基於智能天線的cdma系統時空分集發射的方法及裝置的製作方法

2023-04-28 02:35:11

專利名稱：基於智能天線的cdma系統時空分集發射的方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種基於智能天線的CDMA系統時空分集發射的方法及裝置，特別涉及一種在碼分多址(CDMA)通信系統中的時間-空間分集的方法和裝置；本發明可以用於碼分多址(CDMA)系統，其中包括IS-95、WCDMA、CDMA2000以及TD-SCDMA系統，節點B以及多天線用戶設備的發射機部分，屬於無線通訊為了進一步利用不同信號的不同空間特性提高系統性能，很多人研究了智能天線技術，也叫陣列天線技術。智能天線採用兩個以上的單天線陣元組成天線陣，每個陣元接收到的信號經過射頻處理後，用適當的權值進行加權求和，就能達到定向接收的效果，一個權值矢量對應著一定的波束方向圖。加權的實質是一種空間濾波，智能天線也可以認為是一種空分多址(SDMA)技術。在SDMA中通過天線陣列接收信號，並通過數位訊號處理進行數字波束賦形(DBF)，使所需信號的信噪比最大。這是通過調整天線陣列所接收的信號的相位和幅度使所需信號通過相加求和得到加強，而其它幹擾信號則通過相加求和被削弱實現的。
一般的智能天線系統結構如圖2所示，各個天線陣元的輸出信號以及智能天線的輸出通過智能天線方法的處理，獲得各個天線陣列相對應的一組權值；這一組權值乘以天線輸出之後，將各個結果相加就可以得到智能天線系統的輸出。無線信號通過天線陣列(20)進入系統，其中天線陣列(20)由多個天線陣元(201-203)構成。天線輸出的信號分別通過各自的射頻通道(210-213)，在信號合成單元(22)進行加權求和，形成一維信號後輸入到以後的系統進行處理。而信號合成單元(22)中的權值係數，由智能天線方法模塊(23)提供。
智能天線大體可分三種，一種是預多波束智能天線。這種方法是預先設定一些指向不同方向的波束權值，在通信過程中選擇接收信號比較好的那些波束權值加權結果進行後續處理。這種方法的缺點是需要設計較好、較多的預先權值，也沒有充分利用具體時刻的信號空間分布特性，不能很好地提高接收信號的信噪比。
第二種是部分自適應智能天線，這種實現方案通常從接收的陣列信號中提取期望用戶信號到達方向角(Direction of Arrive，簡稱DOA)信息，然後形成指向到達方向角的波束，到達方向角變化則權值跟著變化。這種方法的準則是使接收到的期望用戶信號能量最大，同時有限地壓制其它方向的幹擾。相控陣就屬於這樣的技術，相控陣的所有幅度一樣，不能改變，只有相位能自適應地改變。部分自適應智能天線的性能比預多波束智能天線要好，但還是沒有完全利用信號空間信息，且自適應範圍也有限，由於提取達到方向角的方法比較複雜，實時實現的難度非常大。
另一種是全自適應智能天線，這種天線的權值不需要預先設置，而是根據信號空間分布特性的變化而按一定準則不斷更新權值，並且該權值的幅度和相位都可以自由的更新；當更新算法收斂時，這種方法能充分利用期望用戶信號和幹擾信號的空間特性使接收到的信號的信噪比達到最大，而部分自適應智能天線一般不考慮幹擾到達方向；顯然，使用全自適應天線陣列的無線通信系統能達到最好的系統性能。
在目前的情況下，對於IS-95、WCDMA和CDMA2000標準中沒有對採用智能天線的強制性要求。其一般用戶設備(UE)中必須採用RAKE接收機技術，以達到標準中對該系統的性能要求。而對於TD-SCDMA系統，所述的標準中要求必須採用智能天線。由於智能天線本身就具有良好的接收和發射性能，在用戶設備中可以選擇或者不選擇採用RAKE接收機。如果採用RAKE接收機，依然可以提高系統的性能。而無論採用何種標準，在基站側的節點B均會採用RAKE接收機，保證系統滿足標準的性能指標。
