專利名稱：車(chē)域網(wǎng)中的智能天線及其信號(hào)處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是在高速運(yùn)行的交通工具上形成的車(chē)域網(wǎng)中使用的智能接收技術(shù)，屬于移動(dòng)通信領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
因特網(wǎng)的迅速發(fā)展，使人們期望能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)隨身攜帶，小范圍個(gè)人無(wú)線通信能夠很好地滿足這個(gè)要求。從網(wǎng)絡(luò)的角度來(lái)看，繼廣域網(wǎng)，局域網(wǎng)之后，人們又提出了“無(wú)線個(gè)域網(wǎng)”。
無(wú)線個(gè)域網(wǎng)的應(yīng)用之一車(chē)載通信最典型的情況是人在車(chē)上用手機(jī)打電話。當(dāng)手機(jī)在以較高的速度運(yùn)行的車(chē)上工作時(shí)，通常它的發(fā)射功率是最大的，因此耗電和對(duì)人的健康的危害也就是最大的時(shí)候；同時(shí)這時(shí)所使用的系統(tǒng)資源也是最多的時(shí)候，尤其是對(duì)于實(shí)時(shí)性要求很高的話音通信，因?yàn)榉涓C系統(tǒng)為了使其在越區(qū)切換時(shí)不間斷，必然要有更多的基站和手機(jī)保持通信并不斷地進(jìn)行檢測(cè)、判斷以及產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作。一般來(lái)說(shuō)，車(chē)速越快，手機(jī)的發(fā)射功率越大、動(dòng)用的系統(tǒng)資源越多。因此，如果能夠利用無(wú)線個(gè)域網(wǎng)的概念，將車(chē)載通信分為兩部分，一部分是以人攜帶的移動(dòng)終端(典型的例子是手機(jī)，也可以是筆記本電腦、PDA等)和車(chē)內(nèi)的對(duì)應(yīng)設(shè)備構(gòu)成的小范圍網(wǎng)絡(luò)，它們均以功率發(fā)射低為特點(diǎn)，另一部分是與蜂窩網(wǎng)通信的部分，包括收、發(fā)和天線等，這樣把車(chē)載接入端使用大功率，移動(dòng)終端使用微功率，并且便于使用許多復(fù)雜而有效的技術(shù)，則可以很好地解決上述兩個(gè)問(wèn)題。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)我們稱之為無(wú)線車(chē)域網(wǎng)(WVAN，Wireless Vehicle AreaNetwork)，簡(jiǎn)稱車(chē)域網(wǎng)，它實(shí)質(zhì)上是無(wú)線個(gè)域網(wǎng)的一個(gè)分支。
工作過(guò)程是車(chē)內(nèi)的移動(dòng)終端和裝在車(chē)上的WPAN接入設(shè)備A通過(guò)WPAN協(xié)議進(jìn)行微功率的通信，A和車(chē)上蜂窩網(wǎng)B之間通過(guò)接口AB進(jìn)行轉(zhuǎn)換，B通過(guò)天線系統(tǒng)C和蜂窩網(wǎng)的基站或其它公眾移動(dòng)通信系統(tǒng)的固定設(shè)備(如移動(dòng)通信衛(wèi)星，平流層空間平臺(tái)等)進(jìn)行遠(yuǎn)距離的通信。這樣，車(chē)載設(shè)備(包括A、AB、B、C各部分)對(duì)于移動(dòng)終端來(lái)說(shuō)，它好像是公眾移動(dòng)通信系統(tǒng)的基站；對(duì)于基站來(lái)說(shuō)，它又是普通的終端。
這樣做的好處是多方面的。車(chē)內(nèi)形成一個(gè)典型的小范圍個(gè)人通信環(huán)境，手機(jī)等移動(dòng)終端可以減少發(fā)射功率，從而節(jié)省電池，減少對(duì)人體的危害；B和C構(gòu)成典型的公眾移動(dòng)通信系統(tǒng)終端，但它的供電由車(chē)負(fù)責(zé)，在設(shè)計(jì)上帶來(lái)更大的自由度；最為關(guān)鍵的是可以將智能天線的概念及其技術(shù)應(yīng)用到車(chē)上，解決在手機(jī)等小型移動(dòng)終端使用智能天線技術(shù)所面臨的困難，為公眾移動(dòng)通信系統(tǒng)的寬帶化和大容量提供一個(gè)好的解決方案。
