步驟3.6中使用很多基于長期信息的不同性能標(biāo)準(zhǔn)。但是在該實現(xiàn)中，所選標(biāo)準(zhǔn)本質(zhì)上是一個對給定子集平均起來(因為它是基于長期信息的)最可能達(dá)到的SINR的最佳測量。
在步驟3.7，最優(yōu)子集被傳遞給用戶m的子集選擇器，步驟3.8確定是否已經(jīng)為所有用戶執(zhí)行了這個過程。如果還沒有，步驟3.9將用戶下標(biāo)增加1并重復(fù)步驟3.2到3.8。
一旦已經(jīng)為每一個有效用戶計算了最優(yōu)子集，步驟3.8就將算法返回到最開始，即從步驟2.1等待下一個估計包到達(dá)開始重復(fù)長期循環(huán)。假定每一個包包含一個訓(xùn)練序列，但長期循環(huán)周期性對它們采樣。
在圖3中，步驟3.6在插圖中顯示的更為詳細(xì)。如插圖中所示，步驟3.6.1再次將子集下標(biāo)s設(shè)置為1，將表示最好或最優(yōu)子集的另一個下標(biāo)smax也設(shè)置為1。
然后步驟3.6.2設(shè)置變量max等于0，步驟3.6.3計算一個SINR(性能標(biāo)準(zhǔn))的測量，我們稱作C。這個標(biāo)準(zhǔn)是按關(guān)于用戶m和子集s1的協(xié)方差矩陣估計與關(guān)于用戶m和子集選擇s1的干擾協(xié)方差矩陣估計的倒數(shù)的乘積的跡計算的。這表述為 在步驟3.6.4，將在3.6.3中計算的標(biāo)準(zhǔn)與在步驟3.6.2中初始設(shè)置為0的max變量進(jìn)行比較。如果C＞max，則因為當(dāng)前子集是到目前為止最好的子集，步驟3.6.6使max＝C，smax＝s。在步驟3.6.5，驗證是否已經(jīng)到達(dá)最后一個子集(s＝Ns)。如果沒有，在3.6.7中將s增加1，并重復(fù)步驟3.6.3-3.6.5。一旦已經(jīng)處理了所有子集，smax就包含了對用戶m的最佳子集的下標(biāo)，因此步驟3.6.8使Sopt(m)=Ssmax.]]>用于SDMA實現(xiàn)的短期循環(huán)一旦已經(jīng)為每個用戶進(jìn)行了關(guān)于該特定估計區(qū)間的子集選擇，下一步就是最優(yōu)化每個子集的性能。這要求調(diào)整在處理每個特定子集中來自天線元件的信號時使用的權(quán)重，如將要參照圖4所示流程圖描述的。權(quán)重與子集選擇并行并以較子集選擇快的速度連續(xù)更新。實際上，對每個到達(dá)的包執(zhí)行一次短期循環(huán)。在圖4中，假定同時到達(dá)了關(guān)于所有M+1個用戶的包，因此對每個用戶重復(fù)步驟4.5-4.9。
因此，步驟4.1等待下一個時隙開始，然后步驟4.2在緩沖器中存儲關(guān)于對應(yīng)于訓(xùn)練前綴的時間間隔的接收信號，即整個10個元件陣列的向量。這表明所有用戶的包是同步的，所有訓(xùn)練序列是同時被接收的。在不是這種情況的系統(tǒng)中，可以輕松的進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。它是對應(yīng)于接收訓(xùn)練序列的時間間隔，該訓(xùn)練序列被存儲供進(jìn)一步處理。
在步驟4.3中，在整個元件陣列上進(jìn)行短期總協(xié)方差矩陣Rxx的估計。這是根據(jù)下式完成的R^xx=Σk=1Kx[k]xH[k]K---(17)]]>因此，步驟4.2捕捉K個符號，對這些符號的處理是計算第k個采樣x[k]與其復(fù)共軛轉(zhuǎn)置xH[k]的乘積在k上的和，然后結(jié)果除以K。
然后步驟4.4將用戶下標(biāo)m設(shè)置為0，步驟4.5根據(jù)矩陣 提取一個子矩陣 子矩陣是除與當(dāng)前所選的關(guān)于用戶m的子集Sm對應(yīng)的 之外的元素的集合，從而生成一個3×3矩陣。
步驟4.6根據(jù)表達(dá)式c^(Sm)=1KΣk=1Ky(Sm)[k]sm*[k]---(18)]]>估計用戶m在整個子集Sm上的空間特征，其中y(Sm)[k]是在對應(yīng)于訓(xùn)練序列中第k個符號的子集Sm上的接收信號向量，sm*[k]是用戶m的訓(xùn)練序列的第k個符號的復(fù)共軛。
應(yīng)該注意的是，上面用于步驟4.6的等式除了它是在子集Sm上而不是在全部陣列上計算的之外，基本上與方框2.4中的等式非常類似。
在步驟4.7中，在步驟4.6中計算的空間特征，即 (或只在元件子集上而不是整個陣列上的向量信道估計)用于根據(jù)w={Ryy(Sm)}-1c^m(Sm)---(19)]]>來計算權(quán)重向量。
這個權(quán)重向量包括一系列權(quán)重，每個子集元件一個。因此，在每個子集具有三個元件的特定實施方案中，將有三個權(quán)重。然后這些權(quán)重被傳遞(步驟4.8)給用戶m的MMSE處理器，在處理器中它們用于與來自每一個子集元件的信號相乘，然后相加，得到MMSE(最小均方誤差)意義上的有效信號的最佳估計。
