專利名稱：利用上行鏈路加權(quán)矢量的天線到達角估算的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及數(shù)字無線電通信中的自適應(yīng)天線陣的使用，更具體地涉及使用在這種自適應(yīng)天線陣中的下行鏈路到達角(AOA)估算。
背景技術(shù)：
在數(shù)字通信的陣列信號處理中，接收和發(fā)送天線的陣列配置在基站中(例如，蜂窩電話網(wǎng))，克服干擾并以這種方式增加容量和提高系統(tǒng)性能。為了從天線陣開發(fā)潛在性能增益，存在著兩個主要概念。
一種方法是利用天線在上行鏈路形成多個固定波束。然后接收機算法利用從一個或多個波束的輸出接收一個期望的用戶。然后在下行鏈路中，數(shù)據(jù)在最高信噪比(SNR)的波束中進行發(fā)送，或在分集系統(tǒng)發(fā)送的情況下在若干個波束中進行發(fā)送。
另外一種可能性是操縱一個窄波束直接向期望的移動站。這種方法可以按兩種基本上不同方式進行。
在參數(shù)方法中，明確地估算期望用戶的多徑(指)到達角，并且然后操縱上行鏈路波束處于確定的方向。然后給出最高SNR的AOA用于下行鏈路傳輸。再有，在分集傳輸?shù)那闆r下，可以利用若干下行鏈路波束。
在非參數(shù)方法中，不明確估算期望用戶的AOA，但僅估算空間信道(或空間特征標(biāo)記)，對每個指給出對估算陣列加權(quán)矢量的上升(例如利用矢量瑞克[RAKE]接收機獲得的)。應(yīng)用到陣列輸出端的這些權(quán)值的組合產(chǎn)生用于接收用戶數(shù)據(jù)的信號。該非參數(shù)方法對用戶的AOA不產(chǎn)生任何顯式信息，并且這些AOA是分別估算的。
有很多利用自適應(yīng)天線AOA估算的科學(xué)文獻。在AOA估算中最感興趣的主要是由所謂超分辨率算法的出現(xiàn)推動的諸如MUSIC、ESPRIT、MODE和WSF之類的方法，這些方法可以以比傳統(tǒng)波束形成算法更高的精度估算AOA。
通常的超分辨率算法的一個主要缺點是其計算的復(fù)雜性。這些方法經(jīng)常包括執(zhí)行陣列的矩陣容量中的奇異值的分解。這些方法的另外的缺點是它們向模型誤差報告的靈敏度；強烈地依靠信號環(huán)境的參數(shù)模型和天線陣的精確校準(zhǔn)，它們能給出很好的AOA估算。
諸如波束形成法之類的非參數(shù)方法，基本的工作是通過利用窄波束掃描由陣列覆蓋的區(qū)域并按照從該陣列給出最高輸出功率的方向選擇AOA。以至于，這些方法更為健全，但是在許多用戶彼此緊密地出現(xiàn)的情況和在噪聲水平可能很高的情況的實際使用中，其差的分辨率可以成為一個限制因素。
由上觀之，提供沒有上述現(xiàn)有技術(shù)方法的缺點的AOA算法是人們所希望的。
在試圖避免現(xiàn)有技術(shù)的方法的上述缺點的努力中，本發(fā)明開發(fā)了一種使用在具有恒定相移結(jié)構(gòu)的天線陣中方便可用上行加權(quán)矢量的特征，并直接從上行鏈路加權(quán)矢量計算AOA估算。
附圖簡要說明

圖1圖示地表示一個天線傳感器的天線正常矢量和從單一數(shù)字無線電通信源產(chǎn)生的兩個多徑指之間的角度關(guān)系；圖2圖示地表示如何將多徑指模型化為從不同角度射落的大量陣列；圖3圖示地表示增益與角度關(guān)系；圖4圖示地表示均勻和線性天線陣的各個傳感器之間的傳播延遲；圖5圖示地表示按照本發(fā)明的到達角估算器的示例實施例；圖6圖示地表示按照本發(fā)明的數(shù)字無線電通信接口的示例；圖7表示可以由圖5的到達角估算器實施例執(zhí)行的示例操作；圖8和9圖示地表示按照本發(fā)明的與最小平方到達角估算相關(guān)的模擬結(jié)果；圖10和11圖示地表示按照本發(fā)明的與遞歸最小平方到達角估算相關(guān)的模擬結(jié)果。
