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用于空分多址接收机的方法和设备
    【技术领域】

    本发明涉及无线通信网络，更具体地说，本发明涉及无线通信网络中的空分多址(SDMA)。

    背景技术

    无线通信业务是一种逐渐变得普通的通信形式，而且对无线业务的需求也在继续增长。无线业务的例子包括蜂窝式移动电话、无线因特网业务、无线局域计算机网络、卫星通信网、卫星电视以及多用户寻呼系统。不幸的是，实际因素或者在通常情况下的政府法规将这些通信系统限制在有限频谱内。当达到这些系统的最大用户量或“容量”时，可以通过(1)对无线业务分配更多频谱，或者(2)更有效地利用分配的频谱，来满足用户对更多业务的需求。因为限制了频谱而且不能跟上用户的需求，所以急迫需要一种更有效利用分配的频谱的新型技术。

    无线通信系统通常由一个或者多个基站构成，诸如移动电话用户的无线用户通过基站接入诸如电话网的通信网。基站对局域范围内的多个固定的或者移动的无线用户提供服务。为了提高系统的容量，业务提供商可以安装更多个基站，减小每个基站处理的区域和用户数量。这种方法未分配更多的频谱带而增加了系统容量，但是成本非常高，因为需要明显更多的硬件。

    更有效利用频谱的另一种方法是改善“多址联接”(multipleaccess)技术。多址联接技术使多个用户共享分配的频谱，因此它们不互相干扰。最通用的多址联接方法是频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)以及更近期的空分多址(SDMA)。

    FDMA将分配的频带划分为多个频道。每个用户通过不同的频道发送和接收信号以避免干扰其它用户。在一个用户不再需要对其分配的频道时，将该频道重新分配给另一个用户。

    利用TDMA，各用户可以共享公共频道，但是每个用户在不同时间使用该公共频道。换句话说，对每个用户分配时隙，在该时隙内，该用户可以进行发送和接收。因此，TDMA在多个可用时隙内交错多个用户。

    CDMA利用编码调制方法使多个用户共享公共频道。CDMA对多个用户分别分配独特代码。用户根据其独特代码利用宽带编码脉冲串对其数字信号进行调制，然后发送调制的编码信号。通过识别调制的代码，基站检测用户的传输。

    在SDMA中，系统可以根据希望的用户信号的到达方向，或者空间特性，将希望的用户信号与其它信号分离。有时将其称为“空间滤波”。因此，即使两个用户可以同时通过同一个频率进行发送，基站仍可以区别它们，因为用户发送的信号从不同的方向到达。可以结合FDMA、TDMA或CDMA使用SDMA。

    传统的SDMA接收机需要由多个接收单元构成的阵列。此外，传统的SDMA接收机采用一组移相器，移相器组与接收单元阵列配合以产生在特定方向进行“查看”的“射束”。通常，更希望产生多个射束，每个射束指向不同的方向，即指向不同的用户。射束越多，则SDMA系统可以处理的在同一时间在同一个频率工作的同时用户越多。然而，射束越多，则SDMA接收机就越复杂。例如，每个射束可能需要单独一组移相器和电路来进行信号跟踪。此外，每个射束可能要求单独一个“信号组合器”，该信号组合器将从每个接收单元接收的信号组合在一起以形成“组合信号”。不仅如此，每个组合信号可能需要单独一个信号检测器，该信号检测器检测用户发送的信号。硬件的这种复杂性大大提高了SDMA接收机的成本。

    利用已知的算法，通过在信号处理软件中进行移相、信号跟踪、信号组合以及信号检测，可以降低硬件复杂性。然而，当前的信号处理技术难以识别、跟踪通过同一个频率同时发送的大量信号，特别是在“多径”环境下。在多径环境下，发送的信号可以通过多个路径到达接收机。例如，发送的信号可以直接(1)，而且可以在被物体反射后间接(2)到达接收机。多径信号也可能以上述同样方式使传统SDMA接收机更复杂。

    因此，需要提供一种可以从多个方向同时进行接收，可以在多径环境下工作而且还无需提高接收机的硬件或软件复杂性的改进型SDMA接收机。

    【发明内容】

    发明内容和以下的详细说明不应限制本发明范围。它们提供的例子和解释是为了使其它人实现本发明。

    根据本发明的方法和系统可以引入一个多单元接收信号阵列，该多单元接收信号阵列可以实现与极化无关的各向同性接收而且其功率增益大于各向同性。该方法和系统可以接收具有同样载波频率或不同载波频率的多个信号，区别这些信号并确定它们的到达方向。