車(chē)域網(wǎng)的目標(biāo)是通過(guò)車(chē)載通信系統(tǒng)的接入，車(chē)內(nèi)各個(gè)設(shè)備間構(gòu)成WPAN，并使得它們和車(chē)外的公眾移動(dòng)通信系統(tǒng)以及廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)和話音通信。它是一種車(chē)內(nèi)微功率、車(chē)外大功率的系統(tǒng)。在目前，車(chē)內(nèi)可以使用藍(lán)牙或類似的系統(tǒng)，車(chē)外就是普通的蜂窩網(wǎng)；在將來(lái)，車(chē)內(nèi)將使用帶寬更寬的WPAN的系統(tǒng)，車(chē)外是3G或更新的公眾移動(dòng)通信系統(tǒng)。
在這些系統(tǒng)中要比現(xiàn)有的系統(tǒng)更高速的比特率，更高的傳輸質(zhì)量，還有高容量的要求。這樣需要盡量不犧牲頻率帶寬的情形下獲得高的接收信噪比，顯然，現(xiàn)有的單個(gè)全向接收天線將難于滿足在這種惡劣環(huán)境下的對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母哔|(zhì)量，高速，還有高容量的要求。現(xiàn)有的蜂窩通信系統(tǒng)僅研究了基站端的智能天線的設(shè)計(jì)和性能，主要因?yàn)槭謾C(jī)等小型移動(dòng)終端使用智能天線技術(shù)所無(wú)法實(shí)現(xiàn)，車(chē)域網(wǎng)的形成，使得研究移動(dòng)端智能天線既緊迫又實(shí)用，但是由于信號(hào)形式的不同，使得基站智能天線和移動(dòng)端智能天線有不同的形式。

發(fā)明內(nèi)容
(1)發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種高增益、高信噪比、適用于車(chē)域網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的車(chē)域網(wǎng)中的智能天線及其信號(hào)處理方法。
(2)技術(shù)方案本發(fā)明是一種車(chē)域網(wǎng)中的智能天線及其信號(hào)處理方法。該天線由天線陣列傳感器、波束成形器、解擴(kuò)器、信號(hào)處理器、信道估計(jì)器、多徑合并器所組成，天線陣列傳感器的輸出端接波束成形器和解擴(kuò)器的輸入端，波束成形器的輸出端接解擴(kuò)器的輸入端，解擴(kuò)器的輸出端接信號(hào)處理器、多徑合并器、信道估計(jì)器的輸入端，信號(hào)處理器的輸出端接波束成形器的輸入端，信道估計(jì)器的輸出端接多徑合并的輸入端；天線陣列傳感器由相同的若干組并聯(lián)排列的信號(hào)處理電路組成，每一組該信號(hào)處理電路由天線傳感器、去載波電路、低通濾波器依次串聯(lián)而成；解擴(kuò)器由相同的若干組并聯(lián)排列的信號(hào)處理電路組成，每一組該信號(hào)處理電路由解擴(kuò)器電路、積分電路串聯(lián)所組成；信號(hào)處理的方法是將天線陣列傳感器接收的信號(hào)經(jīng)解擴(kuò)器的解擴(kuò)后，再送信號(hào)處理器處理，獲得波束成形矢量送波束成形器，再由此波束成形矢量對(duì)天線陣列傳感器接收的信號(hào)波束成形后，經(jīng)解擴(kuò)器，再由信道估計(jì)器，得到的信號(hào)后，通過(guò)多徑合并器，得到判決信號(hào)。
本發(fā)明的智能天線是安裝在高速移動(dòng)的火車(chē)，轎車(chē)等移動(dòng)終端，形成車(chē)域網(wǎng)，本發(fā)明基于第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的下行鏈路的信號(hào)傳輸方式。