一般的基於智能天線的發射機技術方案為首先，採用最大功率的智能天線權值作為參考，得到發射的權值；然後，將需要發射的信號，乘以發射權值得到各個天線陣元需要發射的信號；最後，通過射頻通道以及天線進行發射。這種方案利用了智能天線的空間分集效應，大幅度的減少了不同用戶之間的相互影響，提高了系統的性能指標。
因此，一般在接收機中會採用RAKE接收機進行時間分集，以提高接收效果。在以上僅僅基於單一權值進行發射的方案中，由於智能天線具有良好的指向性，所以無法產生多徑傳播，也就無法利用RAKE接收機的時間分集進一步提高系統的性能。在接收端的RAKE接收機部分，實際僅僅對一個實際有用的信號進行了運算(其中包括解擴解擾和積分求和處理)，而RAKE接收機中的其他運算資源則被閒置。並且在一些情況下，這些無用的信息還會對有用信息產生幹擾，反而降低了接收端的性能。
進一步，如果所採用的智能天線模塊對權值係數的獲得出現錯誤判決，即所得到的權值相對應方向角並非實際信號到達的角度，則僅僅針對一個權值係數進行發射的方法，可能會產生接收端無法接收信號的情況。這種現象在無線通訊中，則為「掉話」現象，這是不能接受的。智能天線良好的定向性反而增加了系統掉話的可能性，這是在系統設計時所希望避免的。
本發明的另一目的在於綜合智能天線的空間分集以及RAKE接收機的時間分集特性，利用接收端的RAKE接收機的合併增益，在接收端獲得良好的系統接收性能。
本發明的目的是通過如下的技術方案實現的一種基於智能天線的CDMA系統時空分集發射方法，分別利用與智能天線不同多徑相對應的權值係數，得到多組不同天線陣元的發射信號；按照一定的時間間隔將該信號經過射頻通道以及天線發射。
所述的發射方法具體包括如下步驟步驟1獲得用戶信號的多徑延時信息；步驟2利用智能天線系統分別得到各個多徑對應的用戶的空間信息；步驟3將用戶接收空間信息轉化為用戶發射空間表示；步驟4參考多徑的相對時間關係，將需要發射的信號按照一定的時間關係的原則，進行多個拷貝的信號發射。
上述步驟1中，用戶信號的多徑延時信息是通過RAKE接收機獲得的。
所述的多徑對應的用戶的空間信息為在固定多波束系統或DOA智能天線系統中用戶信號的到達角度。
所述的多徑對應的用戶的空間信息為在自適應智能天線系統中的權值向量。
所述的用戶發射空間表示在固定多波束系統或DOA智能天線系統中為用戶信號發射角度。
所述的用戶發射空間表示在自適應智能天線系統中為一個權值向量。
所述的時間關係的原則為發射的多徑時間間隔大於一個碼片，並且使信號在接收端的能量一致。
如上所述的使信號在接收端的能量一致的方法為對於預多波束型智能天線，根據各個多徑的信號接收能量，進行不同的放大幅度的調節；對於到達角度(DOA)型智能天線或全自適應型智能天線系統，則直接發射。
