專利名稱：碼濾波自適應(yīng)波束形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種寬帶碼分多址通信系統(tǒng)，更具體地指一種寬帶碼分多址通信系統(tǒng)智能天線基站的碼濾波自適應(yīng)波束形成方法。
背景技術(shù)：
寬帶碼分多址WCDMA是第三代通訊技術(shù)，因其與二代相比有更好的保密性、更高的傳輸速率等性能，成為通訊系統(tǒng)發(fā)展的潮流。而智能天線技術(shù)是WCDMA系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，它有助于對抗干擾、增加系統(tǒng)容量和增大小區(qū)覆蓋面積。智能天線技術(shù)中最核心的技術(shù)就是自適應(yīng)波束形成技術(shù)，智能天線對通信系統(tǒng)的改善程度主要取決于自適應(yīng)波束形成方法的性能。目前提出了各種不同的自適應(yīng)波束形成方法，如恒模方法，但該方法是一種全盲方法，沒有利用WCDMA協(xié)議所規(guī)定的導(dǎo)頻位，是一種資源的浪費；還有一些波束形成方法，如求維納解法和級聯(lián)訓練方法，在實現(xiàn)過程中都涉及大型矩陣相乘和求逆的運算，復(fù)雜程度和運算量過大，不易于硬件實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述傳統(tǒng)的波束形成方法存在的缺點，本發(fā)明的目的之一是提出一種改進的碼濾波自適應(yīng)波束形成方法，在方法中只涉及簡單的加法和乘法，避免了矩陣求逆和大型矩陣相乘，降低了復(fù)雜度，減少了運算量；發(fā)明目的之二是利用接收數(shù)據(jù)陣列解擴前后自相關(guān)矩陣的差矩陣求出最大廣義特征值所對應(yīng)的廣義特征向量，作為自適應(yīng)權(quán)值，從而改進方法處理精度，提高運算速度；發(fā)明目的之三是先生成幾個預(yù)多波束，對波束信號進行時延搜索，解決了以前方法假定時延已知的理論假設(shè)，使方法更加具有實用性，先對波束信號進行時延搜索，后利用自適應(yīng)方法進行處理，能更有效的對抗信道干擾，使方法成為具備實用價值的自適應(yīng)波束形成方法。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案，
本發(fā)明的碼濾波自適應(yīng)波束形成方法包括以下步驟步驟一，利用預(yù)多波束進行時延搜索，利用快速傅立葉變換生成多個固定的窄波束，波束形成接收數(shù)據(jù)陣列，對多個波束信號時延搜索，得到每條路徑的時延值；步驟二，解擴前后陣列數(shù)據(jù)自相關(guān)運算，然后兩矩陣相減，求出差矩陣的最大特征值所對應(yīng)的廣義特征向量，作為該時隙的權(quán)值；步驟三，將步驟二求出的權(quán)值波束形成解擴數(shù)據(jù)；步驟四，將多條路徑進行合并和解擴數(shù)據(jù)的合并。
在所述的步驟一與步驟二之間，還進一步包括以下步驟a1)，判斷該幀數(shù)據(jù)的所有時隙是否處理結(jié)束，如果處理結(jié)束則將每個時隙的解擴數(shù)據(jù)合并，作為該幀的解擴輸出；如果處理未結(jié)束，則，a2)，判斷多徑是否結(jié)束，如果結(jié)束，則將多條路徑的解擴數(shù)據(jù)復(fù)增益進行RAKE合并，如果未結(jié)束，則進入步驟二。