然后步驟4.9確定用戶下標(biāo)m是否設(shè)置為M，即是否已經(jīng)為所有有效用戶計算了權(quán)重。如果沒有，步驟4.10將用戶下標(biāo)m增加到m+1，并重復(fù)步驟4.5到4.9。
一旦已經(jīng)計算了所有權(quán)重向量，步驟4.9將算法返回到步驟4.1，等待下一個時隙的開始，隨之將再計算并更新權(quán)重。
為了比較復(fù)雜度，假定，例如一個10Mb/s的系統(tǒng)，其具有68字節(jié)的包(大概為包含一個訓(xùn)練序列的ATM信元的大小)。在每對連續(xù)的包之間插入一個保護(hù)字節(jié)。考慮一組8個用戶，每十個時隙在相同載波上同時發(fā)送一次包。因為每秒有18115.94個時隙，所以所關(guān)心的用戶以每秒1811.59個包的速度發(fā)射。按照這個速度，由于多徑衰落信道一般足以將一個包與下一個包區(qū)分開以保證在每個包再訓(xùn)練。此外，每個包包含一個已知的32位訓(xùn)練序列。假定長期協(xié)方差矩陣具有一個最壞情況下的90％的0.5s的相關(guān)時間；其估計將每0.1s更新一次，子集選擇也每0.1s執(zhí)行一次。
在子集大小為3的10個天線元件輻射狀陣列的情況下，關(guān)于常規(guī)MMSE陣列處理的相對計算負(fù)荷大約是26％。子集大小為2時，大約是20％。
在多用戶接收機的情況下，在天線元件之后直接接RF開關(guān)沒有優(yōu)勢，原因是各使用一個不同元件子集的用戶全體很可能會在某一瞬間恰好要求所有元件工作。換句話說，所有子集的并集有時會包含陣列中的所有元件，因此需要N個RF前端單元。假定在這種情況下所有M個同信道干擾源都是有效用戶，則有M+1個不同的信號處理單元，根據(jù)實際設(shè)計考慮，信號處理單元還可以是物理不同的(在分離的集成電路中或DSP單元中)或被組合在單個多用戶單元中或以任意方式被劃分成任意數(shù)量的物理單元。
應(yīng)該認(rèn)識到，本發(fā)明不限于SDMA接收機系統(tǒng)。現(xiàn)在將主要參照圖5、6和7通過舉例的方式描述SDMA接收機系統(tǒng)的應(yīng)用。應(yīng)該注意的是，圖4中說明的短期循環(huán)對于SDMA和非SDMA實現(xiàn)幾乎是相同的。另外，在非SDMA實現(xiàn)的長期循環(huán)中，接收機每次每個載波只處理一個有效用戶。對于其它載波上存在的其它用戶將重復(fù)接收機(SDMA實施方案中也是如此)。
參看圖5，其中與圖1接收機系統(tǒng)中的元件對應(yīng)的元件具有相同的參考數(shù)字，非空分多址(SDMA)系統(tǒng)(例如無線LAN、蜂窩電話)中用于接收來自多個用戶發(fā)射機的信號的陣列天線接收機系統(tǒng)包括一個具有多個天線元件22/1，...，22/6的天線，天線元件22/1，...，22/6連接到陣列接收機12，陣列接收機12包括一個射頻單元14和一個信號處理單元16。天線通過一個選擇器單元18連接到接收機12，選擇器單元18是一個射頻矩陣開關(guān)，具有六個連接到天線元件22/1，...，22/6的輻射狀陣列中的各個天線元件的輸入端口20/1，...，20/6和三個在射頻單元12內(nèi)分別連接到RF前端單元26/1、26/2和26/3的輸出端口24/1、24/2和24/3。
RF“前端”單元26/1m、26/2m和26/3m是相同的，為常規(guī)結(jié)構(gòu)。如圖5中的插圖所示，RF前端單元26/1包括一個RF/IF下變頻器28/1、一個信道濾波器30/1(只隔離需要的信道并抑制波段外的噪聲和干擾)和一個用于執(zhí)行帶通采樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換器單元32/1。換句話說，可以在A/D轉(zhuǎn)換之前將IF或RF信號下變頻到基帶。A/D轉(zhuǎn)換器單元32/1的輸出(也是RF前端單元26/1的輸出)連接到信號處理單元16，信號處理單元16可以實現(xiàn)為一個定制的超大規(guī)模集成電路(VLSI)芯片、一個現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)或在一個數(shù)字信號處理器(DSP)上運行的軟件。
信號處理單元16與參照圖1描述的幾乎一致，因此將不再描述。如前所述，它執(zhí)行特征(即有效用戶向量信道)估計和協(xié)方差矩陣估計、MMSE處理、加權(quán)和組合、匹配濾波和符號檢測。另外，它使用一個控制矩陣開關(guān)18的長期信道估計器44來執(zhí)行子集選擇過程，并通過短期信道估計器42更新一個特定子集選擇的MMSE權(quán)重。