一種基於智能天線的CDMA系統時空分集發射裝置，包括一個以上的天線陣元及與之相對應連接的射頻通道，用於接收或發射多徑信號；智能天線系統，用於用適當的權值進行加權求和，實現定向接收；RAKE接收機，用於對時間間隔大於一個碼片的多徑進行時間分集以及合併；智能天線系統與RAKE接收機連接，其輸出不同多徑的天線權值係數到RAKE接收機；接收-發射轉換系統，用於完成發射角度或發射權值的處理；時間-空間分集發射裝置，用於完成具有相對時間關係的信號發射；其中，各天線陣元連接到與之相對應的射頻通道；各射頻通道的輸出接入到智能天線系統；智能天線系統同時還與接收-發射轉換系統連接，其輸出接收用戶空間信息到該接收-發射轉換系統；接收-發射轉換系統的輸出連接到時間-空間分集發射裝置的輸入端，其將系統發射的用戶空間信息傳送給時間-空間分集發射裝置；RAKE接收機的多徑延時信號同時輸出到智能天線系統和時間-空間分集發射裝置；發射信號直接輸入到時間-空間分集發射裝置，由該時間-空間分集發射裝置同時參考RAKE接收機的多徑延時信息及接收-發射轉換系統的發射用戶空間信息，進行時間以及空間的分集；時間-空間分集發射裝置的輸出分別連接到各射頻通道，其將進行了時間以及空間的分集的發射信號通過各射頻通道和與該射頻通道連接的天線陣元發射。
如上所述的時間-空間分集發射裝置至少包括移位寄存器組和抽頭延時判決及權值係數轉換模塊，發射信號輸入到移位寄存器組的輸入端，該移位寄存器組的各輸出抽頭連接到抽頭延時判決及權值係數轉換模塊，多徑延時信號和發射用戶空間信號也連接到該抽頭延時判決及權值係數轉換模塊，抽頭延時判決及權值係數轉換模塊輸出發射信號到與之連接的、與各天線陣元相對應的射頻通道。
所述的移位寄存器組由門電路或可編程門陣列構成。
所述的抽頭延時判決及權值係數轉換模塊由門電路或可編程門陣列構成。
本發明改變了現有技術中的發射信號中僅僅存在一條路徑的現狀，克服了由此所帶來的各種缺點，解決現有技術中存在的接收端RAKE合併增益不明顯以及可能產生掉話問題；同時，本發明綜合了智能天線的空間分集以及RAKE接收機的時間分集特性，利用接收端的RAKE接收機的合併增益，在接收端獲得了良好的系統接收性能。
本發明採用RAKE接收機獲得的的時間信息以及智能天線中的空間信息，通過空時聯合發射的思想，獲得了一種具有良好性能的CDMA發射的方法與裝置。該方法通過不同時間、不同角度發射多個需要發射信號的拷貝，充分利用接收機端的RAKE的接收增益，獲得了更加理想的系統性能。由於RAKE接收機的增益，可以考慮將各個發射信號拷貝的發射功率降低。如此可以減少了射頻通道以及天線系統中線性功率放大器的動態範圍以及總功率。可以降低發射設備的製造價格。
本發明中，由於採用新的空時分集發射技術，人為引入多徑信號，從而使信號接收端RAKE接收的性能得到體現，最終提高了整個系統的性能指標。
下面結合附圖
及具體的實施例對本發明提出的技術方案作進一步的詳細說明
圖2為智能天線系統示意圖。
圖3為本發明的空間-時間聯合接收系統示意圖。
圖4為本發明裝置一實施例的整體結構示意圖。
圖5為本發明一實施例的時間-空間分集發射裝置的結構示意圖。
在接收機系統中，通過智能天線接收機可以得到用戶信號的空間信息，通過RAKE接收機能夠獲得用戶信號的時間信息。綜合這兩種信息、對用戶信號進行處理的接收機成為空-時聯合接收機。空-時聯合接收機的結構如圖3所示，其中利用RAKE接收機獲得的多徑信息，得到對應各個多徑的智能天線權值，多個智能天線的輸出相加作為RAKE接收機的輸入，RAKE接收機的輸出作為系統輸出提供後端處理。這類接收機完全利用了用戶信號的時間以及空間信息，可以達到十分良好的接收性能。無線信號通過天線陣列(30)進入系統，而天線陣列由陣元(301-303)組成。天線陣列(30)的輸出經過射頻通道(311-313)以及不同的延時環節(321-323)進入對應的智能天線系統，獲得對應不同多徑的天線權值係數。各個智能天線(321-323)的輸出，經過加法單元(33)輸入RAKE接收機(34)。而RAKE接收機中的多徑延時信息，則反饋給對應的延時環節(321-323)。
