期望信號初始doa估計、doa跟蹤及智能天線新方法
2023-07-29 22:54:31 2
專利名稱：期望信號初始doa估計、doa跟蹤及智能天線新方法
技術領域：
本發明涉及無線通信系統中採用陣列天線進行接收和發射方法，尤其涉及蜂窩式移動通信領域在蜂窩小區基站採用智能天線技術進行接收和發射的方法。
第一代移動通信系統開始於二十世紀七十年代末到八十年代初。第一代移動通信系統是基於模擬通信技術，所有蜂窩系統均採用頻率調製，而移動通信系統提供的服務僅為語音通信。儘管第一代移動通信系統在當時發展迅速，但是它存在許多問題，如頻譜利用率低，系統容量小；不能提供高速數據業務服務；保密性差；行動裝置成本高、體積大等。
第二代移動通信系統主要興起於二十世紀九十年代。採用數字通信技術，開始支持數字業務，實現了更好的話音質量、加密技術和更大的系統容量，引入了更合理的系統結構和網絡管理技術。由於第二代移動通信系統的巨大成功，全球範圍內移動通信用戶數急劇增加；另一方面在全球移動通信用戶數激增的同時，Internet也正在全球飛速發展，使移動通信技術與Internet技術結合起來，或說要求無線通信系統承擔更高速率的數據業務越來越成為移動用戶的迫切要求。這一切成為第三代移動通信系統發展的主要動力。
第三代移動通信系統又稱IMT-2000，其主要目標可以概括如下在全球形成統一頻率、統一標準、實現全球漫遊並提供多種業務的服務。對IMT-2000無線傳輸技術(RTT)而言，ITU要求在市內環境數傳碼率達到2Mbps，室外步行環境碼率達到384Kbps，室外車載臺達到144Kbps，衛星移動環境中達到96Kbps。
移動用戶的迅猛增長和不斷提高的無線業務要求迫使現在的移動通信系統急於解決如何進一步提高系統地頻譜利用率和增大系統容量地問題。抑制無線通信系統容量增大和傳輸數據率不斷提高的因素主要集中在以下幾個方面1、因頻率復用造成的共信道幹擾(CCI)，採用蜂窩式的小區結構和頻率復用技術是解決頻率資源緊張的有效方法，特別是在CDMA系統中，頻率復用係數可以是1，甚至在同一小區的不同扇區間採用相同的載頻，這樣必然會產生CCI。在CDMA系統中，由於不同用戶擴頻碼的非正交性或異步同樣會造成CCI。
2、多徑現象由於移動環境的複雜性，通常從發射機到接收機的信號包含有折射、衍射、繞射等多種信號成分，不同成分到達接收機的強度不同，時間不同，方向不同，甚至在通常情況下，發射機到接收機不存在直達波束。
3、衰落由於多徑效應的影響，接收機收到信號的功率會隨收發信機之間的距離而存在大幅度的波動(通常可達20dB)。衰落通常分為陰影衰落(慢衰落)和多徑衰落(快衰落)。慢衰落是由於遮擋效應造成的，其信號的局部平均近似對數正態分布，而快衰落是因為接收信號分量的相位差引起的，其信號近似服從瑞利分布。實際的接收信號是由快衰落信號與慢衰落信號的乘積得到。
4、多譜勒擴展由於收發信機之間的相對運動，使得接收信號存在都卜勒頻移，又由於多徑現象，不同的多徑分量有著不同的都卜勒頻移，從而使接收信號帶寬整體被展寬。都卜勒頻移的大小反映了信道特性變化的快慢，都卜勒頻移越高，信道變化越快，信號的快衰落越嚴重。
5、延時擴展由於不同多徑分量的不同到達時間，造成接收信號的時域展寬。時延擴展直接造成接收信號的碼間幹擾，從而決定了信道能傳輸的最高信號速率。
傳統的對付上述問題的辦法主要包括調製解調技術、信道的編解碼技術、信道均衡技術、分集聯合技術等等，這些技術已日益成熟，對於上述問題的進一步解決已十分困難。近年來陣列天線技術在移動通信領域的引入為這些問題的進一步解決帶來了新的思路。陣列天線技術廣泛地應用於雷達、聲納及軍事通信領域，它在移動通信領域的引入特別是在蜂窩式移動通信系統基站的使用為從空間角度上區分期望信號提供了可能。陣列天線技術只通過改變天線陣元的相對相位及增益實現對天線陣方向圖及陣元信號合成方式的靈活控制，故又稱為智能天線技術或軟體天線技術。智能天線技術與傳統時域信號處理技術的結合形成的空時信號處理技術在擴大小區範圍、提高系統容量、提高系統頻率使用效率、降低發射功率、減小用戶幹擾等方面顯示了巨大的潛能。