在這種情況下，信號處理器16將周期性操作矩陣開關(guān)18，使接收機部件暫時“脫機”，同時選擇其它子集中的一個并獲取訓(xùn)練序列的采樣。對其它子集中的每一個輪流重復(fù)這個過程，從而獲取長期統(tǒng)計。根據(jù)該系統(tǒng)，需要通過在這種“脫機”間隔期間幾次選擇相同的子集來獲取長期統(tǒng)計。
關(guān)于非SDMA實現(xiàn)的長期循環(huán)正如SDMA實現(xiàn)中一樣，長期循環(huán)更新長期協(xié)方差矩陣的估計。但是在這種情況下，只有一個有效用戶，即用戶0。實際上，假定在單個蜂巢或扇區(qū)內(nèi)沒有重復(fù)使用載波頻率，而是陣列通過消除相同載波上來自鄰近蜂巢或扇區(qū)、可能會降低載波重用距離的干擾來提高鏈路質(zhì)量。
長期包括兩個主要部分圖6中說明的部分是長期協(xié)方差矩陣估計，而圖7對應(yīng)子集選擇。
在該非SDMA實現(xiàn)中，因為對于用戶0需要一個單獨的接收信號處理單元，所以對天線陣列和RF前端部件的使用是獨占性的。這使得所需RF前端的數(shù)量是由子集大小(即具體實現(xiàn)中的3)而不是陣列(即10)來確定的。
這種實現(xiàn)還假定系統(tǒng)是基于包的，且包比信道相干時間短。此外，適應(yīng)(也就是提取有用信道參數(shù))是基于存在作為主包體前同步碼(或后同步碼或中間碼或散布序列)的訓(xùn)練序列的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大體類似于SDMA實現(xiàn)，除了以下幾點●因為只有一個有效用戶，所以干擾源的包不需要與有效用戶的包同步。實際上，干擾源信號的結(jié)構(gòu)是完全不相關(guān)的，它們根本不必是基于包的。
●因為對于各個干擾源不需要協(xié)方差矩陣估計，所以需要一種不同于SDMA實現(xiàn)中描述的方法來計算干擾協(xié)方差矩陣。
參看圖6，步驟6.1、6.2和6.3與SDMA實現(xiàn)的步驟2.1、2.2和2.3相同。同樣，步驟6.4、6.5以與步驟2.4和2.5相同的方式計算運行估計 步驟6.6、6.7和6.8引入了一種計算干擾協(xié)方差矩陣的新方法(也可以在替代SDMA實現(xiàn)中使用)。在步驟6.6中，根據(jù)R^xx[i]=Σk=1Kx[k,i]x[k,i]H---(20)]]>計算總的短期協(xié)方差矩陣。
在步驟6.7中，根據(jù)Σ^xx[i]=γΣ^xx[i-1]+1-γKR^xx[i],---(21)]]>使用 更新長期總協(xié)方差矩陣 的運行估計。
最后，在步驟6.8通過從總協(xié)方差矩陣中減去用戶0的協(xié)方差矩陣形成干擾協(xié)方差矩陣Σ^I0[i]=Σ^xx[i]-Σ^0[i]---(22)]]>圖7描述了非SDMA實現(xiàn)的子集選擇，因為對于用戶m＝0只需要循環(huán)一次，所以除了沒有步驟3.8和3.9之外與圖3非常相似。
關(guān)于非SDMA情況的短期循環(huán)與圖4中說明的關(guān)于SDMA實現(xiàn)的短期循環(huán)相似，但沒有步驟4.4、4.9和4.10(沒有m上的循環(huán)且始終是m＝0)。
對于矩陣開關(guān)位于RF級且RF前端數(shù)量等于子集大小的非SDMA實施方案，必須使有效訓(xùn)練周期比在其它方面類似的SDMA實施方案中的長。
實際上，在這種情況下，必須通過以一種能順次處理所有陣列元件對的方式將RF開關(guān)周期性地轉(zhuǎn)換到一個新子集，以分段的方式估計短期協(xié)方差矩陣R0、Rxx。因此，必須通過在構(gòu)造單個估計時加長訓(xùn)練前綴或使用幾個連續(xù)前綴(在幾個連續(xù)的包中)，使訓(xùn)練周期按照以下因子變長。
N2S2]]>
空時實現(xiàn)到目前為止所描述的實現(xiàn)涉及平衰落(窄帶)信道，因此只需要空間濾波。對于頻率選擇性衰落(即寬帶)信道，必須在結(jié)構(gòu)中包含均衡形式的時間處理以保持良好的性能。因此，每個MMSE處理器(每個共享一個載波的有效用戶一個)的每個支路都將包含一個全均衡器而不是單個權(quán)重。如果子集大小為3，則每個有效用戶有3個這樣的均衡器。均衡器典型地采用抽頭延遲線的形式，在抽頭延遲線中將每個抽頭加權(quán)并相加，抽頭是用符號間隔的。由此得到結(jié)論，具有3個支路的MMSE處理器必須使用3L個抽頭，其中為了獲得良好的性能均衡器長度L必須大于信道的脈沖響應(yīng)。
在頻率選擇性情況下還必須稍微調(diào)整子集選擇過程。因為在這種情況下協(xié)方差矩陣是頻率選擇性的，所以通過在整個波段上求積分(見(23))可以容易地將原始理論子集選擇標(biāo)準(zhǔn)(見(10))用于寬帶操作，如下所示Sopt(0)=maxSs1fmax-fmax∫fminfmaxtr[Σ0(Ss)(f)ΣI0(Ss)(f)-1]df,s=1,...,Ns---(23)]]>其中Σ0(Ss)(f)=Σk=-∞∞⟨c0(Ss)(f-kT)c0(Ss)H(F-kT)⟩---(24)]]>ΣI0(Ss)(f)=Σk=-∞∞Σm=1M⟨cm(Ss)(f-kT)cm(Ss)H(F-kT)⟩---(25)]]>應(yīng)該要注意的是，在上面，在k上的求和反映了與信號的符號間隔采樣相關(guān)的光譜復(fù)制，即已經(jīng)用信道脈沖響應(yīng)的采樣形式得到了協(xié)方差矩陣。