    根据本发明的方法和系统在具有多个接收单元的接收机中接收多个发送信号，其中每个发送信号具有不同的空间位置。该方法和系统在多个接收单元中接收多个发送信号以产生多个接收单元信号、由多个接收单元信号产生组合信号，以及利用其不同空间位置从组合信号中检测多个发送信号。

    为此，根据本发明的方法和系统产生多个可以是任意的或者不相关的调相信号，并利用一个不同调相信号分别对多个接收单元信号中的每一个接收单元信号进行调相以产生多个调相信号。然后，该方法和系统将多个调相信号组合为一个组合信号，产生预期信号以及使组合信号与预期信号相关以产生相关信号。然后，该方法和系统将相关信号存储到相关信号存储器内，并分析相关信号以从所检测的发送信号中提取信息。

    【附图说明】

    引入本发明并作为本发明一部分的附图示出本发明地实施方式，而且与说明一起用于解释本发明的优点和原理。附图包括：

    图1是根据本发明的接收机的方框图；

    图2是根据本发明，图1所示接收机可以工作的环境的示意图；

    图3A是由图1所示调制信号发生器产生的根据本发明的调相信号的示意图；

    图3B是均根据本发明的由图1所示信号调制器产生的调相信号以及一个组合信号的示意图；以及

    图4是根据本发明用于进行空分多址接收的处理过程400的流程图。

    【具体实施方式】

    综述

    以下将参考附图说明本发明实施例。适当时，不同附图中的相同参考编号表示相同或类似的单元。

    根据本发明的方法和系统克服了无线系统中传统SDMA接收机的硬件和软件的复杂性问题。这种方法和系统包括具有多个接收单元的接收单元阵列。无线系统的用户发送多个信号，每个信号相对于接收单元阵列分别具有不同方向或空间位置。例如，用户可以是移动电话用户。

    接收单元阵列在多个接收单元内接收多个发送信号以形成多个接收单元信号。这种方法和系统产生从多个接收单元信号导出的一个组合信号，而且可以根据其不同空间位置从一个组合信号中检测多个发送信号中的每个发送信号。因此，这种方法和系统不需要多组移相器、多个信号组合器或者多个信号检测器。相反，这种方法和系统可以根据其不同空间位置从一个组合信号中检测来自多个用户的信号，而不是为来自每个用户的每个信号产生一个不同组合信号并从每个组合信号中检测信号。

    为此，根据本发明的方法和系统产生多个调相信号，这些调相信号可以是任意调相信号或不相关调相信号，而且利用一个不同调相信号分别对多个接收单元信号中的每个接收单元信号进行调相以产生多个调相信号。然后，这种方法和系统将多个调相信号组合为一个组合信号，产生预期信号并使该组合信号与预期信号相关以形成相关信号。预期信号是由用户的方向预期的组合信号，而且它可以是调相信号和用户方向的函数。然后，这种方法和系统将相关信号存储到相关信号存储器内，并分析该相关信号以从来自用户的信号中提取发送信息。

    详细实现过程

    根据本发明的方法和系统在具有多个接收单元的接收机中接收一个发送的信号。图1是根据本发明的接收机100的方框图。接收机100包括：具有多个接收单元的阵列1、调制信号发生器8、信号调制器9、信号组合器10、接收机配置存储器6、接收机计算器7、信号存储器12、信号相关器11、信号路由器14、多个信号存储器15以及信号处理器120。接收机100还可以包括以上未特别说明的其它部件，例如滤波器、混合器、放大器以及电源。这些部件的位置可以根据本技术领域内的设计者的爱好而变化。

    图2是根据本发明的、接收机100可以工作的环境200的示意图。在环境200下，远程发射机A和远程发射机B可以分别从远程发射机空间202发送信号2和3。例如，远程发射机A和B可以是移动电话。

    发送信号2和3入射到阵列1和多个单元接收信号2和3以形成多个接收单元信号。将多个接收单元信号(通过线路102)传送到信号调制器9，以下做详细说明。

    根据本发明的方法和系统产生多个调相信号。调制信号发生器8为阵列1的接收单元产生调相信号。这些调相信号可以是任意的或者是不相关的(相关值小于1)。不相关的调相信号可以是实质上不相关也可以是仅稍许不相关。例如，不相关的随机相位信号可以具有小于1而大于0.75，小于或者等于0.75而大于0.5，小于或者等于0.5而大于0.25，小于或者等于0.25而大于或者等于0的相关值。另一方面，一些或者全部这些信号可以非常相关，或者甚至相同。调相信号可以是任意的，它可以与阵列1各单元的几何结构不相关，或者不取决于阵列1各单元的几何结构。调相信号可以与发送信号的方向无关。