所述的步驟二進一步包括以下步驟b1)，將陣列接收的未經(jīng)任何處理的數(shù)據(jù)求自相關(guān)運算，以時隙為單位求平均，得到R＝E[x(t)xH(t)]，Rxx＝(SlotNum-1)/SlotNum*Rxx+1/SlotNum*R，同樣處理解擴之后的數(shù)據(jù)，得到R=E[y1(t)y1H(t)]]]>和Ryy＝(SlotNum-1)/SlotNum*Ryy+1/SlotNum*R；b2)，將解擴前后的自相關(guān)矩陣相減，得到R＝Ryy-Rxx；b3)，對矩陣R進行廣義特征值分解，求出最大廣義特征值所對應(yīng)的廣義特征向量a，得到該時隙該路徑的接收權(quán)向量w＝a；b4)，用w波束形成該時隙的解擴數(shù)據(jù)。
所述的步驟四中，對多條路徑進行合并是指對多條路徑的解擴數(shù)據(jù)利用復(fù)增益進行RAKE合并；對解擴數(shù)據(jù)的合并是將每個時隙的解擴數(shù)據(jù)合并，合并的結(jié)果作為該幀的解擴輸出。
由于本發(fā)明采用了以上的技術(shù)方案，與傳統(tǒng)的方法相比，本發(fā)明方法避免了大型矩陣求逆，大大降低了運算量，利用解擴前后求自相關(guān)矩陣并相減得到最大廣義特征值所對應(yīng)的廣義特征向量，保證輸出最大信噪比；采用本發(fā)明的方法實現(xiàn)自適應(yīng)波束形成，會使系統(tǒng)構(gòu)成更加簡化、更易于硬件的實現(xiàn)，研發(fā)周期也大大縮短，使寬帶碼分多址系統(tǒng)智能天線基站處理的性能大大提高。


圖1為實現(xiàn)本發(fā)明方法所采用的流程示意圖。
圖2為實現(xiàn)本發(fā)明方法所采用的結(jié)構(gòu)原理方框示意圖。
圖3～圖5本發(fā)明的仿真結(jié)果示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明波束形成方法的核心思想是先在波束域進行時延搜索，較精確的得到時延信息，求出時延對齊的陣列基帶信號解擴前后的自相關(guān)矩陣，計算他們的差矩陣的最大廣義特征值所對應(yīng)的廣義特征向量，作為自適應(yīng)權(quán)值，利用該權(quán)值進行波束形成。
依據(jù)上述思想，本發(fā)明的波束形成方具體步驟描述如下，利用預(yù)多波束進行時延搜索首先，假設(shè)陣列接收的信號記為X，利用快速傅立葉變換先生成多個固定的窄波束，波束形成接收數(shù)據(jù)陣列，對多個波束信號時延搜索，得到每條路徑的時延值，在這里我們?nèi)∷臈l路徑，時延記為τi，i＝1，2，3，4。本發(fā)明利用預(yù)多波束進行時延搜索，保證了時延搜索的精度。
解擴前后陣列數(shù)據(jù)自相關(guān)運算，然后兩矩陣相減，求出差矩陣的最大特征值所對應(yīng)的廣義特征向量，作為該時隙的權(quán)值以下過程的描述以單用戶單條路徑為例，多用戶多條路徑以此類推。
首先，對接收數(shù)據(jù)陣列的每個時隙的數(shù)據(jù)求自相關(guān)運算，R＝E[x(t)xH(t)]，假設(shè)當前時刻為第SlotNum個時隙，那么對該時隙之前包括該時隙的所有自相關(guān)值求平均Rxx＝(SlotNum-1)/SlotNum*Rxx+1/SlotNum*R同時，將陣列接收的數(shù)據(jù)211第SlotNum個時隙的數(shù)據(jù)時延對齊，解擾器222，對Q路數(shù)據(jù)通過解擴器223解擴，得到該時隙的符號向量矩陣y1，對之進行自相關(guān)運算R=E[y1(t)y1H(t)],]]>運算在224中進行，然后求平均得到Ryy＝(SlotNum-1)/SlotNum*Ryy+1/SlotNum*R自相關(guān)矩陣的結(jié)果在每幀數(shù)據(jù)的15個時隙內(nèi)累加，從而使方法的可用數(shù)據(jù)長度達到一幀，這更加保證了方法的處理性能。