智能天線的接收處理算法在很多資料、文獻、專利上都有討論，總體上可以分為兩類，一類是基於一定最優準則直接利用接收信號和相關的系統信息求出陣列處理的複數加權矢量，另一類是首先通過一定的方法估計出接收信號中期望信號的空間到達方向(Direction Of Arrival，簡稱DOA)，然後按照陣列的空間結構形成與估計的DOA對應的理想的陣列處理矢量。
第一類方法多數是基於接收符號的權矢量更新，因而陣列處理大大加重了基站的處理負荷。特別是許多智能天線算法在求解權矢量時需要進行接收矢量矩陣的求逆運算(如基於MMSE準則的大量算法)或幹擾加噪聲矩陣的求逆運算(如基於最大信號幹擾噪聲比準則的大量算法)，這樣進一步加重了基站的附加運算量。儘管一些自適應算法如LMS算法運算量不大，但是它的收斂速度較慢，實際實現時步長選取不當容易造成算法發散。第一類方法中還存在一類盲自適應智能天線算法如恆模算法(CMA)，由於它使用了系統調製信號的公共特性，必須在權矢量更新過程中不斷利用正交化算法如GSO法對不同輸出斷口的權矢量進行正交化處理，然後在陣列輸出端運用不同路信號的其它特徵如在DS/CDMA系統中用不同用戶的擴頻碼對不同埠的信號進行識別。盲智能天線算法如MT-LSCMA還存在一個問題就是陣列輸出埠數目受陣列陣元數的限制。整個這一類智能天線算法還存在一個穩定性、可靠性的問題，如果因為幹擾或某種原因導致波束形成偏差，波束形成的接收效果會嚴重惡化，甚至比單陣元接收效果還差。另外，由於在接收符號內利用有限的數據進行特徵矩陣的形成，基於符號的權矢量更新算法形成的波束圖通常會隨符號的不同有很大的波動(即使移動臺處於靜止狀態)，導致接收性能的明顯下降。
DOA跟蹤的智能天線算法分為兩個步驟，首先對期望信號的初始DOA進行估計，然後對DOA進行跟蹤，在對權矢量更新時，直接由當前估計的期望期望信號DOA按陣列空間結構形成與估計DOA對應的理想波束形成矢量，然後又重新估計新的DOA。這種方法利用了在蜂窩移動通信系統中實際數據符號率通常遠大於移動臺相對於基站的角度變化的特點，對多個符號採用相同的陣列權矢量進行接收，因而相對基於符號更新權矢量的智能天線算法可以大大降低基站處理的運算量。直接權矢量形成的陣列接收算法每個數據比特都按一定的最優準則形成陣列接收權矢量，實現時複雜度較大。
對於DOA估計，多數資料、文獻上均採用通常的空間譜估計算法如多重信號分類法(MUSIC)、通過旋轉不變技術估計信號參數(ESPRIT)法等。這些算法在雷達、軍事通信等領域廣泛採用，但是在移動通信系統基站採用是不合適的。在雷達等領域，天線陣列相對移動通信系統有多得多的陣元數目，空間處理具有足夠的自由度，即滿足獨立陣元數目大於甚至遠大於需要空間處理信號的數目；而在移動通信系統基站，由於成本的限制，陣元數通常只能取4到8個陣元，在絕大多數情況下陣元數目是小於小區或扇區內激活用戶數目的。另外這些特徵子空間分析類的DOA估計方法要求不同的空間入射信號不相關，否則首先需要進行去相關處理，從而進一步降低了陣列的有效陣元數目，這對陣元數目本來很少的移動通信基站是很難接受的，而且通常情況下移動通信環境存在許多相關的多經分量。W.G.Hou等提出了在角度空間逐比特搜索的DOA估計方法(W.G.Hou，etc.Interference suppression receiver with adaptiveantenna array for code division multiple access communication system.VTC2000 fall.Boston，Ma USA.)，然而逐位迭代時，為了反映DOA隨比特的變化，迭代步長必須很小，迭代步長很小時，確定的初始DOA與迭代初值有很大關係，這樣很容易收斂到陣列方向圖的一個局部極大值(即方向圖的一個副瓣)上去(即初值靠近一個局部極大值)，從而導致錯誤的DOA跟蹤。而且沒有先驗知識很難估計應採用的步長。