    图3A是阵列1的几个单元的典型调相信号的示意图。如图3A所示，对于第一接收单元的第一调相信号302，调制信号发生器8在持续时间Tc中产生相位₁₁。然后，对于第一调相信号302，调制信号发生器8在持续时间Tc中产生相位₁₂。这继续进行，但是示出N个周期的Tc，其中Tc是一个“码片”周期。阵列1每个单元的容许移相值可以在0至2π弧度之间连续变化，也可以限制为有限数量的值，例如0和π弧度。如果采用有限数量的移相值，则可以对每个单元分配不同容许值。

    对第二接收单元的第二调相信号304进行同样处理。如图3A所示，对于第二调相信号304，调制信号发生器8分别在持续时间Tc中产生相位₂₁和₂₂。对具有第三调相信号306的第三接收单元至具有第J调相信号308的第J接收单元同样重复此处理过程，其中J是阵列1的接收单元总数。将调相信号输出到信号调制器9。调制信号发生器8还将该调相信号输出到接收机计算器7，以下对此做详细说明。尽管相位可以是随机的，但是它们被接收机100所知。

    根据本发明的方法和系统利用调相信号之一对多个接收单元信号中的一个接收单元信号分别进行调相以产生多个调相信号。因此，信号调制器9利用调制信号发生器8产生的调相信号之一对每个单元信号进行调相或者使其“码片”化。图3B是根据本发明的调相信号的示意图。如图3B所示，第一接收单元调相信号310的第一码片等于第一接收单元信号，但是被移相了调相信号302的第一相位₁₁。同样，调相信号310的第二码片等于第一接收单元信号，但是被移相了调相信号302的第二相位₁₂。同样，对第二至第J接收单元信号进行调相以产生第二至第J调相信号312至316。

    调相信号310-316从信号调制器9输出到信号组合器10(通过线路104)。根据本发明的方法和系统将多个调相信号组合为一个组合信号318。因此，信号组合器10将调相信号组合为组合信号318。在一个实施例中，信号组合器10逐码片地计算多个调相信号的和以产生组合信号318。例如，将从第一调相信号310至第J调相信号316的所有第一码片相加以形成组合信号第一码片320，将从第一调相信号310至第J调相信号316的所有第二码片相加以形成组合第二码片322，等等。组合信号318的每个码片可以具有符合瑞利(Rayleigh)密度函数的矢量振幅，而且可以具有随机相角。组合信号318从信号组合器10输出到信号相关器11(通过线路106)。

    根据本发明的方法和系统产生预期信号。该预期信号是在从相对于阵列1的特定方向发送未调制载波的情况下，预期将作为组合信号318的信号。接收机计算器7计算该预期信号。例如，参考图2，接收机计算器7可以对从发射极A的方向发出的载波产生预期信号。接收机计算器7从调制信号发生器8和接收机配置存储器6输入信息以计算预期信号。接收机配置存储器6可以提供对信号组合器10组合前的接收单元信号和调相信号的振幅、相位以及极化产生影响的信息。该信息可以包括发送信号2和3的载波频率、其估计方向、阵列1内各接收单元的配置以及各单元的传输线长度。调制信号发生器8可以提供表示调相信号302-308内的每个码片的相对相位的信息。接收机计算器7计算预期信号，并将它输出到信号存储器12进行临时存储。信号存储器12输出预期信号，并将它输入到信号相关器11。因为发送信号的极化可能影响组合信号的相位和振幅，所以接收机计算器7可以根据发送信号的假定极化来计算预期信号。

    根据本发明的方法和系统使组合信号318与预期信号相关以形成相关信号。信号相关器11输入组合信号318和预期信号，然后使这两个信号相关。在一个实施例中，信号相关器11可以使组合信号318的对应N个连续码片与预期信号相关。在此实施例中，N的值可以是50。在每次将组合信号318的N个新码片(或者时间周期N×Tc)输入到相关器11时，信号相关器11可以在组合信号318与预期信号之间重新进行互相关。在每次进行新的相关时，接收机计算器7可以更新预期信号以包括下面的N个码片，而且可以删除先前码片，使得N的值可以保持例如50。信号相关器11产生作为组合信号318与预期信号之间的互相关量度的输出。在图2所示的例子中，假定与组合信号318互相关的预期信号是来自发射机A方向的信号，则信号相关器11为在远程发射机A的方向“查看”的接收机100产生作为相关信号的输出。该相关信号被输出到信号路由器14。

