无线通信系统中应用智能天线和联合检测的接收机结构 及其算法 本发明涉及的是一种应用智能天线和联合检测技术的无线通信系统及其通信方法，尤其涉及一种应用于时分双工CDMA无线通信系统中采用自适应信号处理方法的智能天线和联合检测技术的接收机结构及其处理算法。
全球通信业务的迅速发展，使得作为未来个人通信主要手段的无线通信技术受到人们极大的关注。如何有效地消除同信道干扰(Co-channelInterference，CCI)、多址干扰(Multiple-access Interference，MAI)、码间串扰(Intersymbol Interference，ISI)和多径衰落等的影响成为无线通信系统，尤其是码分多址无线通信系统中制约系统容量等的主要问题。传统的采用均衡的处理方法，在信号传输时延较大时已经不能够更好地解决这些问题。而采用时空联合处理的智能天线技术，通过信号时间域和空间域的联合处理可以较好地解决这些问题。智能天线技术已经成为第三代以及以后移动通信系统中的一项关键技术。
智能天线利用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷点对准干扰信号到达方向，以达到充分高效地利用移动用户的有用信号并抑制或删除干扰信号的目的。应用智能天线的无线通信系统大大降低了多址干扰，提高了系统的信噪比。只有来自主瓣方向或较大副瓣方向的多径才对有用信号带来干扰；降低基站发射功率，节省系统的成本，减少信号间干扰和电磁污染。应用智能天线可以增加系统的覆盖区域，提高系统容量和频谱利用率。
智能天线一般分为两类：多波束开关天线和自适应天线阵列。智能天线使用数字波束形成(Digital Beamforming)技术来得到所需地波束赋形。
多波束开关天线利用多个并行波束覆盖整个用户区，每个波束的指向是固定的，波束宽度也根据阵元数目确定，随着用户在小区中的移动，基站开关选择不同的波束，使接收信号最强。
自适应天线阵列通过反馈控制方式连续调整天线阵列方向图。一般采用4～16天线阵元结构，天线阵元间距一般为1/2波长。天线阵元分布方式有直线型、圆型、圆环型和平面型等。自适应天线系统采用数字信号处理技术来实现天线波束赋形，根据用户信号的不同空间传播方向提供不同的空间信道，有效地克服干扰对系统的影响。
为了适应无线通信环境，智能天线技术已经得到比较多的研究。如美国专利U.S.5,887,262(Smart antenna backwards compatibility in digitalcellular systems)和U.S.6,229,486(Subscriber based smart antenna)介绍了应用智能天线的TDMA无线通信系统。U.S.6,252,548(Transceiverarrangement for a smart antenna system in a mobile communication basestation)介绍了一种应用智能天线的基站接收机的结构。这些无线通信系统都是采用频分双工(Frequency Division Duplex，FDD)的通信方式，上行和下行链路采用不同的载频，因此上行和下行链路的空间特性是不相同的。在FDD方式下，采用智能天线技术需要解决上行和下行信道不对称性；信道空间参数提取的复杂性以及其他软硬件的问题。
近年来，已经有不少研究智能天线技术应用于采用时分双工(TimeDivision Duplex，TDD)的CDMA无线通信系统中。如中国专利CN1053313C(具有智能天线的时分双工同步码分多址无线通信系统及其通信方法)，涉及了应用智能天线的时分同步CDMA无线通信系统。在第三代移动通信系统中，TD-SCDMA和WCDMA等也都要采用或在条件成熟的时候采用智能天线技术。