根據(jù)Parseval關(guān)系的一般形式可以將(23)描述的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換到時域，從而得到Sopt(0)=maxSsΣi=-∞∞tr[Σ0(Ss)[i]ΣI0(Ss)[i]-1],s=1,...,Ns---(26)]]>其中 其中 表示傅立葉反變換。
在實際實現(xiàn)中，用典型地通過類似于那些在窄帶實現(xiàn)中描述的方法獲得的估計來替換理想?yún)f(xié)方差矩陣。同樣，(26)中的求和i需要被截至均衡器的長度L。因此Sopt(0)=maxSsΣi=0L-1tr[Σ0(Ss)[i]ΣI0(Ss)[i]-1],s=1,...,Ns---(26)]]>圖8顯示了具有相關(guān)信號處理功能的空時接收機實現(xiàn)的一般結(jié)構(gòu)。
應(yīng)該認(rèn)識到，在某些情況下的CDMA中使用本發(fā)明是有利的，例如一些用戶成為強干擾源的情況。實際上，眾所周知，限制CDMA中用戶數(shù)量的主要問題之一就是存在不能通過解擴(kuò)展消除的較強干擾源。這被稱作“遠(yuǎn)近效應(yīng)”，因為在對應(yīng)于有效用戶碼的虛擬載波上有干擾源“漏入”或有效共存，所以它造成了一種類似SDMA的情況。結(jié)合本發(fā)明(進(jìn)行了適合CDMA環(huán)境的修改)的自適應(yīng)陣列的空間分辨力提供了一種相對廉價和有效的解決方案。
因為本發(fā)明的實施方案在運行的基礎(chǔ)上選擇為特定有效用戶提供最好整體性能指標(biāo)的天線元件子集，所以本發(fā)明與已知的、選擇為特定有效用戶提供最好性能的選擇分集陣列天線系統(tǒng)不同。
本發(fā)明的優(yōu)選實施方案是基于下列事實提出的1.在基站，從給定信號源到達(dá)的大部分能量典型地集中在一個狹窄角度或錐面中。偶爾也會有一個或多個具有明顯功率的到達(dá)方向(DOA)，但是這些到達(dá)方向的特征典型是具有一個比主DOA窄得多的角度擴(kuò)展。在這種情況下，使用一個定向元件的輻射狀陣列(或一個全向元件陣列和一個通過方向圖合成來模擬該輻射狀陣列的預(yù)處理波束賦形矩陣)意味著小的元件子集足以捕捉任一個用戶信號的大部分能量。只使用一個天線元件子集降低了處理要求。
2.在陣列輸入處測量的給定用戶信號的(在小規(guī)模多徑衰落，即信道特性(增益、延遲和相位)的短期變化上取平均的)中期協(xié)方差矩陣變化相對較慢，對于1秒級的周期來說通?？梢员患俣ㄊ枪潭ǖ摹?br> 但是本發(fā)明沒有設(shè)法識別有效用戶信道的所有自由度。相反，本發(fā)明的實施方案(當(dāng)使用一個輻射狀陣列時使用陣列元件的指向性)選擇S個最顯著的元件以獲得最小均方誤差。因為在選擇過程中也考慮了干擾源，所以這種選擇實際上不是基于識別有效用戶信道的自由度或模式的。它是一個(通過使用撞擊波的幾何形狀)智能地降低陣列自由度數(shù)量的過程，要求動態(tài)適應(yīng)以達(dá)到成比例地降低數(shù)值和硬件復(fù)雜度的目的。
雖然顯示了十個輸入端口和十個天線元件，但選擇該數(shù)量只是為了說明的目的。實際上可能是更取決于實際考慮，諸如成本、物理陣列大小等等。同樣，雖然圖1顯示了一個3個元件的子集，但是最有用的選擇(取決于有效復(fù)雜度/性能折衷)很可能是在2到4(含2和4)個元件之間。此外，應(yīng)該注意，本發(fā)明帶來的相對于標(biāo)準(zhǔn)MMSE陣列處理的復(fù)雜度降低程度大約與N/S成正比。
圖5中說明的接收機系統(tǒng)的優(yōu)點是只需要和子集中元件數(shù)量(在具體例子中是3)一樣多的RF前端單元。典型地，RF前端不僅體積大，還比較昂貴，因此減少這種單元的數(shù)量對于一個完全自適應(yīng)陣列來說是有利的。但是，RF矩陣開關(guān)16也可能是昂貴的部件，在某些情況下(取決于載波頻率和帶寬)會抵消RF前端數(shù)量減少所帶來的成本優(yōu)勢。在圖1中說明的接收機系統(tǒng)中，所有陣列元件各配備了一個信號接收單元(前端)并在A/D轉(zhuǎn)換之后設(shè)置了矩陣開關(guān)，則該開關(guān)不再是一個昂貴的RF部件，而是一個能夠?qū)?個串行或并行數(shù)據(jù)流多路轉(zhuǎn)換成3個數(shù)據(jù)流的數(shù)字多路轉(zhuǎn)換器。替代做法是，假定信號處理單元14具有足夠的輸入資源，可以將多路轉(zhuǎn)換器包含在其中。相反，子集選擇邏輯可以是分開的。