(3)技術(shù)效果根據(jù)移動(dòng)端的信號(hào)的不同特點(diǎn)，提出使用先對(duì)接收陣列信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)，利用解擴(kuò)后信號(hào)計(jì)算最佳權(quán)矢量w，由于是處理解擴(kuò)后信號(hào)，其速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于解擴(kuò)前信號(hào)，運(yùn)算量大為減少，計(jì)算時(shí)間隨之減少，非常適合于信道變化惡劣的無(wú)線信道環(huán)境，和車(chē)載環(huán)境。
四

圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)框圖。
圖2是由天線陣列傳感器1，解擴(kuò)器3和信號(hào)處理器4組成的波束成形的最佳權(quán)重矢量計(jì)算的方法。其中還有天線傳感器7，去載波8，低通濾波器9，解擴(kuò)器電路10，積分器11。
圖3是在信號(hào)處理器4算的最佳權(quán)矢量w的基礎(chǔ)上，接收信號(hào)的信號(hào)處理方法。其中有天線傳感器7，去載波電路8，低通濾波器9，解擴(kuò)器10，積分器11，波束成形器12，信號(hào)處理器4五具體實(shí)施方式
以下結(jié)合實(shí)施例和附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
首先從天線陣列傳感器1接收來(lái)波信號(hào)S1(n)，其中包括去載波和抽樣過(guò)程，從天線陣列傳感器1出來(lái)的是陣列數(shù)字信號(hào)，是含有期望用戶信號(hào)，干擾用戶信號(hào)，噪聲等。S1(n)經(jīng)過(guò)波束成形器2后，其中的波束成形矢量由信號(hào)處理器4得到，獲得具有最大信號(hào)干擾噪聲比的信號(hào)S2(n)，再由本地產(chǎn)生的擴(kuò)頻序列對(duì)信號(hào)S2(n)進(jìn)行解擴(kuò)，得到解擴(kuò)后信號(hào)S3(n)，再進(jìn)行信道估計(jì)，由多徑合并器6進(jìn)行最大比合并。再進(jìn)行判決，從而完成接收過(guò)程。
其中的信號(hào)處理器的輸入信號(hào)來(lái)自于解擴(kuò)后信號(hào)S4(n)，S4(n)是對(duì)沒(méi)有經(jīng)過(guò)波束成形的信號(hào)S1(n)直接進(jìn)行解擴(kuò)，而現(xiàn)有的智能天線的信號(hào)處理器的輸入信號(hào)是天線陣列傳感器1的輸出S1(n)，由于S3(n)是解擴(kuò)后信號(hào)，其速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于解擴(kuò)前信號(hào)S1(n)，運(yùn)算量大為減少，計(jì)算時(shí)間隨之減少，非常適合于信道變化惡劣的無(wú)線信道環(huán)境。這種對(duì)天線陣列傳感器接收信號(hào)解擴(kuò)后，送交信號(hào)處理器，再由特殊的算法獲得波束成形矢量的方法，是本發(fā)明的創(chuàng)新之一。
本發(fā)明的核心部分是天線陣列傳感器1，波束成形器2，解擴(kuò)器3和信號(hào)處理器4組成的權(quán)重矢量計(jì)算模塊。其詳細(xì)的信號(hào)處理圖如圖3和圖4，分別包含著兩個(gè)信號(hào)通路，其工作過(guò)程如下圖2是由天線陣列傳感器1，解擴(kuò)器3和信號(hào)處理器4組成的波束成形的最佳權(quán)重矢量計(jì)算的方法。首先由天線傳感器7將無(wú)線電信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)去載波電路8，低通濾波器9，初步除去帶外噪聲，經(jīng)過(guò)抽樣后，得到陣列數(shù)字信號(hào)，進(jìn)入解擴(kuò)器10，用本地產(chǎn)生的擴(kuò)頻序列對(duì)陣列信號(hào)分別進(jìn)行解擴(kuò)，積分后。得到解擴(kuò)后信號(hào)，它也是陣列數(shù)字信號(hào)。由積分后的樣值，取得充分多的樣值估計(jì)陣列協(xié)方差矩陣Ryy。再由信號(hào)處理部分又相應(yīng)公式計(jì)算出噪聲加干擾協(xié)方差矩陣Ruu，這樣矩陣對(duì)(Ryy，Ruu)其最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量就是最佳權(quán)矢量w。這就是圖2的輸出信號(hào)送給波束成形器2用來(lái)對(duì)解擴(kuò)前信號(hào)進(jìn)行波束成形。