由于组成智能天线的天线阵元数目有限，因此波束赋形后形成的波束仍然存在旁瓣，从而会对其他用户造成干扰。并且当多个用户位于同一方向上的时候，智能天线波束就会发生重合，不能区分不同的用户等，因此单独应用智能天线技术仍然存在一些问题。CDMA无线通信系统中多个用户的信号在时域和频域上是混叠的，在信号接收端需要把有用信号从包含有用信号的多径信号和其他多址干扰信号中分离出来。多用户检测技术就是这样一种消除多址干扰提取有用信号的技术，主要分为干扰抵消和联合检测两种，其中在时分双工CDMA无线通信系统中采用联合检测技术。联合检测技术利用信号和多址干扰的信息，把信号从所有用户的信号中分离出来，提高系统的抗干扰性能。但是，联合检测技术对于小区间的干扰不能有效地抑制，并且信道估计的准确性将直接影响干扰消除的性能。所以单独使用智能天线或联合检测技术都不能很好地解决无线通信中的问题。人们对把智能天线和联合检测技术结合起来的方法，做了一些研究。如Evaluation of Link-Level PerformanceImprovements by using Smart Antennas for TD-CDMA based UTRA TDDMobile Radio System，(Gerald Lehmann，VTC2000)，Performance of SmartAntenna in TD-SCDMA System(ICCT2000)给出了一种在时分双工的CDMA无线通信系统中应用智能天线和联合检测的结构和仿真结果。
传统技术通常采用对每一根天线阵元接收到的信号分别进行信道估计，求出接收信号的空间协方差矩阵，再经过联合检测得到用户的数据。并且根据这个协方差矩阵来得到下行波束赋形参数。由于传统方案需要对每一根天线接收的信号进行信道估计以及求出协方差矩阵，这样需要较多的运算，不容易满足系统实时性的要求。并且需要在每个天线阵元接收端和联合检测单元进行信道估计，因此，也带来了较多的运算复杂度。
本发明的目的是提供一种能降低无线通信系统的复杂度，并易于系统实现的新的应用智能天线和联合检测技术的时分双工CDMA通信系统的接收机结构及其处理算法。
本发明的特点在于在无线通信系统基站上行接收信号处理中，对智能天线阵列接收到的信号不是采用单独对每一根天线阵元信号分别进行处理的方法，而是对信号通过权值加权网络后，信号加权得到的合成信号进行信道估计，得到精确的用户信道估计参数，确定加权网络权值，并形成指向用户的波束，然后把经权值加权的数据信号送到联合检测单元进行处理。这样本发明不需要进行复杂的求解接收信号空间矩阵特征值的运算。并且在自适应信号处理过程中得到的信道估计参数可以直接由联合检测单元采用，从而降低了无线通信系统的复杂度，提高了系统的效率。本发明所提出的应用智能天线和联合检测技术的无线通信系统的接收机结构及其处理算法可以应用在采用时分双工的CDMA无线通信系统中。
本发明提出了一种新的应用智能天线和联合检测技术的时分双工CDMA无线通信系统的接收机结构及其处理算法。在上行链路，对于天线阵列接收的信号采用自适应的处理方法来调整自适应算法控制单元的权值，并通过天线阵列接收的信号经过这些权值加权相加后的信号进行信道估计，提取出目标用户的信道估计参数。这里采用自适应处理算法，利用信道估计的值与训练信号得到参考信号，然后由参考信号和输入信号的加权得到误差信号，这个误差信号包含其它用户和目标用户的当前不可识别的多径信号，这些对于目标用户的信号来说都是干扰信号。通过自适应算法使得这个误差信号最小，也就是使得天线接收到的干扰信号最小。天线阵列形成指向用户较强径的几个波束。在自适应算法控制单元权值满足设定的条件后，调整的权值确定下来，天线阵列接收的信号通过这些权值加权后进行联合检测，得到用户数据。在下行链路，由于时分双工无线通信系统上、下行链路应用相同的频率，因此可以从上行链路得到的加权网络权值和信道估计的结果来得到下行链路的权值。本发明由于首先对天线阵列接收到的信号进行处理，因此可以形成指向用户的波束，而极大地抑制邻近小区的干扰，提高了联合检测输入信号的信噪比。同时本发明具有不必求出用户位置DOA，可以自适应地跟踪用户等特点。
本发明中使用的自适应处理算法可以采用各种不同的算法实现，诸如但不限于最小均方(LMS)算法，递归最小平方(RLS)算法等。
按照本发明所提出的结构，系统应包含以下主要部分：一个由M个天线阵元组成的智能天线阵列、M个天线前端组成的多信道收发信机单元、一个接收信号存储单元、K(其中K为用户数)个自适应算法控制单元、K个信道估计器、K个用户信道估计选择器、K个联合检测单元、K个下行权值形成单元、K个解复用器和K个用户基带数据处理单元。
