專利名稱:自適應(yīng)波束與自適應(yīng)開關(guān)波束相結(jié)合的智能天線系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種將自適應(yīng)波束和自適應(yīng)開關(guān)波束相結(jié)合的新的智能天線系統(tǒng)。
本發(fā)明提出的智能天線系統(tǒng),分為上行鏈路和下行鏈路二個(gè)部分,在系統(tǒng)的上行鏈路中使用自適應(yīng)波束指向每個(gè)用戶,在下行鏈路中使用自適應(yīng)開關(guān)波束形成若干個(gè)扇形區(qū),從而將自適應(yīng)波束和自適應(yīng)開關(guān)波束相結(jié)合。其中,上行鏈路分成四個(gè)部分解調(diào)采樣緩沖模塊1、導(dǎo)向矢量估計(jì)模塊2、加權(quán)矢量模塊3、解擴(kuò)模塊4。天線接收到的信號(hào)經(jīng)過解調(diào)采樣緩沖模塊得到解調(diào)后的采樣信號(hào),并且將其輸入到導(dǎo)向矢量估計(jì)模塊中,用于估計(jì)每個(gè)用戶的導(dǎo)向矢量;然后結(jié)合各個(gè)用戶導(dǎo)向矢量;求得上行權(quán)矢量,并且在加權(quán)矢量模塊中將權(quán)矢量加到每個(gè)天線的接收信號(hào)中;最后信號(hào)通過解擴(kuò)模塊,得到期望用戶的發(fā)送信息。下行鏈路分成三個(gè)部分?jǐn)U頻模.5、下行權(quán)矢量形成模塊6、調(diào)制模塊7,基站中發(fā)送給期望用戶的信息通過擴(kuò)頻加載上期望用戶的地址碼,然后加下行權(quán)矢量調(diào)制后將基站信息通過天線發(fā)送。其結(jié)構(gòu)見
圖1所示。
本發(fā)明提出的上述智能天線系統(tǒng)中,其相應(yīng)的算法具體如下1、用戶導(dǎo)向矢量估計(jì)本算法對(duì)應(yīng)于天線系統(tǒng)中用戶導(dǎo)向矢量估計(jì)模塊。
假設(shè)接收到K個(gè)CDMA用戶的信號(hào),每個(gè)用戶有Lk條路徑。信道參數(shù)在較短的時(shí)隙內(nèi)可以看作線性時(shí)不變(LTI)的。令αk,p為第k個(gè)用戶的第p路信號(hào)的衰減系數(shù),為敘述方便,將發(fā)送幅度 和載波相位φk也包含在αk,p中。信源和接收機(jī)同步時(shí)φk=0,因此αk,p是陣元接收的信號(hào)幅度。τk,p為第k個(gè)用戶的第p路信號(hào)的TOA,取碼片周期為Tc,設(shè)采樣時(shí)間Ts遠(yuǎn)小于Tc,因此可認(rèn)為是點(diǎn)采樣。用具有M個(gè)陣元的均勻平面圓陣來接收信號(hào),在第n個(gè)采樣時(shí)刻的接收信號(hào)矢量 其中a(θ)是均勻平面圓陣的導(dǎo)向矢量 i=2πi/M,R為圓陣的半徑,λ為載波波長,θk,p為第k個(gè)用戶的第p路信號(hào)的DOA。T是符號(hào)寬度,N=T/Tc為擴(kuò)頻增益,{ck(i)}是第k個(gè)用戶發(fā)送的符號(hào),{ak(n)}是第k個(gè)用戶的擴(kuò)頻碼序列,對(duì)于BPSK調(diào)制,ck(i),ak(i)∈{1,-1},ak(t)=Σn=0N-1ΠTc(t-nTc)ak(n),]]>∏Tc(t)為一個(gè)矩形脈沖 η(n)為第n次采樣時(shí)的高斯白噪聲,它的均值為0,方差為σn2,符號(hào) 表示取整, 為整數(shù)倍Tc的時(shí)延,所以νk,p∈{0,…,N-1}。
