一种基于信号到达角检测的上行自适应波束成形方法.pdf

本发明提供的技术用于智能天线系统的自适应波束成形。本发明从提高自适应波束成形迭代算法的收敛速度入手，基于导频信号到达角检测结果，产生对应于信号到达角的方向矢量，从而利用待接收信号的方向矢量和作为自适应波束成形算法的初始向量进行自适应的迭代计算，最终形成最优加权向量和最优天线方向图。本发明中的技术实用、高效，大大提高了传统自适应波束成形算法的收敛速度。

1.  一种用于智能天线系统的自适应波束成形方法，其特征在于，在对目标信号利用自适应算法进行自适应波束成形时，是基于目标信号的到达角检测，设定相对应的初始空间加权向量。

2.  如权利要求1中所述的用于智能天线系统的自适应波束成形方法，其特征在于，由一个智能天线阵列(201～20M)，一个信号到达角与信号到达时延联合检测单元(21)，一个自适应波束成形单元(22)、一个导频参考信号恢复单元(23)和一个信号检测与判决单元(24)等组成。智能天线阵列(201～20M)接收到的导频信号首先输入到信号到达角与到达时延的联合检测单元(21)，通过到达角检测得到该导频信号的入射方向(即信号到达角)，利用该导频信号的到达角进一步可以得到对应于该信号在空间加权网络的初始加权向量(212)；同时通过时延检测与导频参考信号恢复得到该接收导频信号的参考信号(231)；另一方面，智能天线阵列(201～20M)接收到的信号、初始空间加权向量(212)和参考导频信号(231)等作为自适应波束成形单元(22)的输入，可令自适应算法控制子单元(32)自适应的更新空间加权向量直至最终得到最优的空间加权向量。

3.  如权利要求2中所述的利用导频信号的到达角得到初始空间加权向量的方法，其特征在于，对于一个入射信号，利用到达角检测的结果，生成对应于该到达角的方向矢量，然后将该方向矢量作为初始空间加权向量(212)输入到自适应波束成形单元(22)；对应于K个入射信号，利用到达角的检测结果，生成对应于K个信号的各自的方向矢量，而后把这些方向矢量相加得到一个方向矢量和，该方向矢量和就可作为初始空间加权向量(212)输入到自适应波束成形单元(22)。

4.  如权利要求1中所述的用于智能天线系统的自适应波束成形方法，其特征在于，采用了基于目标信号到达角检测的自适应波束成形算法，诸如但不限于最小均方误差(LMS)算法等。

5.  如权利要求1中所述的用于智能天线系统的自适应波束成形方法，其特征在于，采用了基于导频信号的自适应波束成形方法。

6.  如权利要求5中所述的基于导频信号的自适应波束成形算方法，其特征在于，在接收端通过对导频信号时延(211)的检测从而生成对应于该接收导频信号的参考信号(231)，并把该参考信号输入到自适应波束成形单元(22)与判决信号(241)相比较而产生误差信号(331)。

7.  如权利要求1中所述的用于智能天线系统的自适应波束成形方法，其特征在于，其实现步骤为：
1)对智能天线阵列(201～20M)上接收到的信号的入射角进行到达角检测；
2)根据信号到达角生成对应于各个信号的方向矢量；
3)将目标信号所对应的方向矢量相加得到方向矢量和，并把该方向矢量和作为初始空间加权向量(212)；
4)对智能天线阵列上接收到的目标信号进行到达时延检测从而得到对应于该目标信号的参考信号(231)；
5)将3)中得到的初始空间加权向量(212)、4)中得到的参考信号(231)和天线阵列(201～20M)上接收到的信号输入到自适应波束成形单元(22)；
6)在自适应算法控制子单元(32)的控制下，基于5)中的输入条件，调用自适应波束成形算法迭代计算得到当前时刻下的最优空间加权向量。