雖然一般做法是假設(shè)信道在一個塊的長度上可以被看作是靜態(tài)的(即塊的長度大大小于信道相干時間)，但本發(fā)明在其它需要連續(xù)跟蹤(使用如最小均方(LMS)或遞歸最小二乘方(RLS)算法之類的自適應(yīng)算法)的情況下同樣應(yīng)用良好。
如果實際上實現(xiàn)了連續(xù)跟蹤，則可以不需要提供頻率訓(xùn)練序列。實際上，假定后判決(past decision)是可靠的，可以將它用作訓(xùn)練符號來執(zhí)行子集選擇和權(quán)重計算更新。因此，雖然不時常發(fā)生，但仍然需要訓(xùn)練序列以(1)當(dāng)形成一個新鏈路時初始化系統(tǒng)，使得它的第一個判決足夠可靠能開始跟蹤過程；以及(2)周期性重啟系統(tǒng)以將由于失去跟蹤而產(chǎn)生的誤差最小化。
在根本不需要訓(xùn)練序列的情況下也可以使用盲自適應(yīng)技術(shù)。本發(fā)明的原則也同樣很好的適用于與數(shù)字調(diào)制信號不同的模擬波形。
發(fā)射站不必限制為單個天線。如果它們有多個天線因而形成多輸入、多輸出(MIMO)鏈路，則可以用多種方式對這里描述的本發(fā)明的實施方案進(jìn)行適當(dāng)修改，同時保留本發(fā)明的實質(zhì)和優(yōu)點。例如，屬于同一用戶的每一個發(fā)射機天線可以在接收器處有其自己的接收機部件和相關(guān)的子集。然后可以以很多已知的方式，如分層空時(LST處理)，共同處理多個此類接收機的輸出。替代做法是，可以將單個接收機部件及相關(guān)的元件子集分配給一個多天線用戶；然后該接收機部件把合適的MIMO處理(例如LST)包括進(jìn)去。此外，在后一種情況下將必須對子集選擇過程稍作修改。
(在MIMO鏈路中)不管是單向的還是雙向的，都可以用對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說應(yīng)該是明顯的方法加入糾錯編碼。
同樣，在不影響本發(fā)明實質(zhì)的情況下，對于接收機部件可以考慮線性MMSE處理的多種替代方法。可能的方法包括判決反饋處理、延遲判決反饋、多用戶或MIMO判決反饋、最大似然序列估計(MLSE)等等。
應(yīng)該認(rèn)識到，本發(fā)明并不被限制為只用于蜂窩電話系統(tǒng)的基站，還可以用于該系統(tǒng)的流動式電臺。此外，根據(jù)本發(fā)明的接收機可以用于，例如無線局域網(wǎng)、分組數(shù)據(jù)無線電網(wǎng)和其它無線網(wǎng)絡(luò)。
應(yīng)該要注意的是，本發(fā)明不僅包括在上文中描述的陣列接收機系統(tǒng)，還包括與天線元件陣列方式一起使用的接收機本身和用于改進(jìn)已有陣列天線接收機系統(tǒng)的信號處理器。
概括來講，自適應(yīng)算法包括兩個循環(huán)。窄帶情況下的長期循環(huán)可以劃分如下A.對于每一個用戶m，m＝0，...，M+1●根據(jù)用戶m發(fā)射的已知訓(xùn)練序列估計用戶m的特征在所有N個天線元件上的短期協(xié)方差矩陣；●使用短期估計更新用戶m的特征的中期平均協(xié)方差矩陣的運行估計(6)。
●使用為所有用戶計算的中期平均協(xié)方差矩陣，計算用戶m受到的干擾的協(xié)方差矩陣ΣIm=Σi=0Mi≠mΣi---(30)]]>B.對于所有子集 ●在∑m和∑Im中選擇合適的元素以形成∑m(Ss)和∑Im(Ss)。
●按照(4)(as per(4))計算子集選擇標(biāo)準(zhǔn)。
●比較前面計算的標(biāo)準(zhǔn)的最大值(如果是第一個迭代則與零比較)。
●如果新的值較大，則存儲它和對應(yīng)的子集下標(biāo)。
●重復(fù)循環(huán)B直到已經(jīng)處理了所有NS個子集。
●將所選子集下標(biāo)Sm傳遞給用戶m的子集選擇器。
●從A開始重復(fù)，直到已經(jīng)處理了所有用戶。
●等待下一個長期訓(xùn)練間隔并重復(fù)循環(huán)A。
短期循環(huán)執(zhí)行如下C.對每一個用戶m，m＝0，...，M●在子集Sm上估計S×S短期協(xié)方差矩陣Ryy(Sm)。這可以根據(jù)(9)對每個用戶獨立完成，或可以一次計算總的N×N短期協(xié)方差矩陣并將其用于產(chǎn)生所需的、在所有用戶的各個子集上的S×S協(xié)方差矩陣。
●使用(8)估計用戶m在子集Sm上的cm(Sm)。
●計算權(quán)重向量w=Ryy(Sm)-1ci(Sm).]]>●將權(quán)重傳遞給MMSE處理器m。
●對所有用戶從C開始重復(fù)。
●等待下一個短期訓(xùn)練間隔(來自同一個用戶組的下一個包)并重復(fù)循環(huán)C。
工業(yè)實用性已知的是，具有合適信號處理裝置的天線陣列，當(dāng)其在無線網(wǎng)絡(luò)中使用時，允許更多的鏈路同時共存于相同的波段/載波上和/或提供更好的鏈路質(zhì)量(在電路的語音質(zhì)量、數(shù)據(jù)鏈路的比特誤碼率或抗衰落的魯棒性方面)。