對於DOA的跟蹤，W.G.Hou等採用固定步長的嘗試法，也就是以一定的固定步長，將當前DOA左右的角度所對應的權矢量均用來進行期望信號的接收，根據輸出的大小來判斷DOA向哪個方向改變。雖然該方法看上去簡略，但是在對DOA要求不是十分精確的移動通信環境還是比較實用的，其主要優點是運算量比較小，穩定，不存在收斂問題，如果跟蹤比較準確(陣列方向圖主瓣3dB以內)，期望信號可以得到比DOA不在主瓣內的幹擾得到8到9個dB的增強(半波長間距6陣元均勻線性陣ULA)。但是由於基站事先對移動臺的角速度並無任何先驗信息可以利用，如果採用固定步長Δθ，為了保證陣列波束的掃描速度跟蹤得上移動臺的角速度變化，必需將Δθ取得較大，這樣必然會帶來比較大的DOA估計偏差。
本發明的解決方案期望信號初始DOA估計方法包括步驟根據基站採用的陣元數目確定覆蓋智能天線對應的扇區所需的初始定位區域數；利用每一初始定位區域相應定位角對應的權矢量分別對接收信號進行加權處理，並用加權處理後的權矢量分別對陣列接收信號進行解調；
將解調的輸出值排序，根據排序結果確定期望用戶的初始DOA。
期望信號DOA的跟蹤方法包括步驟1)建立一緩存器，並確定緩存器的長度、期望信號DOA值的更新周期及初始跟蹤步長；2)利用當前期望信號DOA值和跟蹤步長構造兩個權矢量；3)計算更新周期內該兩權矢量的接收結果，並根據該結果確定新的期望信號DOA值；4)將新的期望信號DOA值的增量移入緩存器，並判斷緩存器是否已滿，如果緩存器未滿則轉步驟2)，否則進行下步；5)根據緩存器的狀態確定跟蹤步長，然後轉步驟2)。
智能天線新方法包括期望信號初始DOA估計和期望信號DOA跟蹤；所述期望信號初始DOA估計包括下述步驟1)根據基站採用的陣元數目確定覆蓋智能天線對應的扇區所需的初始定位區域數；2)利用每一初始定位區域相應定位角對應的權矢量分別對接收信號進行加權處理，並用加權處理後的權矢量分別對陣列接收信號進行解調；3)將解調的輸出值排序，根據排序結果確定期望用戶的初始DOA。
所述期望信號DOA跟蹤包括下述步驟a)建立一緩存器，並確定緩存器的長度、期望信號DOA值的更新周期及初始跟蹤步長；b)利用當前期望信號DOA值和跟蹤步長構造兩個權矢量；c)計算更新周期內該兩權矢量的接收結果，並根據該結果確定新的期望信號DOA值；d)將新的期望信號DOA值的增量移入緩存器，並判斷緩存器是否已滿，如果緩存器未滿則轉步驟b)，否則進行下步；e)根據緩存器的狀態確定跟蹤步長，然後轉步驟b)。
採用本發明所述的期望信號初始DOA估計新方法消除了DOA估計時因初值選取不當而收斂到陣列方向圖副瓣的危險；而自適應步長DOA跟蹤法可以根據移動臺對基站的角速度動態調整DOA跟蹤的步長，解決了當固定步長較小時算法跟蹤不上移動臺運動角速度的危險，當跟蹤步長較大時給DOA跟蹤帶來很大的估計誤差的缺點。
圖1是一個蜂窩小區基站採用智能天線技術進行收發的結構示意圖。
圖2是本發明提出的基於DOA跟蹤的智能天線方法的系統流程圖。
圖3是採用本發明提出的初始DOA估計方法的處理示意圖。
圖4是採用固定步長DOA跟蹤的均方誤差圖。
圖5是採用固定步長和自適應步長DOA跟蹤的效果比較圖。