圖3是在信號(hào)處理器4算的最佳權(quán)矢量w的基礎(chǔ)上，接收信號(hào)的信號(hào)處理方法。由天線陣列7將無(wú)線電信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)8的去載波，9的低通濾波，初步除去帶外噪聲，經(jīng)過(guò)抽樣后，得到陣列數(shù)字信號(hào)，進(jìn)入12波束成形，由此得到具有最大信號(hào)干擾噪聲比的信號(hào)，之后是普通的用本地產(chǎn)生的擴(kuò)頻序列對(duì)陣列信號(hào)分別進(jìn)行解擴(kuò)，積分得到各徑信號(hào)。
再根據(jù)由導(dǎo)頻輔助估計(jì)得到的各衰落信道的估計(jì)如圖二，求出各路徑的衰落的幅度和相位，并由此結(jié)果在輸出端對(duì)多徑信號(hào)進(jìn)行最大比合并，從而獲的最大信噪比接收質(zhì)量信號(hào)。就是時(shí)域處理部分。再將合并后的信號(hào)進(jìn)行判決。這樣就完成了接收。由圖一中的設(shè)備AB將這種信號(hào)通過(guò)802.11等無(wú)線個(gè)域網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)，以微功率和車(chē)上的移動(dòng)終端進(jìn)行通信。
我們看圖一的情況。假設(shè)當(dāng)移動(dòng)用戶在小轎車(chē)上時(shí)，欲訪問(wèn)因特網(wǎng)。如果使用傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)時(shí)，由于車(chē)的高速行駛，必然占用大量的資源和很大的發(fā)射功率。有了車(chē)域網(wǎng)后，用戶首先通過(guò)安裝于車(chē)上的無(wú)線接入系統(tǒng)把蜂窩的信號(hào)轉(zhuǎn)換為低功率的無(wú)線個(gè)域網(wǎng)支持的信號(hào)進(jìn)行通信。本發(fā)明的重點(diǎn)是無(wú)線接入時(shí)的智能天線，它的工作原理是分兩步。第一步是波束成形，由圖3首先由天線陣列7將無(wú)線電信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)8的去載波，9的低通濾波，初步除去帶外噪聲，經(jīng)過(guò)抽樣后，得到陣列數(shù)字信號(hào)，進(jìn)入10，用本地產(chǎn)生的擴(kuò)頻序列對(duì)陣列信號(hào)分別進(jìn)行解擴(kuò)，積分后。得到解擴(kuò)后信號(hào)，它也是陣列數(shù)字信號(hào)。由積分后的樣值，取得充分多的樣值估計(jì)陣列協(xié)方差矩陣Ryy。再由信號(hào)處理部分又相應(yīng)公式計(jì)算出噪聲加干擾協(xié)方差矩陣Ruu，這樣矩陣對(duì)(Ryy，Ruu)其最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量就是最佳權(quán)矢量w。這就是圖3的輸出信號(hào)送給波束成形器2用來(lái)對(duì)解擴(kuò)前信號(hào)進(jìn)行波束成形。