隨著無線系統(tǒng)的發(fā)展，三個因素顯得極為重要(i)從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換；(ii)不斷增加的(常常需要減小ISI的)寬帶信道的優(yōu)勢，以適應(yīng)大數(shù)據(jù)率；(iii)很多蜂窩系統(tǒng)所遭受的容量瓶頸。
基站處與SDMA結(jié)合的空時接收機的實現(xiàn)無疑是增加寬帶無線系統(tǒng)容量最有希望的途徑。實際上，N元件陣列理論上能夠帶來N-1倍的容量(即每個載波上同時活動用戶的數(shù)量)增量。但是，開發(fā)和實現(xiàn)這種設(shè)備的成本相當(dāng)大，因為每個額外的天線元件需要一個額外的前端接收機和額外的計算能力以調(diào)整抽頭(權(quán)重)和執(zhí)行其它信號處理任務(wù)。
因此將傳統(tǒng)陣列系統(tǒng)引入現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)所具有的復(fù)雜度(以及由此帶來的成本)會讓人望而卻步。
市場上對天線陣列和空時處理器的廣泛接受只是一個時間問題，近來的工業(yè)利益(interest)證明了這一點。在過去，不愿接受可能歸因于這些解決方案的相對復(fù)雜度/成本。雖然(導(dǎo)致設(shè)備成本降低的)技術(shù)進(jìn)步和容量問題的緊迫性已經(jīng)克服了一些猶豫心理，但是復(fù)雜度仍然是一個非?，F(xiàn)實的問題，特別是在高帶寬和/或高頻率上。
本發(fā)明提供了一種不太復(fù)雜的解決方案。實際上，本發(fā)明能夠提供相對于標(biāo)準(zhǔn)線性空時接收機而言降低了一個數(shù)量級的復(fù)雜度，同時性能下降最小。
應(yīng)該要注意的是，與其它子集選擇陣列系統(tǒng)相比較，本發(fā)明通過根據(jù)子集性能而不是根據(jù)各個支路來選擇子集，提供了更好的性能。此外，子集選擇標(biāo)準(zhǔn)考慮了干擾和整個陣列上的干擾相關(guān)性。
為了限制估計和選擇子集的開銷，本發(fā)明還提出了一種基于(關(guān)于衰落率的)長期統(tǒng)計的子集選擇方法，在某些實施方案中，該方法可以將涉及到子集選擇的硬件和/或軟件的復(fù)雜度降低一個數(shù)量級。
所提出的發(fā)明在其適用性方面有差別；實際上，本發(fā)明的目的是減小同信道干擾，同時提供抗衰落的魯棒性，而所提到的兩個選擇分集方案一般只是為了抗衰落魯棒性而研究的。此外，所提出的發(fā)明在基站中通過使用輻射狀排列的定向元件利用了到達(dá)信號的幾何形狀?；谥衅诮y(tǒng)計的子集選擇也是一個新概念。
應(yīng)該提到的是，本發(fā)明的好處是不需要SDMA或?qū)拵?即空時)操作。這使其成為增量升級現(xiàn)有系統(tǒng)的一個有吸引力的途徑。
權(quán)利要求
1.一種陣列接收機系統(tǒng)，用于接收來自多個發(fā)射用戶的信號，其特征在于，一個天線元件(22/1，...，22/10)的陣列和一個具有多個接收機部件(120，...，127)的接收機，每個接收機部件對應(yīng)一個不同的用戶，接收機部件各具有一個用于處理和組合來自天線元件的信號子集、從而產(chǎn)生一個關(guān)于對應(yīng)用戶的接收信號的信號處理單元(160)，接收機還包括開關(guān)裝置(180)，用于選擇來自天線元件的多個不同的信號子集供信號處理單元(160)處理，每個子集包括預(yù)定數(shù)量的所述信號，每個信號處理裝置用于根據(jù)對應(yīng)接收機部件關(guān)于所述多個信號的不同子集的電位性能的測量，控制開關(guān)裝置以改變包含該對應(yīng)接收機部件所使用的信號子集的信號，其中所述測量是基于組合信號子集的。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列天線無線電接收機系統(tǒng)，其特征在于，開關(guān)裝置在每個接收機部件中包括一個開關(guān)矩陣，接收機包括多個射頻(RF)前端部件，每個前端部件將各自的一個天線元件連接到各個所述開關(guān)裝置和各個信號處理裝置，每個前端部件用于將來自對應(yīng)天線元件的信號轉(zhuǎn)換成一種適合由所述處理裝置處理的格式，每個所述開關(guān)矩陣選擇已轉(zhuǎn)換信號的子集應(yīng)用到不同接收機部件中相關(guān)的一個。