    根据本发明的方法和系统可以从多个方向产生多个预期信号，而且可以使组合信号318与多个预期信号相关以产生多个相关信号。例如，参考图2，接收机计算器可以为来自发射机A的方向的载波产生预期信号，而且可以为来自发射机B的方向的相同频率或者不同频率的载波产生预期信号。因此，接收机100可以一次同时“查看”多个(M个)方向，而且接收机计算器7可以产生M个预期信号，信号相关器11可以使M个预期信号与组合信号318互相关以产生M个相关信号。每个相关信号是接收机100在该特定方向进行“查看”的检测信号。M个相关信号被输出到信号路由器14(通过线路108)。

    根据本发明的方法和系统将M个相关信号存储到相关信号存储器15，并对该相关信号进行分析。利用信号处理器120从相关信号中提取诸如语音或其它数据的信息。信号路由器14将M个相关信号分别传送到几个信号存储单元1至M之一。信号存储单元1至M分别存储来自指定方向1至M的连续相关信号。

    如果处理速度足够高，则接收机100可以同时处理并检测来自多个方向的信号。作为一种选择，信号存储器1至M存储各不同发射机，例如发射机A或B的相关信号。如果发射机是移动的、而且持续改变相对于接收机100的方向，则这是有用的。在这种情况下，为了与当前发射机位置对应，对接收机计算器7使用的用于建立移动发射机预期信号的方向进行连续更新。

    阵列1可以不具有方向特性，而可以是各向同性的(全向的)。各调相信号的任意关系可以对N个码片的组合信号块给予接收机内的相同平均能量，而与发送信号的到达方向无关。还可以以这样的方式设计阵列1和接收机100，使得在更有限的发射机空间内，它对于发送信号是各向同性的。

    图4是根据本发明的空分多址接收过程400的流程图。首先，根据本发明的方法和系统在多个接收单元中接收一个发送信号以产生多个接收单元信号(步骤402)。然后，该系统产生多个调相信号(步骤404)，利用一个不同调相信号分别对多个接收单元信号中的每个接收单元信号进行调相，以产生多个调相信号(步骤406)。然后，该方法和系统将多个调相信号组合为一个组合信号(步骤408)。然后，该方法和系统产生预期信号(步骤410)，并把组合信号318与该预期信号互相关以产生相关信号(步骤412)。之后，该方法和系统将相关信号存储到相关信号存储器内，并对该相关信号进行分析(步骤414)。

    预期信号的极化

    通常，发送信号的极化会影响预期信号。如果事先知道发送信号的极化，则接收机计算器7可以在计算预期信号时利用此值。如果事先不知道极化值，则接收机计算器7有几个选择。一个选择是假定一个极化值，并根据此假定的极化值计算预期信号。在该选择中，检测与该假定极化一致的发送信号的极化分量。

    另一个选择是，接收机计算器7计算两个预期信号。如上所述，根据假定的极化计算第一预期信号，并根据与此第一极化垂直(正交)的极化计算第二预期信号。通过分别把组合信号与第一预期信号和第二预期信号相关来检测发送信号，从而产生两个相关信号。信号处理器120可以分别对这两个相关信号进行处理，或者将这两个相关信号组合在一起，以从发送信号中提取信息。

    又一种选择是，如上所述，计算两个预期信号，根据假定的极化计算第一预期信号，而根据垂直(正交)极化计算第二预期信号。在该选择中，把这两个预期信号相加，或者将它们组合在一起，以产生第三预期信号。通过把该组合信号与第三预期信号相关来检测发送信号。在该选择中，不考虑发送信号的极化，与第三预期信号有良好相关。

    这些技术以及本技术领域内的熟练技术人员设想的其它技术均可以用于从具有任何类型的极化特性，例如线性极化、圆极化或椭圆极化的发送信号中检测并提取信息。

    处理增益

    根据本发明的方法和系统可以产生多个调相信号，其中调相信号具有码片化速率(chipping rate)，而且该码片化速率超过发送信号的调制速率。在一个实施例中，信号调制器9可以以至少为发送信号最高调制频率周期100倍的速率，连续码片化所接收的单元信号。该码片化速率可以使信号相关器11(在一个实施例中，它一次处理50个码片的块)包含附加到任意载波上的、不超过一个半周期或者不超过一个半波的调制信号，从而满足最低奈奎斯特采样速率。因此，在一个实施例中，其码片化速率至少为最高调制速率的100倍的50个码片的相关长度相当于最大奈奎斯特采样间隔。这样可以从任何载波中完全恢复调制信息。N的值也可以不是50，而且满足最低奈奎斯特速率会产生不同的码片化速率。