具體實施例方式
本發(fā)明引用利用一些天線陣結(jié)構(gòu)、對一個多徑指估算加權(quán)矢量的各部件相對于簡單相移是近似(忽略加權(quán)矢量估算的噪聲和誤差的影響)的這樣的事實。這可以從下面描述的模型中看出。
圖1圖示地表示兩個示例多徑指A和B對天線陣的一個傳感器的天線正常矢量C的角度關(guān)系。多徑指A和B是各種物理障礙(建筑物、山丘等)的公知結(jié)果，這些障礙使由例如數(shù)字蜂窩電話之類的無線電源產(chǎn)生的無線電信號改方向。多徑指A與天線正常矢量C之間的角度在圖1中表示為θA和多徑指B與天線正常矢量C之間的角度表示為θB。
每個多徑指可以被假設(shè)為圍繞在其傳播正常方向具有某些擴散開的角度。例如，圖2表示多徑指B可以被模型化為大量的射線，其中的4個表示在圖2中。所說明的射線R1-R4從相應(yīng)角度Q1-Q4射落到多徑指B。因此，大量的射線L(在圖2中表示出4個)的每個從對于I＝1到L不同的角度θI射落。每個射線也有復(fù)數(shù)的幅度這里設(shè)計為hI(t，QI)。每個角度θI可以被模型化為具有平均值θB和變化值σI2的隨機變量。利用這些假設(shè)，對于給定多徑指的加權(quán)矢量可以寫為如下方程w(t,θ)=Σ1=ILhI(t,θI)α(θI)+E(t)]]>方程1在方程1左邊的變量θ代表特定多徑指的到達角。因此，對于圖1和2的多徑指B，在方程1左邊的變量θ對應(yīng)于圖1和2的θB。
在方程1中，hI(t，θI)表示在時間t射線I的基帶信道。正如在現(xiàn)有技術(shù)中所公知的，這個基帶信道包含傳播衰減、接收機濾波和脈沖整形的作用。另外，取決于角度θI(見圖3)的天線增益也包含在基帶信道hI(t，θI)中。
方程1中的因子a(θI)計入了通過該陣列電波傳播延遲時間的影響。如圖4所示，傳播時間延遲對應(yīng)于對應(yīng)射線R1傳播距離ΔsinθI的波需要的時間。
方程1中的E(t)項是由于在噪聲環(huán)境下利用有限數(shù)量的訓(xùn)練符號估算加權(quán)矢量這樣的事實產(chǎn)生的。
對于窄帶信號，例如數(shù)字無線電通信信號，時間延遲對應(yīng)于相移。在方程1中，a(θI)是稱為陣列響應(yīng)矢量的這些相移的矢量。在圖4的例子中，天線陣是包含M個傳感器1、2、3...M的常規(guī)均勻和線性陣列(ULA)。在這個例子中，M維陣列響應(yīng)矢量a(θI)是由以下方程給出的a(θI)=1eiΔsinθIe2iΔsinθIe(M-1)iΔsinθI]]>方程2這個矢量M個單元分別對應(yīng)于圖4的ULA中的M個傳感器。
如果擴散在θ和每個θI之間的角度(見圖2)很小，例如3°到10°，圍繞θI＝θ的a(θI)泰勒級數(shù)表示產(chǎn)生方程3w(t,θ)=Σt=1LhI(t,θI)(a(θ)+a′(θ-θI)+12a′′(θ)(θ-θI)2+...)+E(t)]]>方程3其中h(t,θ)=ΣI=1LhI(t,θI).]]>因為θ-θI按平均是很小的(按弧度小小于1)，可以從方程3看出，不同于E(t)(即，總和部分)的n(t)部分按平均是很小的。
再參照圖4的例子，表示在這里的ULA是具有恒定相移結(jié)構(gòu)天線陣列的一個例子。這意味著，傳感器1、2、...M的每一個與相鄰的傳感器分隔開波長的一部分的距離Δ，并且該陣列包括兩個相同的子陣列。例如，第一子陣列可以由圖4的傳感器1、2和3定義，而第二子陣列可以由傳感器2、3和4定義。與圖4的天線相關(guān)的常規(guī)上行鏈路加權(quán)矢量包括分別對應(yīng)于M個傳感器的M個部件。類似地，對于給定子陣列的加權(quán)矢量是M維加權(quán)矢量的子矢量，包含多個(小于M個)分別對應(yīng)于該子陣列的各個傳感器的部件。因此，來自上面方程1和3的分別與第一和第二子陣列相關(guān)的子矢量W1和W2可以表示為