3.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列天線無線電接收機系統(tǒng)，其特征在于，每個接收機部件包括多個射頻(RF)前端單元，其數(shù)量等于每個連接到信號處理裝置的所述子集中的信號數(shù)量，開關(guān)裝置包括一個開關(guān)矩陣，該開關(guān)矩陣將所選的幾個天線元件連接到每個接收機部件中相應(yīng)的幾個RF前端部件，每個RF前端部件用于將來自對應(yīng)天線元件的信號子集轉(zhuǎn)換成一種適合由所述處理裝置處理的格式。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列天線接收機系統(tǒng)，其特征在于，每個信號處理裝置關(guān)于所述多個信號的所有不同可能子集測量對應(yīng)接收機部件的所述電位性能。
5.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述所述的陣列天線接收機系統(tǒng)，其特征在于，每個信號處理單元是通過在一個長到足以使由子集信號的多徑分量的相位關(guān)系引起的快衰落效應(yīng)最終得到平衡的時間周期上監(jiān)視源自不同子集的信號的統(tǒng)計來測量所述性能的。
6.一種根據(jù)權(quán)利要求2所述的陣列天線接收機系統(tǒng)，其特征在于，處理單元周期性從天線元件選擇信號采樣；使用該信號采樣計算關(guān)于每個用戶的協(xié)方差矩陣；使用所有用戶的協(xié)方差矩陣，對相關(guān)用戶，計算一個描述所述用戶中的其它用戶的干擾信號和的干擾協(xié)方差矩陣；選擇具有與子集中元件相同指定數(shù)量的協(xié)方差矩陣和干擾協(xié)方差矩陣的所有可能子集；為每個所選信號和相關(guān)協(xié)方差矩陣的子集計算所述性能標(biāo)準(zhǔn)；以及為其自己的用戶，選擇給出最佳性能標(biāo)準(zhǔn)的子集。
7.一種根據(jù)權(quán)利要求6所述的陣列接收機系統(tǒng)，其特征在于，信號處理單元根據(jù)表達(dá)式 按照對特定用戶m和子集的協(xié)方差矩陣估計與對該特定用戶和子集選擇的干擾協(xié)方差矩陣的倒數(shù)的乘積的跡來計算作為所述測量的SINR。
8.一種根據(jù)權(quán)利要求6所述的接收機系統(tǒng)，其特征在于，信號處理單元被配置以監(jiān)視關(guān)于特定子集選擇的信道參數(shù)，并根據(jù)所述參數(shù)更新每個協(xié)方差矩陣，所述更新比子集選擇發(fā)生得更為頻繁。
9.一種根據(jù)權(quán)利要求6所述的接收機系統(tǒng)，其特征在于，由天線元件接收的信號包含具有嵌入訓(xùn)練序列的包，在預(yù)設(shè)的估計間隔，每個處理裝置選擇一個不同的信號子集、采樣所述包、提取訓(xùn)練序列，并使用訓(xùn)練序列獲取對所選的特定子集的所述性能測量。
10.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的接收機系統(tǒng)，其特征在于，每個信號處理單元被配置以在自適應(yīng)加權(quán)和組合每個信號子集中使用最小均方誤差(MMSE)，在一個比第一次提到的時間周期短的時間周期上確定每個子集的第二性能標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)這個短時間周期測量調(diào)整MMSE處理所使用的權(quán)重。
11.一種根據(jù)權(quán)利要求10所述的接收機系統(tǒng)，其特征在于，每個信號處理單元根據(jù)來自當(dāng)前天線元件子集的信號確定所述第二性能標(biāo)準(zhǔn)。
12.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的接收機系統(tǒng)，其特征在于，天線元件被布置成一個定向元件的輻射狀陣列。
13.一種根據(jù)權(quán)利要求12所述的接收機系統(tǒng)，其特征在于，天線元件被配置，使得對應(yīng)于相鄰天線元件的輻射/靈敏度波瓣的部件部分重疊。
14.一種根據(jù)權(quán)利要求13所述的接收機系統(tǒng)，其特征在于，處理器在組合和處理信號子集中使用最小均方誤差(MMSE)處理，而且處理裝置利用信道參數(shù)來更新所述MMSE處理中使用的權(quán)重。
15.一種使用一個具有一個天線元件(22/1，...，22/10)的陣列的天線和一個具有多個接收機部件的接收機來接收來自多個發(fā)射用戶的信號的方法，其中每個接收機部件對應(yīng)一個不同的用戶并通過一個開關(guān)裝置連接到天線元件，該方法包括步驟周期性地從天線元件選擇不同的信號子集，處理并組合每個信號子集并確定特定用戶的接收機部件關(guān)于該子集的電位性能，確定哪一個子集會提供最佳性能，并控制開關(guān)裝置以改變包含由該對應(yīng)接收機部件使用的信號子集的信號。
16.一種根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，來自天線元件的信號都被轉(zhuǎn)換成一種適合由信號處理單元處理的形式，并通過選擇轉(zhuǎn)換后的信號來進(jìn)行子集選擇。