    通过线路106(参考图1)的组合信号318(参考图3B)中每个码片的振幅和相位可以取决于发送信号到达阵列1的接收单元的到达角。为了把从不同方向到达的信号区分开，接收机计算器7对每个方向分别预测并计算可能出现在组合信号318内的预期码片振幅和相位图(phasepattern)。对于每个方向，信号相关器11把预期码片图(chip pattern)，即预期信号与组合信号318互相关。在信号存储器12内有来自K个不同方向的K个预期码片图。在一个实施例中，K等于M，如上所述。

    信号相关器11的处理增益可以为其中N是组合信号318内、同时一起处理的码片数。N个码片形成持续时间为T的码片块。组合信号318与K个预期信号之间具有上述互相关。

    在一个实施例中，以如下方式产生处理增益值。含有N个码片的组合信号块(跨越从第1个码片的开始时间t1到第N个码片的结束时间t1+T的时间间隔)具有相关能量表达式： R ER ( K , θ ) = ∫ t 1 t 1 + T { V EK → ( t ) } · { V R → ( t ) e + jθ } dt ]]>

    其中是包括N个码片的组合信号318，是同样包括N个码片的相应第K个预期信号。和的每个码片分别具有均方值a_R²和a_EK²而且分别具有均方根(rms)值α_R和α_EK。它们是满足瑞利密度函数、其随机相位和预期幅度值分别为和的基本上随机的矢量。这些基本上随机的矢量可以分别由输入到信号组合器10的调相信号内的各随机相位码片的和构成。移相项e^+jθ可以同样地应用于组合信号块的所有码片，其中可以选择参数θ以使每个被处理组合信号块的相关输出最大。在例如利用QPSK对发送信号进行调相的无线系统中，参数θ是相关信号的一部分，而且可以用于导出载波相位信息。在对发送信号进行调幅的系统中，互相关的幅度是相关信号的一部分，而且可以用于导出载波振幅信息。

    良好相关的N个码片的相关能量的大小为其中T是组合信号块持续时间，其中是一个码片的时间间隔，或者Tc。

    另一方面，如果对于码片的相应预期信号块，码片的组合信号块是随机的，即它们不相关，则N个码片的相关能量的大小为在这种情况下，对于相应N个预期信号矢量(码片)，N个组合信号矢量(码片)具有随机相位。N个随机矢量(均方根值为α_R)的和为二维高斯(均方根值为)。还可以将该二维高斯密度函数描述为瑞利密度函数。

    通过生成良好相关信号与不相关信号的相关器输出的比值获得处理增益的值。

    本技术领域内的熟练技术人员明白该系统具有许多变换例。例如，根据本发明的方法和系统不仅可以处理电磁信号，而且可以处理声信号。例如，发送信号可以是通过水传播的声信号，而且在接收机和处理器内，接收单元信号、组合信号以及预期信号均可以代表声信号。该系统可以提供海底数据链路或任何方式的音频信号检测。在这种系统中，阵列1的接收单元是声传感器。

    此外，信号处理器通常更容易产生伪随机数而非纯随机数，因此术语“随机”包括“伪随机”。因此，调制信号发生器8可以产生伪随机调相信号，信号调制器9可以产生伪随机调相信号。这适用于连续可变或者被限制为有限数量的值的调相信号。

    此外，在此描述的、用于将组合信号与预期信号进行比较的技术(相关技术)可以采用信号处理领域众所周知的、用于从发送信号中恢复幅度信息和相位信息的任意适当的信号比较技术。

    除此之外，阵列1还可以取多种不同形状。例如，阵列1可以是平面、球形或圆柱形的。它还可以与例如飞机或汽车的外表面相符。

    最后，信号调制器9、信号组合器10、调制信号发生器8、信号存储器12、信号相关器11、信号路由器14、接收机计算器7、接收机配置存储器6以及信号处理器120执行的全部或者部分功能均可以以软件的方式实现，而不必以硬件方式实现。

    尽管参考本发明的实施例对根据本发明的方法和系统进行了说明，但是本技术领域内的熟练技术人员，可以在所附权利要求所述的本发明实质范围及其完全等效范围内，可以从形式和细节方面对其做各种变更。