专利名称：一种波达角估计和波束赋形的方法
技术领域：
本发明涉及一种波达角(DOA，Direction Of Arrival)估计和波束赋形的方法，尤其涉及同步码分多址(CDMA)通信系统中采用智能天线技术的上行链路DOA估计和下行链路波束赋形的方法。
背景技术：
现有技术的智能天线利用信号传输的空间特性和数字信号处理技术，可以实现上行链路DOA估计以及下行链路波束赋形，从而达到降低噪声干扰、增加容量、扩大覆盖、改善通信质量、降低发射功率和提高无线数据传输速率的目的。
在一定的用户移动速度条件下，对于采用时分双工(TDD)方式的同步CDMA通信系统，其上、下行信道满足对称要求，若采用智能天线，则可以根据天线阵列对应的信道估计实现各个用户的上行链路DOA估计，进而完成下行链路波束赋形，较好地解决抗多径干扰和抗多址干扰等问题。
根据DOA估计和波束赋形的实现方式、目前的工程应用情况，目前主要采取动态多波束扫描方式，在覆盖角度范围内以预定的角度步长搜索各用户在各个方向上的接收功率(均值)，其中接收功率(均值)最大对应的方位角度即为用户上行链路功率最强的方向，这也可认为是下行链路波束赋形的方向。
在移动通信系统中，无线信道非常复杂，从简单的视距传播到具有各种障碍物的反射、折射、散射以及多径等传播环境，无线信道传播特性的随机性很大。同时随着基站和用户终端之间距离的增加，将导致无线电磁波的信号强度明显减弱。而且用户终端相对于基站的运动方向和速度对接收信号的影响较大。上述因素使得基站的基带算法在估计用户的DOA时可能出现波动或突变，而且波动或突变的范围可能很大，从而导致波束赋形的方向也同样出现波动或突变。然而在实际中，用户的真实方位在一定时间内不可能出现大范围的波动或突变，因此可以首先对各个方向的接收功率进行递归平均，然后搜索递归平均后的接收功率，其最大值对应的方位角度即为下行链路波束赋形的方向。
在下列文献中介绍了关于智能天线的现有技术[1]专利“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”.中国专利，公告号CN1053313C，公告日2000年6月7日[2]专利“一种估计固定波束空间到达方向的方法”.中国专利，公开号CN1535048A，公告日2004年10月6日[3]专利“CDMA无线通信的空间特征提取及信号到达方向估计方法”.中国专利，公开号CN1585318A，公告日2005年2月23日[4]Liberti J C，Rappaport T S.Smart Antennas for WirelessCommunicationsIS-95 and Third Generation CDMA Applications.PrenticeHall PTR文献[1]将智能天线阵以同步CDMA及TDD等技术结合起来，给出了一种具有智能天线的时分双工同步码分多址无线通信系统；文献[2]给出了一种估计固定波束空间DOA的方法，通过将单级搜索改为多级搜索、而形成一种逐步分级细化求DOA的估计方法，在满足角度分辨率的条件下降低系统计算量；文献[3]给出了一种CDMA无线通信的空间特征提取及信号到达方向估计方法，从各个用户信道的空时冲激响应结果中分离并选取主要传播路径的空间冲激响应，据此估计每条主要传播路径的空间特征以及对应的到达方向；文献[4]结合CDMA系统的特点，系统阐述了智能天线技术及其算法。
在计算接收功率的递归平均值时，如果遗忘因子配置为定值，则难以适应不同传播环境的变化情况，目前尚无通过自适应地调整遗忘因子实现波达角估计和波束赋形的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种波达角估计和波束赋形的方法，所要解决的技术问题是提供一种自适应调整遗忘因子的波达角估计和波束赋形的方法，可以有效地解决DOA估计和波束赋形的实时性与稳定性之间的矛盾和问题，从而一定程度上增加DOA估计的稳定性，从而提高波束赋形的性能。