一种基于信号到达角检测的上行自适应波束成形方法
                    技术领域
发明涉及一种在智能天线系统中应用的自适应波束成形的方法。尤其涉及一种在无线通信系统中基于反向导频信号的自适应波束成形方法。
                    背景技术
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-channel Interference，CCI)、多址干扰(Multiple-access Interference，MAI)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。而采用智能天线技术，通过信号空间域的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。应用智能天线可以降低基站发射功率，节省系统的成本，减少信号间干扰和电磁污染。应用智能天线还可以增加系统的覆盖区域，提高系统容量和频谱利用率。
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 indigital cellular systems)和U.S.6,229,486(Subscriber based smartantenna)介绍了应用智能天线的TDMA无线通信系统。U.S.6,252,548(Transceiver arrangement for a smart antenna system in a mobilecommunication base station)介绍了一种应用智能天线的基站接收机的结构。
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)技术来得到所需的波束赋形。
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。
在自适应天线阵列系统中，基站是根据接收到的目标用户的信号以及干扰信号，依据一定的评判标准，使某些代价函数最小(诸如但不限于目标信号的最小均方误差)，从而自适应的调整天线阵列的加权向量，并最终得到最优加权向量，形成最优天线方向图。自适应算法通常采取块或迭代的方式进行。在迭代算法中，初始加权向量的设定会在很大程度影响自适应算法的收敛速度。所以，如果在波束成形迭代算法前能根据已知的信号信息选择一个次优的加权向量作为迭代算法的初始权向量，将提高自适应算法的收敛速度和效率。
在传统的自适应天线阵列系统中，针对不同的信号特征(即不同的信号到达角)，标准自适应波束成形算法都采用相同的初始加权向量进行自适应的迭代计算以更新加权向量。这势必会增加其中对绝大多数信号处理中的迭代计算的计算量，从而增加信号的处理时间。
目前为止，智能天线系统中都是采用相同的初始加权向量进行自适应的波束成形。较多的是采用全“1”向量作为初始加权向量(这也就是初步假设信号的到达角是0度或者180度，然后才通过自适应波束成形算法做调整和更新)。而没有针对不同的信号到达角设定有针对性的初始加权向量。所以，造成自适应波束成形算法的迭代算法收敛速度很慢。
近年来，已有不少关于智能天线技术的研究致力于提高自适应波束成形算法的迭代收敛速度，如Coherent LMS Algorithms(IEEECOMMUNICATIONS LETTERS，VOL.4，NO.3，MARCH 2000)提出了一种基于导频信道的相关LMS算法，比起标准的LMS算法，在相同的自适应算法步长条件下，可以大大提高自适应算法的收敛速度。
传统技术通常采用全“1”向量作为空间加权的初始加权向量，也就是说在刚开始的时候对每个天线阵元上接收到的信号乘与各自地初始加权值“1”，然后相加得到输出信号。将该输出信号和基于导频得到的参考信号相比较得到误差信号，然后采用自适应算法重复的调整加权向量直到误差信号满足要求小于某一个门限值。
从上述的过程可以看出，收敛速度的快慢决定于三个方面：自适应算法本身的收敛速度、算法迭代步长和初始加权向量的设定。
                   发明内容
本发明是从初始加权向量的设定方面考虑，提出了一种实用高效的自适应波束成形方法，可以大大提高自适应波束成形算法的收敛速度，从而提高自适应天线阵列的信号处理速度和能力。
本发明的特点是，对不同的目标信号的信号特征——信号的到达角，生成相对应的方向矢量，并把目标信号的方向矢量和设定为对应的初始加权向量。这样的初始加权向量是一种次优的空间加权向量，比起全“1”的初始加权向量，只需要很少次数的迭代计算，这种次优的空间加权向量就能收敛到最优的空间加权向量，于是大大提高了自适应波束成形算法的收敛速度。
本发明提出了一种新的应用于智能天线系统的自适应波束成形的方法。智能天线阵列(201～20M)接受到的导频信号首先输入到信号到达角与到达时延的联合检测网络，即21，通过到达角检测得到该导频信号的入射方向(即信号到达角)，利用该导频信号的到达角进一步可以得到对应于该导频信号的方向矢量，并把目标信号的方向矢量相加作为初始的空间加权向量(212)；同时通过时延检测得到该接收导频信号的时延(211)，从而进一步得到其对应的参考信号(231)；另一方面，智能天线阵列(201～20M)接收到的上行导频信号、初始空间加权向量(212)和参考导频信号(231)等作为自适应波束成形单元(22)的输入，使得自适应算法控制子单元(32)能自适应的调整空间加权向量直至经过波束成形并判决的目标信号(241)和参考信号(231)之间的误差信号满足要求小于某一设定的门限值，此时的空间加权向量就可认为是最优的空间加权向量。图中，信号检测和判决(24)的作用是对波束成形信号(221)进行判决得到判决输出(241)。
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：一个智能天线阵列(201～20M)，一个信号到达角与信号到达时延联合检测网络(21)，一个自适应波束成形单元(22)、一个参考信号恢复单元(23)和一个信号检测与判决单元(24)。
                 附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明：
图1描述的是线性天线阵列的结构图和到达角的方向规定。
图2描述的是基于到达角检测的自适应波束成形的功能结构。
图3描述的是自适应波束成形单元的功能结构图。
               具体实施方式
首先，对本发明系统的装置结构做一些具体说明。
参看图1，图中表示的是线性天线阵列的结构图和到达角的方向规定。一般而言，天线阵列中阵元间的间距为波长的一半，即^λ/₂。通常，线性天线阵列的在坐标图中是以最右边的一个阵元101为原点，即最右边的一个天线阵元101的坐标为(0，0)，其余的依此类推。在入射角度的规定上，通常都是以天线阵列的法线方向为入射角零度，在法线的右面是大于零的角度，在法线的左面是小于零的角度。
参看图2，图中所示的是基于到达角检测的自适应波束成形的功能结构图。该系统由M个阵元组成的智能天线阵列(201～20M)、信号时延和到达角联合检测单元(21)、自适应波束成形单元(22)、导频参考信号恢复单元(23)与信号检测和判决单元(24)等模块组成。智能天线阵列(201～20M)接收到的导频信号经过信号时延和到达角联合检测得到信号时延(211)，从而经过导频参考信号恢复得到导频参考信号(231)。同时，通过检测目标信号的到达角，从而得到到达角对应的方向矢量和作为初始空间加权向量(212)。参考信号和初始空间加权向量作为自适应波束成形算法的已知条件被输入到自适应波束成形单元(22)。智能天线阵列(201～20M)接收的导频信号经过自适应波束成形单元(22)的处理，得到波束成形信号(221)，该信号输入到信号检测与判决单元(24)，判决结果(241)又被送回到自适应波束成形单元(22)根据自适应波束成形算法产生新的空间加权向量和判决结果，如此反复进行直到误差信号满足要求小于某一门限值。
参看图3，图中所示是自适应波束成形单元的简单结构图。该单元是由自适应算法子单元(31)、自适应算法控制子单元(32)和信号比较子单元(33)组成。智能天线阵列(301～30M)接收到的导频信号经过自适应算法子单元(31)后得到波束成形后的输出信号，该信号经判决后得到判决信号(333)，该信号被送到信号比较子单元(33)减去输入的参考信号(332)得到误差信号(331)，误差信号(331)被输入到自适应算法控制子单元(32)，自适应算法控制子单元(32)根据误差信号是否满足条件小于某一门限值来判断是否还需要调用(即产生控制信号321)自适应波束成形算法更新空间加权向量。如果不需要，就把当前空间加权向量作为最优空间加权向量输出；如果需要，则把误差信号(331)输入的自适应算法子单元(31)再一次计算出新的空间加权向量。
下面结合一个实例说明一下本发明在无线通信系统的具体应用流程。以cdma2000 1x EV-DV系统为例，由于存在反向导频信道，在上行信号处理中，智能天线系统可以基于导频信道进行改进后的自适应波束成形，然后将成形波束用于对其他信道的接收。
假设经过波束成形以后，反向导频信道的接收信号如下：
Y＝W^HX    (1)
其中，W(k)＝[w₁(k) w₂(k)…w_M(k)]^H是天线阵列的加权向量；
而
                 X(k)＝As(k)+n(k)    (2)
是天线阵列(201～20M)的接收到的导频信号；其中， A ( θ ) = [ 1 e - j φ 2 ( θ ) · · · e - j φ M ( θ ) ] H ]]>是对应于该信号的方向矢量；s(k)是传输的反向导频信号；n(k)代表的是白高斯噪声和来自于其他用户的干扰信号。
在波束成形之前，利用天线阵列接收信号X(t)，可以完成对反向导频信号到达角的检测，从而得到到达角θ_DoA。利用到达角，系统可以得到该到达角对应的方向矢量A(θ_DoA)。
然后将欲接收信号的方向矢量相加得到方向矢量和，并把此方向矢量和作为自适应波束成形算法的初始权向量W(0)：