w1(t，θ)＝h(t，θ)a1(θ)+n1(t)方程4w2(t，θ)＝h(t，θ)a2(θ)+n2(t)方程5其中a1(θ)代表包含對應(yīng)于第一子陣列的各個傳感器的這些a(θ)部件的陣列響應(yīng)矢量a(θ)的陣列響應(yīng)子矢量，和a2(θ)是類似于包含對應(yīng)于第二子陣列的各個傳感器的這些a(θ)部件的陣列響應(yīng)子矢量。同樣，n1(t)包括與第一子陣列的各個傳感器相關(guān)n(t)的各個部件，和n2(t)代表與第二子陣列相關(guān)的n(t)的各個部件。
在具有恒定相移結(jié)構(gòu)天線陣列中，例如圖4的ULA，第一和第二子陣列陣列響應(yīng)子矢量按照如下方程的關(guān)系是公知的a2(θ)＝εi2πΔsinθa1(θ) 方程6帶方程6到方程5產(chǎn)生如下方程w2(t，θ)＝h(t，θ)a1(θ)ei2πΔsinθ+n2(t). 方程7現(xiàn)在比較方程7和4產(chǎn)生w2(t，θ)＝w1(t，θ)ei2πΔsinθ+n(t) 方程8其中n(t)是利用平均零修改的噪聲項。
方程8可以用多種不同方法對θ求解，給出加權(quán)矢量{w1(t，θ)，w2(t，θ)}，t＝1到N的一個實例。最直接的例子是下面描述的最小平方(LS)方法。
用w1H(t)(其中H表示復(fù)數(shù)共軛轉(zhuǎn)置運算符)乘以方程8的左邊和右邊并且求和各個可用樣值(相鄰n(t))產(chǎn)生Σt=1Nw1H(t)w2(t)=Σt=1Nw1H(t)w1(t)ei2πΔsinθ]]>方程9(為了簡單不再討論符號θ)重排方程9產(chǎn)生方程10ei2πΔsinθ=[Σi=1Nw1H(t)w1(t)]-1[Σi=1Hw1H(t)w2(t)]]]>方程10該方程可以很容易地對多徑指的到達角θ(例如，圖1和2的θB)求解。因為方程9和10的解按如下判據(jù)最小化，一般叫做“最小平方”解方程11在實際情況中給定多徑分量的到達角θ隨著時間慢變化。然后最好是該算法的遞歸實現(xiàn)。下面描述遞歸最小平方(RLS)方法估算θ。但是注意，本發(fā)明并不限制于RLS方法，并且其他類型的遞歸求解也是可能的，例如最小均方(LMS)、Kalman濾波器或Newton型實現(xiàn)。為了對這個問題得到RLS解，設(shè)a(t)＝θi2πΔsinθ(t)。根據(jù)上述討論，由如下方程給出a(t)估算(包括忽略因子μ)α(t)=(Σs=1tμ1-sw1H(s)w1(s))-1(Σs=1tμ1-sw1H(s)w2(s))-1]]>方程12引入?yún)f(xié)方差矩陣P(t)=(Σs=1tμ1-sw1H(s)w1(s))-1]]>方程13該矩陣清楚地滿足以下關(guān)系P-1(t)＝μP-1(t-1)+w1H(t)w1(t)方程14從方程12和13得到以下方程α(t)=P(t)(Σs=1t-1μ1-sw1H(s)w2(s)+w1H(t)w2(t))]]>=P(t)(P-1(t-1)α(t-1)+w1H(t)w2(t))]]>=α(t-1)+P(t)w1H(t)w1(t)α(t-1)+P(t)w1H(t)w2(t)]]>=α(t-1)+P(t)w1H(t)(w2(t)+w1(t)α(t-1))]]>方程15現(xiàn)在可以將包含忽略因子μ的完全述遞歸最小平方(RLS)方法歸納如下1)設(shè)置μ、a(0)和P(0)(見下文用于提示如何選擇這些參數(shù))2)對于t＝1到N，產(chǎn)生α(t)＝α(t-1)+K(t)ε(t)方程16其中ε(t)＝w2(t)-w1(t)α(t-1)方程17和 K(t)＝P(t)w1H(t) 方程18用于方程18中的標(biāo)量P(t)是從方程14得到的。