參見圖4，通過上述有關基於智能天線的CDMA系統時空分集發射方法，可以得到基於智能天線的CDMA系統時空分集發射裝置。接收-發射轉換裝置完成發射角度或者發射權值的形成功能，時間-空間分集發射裝置完成具有相對時間關係的信號發射功能。各個發射拷貝之間的時間間隔，可以為實際RAKE接收機獲得的多徑的相對延時。
無線信號通過天線陣列(40)進入系統，而天線陣列由天線陣元(401-403)組成。天線陣列(40)的輸出經過射頻通道(411-413)進入對應的智能天線(42)系統，獲得對應不同多徑的天線權值係數。智能天線(42)的輸出輸入RAKE接收機(43)。而RAKE接收機(43)中的多徑延時信息，則反饋給對應的智能天線(42)。以上構成了空-時聯合接收機。通過智能天線(42)得到的接收用戶的空間信息，經過接收-發射轉換系統(44)，將接收權值係數轉換為發射的權值係數，即系統發射的用戶空間信息。系統需要發射的信號輸入至時間-空間分集發射裝置(45)完成處理後，再通過射頻通道(411-413)以及天線陣列(40)發射出去。時間-空間分集發射裝置(45)同時參考RAKE接收機(43)的多徑延時信息以及接收-發射轉換系統(44)的發射用戶空間信息，進行時間以及空間的分集工作。
參見圖5，本發明的一實施例的時間-空間分集發射裝置採用了一個移位寄存器組完成對需要發射的信號的延時工作。該裝置中通過對RAKE接收機多徑延時信息的判決，選擇當前時刻需要發射的信號在位置移位寄存器組中的抽頭位置，進行疊加發射，完成時間分集發射裝置的功能。
系統需要發射的信號進入一個移位寄存器組(50)，進行若干次單位延時處理。移位寄存器組(50)由單一的移位寄存器(501-506)串聯實現。信號的多徑延時信息以及發射用戶空間信息，被輸入至抽頭延時判決以及權值係數轉換模塊(51)中。通過不同抽頭的選擇完成對信號的時間分集，通過不同發射權值係數的選擇完成對信號的空間分集。兩者結合，共同完成對發射信號的時間-空間分集發射任務。
本發明採用了空間發射分集和時間發射分集思想相結合的思想，即分別利用智能天線對應不同多徑的相對應的權值係數，得到多組不同天線陣元的發射信號。經過射頻通道以及天線，將這些信號按照一定的時間間隔發射出去。如此，人為地在接收機端形成多徑，充分利用系統中已經存在的RAKE接收機，達到更加理想的接收效果。具體有關發射的原則是達到發射的多徑時間間隔比較大並且在接收端的能量一致。有關達到發射的多徑時間間隔比較大的要求，由於發射端信號可以認為是同時發射的，通過RAKE接收機的多徑時間信息可以獲得各個多徑的路徑傳播延時的信息，再通過發射延時的即可達到該目的。關於在接收端的能量一致，則與智能天線的類項有關。對於預多波束型智能天線，由於其不對權值係數的幅度進行調節，所以需要根據各個多徑的信號接收能量，進行不同的放大幅度的調節。對於到達角度(DOA)型智能天線和全自適應型智能天線系統，由於方法本身即對信號的幅度進行了調節，所以不必再進行任何調節，可以直接完成發射任務。
通過以上的方發步驟，可以在不同的方向上，人為地發射若干份對於用戶具有不同到達時間的信號。這些信號，對於RAKE接收機而言即為不同的多徑。因為RAKE接收機具有對多徑估計合併的增益，所以以上方案可以在用戶端獲得更加良好的接收效果。
通過上述有關基於智能天線的CDMA系統時空分集發射方法中的步驟，可以得到基於智能天線的CDMA系統時空分集發射裝置。接收-發射轉換裝置完成發射角度或者發射權值的形成功能，時間-空間分集發射裝置完成具有相對時間關係的信號發射功能。各個發射拷貝之間的時間間隔，可以為實際RAKE接收機獲得的多徑的相對延時。