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明：
图1为本发明的无线通信系统基站智能天线处理简化结构图；
图2为本发明的无线通信系统基站智能天线上行链路处理结构图；
图3为本发明提出的用户信道估计选择器结构示意图；
图4为本发明提出的信道估计多径选择器结构示意图；
图5为无线通信系统基站智能天线下行链路处理结构简图。
参看图1，图中示出本发明提出的应用智能天线和联合检测技术的时分双工CDMA无线通信系统基站信号处理系统的简单结构。该系统由M个天线阵元组成的智能天线阵列，多信道收发信机，自适应波束处理，联合检测，下行波束处理等部分组成。智能天线阵列接收的信号经过多信道收发信机，变换到数字基带信号。然后通过自适应波束处理来完成上行信号的波束赋形。在形成跟踪用户的波束后，把经过加权后的信号送到联合检测单元进行联合检测，得到用户数据。由于时分双工CDMA无线通信系统中上行和下行采用相同的频率，因此下行波束处理可以利用上行波束成形的结果来生成下行的赋形权值。用户数据信号经下行加权后通过多信道收发信机到天线阵列形成指向用户的下行波束发射出去。
参看图2，图中所示为本发明所提出的一种新的应用智能天线和联合检测技术的自适应波束上行处理结构示意图。该结构包含有下列几部分：智能天线阵列、天线阵列信号存储单元、加权网络、自适应算法控制单元、信道估计器、用户信道估计选择器、用户训练信号发生器、乘法器、解复用器、联合检测单元和可控开关等组成。时分双工CDMA无线通信系统是在一个时隙内发送一个数据突发，智能天线阵列在一个时隙内接收到多个用户数据突发信号的叠加。经过天线前端多信道接收机接收下来的一个时隙数据突发信号变换成基带数字信号，存储到天线阵列存储单元，各可控开关打开，初始化针对某个期望用户的加权网络加权权值，天线阵列存储单元的信号输入到加权网络，加权后的信号经过解复用器得到用户数据信号和用户训练序列信号，用户训练序列信号经过信道估计器，得到较粗的信道估计，然后经过用户信道估计选择器得到精确的用户信道估计值，该用户信道估计值和该期望用户的训练序列相乘结果作为参考信号输入自适应算法控制单元，将加权后用户训练序列信号、参考信号和天线接收信号输入自适应算法控制单元，按照自适应算法得到误差信号，如果该误差值不满足设定的要求，自适应算法控制单元得到新的加权网络加权权值，并将新得到的加权网络加权权值赋给加权网络，再进行下一次自适应迭代，如果该误差信号满足设定的要求，自适应迭代过程结束，可控开关闭合，并将解复用得到的用户数据信号和由用户信道估计选择器输出的信道估计输入到联合检测单元进行联合检测，最终得到该期望用户的输出信号。
参见图3，图中所示为本发明所提出的一种新的为用户1设计的用户信道估计选择器结构示意图。该结构主要包括：一个解复用器、K个信道估计多径选择器和复用器。解复用器将各个用户信道估计分开，并分别进行信道估计多径选择处理，最后输出期望用户的信道估计和经过复用后的所有用户信道估计。
参见图4，图中所示为本发明所提出的一种新的信道估计多径选择器结构示意图。该结构主要包括：N个寄存器，一个选择器和一个能量归一化器。信道估计器输出的结果是针对接收到的训练序列进行处理得到的，由于无线信道的随机性，为了尽可能使所有多径信道的分量都能估计到，时分双工CDMA无线通信系统得到的信道估计在时延上跨度较大。但是实际中能量大的路径主要分布在小时延中，而且由于噪声和干扰的影响，这样信道估计的准确性不高，严重影响系统性能。由于短时间内移动用户(即使为高速移动用户，移动速度为500公里每小时)的位置变化很小，根据无线信道的传播特点可知，移动用户的各径信道的时延变化极小。这样我们提出使用当前帧和过去若干(诸如但不限于10)帧的信道估计结果共同来得到更精确的信道估计。在我们提出的用户信道估计选择器中N个寄存器用来存放前N帧的信道估计。
参见图5，在系统的下行链路，根据系统上行链路得到的自适应权值可以得到下行链路的波束赋形的权值，发送信号经过加权以后分别输出到相应的天线阵元发送出去。