有關(guān)用戶參數(shù)μ、a(0)和P(0)的選擇，下面可以給出示例性的一般規(guī)則。忽略因子μ確定如何在估算中使用多長的存儲器，并且應(yīng)當(dāng)選擇為略小于1(例如，0.95與0.99之間)?？梢员硎?，給定的μ對應(yīng)于利用具有N＝2/(1-μ)的方程9的估算。因此，μ確定有多少老的樣值被用于估算中。
初始值a(0)是根據(jù)可能是用戶要求的AOA可用的任何推測信息進行選擇的。如果沒有這樣的信息可用，a(0)可以設(shè)置為1(對應(yīng)于θ＝0)或任何其它適合的值。
初始差異P(0)是根據(jù)初始估計值a(0)中的置信水平選擇的。大的P(0)給出估算中大的初始變量并且如果相信初始估算值a(0)很差(例如，在AOA中沒有推測信息)則應(yīng)當(dāng)使用大的P(0)。一個示例性大的P(0)＝10。另一方面，如果相信a(0)很精確，則應(yīng)選擇小的P(0)。一個示例性小的P(0)＝0.01。
取決于忽略因子μ，P(t)會聚于不同的值。如果μ靠近1，P(t)將會聚于很小的值并且跟蹤將是很慢的(對于μ＝1，P(∞)＝0，這給出完全沒有跟蹤)，而小的μ將給出P(t)的很高的值，能較快地跟蹤a(t)的變化。
從上面的討論可以看出，根據(jù)本發(fā)明對于任何具有恒定相移結(jié)構(gòu)的天線陣例如均勻和線性陣列，對給定多徑指到達角可以從對應(yīng)的上行鏈路加權(quán)矢量容易地進行估算。一旦估算出到達角，這個到達角可以被用于合適地控制該天線陣對到其到達角已經(jīng)估算出的信號源的下行鏈路通信的操作。
圖5圖示地表示按照本發(fā)明的到達角估算器的示例性實施例。該到達角估算器51包括輸入端53，用于接收指示已經(jīng)對給定多徑指估算的上行鏈路加權(quán)矢量w的信息，和輸出端55，用于提供指示估算的到達角θEST的信息。子矢量提取器52從加權(quán)矢量中提取第一和第二子矢量w1和w2，正如上文相對于方程4和5所討論的。這些子矢量w1和w2提供作為到達角計算器56的輸入，該計算器從中進行計算并輸出到達角估算θEST。
圖6表示按照本發(fā)明的示例性數(shù)字無線電通信接口。圖6的接口例如可以提供在按數(shù)字蜂窩電信網(wǎng)操作的基站中。如圖6所示，天線陣62耦合到雙工(Dx)濾波器，在這個例子中該濾波器又被耦合到波束形成網(wǎng)絡(luò)63。波束形成網(wǎng)絡(luò)又耦合到包含下變換電路和模/數(shù)變換器電路的接收機電路(Rx)。接收機電路又耦合到均衡與組合部分65，該電路提供上行數(shù)據(jù)到例如基站的數(shù)據(jù)處理部分(未明顯示出)。部分65還用作加權(quán)矢量產(chǎn)生器，提供與相應(yīng)的多徑指相關(guān)的加權(quán)矢量w。
到達角估算器51接收各個加權(quán)矢量，產(chǎn)生到達角估算θEST，并提供這些到達角估算到下行鏈路波束形成部分66。下行鏈路波束形成部分66還從數(shù)據(jù)處理部分接收下行鏈路數(shù)據(jù)。發(fā)送(Tx)電路包括數(shù)/模變換電路、功率放大電路和耦合接收下行鏈路波束形成部分66的輸出的上變換電路，并且發(fā)送電路的輸出端耦合到雙工濾波器。除了按照本發(fā)明提供到達角估算器51外，表示在圖6中的其余部件都是技術(shù)公知的。