無線信號通過天線陣列進入系統，而天線陣列由多個天線陣元組成。天線陣列的輸出經過射頻通道進入對應的智能天線系統，獲得對應不同多徑的天線權值係數。智能天線系統的輸出信號輸入到RAKE接收機。而RAKE接收機中的多徑延時信息，則反饋給對應的智能天線系統。由此構成了空-時聯合接收機。通過智能天線系統得到的接收用戶的空間信息，經過接收-發射轉換系統，將接收權值係數轉換為發射的權值係數，即系統發射的用戶空間信息。系統需要發射的信號輸入至時間-空間分集發射裝置完成處理後，再通過射頻通道以及天線陣列發射出去。時間-空間分集發射裝置同時參考RAKE接收機的多徑延時信息以及接收-發射轉換系統的發射用戶空間信息，進行時間以及空間的分集工作。
本實施例的裝置結構被分隔為相對獨立的幾個部分。每個部分可以結合其計算的特點，採用相同或者不同的硬體設備實現。對於與本發明直接有關的時間分集發射裝置，文中給出了非常方便硬體電路(門電路或者FPGA)實現的方案，消耗極小的代價就可以實現所有功能。
本發明採用RAKE接收機獲得的的時間信息以及智能天線中的空間信息，通過空時聯合發射的思想，獲得了一種具有良好性能的CDMA發射的方法與裝置。該方法通過不同時間、不同角度發射多個需要發射信號的拷貝，充分利用接收機端的RAKE的接收增益，獲得更加理想的系統性能。由於RAKE接收機的增益，可以考慮將各個發射信號拷貝的發射功率降低。如此可以減少了射頻通道以及天線系統中線性功率放大器的動態範圍以及總功率。可以降低發射設備的製造價格。
以上實施例僅用以說明本發明而非限制，儘管參照以上較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明進行修改、變形或者等同替換，而不脫離本發明的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
權利要求
1.一種基於智能天線的CDMA系統時空分集發射方法，其特徵在於分別利用與智能天線不同多徑相對應的權值係數，得到多組不同天線陣元的發射信號；按照一定的時間間隔將該信號經過射頻通道以及天線發射。
2.根據權利要求1所述的基於智能天線的CDMA系統時空分集發射方法，其特徵在於所述的發射方法具體包括如下步驟步驟1獲得用戶信號的多徑延時信息；步驟2利用智能天線系統分別得到各個多徑對應的用戶的空間信息；步驟3將用戶接收空間信息轉化為用戶發射空間表示；步驟4參考多徑的相對時間關係，將需要發射的信號按照一定的時間關係的原則，進行多個拷貝的信號發射。
3.根據權利要求2所述的基於智能天線的CDMA系統時空分集發射方法，其特徵在於所述的用戶信號的多徑延時信息通過RAKE接收機獲得。
4.根據權利要求2所述的基於智能天線的CDMA系統時空分集發射方法，其特徵在於所述的多徑對應的用戶的空間信息為在固定多波束系統或DOA智能天線系統中用戶信號的到達角度。
5.根據權利要求2所述的基於智能天線的CDMA系統時空分集發射方法，其特徵在於所述的多徑對應的用戶的空間信息為在自適應智能天線系統中的權值向量。
6.根據權利要求2所述的基於智能天線的CDMA系統時空分集發射方法，其特徵在於所述的用戶發射空間表示在固定多波束系統或DOA智能天線系統中為用戶信號發射角度。
7.根據權利要求2所述的基於智能天線的CDMA系統時空分集發射方法，其特徵在於所述的用戶發射空間表示在自適應智能天線系統中為一個權值向量。