第二步圖3是在信號(hào)處理器4算的最佳權(quán)矢量w的基礎(chǔ)上，接收信號(hào)的信號(hào)處理方法。由天線陣列7將無(wú)線電信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)8的去載波，9的低通濾波，初步除去帶外噪聲，經(jīng)過(guò)抽樣后，得到陣列數(shù)字信號(hào)，進(jìn)入12波束成形，由此得到具有最大信號(hào)干擾噪聲比的信號(hào)，之后是普通的用本地產(chǎn)生的擴(kuò)頻序列對(duì)陣列信號(hào)分別進(jìn)行解擴(kuò)，積分得到各徑信號(hào)。每一徑的時(shí)延可由導(dǎo)頻估計(jì)得到，在獲得每一徑的最佳權(quán)矢量后，對(duì)接收信號(hào)在各條徑進(jìn)行波束成形，如圖二所示，從而得到各徑的最大信號(hào)干擾噪聲比。再根據(jù)由導(dǎo)頻估計(jì)得到的各路徑的衰落信道的估計(jì)，進(jìn)行最大比合并。就是時(shí)域處理部分。再將合并后的信號(hào)進(jìn)行判決。這樣就完成了接收。由圖一中的設(shè)備AB將這種信號(hào)轉(zhuǎn)化，再以微功率和車(chē)上的移動(dòng)終端進(jìn)行通信。
權(quán)利要求
1.一種車(chē)域網(wǎng)中的智能天線，其特征在于該天線由天線陣列傳感器(1)、波束成形器(2)、解擴(kuò)器(3)、信號(hào)處理器(4)、信道估計(jì)器(5)、多經(jīng)合并器(6)所組成，天線陣列傳感器(1)的輸出端接波束成形器(2)和解擴(kuò)器(3)的輸入端，波束成形器(2)的輸出端接解擴(kuò)器(3)的輸入端，解擴(kuò)器(3)的輸出端接信號(hào)處理器(4)、多徑合并器(6)、信道估計(jì)器(5)的輸入端，信號(hào)處理器(4)的輸出端接波束成形器(2)的輸入端，信道估計(jì)器(5)的輸出端接多徑合并(6)的輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車(chē)域網(wǎng)中的智能天線，其特征在于天線陣列傳感器(1)由相同的若干組并聯(lián)排列的信號(hào)處理電路組成，每一組該信號(hào)處理電路由天線傳感器(7)、去載波電路(8)、低通濾波器(9)依次串聯(lián)而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的車(chē)域網(wǎng)中的智能天線，其特征在于解擴(kuò)器(3)由相同的若干組并聯(lián)排列的信號(hào)處理電路組成，每一組該信號(hào)處理電路由解擴(kuò)器電路(10)、積分電路(11)串聯(lián)所組成。
4.一種車(chē)域網(wǎng)中的智能天線信號(hào)處理方法，其特征在于信號(hào)處理的方法是將天線陣列傳感器(1)接收的信號(hào)經(jīng)解擴(kuò)器(3)的解擴(kuò)后，再送信號(hào)處理器(4)處理，獲得波束成形矢量送波束成形器(2)，再由此波束成形矢量對(duì)天線陣列傳感器(1)接收的信號(hào)波束成形后，經(jīng)解擴(kuò)器(3)，再由信道估計(jì)器(5)，得到的信號(hào)后，通過(guò)多徑合并器(6)，得到判決信號(hào)。
全文摘要
車(chē)域網(wǎng)中的智能天線及其信號(hào)處理方法是在高速運(yùn)行的交通工具上形成的車(chē)域網(wǎng)中使用的智能接收技術(shù),該天線由天線陣列傳感器、波束成形器、解擴(kuò)器、信號(hào)處理器、信道估計(jì)器、多經(jīng)合并器所組成,天線陣列傳感器的輸出端接波束成形器和解擴(kuò)器的輸入端,波束成形器的輸出端接解擴(kuò)器的輸入端,解擴(kuò)器的輸出端接信號(hào)處理器、多徑合并器、信道估計(jì)器的輸入端,信號(hào)處理器的輸出端接波束成形器的輸入端,信道估計(jì)器的輸出端接多徑合并的輸入端。
文檔編號(hào)H04B1/707GK1388718SQ0213784
公開(kāi)日2003年1月1日 申請(qǐng)日期2002年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月25日
發(fā)明者沈連豐, 徐平平, 付永生, 胡靜, 葉芝慧 申請(qǐng)人:東南大學(xué), 南京東大移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)有限公司