為了討論方便，首先將原DOA跟蹤方法說明如下假設系統為處於加性高斯信道的同步DS-CDMA系統，考慮一個蜂窩小區內的一個扇區的接收處理。假設每個扇區內採用有N個天線陣元的均勻線性陣列(ULA)，該扇區內共有M個激活用戶，系統的處理增益為P。假設扇區內M個用戶對基站天線陣均為遠場信號源，則基站天線陣第k個陣元在t時刻(第i個用戶第j個信源符號)的接收信號為xk=i=1M2Eibi(j)ci((j-1)P+l)ak(i)+nk(t),k=1,...,N]]>其中Ei表示第i個用戶的信源符號進行擴頻後每個擴頻碼片(chip)的能量；bi(j)表示第i個用戶第j個信源符號的值，為+1或-1；ci((j-1)P+l)，l＝1，...，P表示第i個用戶第j個信源符號的第1個擴頻碼片；ak(θi)表示第i個期望信號對基站天線陣的方向矢量a(θi)的第k個分量，其中a(i)=[1,ej,ej2,...,ej(N-1)]T.=dsin(i)2,]]>d為ULA陣元間距，λ為載波波長；nk(t)表示第k個陣元上的加性高斯白噪聲。則X(j)=[x1(j),x2(j),...,xN(j)]T=i=1M2Ekbi(j)ci((j-1)P+l)ak+n(j).]]>表示整個陣列一個快拍的輸出。設第i個用戶的接收權矢量為Wi＝[wi1，wi2，...，wiN]T.則第i個用戶的陣列輸出信號為Yi(j)=k=1Nwikxk(j)=WiHX(j).]]>Yi(j)用於進行第i個期望信號的解擴。對Yi(j)直接匹配濾波得到Zi(j)=l=1Pci((j-1)P+l)Yi(j).]]>Zi(j)即為第i個用戶第j個比特的判決變量。在進行陣列處理時，就是要儘可能準確地估計ai(j)或θi，從而使接收陣列的方向圖主瓣對準期望用戶的DOA，利用相對較低的副瓣實現對幹擾期望信號的抑制。
此處對本發明提出的初始DOA估計技術方案進行描述由於該方法在時間T內均採用相同的接收矢量，所以這僅是一種次最優接收方法。只要保證期望用戶位于波束主瓣的3dB帶寬以內，就認為實現了對期望期望信號DOA的跟蹤。當ULA陣元數N為6時，主瓣對副瓣大約有12dB的增益，即使期望用戶的實際DOA位於3dB帶寬的邊緣，對DOA位於副瓣內的幹擾用戶，期望用戶仍大約能保持9dB的天線增益。
由於半波長間距的ULA的主瓣3dB寬度約為BW0.5＝100/(N-1)度，這時可以預先將120o扇區均勻分為120/BW0.5＝1.2(N-1)區間，例如當N＝6時，一個扇區分為彼此不相交的每個寬度為20o的6個扇形區域，設θ01，...θ06分別表示6個區域的中心角度。在初始定位期間，將6個中心角度對應的權值都用來解調，輸出較大的那個區定位移動臺存在的區域，並以該區的中心角作為移動臺的初始DOA。如果區域判斷正確，期望用戶一定位於初始DOA所對應波束主瓣的3dB帶寬以內。
在按上述方法進行初始定位時，為了提高初始定位的精確度，可以進一步考慮以下問題初始DOA定位的平均接收長度不能太短，當然在這個接收長度內，移動臺的DOA只能有很小的變化。例如取幾百個比特(通常幾個ms)。
利用系統的扇區切換信息。當移動臺從一個扇區剛切換到另一個扇區時，可以很容易地確定移動臺的初始位置在該扇區的第一或第六個初始定位區域。
當移動臺位於某個定位區域的邊緣時，由於多徑效應的影響，相鄰兩個區域接收權矢量對應的輸出可能都很強，這時將初始DOA定為這兩個區域的交界(兩個中心角的平均)無疑是更準確的定位。所以本文在進行初始DOA估計時，首先將各區域的輸出Ai，i＝1，...6進行排序，假設A1＞A2＞...＞A6，然後進行如下判斷A1A2*A2A3]]>如果上式成立，可以將期望用戶的初始DOA定為A1對應的區域的中心角，否則將期望用戶的初始DOA定為A1、A2所對應的定位區域的交界處。β為一個可以調節的與系統所處環境相關的係數，通常情況下β取1，在多徑數目較多的密集城區β取值大於1，在多徑數目較少的郊區β取值小於1，具體取值可由所處環境測量統計值估計。這樣在前述定位複雜度不變的情況下，實際上將120o扇區分成了11個初始定位區域。