圖7表示可以由圖5的示例性到達角估算器執(zhí)行的示例性操作。在71，獲得多徑指的加權(quán)矢量。在72，從加權(quán)矢量中提取對應(yīng)于天線陣的各子陣列的各個子矢量。在73，到達角估算器根據(jù)各個子矢量利用上述任何示例性技術(shù)進行計算。如74和75指示的，可以重復(fù)過程71-73，直至所有多徑指都已被處理。
下面的鏈路模擬論證所公開的到達角估算方法的性能。結(jié)果表示在對于方程10-11的最小平方解和對于方程16-18遞歸實現(xiàn)兩者中。由最小平方模擬的結(jié)果表示在圖8和9中。均方根誤差(RSME)是按度表示的，由方程19定義為到達角θ( (n)表示第n個θ的估算)的函數(shù)。RMSE=1NΣn=1N(θ-θ^(n))2]]>方程19結(jié)果被N＝500的蒙特卡羅模擬進行平均。RSME具有兩個由來第一將是由于噪聲的隨機誤差。另外的，將是由于方程3中的近似的一個確定的誤差。確實，根據(jù)信號模型，每個擴散源被模型化為大量陣列上緊密接觸的點源。這些源不能由陣列進行分解并且產(chǎn)生估算誤差。所有模擬使用各單元之間具有半波長間距(Δ＝1/2)的均勻和線性陣列ULA。
圖8和9分別表示對于3°擴散角和10dB信噪比(SNR)的，并對于M＝4和M＝8天線傳感器的結(jié)果?？梢钥闯?，隨著接近結(jié)束發(fā)射方向(end fire direction)RSME變大些，但在這個例子中始終不會變得很大。另外，對于圖9的較大的天線陣，RSME是較小的。
圖10和11表示RLS算法跟蹤信號的AOA的能力。根據(jù)隨機游動模式，AOA被模型化為每15個樣值(對應(yīng)于在WCDMA無線幀中的15個時隙)改變一次。
θ(t)＝θ(t-1)+v(t) 方程20其中V(t)是具有相等概率的取值±0.5度的隨機變量。事實上，期望各差指的AOA更連續(xù)地變化。
圖10和11表示對于分別M＝4和M＝8天線單元，并且對于3°擴散角和10dB信噪比(SNR)的結(jié)果。使用忽略因子μ＝0.95和μ＝0.99。按照期望，在估算的較高變化的代價的情況下，較低的μ值允許較好AOA跟蹤。在任何情況下，在所考慮的場合圍繞1度的范圍，RSME是低的。
對本專業(yè)的工作者將很明顯，按照本發(fā)明的到達角估算器可以由諸如數(shù)字信號處理器之類的適合的編程數(shù)據(jù)處理裝置實現(xiàn)，或者通過與附加外部部件組合的這種數(shù)據(jù)處理裝置實現(xiàn)。
雖然上面已經(jīng)對本發(fā)明的示例性實施例進行了詳細地描述，但是這并非限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明可以按各種不同的實施例予以實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種估算由一個數(shù)字無線電通信源產(chǎn)生的多徑指到達天線陣的角度的方法，包括在天線陣接收多徑指；獲得與多徑指相關(guān)的上行鏈路加權(quán)矢量；和響應(yīng)于加權(quán)矢量計算角度的估算值。
2.權(quán)利要求1的方法，包括從加權(quán)矢量中提取多個分別對應(yīng)于該天線陣列中的多個子陣列的子矢量，所述計算步驟包括從各個子矢量中計算估算值。
3.權(quán)利要求2的方法，其中所述從子矢量中計算估算值的步驟包括利用最小平方近似計算估算值。
4.權(quán)利要求2的方法，其中所述從子矢量中計算估算值的步驟包括利用遞歸算法計算估算值。
5.權(quán)利要求4的方法，其中所述利用遞歸算法的步驟包括利用遞歸最小平方近似計算估算值。
6.權(quán)利要求1的方法，其中所述接收步驟包括在具有恒定相移結(jié)構(gòu)的天線陣列接收多徑指。