再將兩個自相關(guān)矩陣相減R-Ryy-Rxx，對矩陣R進行特征值分解，找出最大廣義特征值所對應(yīng)的廣義特征向量a，記w＝a，作為該時隙的波束形成權(quán)值。本發(fā)明改進后和原方法相比，避免了大型矩陣求逆，大大降低了運算量和實現(xiàn)復(fù)雜度，但方法性能沒有降低。而利用解擴前后求自相關(guān)矩陣的方法，得到最大廣義特征值所對應(yīng)的廣義特征向量，保證輸出最大信噪比，使系統(tǒng)具有較好的性能。
波束形成將上步求出的權(quán)值波束形成解擴數(shù)據(jù)，則波束形成的輸出為wy1。
如果有多條路徑，將多條路徑進行RAKE合并。將每個時隙的多徑合并數(shù)據(jù)順序相連，就是該幀的接收數(shù)據(jù)。
請再參閱圖1所示，該圖示意了為實現(xiàn)本發(fā)明上述方法所采用的流程，在該程圖中，第一步102，生成多個固定的窄波束，對波束數(shù)據(jù)時延搜索，選擇最大波束，得到陣列數(shù)據(jù)的路徑時延信息；第二步103，判斷該幀數(shù)據(jù)的所有時隙是否處理結(jié)束，如果結(jié)束則轉(zhuǎn)到110進行處理；第三步104，判斷多徑是否結(jié)束，如果結(jié)束則轉(zhuǎn)到第八步109處理；第四步105，將陣列接收的未經(jīng)任何處理的數(shù)據(jù)求自相關(guān)運算，以時隙為單位求平均，得到R＝E[x(t)xH(t)]，Rxx＝(SlotNum-1)/SlotNum*Rxx+1/SlotNum*R；同樣處理解擴之后的數(shù)據(jù)，得到R=E[y1(t)y1H(t)]]]>和Ryy＝(SlotNum-1)/SlotNum*Ryy+1/SlotNum*R第五步106，將解擴前后的自相關(guān)矩陣相減，得到R＝Ryy-Rxx；第六步107，對矩陣R進行廣義特征值分解，求出最大廣義特征值所對應(yīng)的廣義特征向量a，得到該時隙該路徑的接收權(quán)向量w＝a；第七步108，用w波束形成該時隙的解擴數(shù)據(jù)；第八步109，將該時隙的所有多徑解擴數(shù)據(jù)利用復(fù)增益進行RAKE合并；第九步110，將每個時隙的RAKE結(jié)果順序連接起來，得到該幀的接收。
請繼續(xù)參閱圖2所示，該圖示意了為實現(xiàn)本發(fā)明方法所采用的結(jié)構(gòu)原理，該結(jié)構(gòu)包括三個模塊，即，時延搜索模塊21，處理模塊22，波束形成模塊23。
所述時延搜索模塊21進一步包括K(K＝1、2…M)組接收數(shù)據(jù)陣列211、預(yù)多波束處理和時延搜索模塊212，所述處理模塊22進一步包括解擴前相關(guān)器221，解擾器222，解擴器223，解擴后自相關(guān)器224，求解廣義特征向量計算模塊225；所述波束形成模塊23進一步包括乘法器231，加法器232；所述的時延搜索模塊21首先利用預(yù)多波束時延搜索模塊212生成多個固定的窄波束，分別利用這多個固定的窄波束進行波束形成接收數(shù)據(jù)陣列211，得到多個波束信號，把它們送到時延搜索器，進行時延搜索，找到最大能量值所在波束的時延，即是期望用戶的時延信息；處理模塊22首先對每個時隙的接收數(shù)據(jù)陣列沒有時延對齊進行相關(guān)器221運算，然后以時隙為單位求平均，同時把該時隙的接收數(shù)據(jù)陣列時延對齊，送入解擾器222，將解擾出來的Q路數(shù)據(jù)送入解擴器223，接下來對解擴出來的數(shù)據(jù)求自相關(guān)器224運算，和相關(guān)器221一樣對自相關(guān)結(jié)果求平均，最后把相關(guān)器221和自相關(guān)器224輸出的自相關(guān)平均結(jié)果輸入到廣義特征向量計算模塊225，求出最大廣義特征值所對應(yīng)的廣義特征向量；把上步求得的廣義特征向量記為波束形成的權(quán)值，在波束形成模塊23對該時隙的解擴數(shù)據(jù)進行波束形成。