17.一種根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，接收機包括一個具有等于子集中信號數(shù)量的多個RF前端單元的部件，通過從天線元件選擇一個信號子集并將該子集施加到RF前端單元來進(jìn)行子集選擇。
18.一種根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，對所述多個信號的所有不同可能子集進(jìn)行所述電位性能的測量。
19.一種根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，該性能是通過在一個長到足以使由于子集信號的多徑分量的相位關(guān)系引起的快衰落效應(yīng)最終得到平衡的時間周期上監(jiān)視來自不同子集的信號統(tǒng)計來測量的。
20.一種根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，包括步驟周期性從來自天線元件的所述信號子集選擇采樣；使用該信號采樣計算對每個用戶的協(xié)方差矩陣；使用所有用戶的協(xié)方差矩陣，對相關(guān)用戶，計算一個描述所述用戶中的其它用戶的干擾信號和的干擾協(xié)方差矩陣；選擇具有與子集中元件相同指定數(shù)量的協(xié)方差矩陣和干擾協(xié)方差矩陣的所有可能子集；關(guān)于每個所選矩陣子集，計算所述性能標(biāo)準(zhǔn)；以及為特定用戶，選擇給出最佳性能標(biāo)準(zhǔn)的子集。
21.一種根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，所述測量是根據(jù)表達(dá)式 按照對特定用戶和子集的協(xié)方差矩陣估計與對該特定用戶和子集選擇的干擾協(xié)方差矩陣估計的倒數(shù)的乘積的跡計算的SINR。
22.一種根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，監(jiān)視關(guān)于特定子集選擇的信道參數(shù)，且根據(jù)所述參數(shù)，相比子集選擇更頻繁地更新每個協(xié)方差矩陣。
23.一種根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，由天線元件接收的信號包含具有嵌入訓(xùn)練序列的包，以及在預(yù)設(shè)的估計間隔，選擇一個不同的信號子集、采樣所述包、提取訓(xùn)練序列，并使用訓(xùn)練序列以獲取關(guān)于所選的特定子集的所述性能測量。
24.一種根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其特征在于，使用最小均方誤差(MMSE)處理信號子集以自適應(yīng)加權(quán)和組合每個信號子集，并且在一個比第一次提到的時間周期短的時間周期上測量每個子集的第二性能標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)這個短時間周期的測量調(diào)整MMSE過程所使用的權(quán)重。
25.一種根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，根據(jù)來自當(dāng)前所選的天線元件子集確定所述第二性能標(biāo)準(zhǔn)。
26.一種根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，MMSE使用信道參數(shù)來更新權(quán)重。
27.一種與一個陣列天線共同使用的接收機，陣列天線包括多個天線元件以接收來自多個發(fā)射用戶的信號，接收機具有多個接收機部件(120，...，127)，每個部件對應(yīng)一個不同的用戶，接收機部件各有一個信號處理單元(160)，信號處理單元用于處理并組合一個來自天線元件的信號子集以產(chǎn)生一個關(guān)于對應(yīng)用戶的接收信號，接收機的特征在于包括開關(guān)裝置(180)，開關(guān)裝置用于選擇多個來自天線元件的不同信號子集供信號處理單元(160)處理，其中每個子集包括預(yù)定數(shù)量的所述信號，每個信號處理裝置用于根據(jù)對應(yīng)接收機部件關(guān)于所述多個信號的不同子集的電位性能的測量來控制開關(guān)裝置以改變包含由該對應(yīng)接收機部件使用的信號子集的信號，其中所述測量是基于組合信號子集的。
全文摘要
一種陣列天線系統(tǒng)，包括一個天線元件(22/1，...，22/10)陣列和一個使用來自天線元件的信號子集的接收機(1文檔編號H04B7/10GK1672345SQ03818285
公開日2005年9月21日 申請日期2003年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月30日
發(fā)明者S·J·A·羅伊 申請人:拉瓦爾大學(xué)