不失一般性，假設所有移動臺在小區內均勻分布，同樣在每個初始定為區域內也為均勻分布，這樣如果直接按每扇區6個初始定位區域定位，則初始定位的均方根誤差為 若利用上式再對初始定位區域的交界處進行進一步的劃分，此時初始定位的均方根誤差為 由於6陣元半波長ULA的3dB主瓣寬度約為20°，所以對初始定位細化後的精度2.89°應該足以滿足將移動臺初始定位到主瓣3dB以內的要求。
下面對本發明提出的自適應步長DOA跟蹤方法的技術方案進行描述因為基站事先對移動臺的角速度並無任何先驗信息可以利用，如果採用固定步長Δθ，為了保證陣列波束的掃描速度跟蹤得上移動臺的角速度變化，必需將Δθ取得較大，這樣必然會帶來比較大的DOA估計偏差，為了減小DOA估計的偏差，本發明設計了一種簡單的自適應步長調節方法如下。
當陣列波束對移動臺的DOA處於良好的跟蹤狀態時，DOA跟蹤的當前值θcur應在實際的DOA左右跳變，即θcur交替取θcur+Δθ、θcur-Δθ。當陣列波束對移動臺處於跟蹤失敗狀態時，θcur會長時間超出或者低於實際的DOA。本發明設計一個長度為SL的先進先出(FIFO)的緩存器，用於記錄連續的SL個θcur值的增量，每次進行θcur更新時，判斷當前存儲的SL個θcur的增量，如果連續SL個θcur增量的符號均為正(或負)，說明按照當前的步長Δθ，陣列波束跟蹤不上移動臺的角速度變化，這時Δθ增大1dB；如果連續的SL個相鄰θcur增量的符號彼此異號，說明步長Δθ可能偏大，這時可以減小步長Δθ1dB。這樣Δθ一直在檢測與調整之中，如果Δθ偏大或偏小，幾個DOA估計周期T後就能得到校正。
當然每次步長變化的幅度可以由系統具體情況而改變，通常情況下1dB或2dB是足夠了的。為了避免過量步長調整，或者說為了排除已經使用過的θcur對步長調整的影響，在每次步長增大或減小調整之後將FIFO緩存器清空，然後等緩存器滿後重新開始檢查緩存狀態。
從直觀上看，SL越長，越能反映當前步長是否合適，但是越長的SL產生的調整滯後越大；但是過短的SL又很難反映當前步長的特性，特別是當步長過大時，必需通過DOA增量的符號反覆才能看出來。從這一點上看，SL最短要取3或者4，5是比較合適的。一般在迭代初期，由於步長是隨機取的，所以步長應該調整快一些，SL應取短一點如取5，當步長穩定後，可以稍稍延長一點，如取到7。
假定在WCDMA系統中應用該方法，每(10ms)更新一次θcur，SL取5，每次步長的調整量為1dB。如果初始跟蹤步長Δθ與實際移動臺的移動角速度相差很大，需要連續增加(或減小)Δθ，那麼1秒鐘時間內Δθ可以變化20dB，這麼快的變化速度不當的Δθ初值在很短的時間內可以得到校正。例如Δθ初始定為0.01，即可以跟蹤的最大移動臺角速度為1°/s，而實際移動臺的移動角速度為3°/s，則Δθ需要5dB的增大調整，SL為5時，完成5dB的調整需要250ms。
下面結合附圖對本發明做進一步的解釋參見圖1，圖中示出了一個使用三扇區結構的蜂窩小區內其中一扇區的智能天線的使用示意圖。從天線陣元引下的信號先利用功能塊100進行前端的濾波、變頻等處理，然後不同的激活用戶對應不同的接收處理通道，例如激活用戶1的接收通道為120，在每個用戶的接收通道中接收信號經過陣列加權110(波束形成)進行空間加權及合併，不同用戶的接收通道利用一定的陣列接收算法130和該接收通道的解調信息獨立形成該通道的陣列加權矢量。