取一段長度為N的觀察時(shí)間序列,對(duì)應(yīng)于一個(gè)符號(hào)寬度T。將這段時(shí)間內(nèi)的采樣接收信號(hào)組成一個(gè)觀察矩陣Xi=Σk=1K(ck(i-1)Ukr+ck(i)Uk1)+Ωi----(3)]]>其中Uk1=Σp=1Lkαk,pdk1(vk,p)aT(θk,p),Ukr=Σp=1Lkαk,pdkr(vk,p)aT(θk,p);----(4)]]>dkr(vk,p)=
T∈CN×1;----(5)]]>Ωi=[η(iN),η(iN+1),…,η(iN+N-1)]T(6)由于被接收的多徑信號(hào)的到達(dá)各基站的時(shí)延應(yīng)該在一個(gè)比
]>且vk,p1<vk,p2<···<vk,pLk]]>所以Xi=Σk=1KDk(i)Hk+Ωi----(9)]]>再令 H=[H1T,H2T,···HKT]T,]]>所以Xi=D(i)H+Ωi(10)利用最大似然法估計(jì)得到H^=[H^1,H^2,···,H^k]=(D(i)TQ-1D(i))-1D(i)TQ-1Xi----(11)]]>其中 表示H的估計(jì)值,Q=E[ΩiΩiT]=diag{σn2,···,σn2}=σn2IN.]]>從 中分離出 …, 遍歷 的所有行向量,找出二階范數(shù)最大的行,便是用戶k的主徑的{αk,1aT(θk,1)}a^k,1a^T(θk,1)=H^k(v^k,1,:)----(12)]]>其中v^k,1=argmaxi||H^k(i+1,:)||2,]]>i∈{0,1,…,L-1), 表示取 的第i+1行,‖‖2表示取向量的二階范數(shù)。因?yàn)橛小琣(θk,1)‖2=M,所以用戶k的主徑信號(hào)的等效導(dǎo)向矢量a^(θk,1)=M||Hk′(v^k,1,:)||2H^kT(v^k,1,:),k=1,···,K----(13)]]>求得所有用戶的主徑信號(hào)的等效導(dǎo)向矢量a(θk,1)后,組成一個(gè)M×K的矩陣 2、上行的權(quán)矢量計(jì)算和用戶分布估計(jì)本算法對(duì)應(yīng)于天線系統(tǒng)中的加權(quán)矢量模塊。為得到用戶的實(shí)時(shí)分布以形成下行的開關(guān)波束,可采用比較相關(guān)系數(shù)法,根據(jù)估計(jì)出的導(dǎo)向矢量得到用戶對(duì)應(yīng)的來波方向,具體步驟如下假設(shè)已經(jīng)估計(jì)得到的用戶k的導(dǎo)向矢量為 其中M是天線陣的陣元數(shù)。若在0~359度中每隔Δ度取一個(gè)采樣角度θs(Δ為大于0小于359的一個(gè)常數(shù)),將θs代入式(2)中得到采樣角度的陣列導(dǎo)向矢量b(θs)∈CM×1,然后求出采樣角度的陣列導(dǎo)向矢量b(θs)和估計(jì)導(dǎo)向矢量的互相關(guān)系數(shù)r(θs)=a^(θd)Hb(θs).]]>再找出最大的互相關(guān)系數(shù)所對(duì)應(yīng)的采樣角度θs,在其附近以1度的采樣角度再作更加精確的估計(jì)θk,即得到用戶k的來波方向。采用以上方法求出所有用戶的來波方向并將其代入公式(2),可以重新得到用戶的導(dǎo)向矢量a(θk),因此求得指向每個(gè)用戶的上行波束對(duì)應(yīng)的Capon權(quán)矢量wcaopon,k=R-1a(θk)aH(θk)R-1a(θk)s.t.wHa(θk)=1,wHa(θij)=0----(15)]]>其中WCapon,k是指向第k個(gè)用戶的權(quán)矢量,θk是波束期望指向角度,θij是其他方向, 得到權(quán)矢量之后,在天線陣列的各個(gè)陣元上逐個(gè)乘以權(quán)矢量的對(duì)應(yīng)元素,則整個(gè)空間分布圖上就可以得到指向期望用戶的波束。利用Capon權(quán)矢量形成的上行自適應(yīng)波束具有較好的指向性,它的主瓣對(duì)準(zhǔn)期望用戶,而將其余用戶約束在零波束或者是較小的旁瓣中(具體可以參見仿真圖示)。這樣可以減小其他用戶的干擾,使得接收信號(hào)具有較高的信干比。此外,在上行系統(tǒng)中除了要形成指向用戶的波束以外,通過上行鏈路中已估計(jì)出的各用戶的來波方向,可得知整個(gè)小區(qū)內(nèi)用戶的分布情況,為下行自適應(yīng)開關(guān)波束的形成和分布提供了依據(jù)。