以上過程是針對一條路徑的，多條路徑只要進行RAKE合并即可。
而多路徑和多用戶是單個用戶單條路徑的疊加。
陣列接收的信號經(jīng)過射頻前端和基帶轉(zhuǎn)換成為基帶信號，在基帶進行自適應(yīng)處理?；鶐盘栍捎诳臻g信道的影響，會產(chǎn)生時延擴展和角度擴展等性能的變化，如果直接對接收數(shù)據(jù)陣列進行時延搜索，時延的精度將不能保證。為此，先生成多個固定的窄波束，分別利用這幾個波束接收陣列數(shù)據(jù)，得到多個波束信號，對之進行時延搜索，能量值最大的波束就是期望用戶所在波束，而對應(yīng)的時延值就是該用戶的時延；將陣列接收的數(shù)據(jù)自相關(guān)運算，并且每個時隙的結(jié)果要累加求平均，這樣使權(quán)值的變化反映信道的變化，前后時隙的相關(guān)性更大；同時將接收數(shù)據(jù)陣列211、解擾器222、解擴器223得到的數(shù)據(jù)進行自相關(guān)運算，結(jié)果也要求平均；將接收數(shù)據(jù)陣列211解擴前相關(guān)器221與自相關(guān)器224的自相關(guān)矩陣相減，求出差矩陣的最大廣義特征值所對應(yīng)的廣義特征向量，作為該時隙該路徑的接收權(quán)向量；把這個權(quán)向量送到波束形成模塊23進行波束形成、輸出。
圖3示意了采用本發(fā)明波束形成方法的仿真輸出波束，該圖中，陣元數(shù)為6，用戶數(shù)為2，多普勒頻移均為20HZ，角度擴展為0度，每個用戶有1條路徑，每條可分辨多徑中含有5條不可分辨的子多徑，噪聲功率為0.1，最大時延擴展為10個碼片，信號和干擾的功率均為1，假設(shè)信號方向為0度，干擾方向為30度，圖中表示期望用戶的波達發(fā)現(xiàn)(以下同)，仿真結(jié)果的權(quán)值能在波達方向形成最大指向，經(jīng)仿真輸出信噪比為34.0561dB。
圖4中，陣元數(shù)為6，用戶數(shù)為10，多普勒頻移均為20HZ，角度擴展為5度，每個用戶有3條路徑，噪聲功率為0.1，最大時延擴展為10個碼片，每條可分辨多徑中含有10條不可分辨的子多徑，信號和干擾的功率均為1，每個信號和干擾的3條路徑方向隨機產(chǎn)生，仿真結(jié)果的權(quán)值能在波達方向形成最大指向，輸出信噪比為13.4559dB。
圖5中，陣元數(shù)為6，15個用戶的多普勒頻移都為20HZ，角度擴展為5度，每個用戶有3條路徑，噪聲功率為20，最大時延擴展為10個碼片，每條可分辨多徑中含有10條不可分辨的子多徑，信號和干擾的功率均為1，每個信號和干擾的3條路徑方向為隨機產(chǎn)生，仿真結(jié)果的權(quán)值能在波達方向形成最大指向，輸出信噪比為8.4957dB。
本發(fā)明碼濾波自適應(yīng)波束形成方法運算量小、復(fù)雜程度低、性能優(yōu)、更具有實用性，該方法具有以下優(yōu)點第一，該方法沒有利用參考信號，也就省去了產(chǎn)生參考信號的硬件結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)起來更加簡單。
第二，該方法能應(yīng)用在各種信道環(huán)境下，如宏小區(qū)、微小區(qū)等ITU建議使用的幾種信道環(huán)境，都能輸出較高的信噪比和較低的誤碼率。
第三，該方法能在期望用戶的波達方向形成波束最大指向，有效的接收期望用戶信號，提高期望信號處理的性能，還能跟蹤用戶的波達方向，自適應(yīng)的調(diào)節(jié)權(quán)矢量。