一种波达角估计和波束赋形的方法，包括以下步骤a、根据各用户在各个天线上的信道估计，计算各用户的天线阵列信道估计的协方差矩阵；b、在天线阵列的覆盖角度范围内，以预定的角度步长计算各用户在不同方向上对应的上行链路接收功率瞬时值；c、在天线阵列的覆盖角度范围内，根据各用户在不同方向上对应的上行链路接收功率瞬时值，计算接收功率递归平均值；d、搜索各用户对应的上行链路接收功率递归平均值的最大值，其最大值对应的方位角度即为该用户的上行链路DOA估计结果，并据此生成该用户的下行链路波束赋形权值，实现波束赋形；e、计算各用户相邻子帧DOA估计的波动值；f、利用各用户DOA估计的波动值，根据接收功率遗忘因子的上调整门限和下调整门限，自适应调整对应的接收功率遗忘因子；g、子帧号递增，重复所述步骤a至f处理下一个子帧。
所述步骤f还包括若某一用户波达角估计的波动值达到了接收功率遗忘因子上调整门限或下调整门限，则自适应调整该用户的接收功率遗忘因子；否则接收功率遗忘因子保持不变。
所述的方法，其中，所述上调整门限和下调整门限的取值与天线阵列的-3dB波束宽度记为WB有关，所述上调整门限的取值范围为 所述下调整门限的取值范围为 且下调整门限不小于上调整门限。
本发明所提供的一种波达角估计和波束赋形的方法，克服了接收功率递归平均的遗忘因子配置为定值的缺点，解决了DOA估计和波束赋形的实时性与稳定性之间的矛盾和问题，给出了一种DOA估计和波束赋形的方法，在一定程度上增加了DOA估计的稳定性，从而提高波束赋形的性能；在存在视距径、多径数少、传播环境比较理想的情况下，DOA估计结果波动或突变较少，通过调整遗忘因子，使瞬时值在递归平均值中所占的比例增加，有利于实时跟踪用户方位的变化；在多径明显、无视距径、传播环境比较恶劣或复杂的情况下，DOA估计结果波动或突变较多，通过调整遗忘因子，降低了瞬时值在递归平均值中所占的比例。
图1是本发明的DOA估计和波束赋形方法的实现模块框图；图2是本发明的DOA估计和波束赋形方法的流程图。
具体实施例方式
以下结合附图，将对本发明的较佳实施例进行较为详细的说明。
本发明的一种波达角估计和波束赋形的方法，是一种自适应调整遗忘因子的DOA估计和波束赋形方法，能够随着实际信道传播环境的变化自适应地调整递归平均的遗忘因子，并根据接收功率的递归平均值实现上行链路DOA估计和下行链路波束赋形。本发明方法的基本技术方案包括以下步骤a、根据各用户在各个天线上的信道估计，计算各用户的天线阵列信道估计的协方差矩阵；
b、在天线阵列的覆盖角度范围内，以预定的角度步长计算各用户在不同方向上对应的上行链路接收功率瞬时值；c、在天线阵列的覆盖角度范围内，根据各用户在不同方向上对应的上行链路接收功率瞬时值，计算接收功率递归平均值；d、搜索各用户对应的上行链路接收功率递归平均值的最大值，其最大值对应的方位角度即为该用户的上行链路DOA估计结果，并据此生成该用户的下行链路波束赋形权值，实现波束赋形；e、计算各用户相邻子帧DOA估计的波动值；f、利用各用户DOA估计的波动值，根据接收功率遗忘因子的上调整门限和下调整门限，自适应调整对应的接收功率遗忘因子；g、子帧号递增，重复所述步骤a至f处理下一个子帧。
所述上调整门限和下调整门限的取值与天线阵列的-3dB波束宽度记为WB有关。通常情况下，上调整门限的取值范围为 下调整门限的取值范围为 且下调整门限不小于上调整门限。
如图1所示，本发明DOA估计和波束赋形方法的实现模块包括1)天线阵列(101)2)多通道放大单元(102)3)多通道收发信机单元(103)4)信道估计单元(104)5)上行基带处理单元(105)6)协方差矩阵生成单元(106)7)DOA估计单元(107)8)赋形权值生成单元(108)9)下行波束赋形单元(109)
对于上行链路而言，多通道放大单元(102)工作在低噪放大模式，无线信号由天线阵列(101)接收，经过多通道放大单元(102)放大后传送至多通道收发信机单元(103)；多通道收发信机单元(103)对射频信号进行滤波、下变频、模数变换等处理后转换成数字基带信号；信道估计单元(104)用来实现各个用户的信道冲激响应估计，从而得到信道的幅度、相位、多径等信息；多通道收发信机单元(103)和信道估计单元(104)的输出分别传送至上行基带处理单元(105)，实现上行链路接收数据的解调工作；协方差矩阵生成单元(106)利用信道估计单元(104)输出的各个用户在