參見圖2，圖2給出了本發明提出的基於DOA跟蹤的智能天線方法的系統流程圖。首先應該根據陣元數目及陣列空間結構確定覆蓋扇區需要多少個初始定位區域(圖中假定初始定位區域數為6)，並確定每個定位區域中心角對應的理想陣列處理權矢量。並利用這些權矢量對陣列接收信號分別進行解調，從而判斷期望用戶位於哪個定位區域，然後利用前面描述的方法對期望用戶的初始DOA估計進行優化處理並確定用戶當前DOA，即θcur。DOA跟蹤時先設定DOA更新的周期T，緩存器長度SL，並設定初始步長Δθ，由於採用自適應步長更新，Δθ的初始值只要不太大或太小，對跟蹤影響不大。然後將FIFO緩存器清零，利用當前θcur和Δθ構造兩個可能的接收權矢量進行接收，時間長度為T，並利用T時間內的接收結果平均確定新的DOA以更新θcur，θcur的增量移入FIFO緩存器。如果緩存器已滿，判斷緩存器的值是否同符號，若同符號說明當前步長Δθ太小，Δθ增大1dB，並將緩存器清零，繼續循環。如果緩存器的相鄰值彼此異號，說明Δθ可能偏大，將Δθ減小1dB，並將緩存器清零，繼續循環。
參見圖3，圖3示出了以基站採用半波長間距6陣元ULA為例的初始DOA估計的示意圖。同樣首先對陣元信號利用功能塊100進行射頻前端處理並變頻到基帶，然後利用已知的6個初始定位區域的中心角對應的權矢量310到360對接收信號進行分別解調，解調時間可以與DOA更新時間T相同或稍長，對解調結果按本說明書前面描述的方法利用功能塊370進行比較並優化，然後輸出對期望期望信號DOA的初始估計值。
參見圖4，圖4是對固定步長DOA跟蹤法的DOA估計誤差的一個定量仿真結果。以DS/CDMA系統為例，蜂窩小區內一個扇區採用ULA，陣元數N為6，移動臺在擴頻增益P為32時，從扇區的-50°到50°連續運動，每發射1000比特對基站的角速度變化1°，DOA跟蹤步長Δθ從2°變化到10°。不同Δθ下的DOA估計的均方誤差(MSE)如圖4所示。從圖4可明顯看出，隨著DOA估計步長Δθ的增大，DOA估計的MSE單調增大，當Δθ達到BW0.5的一半10°時，MSE為7，儘管仍然處於接收波束主瓣的3dB帶寬以內，但是已存在較大的偏差。如果跟蹤步長小於移動臺對基站的角速度，則形成的波束跟蹤不上移動臺的移動，導致跟蹤失敗。
參見圖5，圖5示出了採用不同固定DOA跟蹤步長和自適應跟蹤步長的跟蹤效果比較圖。同樣採用了DS/CDMA系統，期望用戶從-50°到50°勻速運動，每發射1000個比特其DOA變化2°，扇區內共有20個激活用戶，幹擾用戶的方向隨機產生，跟蹤結果如圖5所示。圖中(a)、(b)、(c)分別表示Δθ取1°、2°、10°的情況，(d)表示自適應步長時的情況，「tracel」表示陣列的實際指向，「trace2」表示移動臺DOA的變化軌跡，表示成邊為從-50°到50°的正方形的對角線。從圖5可以明顯看出採用固定步長，若Δθ取得合適如圖5-(b)，陣列波束520可以很好地跟蹤期望期望信號DOA的變化，然而當Δθ太小如圖5-(a)，陣列波束510一直跟不上移動臺的實際運動角速度而導致DOA跟蹤失敗，Δθ太大如圖5-(c)，陣列波束530儘管在實際移動臺運動軌跡上下變動，但是會產生很大的DOA估計偏差。當採用自適應Δθ時，如圖5-(d)，DOA跟蹤步長可以自動調整，此時陣列波束540對移動臺運動DOA軌跡的跟蹤與Δθ的初始取值關係不大，從而一方面可以保證對期望期望信號DOA的跟蹤又能保持較小的估計偏差。
本發明所述方法雖然一直以DS/CDMA系統為例進行闡述，但是完全可以稍作修改應用於TDMA或FDMA移動通信系統，但該種改變修改並不脫離本發明的精神。
權利要求