權(quán)利要求
1.一種碼濾波自適應(yīng)波束形成方法，其特征在于，該方法包括以下步驟步驟一，利用預(yù)多波束進行時延搜索，利用快速傅立葉變換生成多個固定的窄波束，波束形成接收數(shù)據(jù)陣列，對多個波束信號時延搜索，得到每條路徑的時延值；步驟二，解擴前后陣列數(shù)據(jù)自相關(guān)運算，然后兩矩陣相減，求出差矩陣的最大特征值所對應(yīng)的廣義特征向量，作為該時隙的權(quán)值；步驟三，將步驟二求出的權(quán)值波束形成解擴數(shù)據(jù)；步驟四，將多條路徑進行合并和解擴數(shù)據(jù)的合并。
2.如權(quán)利要求1所述的碼濾波自適應(yīng)波束形成方法，其特征在于，在所述的步驟一與步驟二之間，還進一步包括以下步驟a1)，判斷該幀數(shù)據(jù)的所有時隙是否處理結(jié)束，如果處理結(jié)束則將每個時隙的解擴數(shù)據(jù)合并，作為該幀的解擴輸出；如果處理未結(jié)束，則，a2)，判斷多徑是否結(jié)束，如果結(jié)束，則將多條路徑的解擴數(shù)據(jù)復(fù)增益進行RAKE合并，如果未結(jié)束，則進入步驟二。
3.如權(quán)利要求1所述的碼濾波自適應(yīng)波束形成方法，其特征在于，所述的步驟二進一步包括以下步驟b1)，將陣列接收的未經(jīng)任何處理的數(shù)據(jù)求自相關(guān)運算，以時隙為單位求平均，得到R＝E[x(t)xH(t))]，Rxx＝(SlotNum-1)/SlotNum*Rxx+1/SlotNum*R，同樣處理解擴之后的數(shù)據(jù)，得到R=E[y1(t)y1H(t)]]]>和Ryy＝(SlotNum-1)/SlotNum*Ryy+1/SlotNum*R；b2)，將解擴前后的自相關(guān)矩陣相減，得到R＝Ryy-Rxx；b3)，對矩陣R進行廣義特征值分解，求出最大廣義特征值所對應(yīng)的廣義特征向量a，得到該時隙該路徑的接收權(quán)向量w＝a；b4)，用w波束形成該時隙的解擴數(shù)據(jù)。
4.如權(quán)利要求1所述的碼濾波自適應(yīng)波束形成方法，其特征在于，所述的步驟四中，對多條路徑進行合并是指對多條路徑的解擴數(shù)據(jù)利用復(fù)增益進行RAKE合并；對解擴數(shù)據(jù)的合并是將每個時隙的解擴數(shù)據(jù)合并，合并的結(jié)果作為該幀的解擴輸出。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種碼濾波自適應(yīng)波束形成方法，該方法利用預(yù)多波束進行時延搜索；解擴前后陣列數(shù)據(jù)自相關(guān)運算，然后兩矩陣相減，求出差矩陣的最大特征值所對應(yīng)的廣義特征向量，作為該時隙的權(quán)值；將步驟二求出的權(quán)值波束形成解擴數(shù)據(jù)；將多條路徑進行合并和解擴數(shù)據(jù)的合并。該方法避免了大型矩陣求逆，大大降低了運算量，利用解擴前后求自相關(guān)矩陣并相減得到最大廣義特征值所對應(yīng)的廣義特征向量，保證輸出最大信噪比；采用本發(fā)明的方法實現(xiàn)自適應(yīng)波束形成，會使系統(tǒng)構(gòu)成更加簡化、更易于硬件的實現(xiàn)，研發(fā)周期也大大縮短，使寬帶碼分多址系統(tǒng)智能天線基站處理的性能大大提高。
文檔編號H04B7/06GK1503487SQ0214537
公開日2004年6月9日 申請日期2002年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月25日
發(fā)明者遲立東, 孫公航 申請人:深圳市中興通訊股份有限公司