3、下行自適應(yīng)開關(guān)波束的權(quán)矢量形成本算法對(duì)應(yīng)于天線系統(tǒng)中的下行權(quán)矢量的形成模塊。CDMA系統(tǒng)需要對(duì)移動(dòng)用戶進(jìn)行功率控制。本文提出的方法不受限于同一個(gè)扇區(qū)中各個(gè)用戶到達(dá)基站的功率必須相等,而是對(duì)各個(gè)用戶到達(dá)基站的功率和信號(hào)干擾比(SINR)同時(shí)進(jìn)行控制。設(shè)扇區(qū)中第i個(gè)用戶到達(dá)基站的功率為Pi,即要求在每個(gè)扇區(qū)內(nèi)同時(shí)滿足(16)、(17)兩式minΣi=1MPi----(16)]]>SINRi=PiΣj=1,j≠iMPj+Iex+σn2≥SINRth----(17)]]>其中M是該扇區(qū)內(nèi)用戶數(shù),Iex是外小區(qū)干擾,SINRi是第i個(gè)用戶的信號(hào)干擾噪聲比(簡稱信干噪比),它可以由實(shí)測得到,SINRth是保證通信不中斷所需信號(hào)干擾噪聲比的最小閾值。
在保證滿足(16)、(17)式的基礎(chǔ)上,可通過改變扇區(qū)內(nèi)各用戶的發(fā)射功率,即改變用戶到達(dá)基站的功率,使在滿足扇區(qū)能容納最多用戶時(shí)基站接收到的用戶功率總和 為最小。具體實(shí)現(xiàn)方法如下,在這里僅僅闡述初始扇區(qū)的形成方法,以后的均可以類推。
(1)設(shè)置扇區(qū)的初始角度為0°;(2)扇區(qū)向逆時(shí)針方向增加10°;(3)計(jì)算扇區(qū)內(nèi)所有用戶的信號(hào)干擾噪聲比,找到其中最小的信干噪比;(4)判斷最小的信干噪比是否大于通信的閾值SINRth;如果大于閾值,回到(2),繼續(xù)執(zhí)行;如果小于閾值,則進(jìn)入(5);(5)將對(duì)應(yīng)于最小信干噪比的用戶的發(fā)射功率增加一個(gè)步長(step);(6)判斷增加后的用戶發(fā)射功率是否大于移動(dòng)用戶的最大發(fā)射功率;如果大于最大發(fā)射功率,則將扇區(qū)減小10°,恢復(fù)該用戶的初始發(fā)射功率,回到(3);否則進(jìn)入(7);(7)計(jì)算該用戶的信干噪比;(8)判斷此時(shí)該用戶的信干噪比是否小于信干噪比的通信閾值SINRth;如果小于則回到(5);否則,進(jìn)入(9);(9)計(jì)算其余用戶的信干噪比,重新找到新的最小信干噪比;(10)判斷最小信干噪比是否大于通信閾值SINRth;如果大于,則進(jìn)入(11),否則進(jìn)入(5);(11)進(jìn)入下一個(gè)扇區(qū)的形成;該方法在保證了扇區(qū)擁有最大通信容量的同時(shí),扇區(qū)內(nèi)接收到的用戶總功率最小。其中,Pmax是根據(jù)具體的移動(dòng)臺(tái)和基站的性能而確定的,step為步長。步長越小,則用該方法實(shí)現(xiàn)扇區(qū)自適應(yīng)分布的效果越好。
在得知扇區(qū)的指向圖之后,則可以用最小二乘的方法得到下行的權(quán)矢量。對(duì)于二維的情況,在=