至此，就可以利用迭代的最小均方误差(LMS)算法进行自适应波束成形的权值向量更新：
W ( k + 1 ) = W ( k ) + 1 2 μX ( H ~ - W ( k ) H X ) - - - - ( 4 ) ]]>
其中，是参考反向导频信号，基站在波束成形前就已通过时延检测得到其；μ是迭代算法的步长。
通过有限次调用公式(4)进行加权向量更新，当满足以下的条件之一时，算法结束，就可以得到最优的加权向量W_opt
(1)误差函数 e ( k ) = H ~ - W ( k ) H X ]]>的模平方Δ小于某个固定门限值。
Δ = e × e H = ( H ~ - W H X ) ( H ~ - W H X ) H ]]>
= H ~ H ~ H - W H X H ~ H - H ~ X H W + W H XX H W - - - - ( 6 ) ]]>
(2)最小均方误差(LMS)算法的迭代次数大于某个固定门限值。
可以看出，本发明的具体流程是：
1)对智能天线阵列(201～20M)上接收到的信号的入射角进行到达角检测；
2)根据信号到达角生成对应于各个信号的方向矢量；
3)将目标信号所对应的方向矢量相加得到方向矢量和，并把该方向矢量和作为初始空间加权向量(212)；
4)对智能天线阵列上接收到的目标信号进行到达时延检测从而得到对应于该目标导频信号的参考导频信号(231)；
5)将3)中得到的初始空间价权向量(212)、4)中得到的参考信号(231)和天线阵列(201～20M)上接收到的信号输入到自适应波束成形单元(22)；
6)在自适应算法控制子单元(32)的控制下，基于5)中的输入条件，调用自适应波束成形算法迭代计算得到当前时刻下的最优空间加权向量。
综上所述，本发明有以下优点：
1.能有效提高自适应波束成形算法的收敛速度。
2.该方法适合任何形式的实际网络，不受实际网络形式特点的限制。
3.该方法在提高算法效率的同时，没有带来智能天线性能的下降。
总之，本发明大大地减小了标准自适应波束成形算法所需的迭代次数和时间，它是一种实用的、高效的自适应波束成形算法。