下面结合一个实例说明一下自适应波束处理网络的实现流程。在时分双工CDMA无线通信系统上行和下行的每一个时隙中，除了传输用户数据外，还有若干长度的训练序列Midamble码(关于Midamble码的说明参见3GPP TS 25.221V 4.0.0 2001-03)，用来进行信道估计。用户以突发方式传输数据，由于一个突发的时间足够短，可以认为用户信道在传输一个突发数据块时是时不变的，因此每“块”数据可以进行一次信道估计。天线阵列信号存储单元存储前端每一个天线阵元接收的多信道接收机收到的一个数据突发的用户信号，并把接收到的信号分为包含数据块和Midamble码的信道响应两部分。在自适应波束成形权值调整中利用包含训练序列Midamble码的数据进行调整，由于数据码片的干扰原因，可用的Midamble码长度设为P。在接收端用于进行信道估计的加权网络初始化加权权值。这样，每个天线阵元接收的训练序列响应信号经过分别加权后相加，并解复用后得到合成的训练序列响应信号。emidanble=wXT=w(x(1)x(2)…x(k))T]]>
其中，
(1)emidanble为经过加权网络加权后合成的Midamble序列；
(2)w＝(w11w12...w1M)为权值阵列，这里以用户1信号的一径为例；
(3)x(k)，k＝1，...K为K个用户长度为P的Midamble序列响应。
对这个合成信号进行信道估计，这里采用了最大似然信道估计的方法，得到对应于初始权值的K个用户的信道估计H^=(h^(1)h^(2)…h^(k))]]>其中，h^(k)=(h1kh2k…hwk),]]>k＝-1，...，K为第k个用户的信道估计，w为信道估计的长度。从信道估计中得到用户1的信道估计组成新的向量规定一函数f(·)，假设B^=(b1b2…bw)=f(h^0,h^-1,…,h^-N),]]>其中分别为选择器的N+1个输入，h^0=(h^01h^02…h^0w)]]>为当前帧的信道估计，h^-1=(h^-11h^-12…h^-1w)]]>为前1帧的信道估计，依次类推，h^-N=(h^-N1h^-N2…h^-Nw)]]>为前N帧的信道估计，w为用户信道估计长度。函数f(·)定义如下：(b1b2…bw)=f(h^0,h^-1,…,h^-N)]]>其中L为一常数或由向量的函数(诸如但不限于的模之和等)来决定，不同系统可采用不同的L。选择器按函数f(·)工作得到从而从信道估计中得到最强的若干个径。为了保证最终输出信号所有径的总功率为恒定值，能量归一化器对信道估计值乘以一调整因子(其中运算为向量的模，C为一常数，其值由实际系统决定)，信道估计多径输出C|f(h^0(1),h^-1(1),h^-N(1))|·f(h^0(1),h^-1(1),…,h^-N(1))]]>。
用这个新的信道估计C|f(h^0(1),h^-1(1),…,h^-N(1))|·f(h^0(1),h^-1(1),…,h^-N(1))]]>与用户1的训练信号G1(其中G1为一Toeplitz矩阵)相乘，结果送入自适应算法控制单元，与输入Midamble序列响应X得到误差信号，判断误差信号是否满足算法要求，如果误差信号不满足条件，则利用这个误差信号来调整加权网络的权值(该实施例中的自适应算法以LMS算法为例说明)。w(n+1)=w(n)+12μ[-▿J]]]>
(1)w(n)为当前加权网络的权值，w(n+1)为下一个训练过程的权值；
(2)μ为训练步进值；
(3)J为代价函数的梯度函数。再进行下一次的信道估计，直到误差信号满足算法要求，加权网络得到确定的加权系数，然后把数据块的数据利用这些权值进行加权，最终天线阵列就形成了指向用户1的波束。从而极大地抑制其他用户信号对用户1的干扰。将数据信号和用户信道估计选择器的另一含有所有用户信道估计的输出送到联合检测单元进行处理，输出经过联合检测的用户数据。
在无线通信系统中存在信号多径的影响。本发明提出的结构、算法可以应用到有用信号的几个较强的多径上。通过指向几个较强多径的波束来得到有用信号，并且得到这些多径信号的合并，提高接收信号的信噪比，再经过联合检测进行处理得到用户数据信号。
由于时分双工CDMA无线通信系统中下行链路和上行链路工作在相同的频率上，并且下行和上行的时隙时间间隔足够小，因此可以认为下行和上行信道特性是一致的。这样，在上行链路得到的信道特性和权值可以用来形成下行波束形成的权值，从而形成指向用户的波束，减少对于其他用户的干扰。