1.一種期望信號初始DOA估計方法，其特徵在於包括以下步驟根據基站採用的陣元數目確定覆蓋智能天線對應的扇區所需的初始定位區域數；利用每一初始定位區域相應定位角對應的權矢量分別對接收信號進行加權處理，並用加權處理後的權矢量分別對陣列接收信號進行解調；將解調的輸出值排序，根據排序結果確定期望信號的初始DOA。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於根據排序結果將最大解調結果對應的初始定位區域的定位角確定為期望的初始DOA。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於根據排序結果對關係式A1A2*A2A3]]>進行判斷；如果判斷為真，即關係式成立，則將A1對應的初始定位區域的定位角確定為期望信號的初始DOA；如果判斷為假，即關係式不成立，則將A1和A2所對應區域的交界處確定為期望信號的初始DOA；其中A1、A2和A3表示排序後三個最大的值且A1＞A2＞A3，β為一個可以調節的與系統所處環境相關的係數，取值可由所處環境測量統計值估計。
4.如權利要求1、2或3所述的方法，其特徵在於所述的定位角為初始定位區域的中心角。
5.如權利要求1、2或3所述的方法，其特徵在於所述的定位角為初始定位區域中心角附近的角度。
6.如權利要求1所述的方法，其特徵在於對接收信號進行處理前還包括對接收信號進行濾波和變頻處理。
7.如權利要求1所述的方法，其特徵在於權矢量對陣列接收信號進行解調的時間與期望信號DOA更新的時間相同或稍長。
8.一種期望信號DOA的跟蹤方法，其特徵在於包括以下步驟1)建立一緩存器，並確定緩存器的長度、期望信號DOA值的更新周期及初始步長；2)利用當前期望信號DOA值和步長構造兩個權矢量；3)計算更新周期內該兩權矢量的接收結果，並根據該結果確定新的期望信號DOA值；4)將新的期望信號DOA值的增量移入緩存器，並判斷緩存器是否已滿，如果緩存器未滿則轉步驟2)，否則進行下步；5)根據緩存器的狀態確定步長，然後轉步驟2)。
9.如權利要求8所述的方法，其特徵在於步驟2)所述的兩個權矢量按下述公式構造w1m=1Ne-j2mdsin(cur-),m=0,1,...,N-1.]]>w2m=1Ne-j2mdsin(cur+),m=0,1,...,N-1.]]>其中W1m、W2m表示兩個矢量，θcur為期望信號當前的DOA值，Δθ為當前步長。
10.如權利要求8或9所述的方法，其特徵在於步驟3)包括下述步驟1)按公式Y1=1Ll=0L-1|W1X|]]>Y2=1Ll=0L-1|W2X|]]>計算兩權矢量的接收結果；2)按公式 更新期望信號DOA值；其中T為期望信號DOA的更新周期，L為時間T內的比特數，W1、W2分別表示由w1m，w2m，m＝0，...，N-1組成的矢量，X表示陣列陣元接收的空間信號，Y1，Y2分別表示用W1、W2接收時陣列的輸出信號，θcur(i)為期望信號當前的DOA值，θcur(i+1)為更新後的期望信號DOA值。
11.如權利要求8所述的方法，其特徵在於所述的緩存器為先進先出(FIFO)緩存器。
12.如權利要求8所述的方法，其特徵在於步驟5)所述的確定步長包括步驟1)對緩存器中增量值的符號進行判斷，如果同符號則將當前步長增大；如果相鄰值彼此異號則將當前步長減小；2)將緩存器置零。
13.如權利要求12所述的方法，其特徵在於跟蹤步長增大或減小的幅度為1～2dB，或由系統具體情而改變。
14.一種基於期望信號DOA跟蹤的智能天線新方法，包括期望信號初始DOA估計和期望信號DOA跟蹤，其特徵在於所述期望信號初始DOA估計包括下述步驟1)根據基站採用的陣元數目確定覆蓋智能天線對應的扇區所需的初始定位區域數；2)利用每一初始定位區域相應定位角對應的權矢量分別對接收信號進行加權處理，並用加權處理後的權矢量分別對陣列接收信號進行解調；3)將解調的輸出值排序，根據排序結果確定期望信號的初始DOA。所述期望信號DOA跟蹤包括下述步驟a)建立一緩存器，並確定緩存器的長度、期望信號DOA值的更新周期及初始步長；b)利用期望信號當前的DOA值和步長構造兩個權矢量；c)計算更新周期內該兩權矢量的接收結果，並根據該結果確定新的期望信號DOA值；d)將新的期望信號DOA值的增量移入緩存器，並判斷緩存器是否已滿，如果緩存器未滿則轉步驟b)，否則進行下步；e)根據緩存器的狀態確定步長，然後轉步驟b)。