]>式中, 表示取Hk的第 行的所有元素,v^k,1=argmaxi||Hk(i+1,:)||2,]]>i∈{0,1,...,L-1},Hk(i+1,)表示取Hk的第i+1行,‖‖2表示取向量的二階范數(shù),M是天線陣列的陣元個(gè)數(shù);H^=[H^1,H^2,···,H^k]=(D(i)TQ-1D(i))-1D(i)TQ-1Xi----(11)]]>Dk(i)=[ck(i-1)dk1(0)+ck(i)dkr(0),ck(i-1)dk1(1)+ck(i)dkr(1),···,ck(i-1)dk1(L-1)+ck(i)dkr(L-1)]----(7)]]>Ωi=[η(iN),η(iN+1),…,η(iN+N-1)]T(6)Xi=Σk=1KDk(i)Hk+Ωi----(9)]]>dkr(vk,p)=
T∈CN×1----(5)]]>其中η(n)為第n次采樣時(shí)的高斯白噪聲,它的均值為0,方差為σn2,Q=E[ΩiΩiT]=diag{σn2,···,σn2}=σn2IN,]]> {ak(n)}是第k個(gè)用戶的擴(kuò)頻碼序列,對(duì)于BPSK調(diào)制,ak(i)∈{1,-1},N為擴(kuò)頻增益。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述智能天線系統(tǒng),其特征在于得到用戶的估計(jì)導(dǎo)向矢量之后,利用比較相關(guān)系數(shù)的方法得到用戶的來波方向,并進(jìn)一步求得指向每個(gè)用戶的上行波束對(duì)應(yīng)的Capon權(quán)矢量,從而確定小區(qū)內(nèi)用戶的分布;其中Capon權(quán)矢量由下式計(jì)算獲得wcaopon,k=R-1a(θk)aH(θk)R-1a(θk)s.t.wHa(θk)=1,wHa(θij)=0----(15)]]>其中wCapon,k是指向第k個(gè)用戶的權(quán)矢量,θk是波束期望指向角度,θij是其他方向,
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能天線系統(tǒng),其特征在于在下行鏈路中采用自適應(yīng)開關(guān)波束,結(jié)合用戶功率控制調(diào)整扇區(qū)的分布,以達(dá)到系統(tǒng)的最高容量;在確定扇區(qū)指向分布之后,用最小二乘的方法求出下行權(quán)矢量W=(XHX)-1XHz(20)X=[a(θ0)a(θ1)…a(θQ-1)]T(18)Q為在=[0,2π)上均勻的取的觀察點(diǎn)數(shù),它們的方位角分別為θq=(q-1)×2π/Q,a(θq)是對(duì)應(yīng)于θq的陣列導(dǎo)向矢量,矢量z為所期望的扇區(qū)指向分布,它由在圓周上均勻分布的Q個(gè)場點(diǎn)的采樣值組成,其滿足方程XW=z(19)
全文摘要
本發(fā)明為一種自適應(yīng)波束和自適應(yīng)開關(guān)波束結(jié)合的智能天線系統(tǒng)。它分為上行鏈路和下行鏈路兩個(gè)部分,在上行鏈路中使用自適應(yīng)波束指向每個(gè)用戶,在下行鏈路中使用自適應(yīng)開關(guān)波束形成若干個(gè)扇區(qū),從而將自適應(yīng)波束和自適應(yīng)開關(guān)波束相結(jié)合。它綜合了原兩種智能天線的優(yōu)點(diǎn),并克服了它們的弊端,是一種性能優(yōu)異而技術(shù)又易于實(shí)現(xiàn)的新的智能天線系統(tǒng),可廣泛應(yīng)用于第3代移動(dòng)通信中。
文檔編號(hào)H04B7/26GK1474612SQ0314149
公開日2004年2月11日 申請(qǐng)日期2003年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月10日
發(fā)明者王宗欣, 蔡潤, 沈建鋒, 黃鐘潤 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué), 三星電子株式會(huì)社