天线阵列上的信道估计结果生成对应的协方差矩阵；DOA估计单元(107)根据协方差矩阵生成单元(106)的输出完成对各用户上行链路DOA的估计，并将DOA估计结果传送至赋形权值生成单元(108)；赋形权值生成单元(108)根据各用户DOA估计结果计算生成相应的下行链路波束赋形权值；下行波束赋形单元(109)基于赋形权值对各用户的下行发射基带数据进行波束赋形处理；多通道收发信机单元(103)对下行波束赋形单元(109)输出的基带赋形数据进行数模变换、上变频、滤波等处理后转换成模拟射频信号；对于下行链路而言，多通道放大单元(102)工作在功率放大模式，射频信号经过多通道放大单元(102)放大后由天线阵列(101)发射。
如图2所示，本发明DOA估计和波束赋形的方法具体步骤如下步骤201，根据各用户在各个天线上的信道估计，计算各用户的天线阵列信道估计的协方差矩阵。
针对天线阵列，第k个用户、第n个子帧的信道估计矩阵为
H(k)(n)=h1(k,1)(n)h2(k,1)(n)···hW(k,1)h1(k,2)(n)h2(k,2)(n)···hW(k,2)············h1(k,Ka)(n)h2(k,Ka)(n)···hW(k,Ka)(n)Ka×W---(1)]]>Ka表示天线数，W表示信道估计窗长。其协方差矩阵表示为RHH(k)(n)=H(k)(n)·(H(k)(n))H---(2)]]>步骤202，在天线阵列的覆盖角度范围内，以一定的角度步长计算各用户在不同方向上对应的上行链路接收功率瞬时值。
θi方向上的导向矢量a(θi)表示为a(θi)=e-jγ1(θi),e-jγ2(θi),...,e-jγKa(θi)T---(3)]]>式中θi＝θ1+i·Δθ (4)其中θ1表示搜索的起始角度，Δθ表示搜索的角度步长。
那么，第k个用户、第n个子帧、在θi方向上对应的上行链路接收功率瞬时值为P(k)(θi,n)=(a(θi))HRHH(k)(n)a(θi)---(5)]]>步骤203，在天线阵列的覆盖角度范围内，根据各用户在不同方向上对应的上行链路接收功率瞬时值，计算接收功率递归平均值。
第k个用户、在θi方向上、第n个子帧对应的上行链路接收功率递归平均值表示为P(k)(θi,n)‾=(1-p(k)(n))·P(k)(θi,n-1)‾+p(k)(n)·P(k)(θi,n)---(6)]]>式中p(k)(n)表示第k个用户、第n个子帧的接收功率遗忘因子，p(k)(l)＝p0，p0为接收功率遗忘因子的初值。
步骤204，搜索各用户对应的上行链路接收功率递归平均值的最大值，其最大值对应的方位角度即为该用户的上行链路DOA估计结果，并据此生成该用户的下行链路波束赋形权值，实现波束赋形。
搜索第k个用户对应的上行链路接收功率递归平均值的最大值，其最大值对应的方位角度即为该用户的上行链路DOA估计值，表示为θDOA(k)(n)=argθi[max(P(k)(θi,n)‾)]---(7)]]>对应的下行链路波束赋形权值为w(k)(n)=a(θDOA(k)(n))---(8)]]>第k个用户的下行链路波束赋形输出表示为y(k)(t，n)＝(w(k)(n))Hx(k)(t，n) (9)式中x(k)(t，n)表示第k个用户的发射数据。
步骤205，计算各用户相邻子帧DOA估计的波动值。
第k个用户相邻子帧DOA估计结果的波动值表示为F(k)(n)=|θDOA(k)(n)-θDOA(k)(n-1)|---(10)]]>步骤206，利用各用户DOA估计的波动值，根据接收功率遗忘因子的上调整门限和下调整门限，自适应调整对应的接收功率遗忘因子。
若某一用户DOA估计的波动值达到了接收功率遗忘因子上调整门限或下调整门限，则自适应调整该用户的接收功率遗忘因子；否则接收功率遗忘因子保持不变。
遗忘因子的自适应调整规则表示为 式中Sp为接收功率遗忘因子的调整步长，Tp1和Tp2分别为接收功率遗忘因子的下调整门限和上调整门限，pmin、pmax分别为接收功率遗忘因子的最小值和最大值。