15.如權利要求14所述的方法，其特徵在於步驟3)是指根據排序結果將最大解調結果對應的初始定位區域的定位角確定為期望信號的初始DOA。
16.如權利要求14所述的方法，其特徵在於步驟3)是指根據排序結果對關係式A1A2*A2A3]]>進行判斷；如果判斷為真，即關係式成立，則將A1對應的初始定位區域的定位角確定為期望信號的初始DOA；如果判斷為假，即關係式不成立，則將A1和A2所對應區域的交界處確定為期望信號的初始DOA；其中A1、A2和A3表示排序後三個最大的值且A1＞A2＞A3，β為一個可以調節的與系統所處環境相關的係數，取值可由所處環境測量統計值估計。
17.如權利要求14、15或16所述的方法，其特徵在於所述的定位角為初始定位區域的中心角。
18.如權利要求14、15或16所述的方法，其特徵在於所述的定位角為初始定位區域中心角附近的角度。
19.如權利要求14所述的方法，其特徵在於步驟2)對接收信號進行處理前還包括對接收信號進行濾波和變頻處理。
20.如權利要求14所述的方法，其特徵在於步驟2)中權矢量對陣列接收信號進行解調的時間與期望信號DOA更新的時間相同或稍長。
21.如權利要求14所述的方法，其特徵在於步驟b)所述的兩個權矢量按下述公式構造w1m=1Ne-j2mdsin(cur-),m=0,1,...,N-1.]]>w2m=1Ne-j2mdsin(cur+),m=0,1,...,N-1.]]>其中W1m、W2m表示兩個矢量，θcur為期望信號當前DOA值，Δθ為當前步長。
22.如權利要求14或21所述的方法，其特徵在於步驟c)包括下述步驟1)按公式Y1=1Ll=0L-1|W1X|]]>Y2=1Ll=0L-1|W2X|]]>計算兩權矢量的接收結果；2)按公式 更新期望信號DOA值；其中T為期望信號DOA的更新周期，L為時間T內的比特數，W1、W2分別表示由w1m，w2m，m＝0，...，N-1組成的矢量，X表示陣列陣元接收的空間信號，Y1，Y2分別表示用W1、W2接收時陣列的輸出信號，θcur(i)為期望信號當前的DOA值，θcur(i+1)為更新後的期望信號DOA值。
23.如權利要求14所述的方法，其特徵在於所述的緩存器為先進先出(FIFO)緩存器。
24.如權利要求14所述的方法，其特徵在於步驟e)所述的確定步長包括步驟1)對緩存器中增量值的符號進行判斷，如果同符號則將當前步長增大；如果相鄰值彼此異號則將當前步長減小；2)將緩存器置零。
25.如權利要求24所述的方法，其特徵在於步長增大或減小的幅度為1～2dB。
全文摘要
本發明公開了期望信號初始DOA估計、DOA跟蹤及智能天線新方法，初始DOA估計包括步驟根據基站採用的陣元數目確定覆蓋智能天線對應的扇區所需的初始定位區域數；利用始定位區域中心角對應的權矢量分別對接收信號進行加權處理，用權矢量分別對陣列接收信號進行解調和排序，根據排序結果確定初始DOA。DOA跟蹤包括步驟建立一緩存器，並確定緩存器的長度、期望信號DOA值的更新周期及初始步長；利用當前DOA值和步長構造兩個權矢量；計算更新周期內該兩權矢量的接收結果，並根據該結果確定新的期望信號DOA值；將DOA值的增量移入緩存器，並緩存器的狀態確定跟蹤步長。智能天線新方法包括所述期望信號初始DOA估計和期望信號DOA跟蹤。本發明適用於TDMA、FDMA和CDMA等系統。
文檔編號H04W88/08GK1474616SQ0310120
公開日2004年2月11日 申請日期2003年1月7日 優先權日2002年8月8日
發明者張華 , 林朝輝 申請人:深圳市中興通訊股份有限公司上海第二研究所, 華為技術有限公司