8.根據權利要求2所述的基於智能天線的CDMA系統時空分集發射方法，其特徵在於所述的時間關係的原則為發射的多徑時間間隔大於一個碼片，並且使信號在接收端的能量一致。
9.根據權利要求8所述的基於智能天線的CDMA系統時空分集發射方法，其特徵在於使信號在接收端的能量一致的方法為對於預多波束型智能天線，根據各個多徑的信號接收能量，進行不同的放大幅度的調節；對於到達角度(DOA)型智能天線或全自適應型智能天線系統，則直接發射。
10.一種基於智能天線的CDMA系統時空分集發射裝置，包括一個以上的天線陣元及與之相對應連接的射頻通道，用於接收或發射多徑信號；智能天線系統，用於用適當的權值進行加權求和，實現定向接收；RAKE接收機，用於對時間間隔大於一個碼片的多徑進行時間分集以及合併；智能天線系統與RAKE接收機連接，其輸出不同多徑的天線權值係數到RAKE接收機；其特徵在於它還包括接收-發射轉換系統，用於完成發射角度或發射權值的處理；時間-空間分集發射裝置，用於完成具有相對時間關係的信號發射；其中，各天線陣元連接到與之相對應的射頻通道；各射頻通道的輸出接入到智能天線系統；智能天線系統同時還與接收-發射轉換系統連接，其輸出接收用戶空間信息到該接收-發射轉換系統；接收-發射轉換系統的輸出連接到時間-空間分集發射裝置的輸入端，其將系統發射的用戶空間信息傳送給時間-空間分集發射裝置；RAKE接收機的多徑延時信號同時輸出到智能天線系統和時間-空間分集發射裝置；發射信號直接輸入到時間-空間分集發射裝置，由該時間-空間分集發射裝置同時參考RAKE接收機的多徑延時信息及接收-發射轉換系統的發射用戶空間信息，進行時間以及空間的分集；時間-空間分集發射裝置的輸出分別連接到各射頻通道，其將進行了時間以及空間的分集的發射信號通過各射頻通道和與該射頻通道連接的天線陣元發射。
11.根據權利要求10所述的基於智能天線的CDMA系統時空分集發射裝置，其特徵在於所述的時間-空間分集發射裝置至少包括移位寄存器組和抽頭延時判決及權值係數轉換模塊，發射信號輸入到移位寄存器組的輸入端，該移位寄存器組的各輸出抽頭連接到抽頭延時判決及權值係數轉換模塊，多徑延時信號和發射用戶空間信號也連接到該抽頭延時判決及權值係數轉換模塊，抽頭延時判決及權值係數轉換模塊輸出發射信號到與之連接的、與各天線陣元相對應的射頻通道。
12.根據權利要求11所述的基於智能天線的CDMA系統時空分集發射裝置，其特徵在於所述的移位寄存器組由門電路或可編程門陣列構成。
13.根據權利要求11所述的基於智能天線的CDMA系統時空分集發射裝置，其特徵在於所述的抽頭延時判決及權值係數轉換模塊由門電路或可編程門陣列構成。
全文摘要
一種基於智能天線的CDMA系統時空分集發射方法，分別利用與智能天線不同多徑相對應的權值係數，得到多組不同天線陣元的發射信號；按一定的時間間隔將該信號經射頻通道及天線發射；一種基於上述方法的時空分集發射裝置，它至少包括天線陣元及對應的射頻通道、智能天線系統、RAKE接收機、接收－發射轉換系統和時間－空間分集發射裝置；本發明改變了現有技術中發射信號僅有一條路徑的現狀，克服了由此帶來的各缺點，解決了接收端RAKE合併增益不明顯及可能產生掉話的問題；本發明綜合了空間分集和時間分集特性，在接收端獲得了良好的接收性能。
文檔編號H04B7/26GK1426187SQ0113916
公開日2003年6月25日 申請日期2001年12月19日 優先權日2001年12月19日
發明者吳濤, 謝瀾濤 申請人:深圳市中興通訊股份有限公司上海第二研究所