上调整门限以及下调整门限的取值与天线阵列的-3dB波束宽度(记为WB)有关。通常情况下，上调整门限Tp2的取值范围为 下调整门限Tp1的取值范围为WB4~2WB;]]>Tp1≥Tp2;]]>遗忘因子调整步长Sp的取值范围为0～0.5；遗忘因子的最小值pmin的取值范围为0～1，遗忘因子的最大值pmax的取值范围为0～1。
步骤207，子帧号递增，重复步骤201至步骤206处理下一个子帧。
综上所述，本发明给出了一种自适应调整遗忘因子的波达角估计和波束赋形的方法，可以有效地解决DOA估计和波束赋形的实时性与稳定性之间的矛盾和问题。本发明所提供的波达角估计和波束赋形的方法能够随着实际信道传播环境的变化自适应地调整递归平均的遗忘因子。计算接收功率的递归平均值，根据接收功率递归平均值实现上行链路DOA估计和下行链路波束赋形，并且利用各用户DOA估计的波动值，根据接收功率遗忘因子的上、下调整门限，自适应调整对应的遗忘因子，可在一定程度上增加DOA估计的稳定性，从而提高波束赋形的性能。
本发明方法在存在视距径、多径数少、传播环境比较理想的情况下，DOA估计结果波动或突变较少，通过调整遗忘因子，使瞬时值在递归平均值中所占的比例增加，有利于实时跟踪用户方位的变化；在多径明显、无视距径、传播环境比较恶劣或复杂的情况下，DOA估计结果波动或突变较多，通过调整遗忘因子，降低了瞬时值在递归平均值中所占的比例。
应当指出的是，本发明适用于同步码分多址(CDMA)通信系统，尤其适用于第三代移动通信系统中的TD-SCDMA系统(1.28Mcps TDD)和3.84Mcps TDD系统，但是也同样适用于采用同步CDMA的频分多址和时分多址的系统，任何具有信号处理、通信等知识背景的技术人员，根据本发明方法设计的等同的波达角估计和波束赋形的方法，其均应包含在本发明的思想和范围中，应属于本发明所附权利要求的保护范围之内。
权利要求
1.一种波达角估计和波束赋形的方法，包括以下步骤a、根据各用户在各个天线上的信道估计，计算各用户的天线阵列信道估计的协方差矩阵；b、在天线阵列的覆盖角度范围内，以预定的角度步长计算各用户在不同方向上对应的上行链路接收功率瞬时值；c、在天线阵列的覆盖角度范围内，根据各用户在不同方向上对应的上行链路接收功率瞬时值，计算接收功率递归平均值；d、搜索各用户对应的上行链路接收功率递归平均值的最大值，其最大值对应的方位角度即为该用户的上行链路波达角估计结果，并据此生成该用户的下行链路波束赋形权值，实现波束赋形；e、计算各用户相邻子帧波达角估计的波动值；f、利用各用户波达角估计的波动值，根据接收功率遗忘因子的上调整门限和下调整门限，自适应调整对应的接收功率遗忘因子；g、子帧号递增，重复所述步骤a至f处理下一个子帧。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤f还包括若某一用户波达角估计的波动值达到了接收功率遗忘因子上调整门限或下调整门限，则自适应调整该用户的接收功率遗忘因子；否则接收功率遗忘因子保持不变。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述上调整门限和下调整门限的取值与天线阵列的-3dB波束宽度记为WB有关，所述上调整门限的取值范围为 所述下调整门限的取值范围为 且下调整门限不小于上调整门限。
全文摘要
本发明的一种波达角估计和波束赋形的方法，包括对子帧重复以下步骤根据各用户在各个天线上的信道估计，计算各用户的天线阵列信道估计的协方差矩阵；在天线阵列的覆盖角度范围内，计算各用户对应的上行链路接收功率瞬时值和接收功率递归平均值；搜索各用户对应的上行链路接收功率递归平均值的最大值，并据此生成该用户的下行链路波束赋形权值，实现波束赋形；计算各用户相邻子帧波达角估计的波动值；利用各用户DOA估计的波动值，根据接收功率遗忘因子的上、下调整门限，自适应调整对应的遗忘因子。本发明方法克服了接收功率递归平均的遗忘因子配置为定值的缺点，解决了波达角估计和波束赋形的实时性与稳定性之间的矛盾和问题，可在一定程度上增加波达角估计的稳定性，从而提高波束赋形的性能。
文档编号H04B7/005GK1917396SQ20061007420
公开日2007年2月21日 申请日期2006年3月29日 优先权日2005年8月18日
发明者秦洪峰, 卢勤博 申请人:中兴通讯股份有限公司