7.權(quán)利要求6的方法，其中所述接收步驟包括在均勻和線性的天線陣列接收多徑指。
8.權(quán)利要求1的方法，其中多徑指是由工作在蜂窩電信網(wǎng)中的移動電信裝置產(chǎn)生的。
9.一種估算由數(shù)字無線電通信源產(chǎn)生的多徑指到達天線陣列的角度的設(shè)備，包括用于接收與多徑指相關(guān)的上行鏈路加權(quán)矢量的輸入端；耦合到所述輸入端用于響應(yīng)于加權(quán)矢量計算角度的估算值的到達角計算器。
10.權(quán)利要求9的設(shè)備，包括耦合在所述輸入端與所述到達角計算器之間的提取器，用于從加權(quán)矢量中提取多個分別對應(yīng)于該天線陣列中的多個子陣列的子矢量，所述到達角計算器可操作地用于從所述提取器接收所述子矢量并從中計算估算值。
11.權(quán)利要求10的設(shè)備，其中所述到達角計算器可操作地利用最小平方近似計算該估算值。
12.權(quán)利要求10的設(shè)備，其中所述到達角計算器可操作地利用遞歸算法計算該估算值。
13.權(quán)利要求12的設(shè)備，其中所述遞歸算法是遞歸最小平方算法。
14.權(quán)利要求9的設(shè)備，其中天線陣列具有恒定相移結(jié)構(gòu)。
15.權(quán)利要求14的設(shè)備，其中天線陣列是均勻和線性陣列。
16.權(quán)利要求9的設(shè)備，其中數(shù)字無線電通信源是工作在蜂窩電信網(wǎng)的移動電信裝置。
17.一種數(shù)字無線電通信設(shè)備，包括用于接收由數(shù)字無線電通信源產(chǎn)生的多徑指的天線陣列；耦合到所述天線陣列的加權(quán)矢量產(chǎn)生器，用于產(chǎn)生與多徑指相關(guān)的上行鏈路加權(quán)矢量；和耦合到所述加權(quán)矢量產(chǎn)生器的到達角計算器，用于響應(yīng)于加權(quán)矢量計算多徑指到達所述天線陣列的角度估算，所述到達角計算器包括耦合到所述天線陣的輸出端，用于根據(jù)該估算控制所述天線陣的下行鏈路的操作。
18.權(quán)利要求17的設(shè)備，包括耦合在所述加權(quán)矢量產(chǎn)生器與所述到達角計算器之間的提取器，用于從加權(quán)矢量中提取分別對應(yīng)于天線陣中多個子陣列的多個子矢量，所述到達角計算器可操作地從所述提取器中接收所述子矢量并從中計算估算值。
19.權(quán)利要求18的設(shè)備，其中所述到達角計算器可操作地利用最小平方近似計算該估算值。
20.權(quán)利要求18的設(shè)備，其中所述到達角計算器可操作地利用遞歸算法計算該估算值。
21.權(quán)利要求20的設(shè)備，其中所述遞歸算法是遞歸最小平方算法。
22.權(quán)利要求17的設(shè)備，其中所述天線陣列具有恒定相移結(jié)構(gòu)。
23.權(quán)利要求22的設(shè)備，其中所述天線陣列是均勻和線性陣列。
24.權(quán)利要求17的設(shè)備，其中所述數(shù)字無線電通信源是工作在蜂窩電信網(wǎng)中的移動電信裝置。
全文摘要
可以利用與多徑指(A、B)相關(guān)的上行鏈路加權(quán)矢量(w)估算由數(shù)字無線電通信源產(chǎn)生的多徑指(A、B)到達天線陣的角度(θ
文檔編號H04B7/26GK1408192SQ01805398
公開日2003年4月2日 申請日期2001年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月22日
發(fā)明者M·塞德瓦爾, J·索雷柳斯, B·格蘭松 申請人:艾利森電話股份有限公司