碼濾波自適應波束形成方法
2023-12-09 14:01:36 1
專利名稱：碼濾波自適應波束形成方法
技術領域：
本發明涉及一種寬帶碼分多址通信系統，更具體地指一種寬帶碼分多址通信系統智能天線基站的碼濾波自適應波束形成方法。
背景技術：
寬帶碼分多址WCDMA是第三代通訊技術，因其與二代相比有更好的保密性、更高的傳輸速率等性能，成為通訊系統發展的潮流。而智能天線技術是WCDMA系統的關鍵技術，它有助於對抗幹擾、增加系統容量和增大小區覆蓋面積。智能天線技術中最核心的技術就是自適應波束形成技術，智能天線對通信系統的改善程度主要取決於自適應波束形成方法的性能。目前提出了各種不同的自適應波束形成方法，如恆模方法，但該方法是一種全盲方法，沒有利用WCDMA協議所規定的導頻位，是一種資源的浪費；還有一些波束形成方法，如求維納解法和級聯訓練方法，在實現過程中都涉及大型矩陣相乘和求逆的運算，複雜程度和運算量過大，不易於硬體實現。
發明內容
針對上述傳統的波束形成方法存在的缺點，本發明的目的之一是提出一種改進的碼濾波自適應波束形成方法，在方法中只涉及簡單的加法和乘法，避免了矩陣求逆和大型矩陣相乘，降低了複雜度，減少了運算量；發明目的之二是利用接收數據陣列解擴前後自相關矩陣的差矩陣求出最大廣義特徵值所對應的廣義特徵向量，作為自適應權值，從而改進方法處理精度，提高運算速度；發明目的之三是先生成幾個預多波束，對波束信號進行時延搜索，解決了以前方法假定時延已知的理論假設，使方法更加具有實用性，先對波束信號進行時延搜索，後利用自適應方法進行處理，能更有效的對抗信道幹擾，使方法成為具備實用價值的自適應波束形成方法。
為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案，
本發明的碼濾波自適應波束形成方法包括以下步驟步驟一，利用預多波束進行時延搜索，利用快速傅立葉變換生成多個固定的窄波束，波束形成接收數據陣列，對多個波束信號時延搜索，得到每條路徑的時延值；步驟二，解擴前後陣列數據自相關運算，然後兩矩陣相減，求出差矩陣的最大特徵值所對應的廣義特徵向量，作為該時隙的權值；步驟三，將步驟二求出的權值波束形成解擴數據；步驟四，將多條路徑進行合併和解擴數據的合併。
在所述的步驟一與步驟二之間，還進一步包括以下步驟a1)，判斷該幀數據的所有時隙是否處理結束，如果處理結束則將每個時隙的解擴數據合併，作為該幀的解擴輸出；如果處理未結束，則，a2)，判斷多徑是否結束，如果結束，則將多條路徑的解擴數據復增益進行RAKE合併，如果未結束，則進入步驟二。
所述的步驟二進一步包括以下步驟b1)，將陣列接收的未經任何處理的數據求自相關運算，以時隙為單位求平均，得到R＝E[x(t)xH(t)]，Rxx＝(SlotNum-1)/SlotNum*Rxx+1/SlotNum*R，同樣處理解擴之後的數據，得到R=E[y1(t)y1H(t)]]]>和Ryy＝(SlotNum-1)/SlotNum*Ryy+1/SlotNum*R；b2)，將解擴前後的自相關矩陣相減，得到R＝Ryy-Rxx；b3)，對矩陣R進行廣義特徵值分解，求出最大廣義特徵值所對應的廣義特徵向量a，得到該時隙該路徑的接收權向量w＝a；b4)，用w波束形成該時隙的解擴數據。
所述的步驟四中，對多條路徑進行合併是指對多條路徑的解擴數據利用復增益進行RAKE合併；對解擴數據的合併是將每個時隙的解擴數據合併，合併的結果作為該幀的解擴輸出。
由於本發明採用了以上的技術方案，與傳統的方法相比，本發明方法避免了大型矩陣求逆，大大降低了運算量，利用解擴前後求自相關矩陣並相減得到最大廣義特徵值所對應的廣義特徵向量，保證輸出最大信噪比；採用本發明的方法實現自適應波束形成，會使系統構成更加簡化、更易於硬體的實現，研發周期也大大縮短，使寬帶碼分多址系統智能天線基站處理的性能大大提高。
圖1為實現本發明方法所採用的流程示意圖。
圖2為實現本發明方法所採用的結構原理方框示意圖。
圖3～圖5本發明的仿真結果示意圖。
具體實施例方式
本發明波束形成方法的核心思想是先在波束域進行時延搜索，較精確的得到時延信息，求出時延對齊的陣列基帶信號解擴前後的自相關矩陣，計算他們的差矩陣的最大廣義特徵值所對應的廣義特徵向量，作為自適應權值，利用該權值進行波束形成。
依據上述思想，本發明的波束形成方具體步驟描述如下，利用預多波束進行時延搜索首先，假設陣列接收的信號記為X，利用快速傅立葉變換先生成多個固定的窄波束，波束形成接收數據陣列，對多個波束信號時延搜索，得到每條路徑的時延值，在這裡我們取四條路徑，時延記為τi，i＝1，2，3，4。本發明利用預多波束進行時延搜索，保證了時延搜索的精度。
解擴前後陣列數據自相關運算，然後兩矩陣相減，求出差矩陣的最大特徵值所對應的廣義特徵向量，作為該時隙的權值以下過程的描述以單用戶單條路徑為例，多用戶多條路徑以此類推。
首先，對接收數據陣列的每個時隙的數據求自相關運算，R＝E[x(t)xH(t)]，假設當前時刻為第SlotNum個時隙，那麼對該時隙之前包括該時隙的所有自相關值求平均Rxx＝(SlotNum-1)/SlotNum*Rxx+1/SlotNum*R同時，將陣列接收的數據211第SlotNum個時隙的數據時延對齊，解擾器222，對Q路數據通過解擴器223解擴，得到該時隙的符號向量矩陣y1，對之進行自相關運算R=E[y1(t)y1H(t)],]]>運算在224中進行，然後求平均得到Ryy＝(SlotNum-1)/SlotNum*Ryy+1/SlotNum*R自相關矩陣的結果在每幀數據的15個時隙內累加，從而使方法的可用數據長度達到一幀，這更加保證了方法的處理性能。
再將兩個自相關矩陣相減R-Ryy-Rxx，對矩陣R進行特徵值分解，找出最大廣義特徵值所對應的廣義特徵向量a，記w＝a，作為該時隙的波束形成權值。本發明改進後和原方法相比，避免了大型矩陣求逆，大大降低了運算量和實現複雜度，但方法性能沒有降低。而利用解擴前後求自相關矩陣的方法，得到最大廣義特徵值所對應的廣義特徵向量，保證輸出最大信噪比，使系統具有較好的性能。
波束形成將上步求出的權值波束形成解擴數據，則波束形成的輸出為wy1。
如果有多條路徑，將多條路徑進行RAKE合併。將每個時隙的多徑合併數據順序相連，就是該幀的接收數據。
請再參閱圖1所示，該圖示意了為實現本發明上述方法所採用的流程，在該程圖中，第一步102，生成多個固定的窄波束，對波束數據時延搜索，選擇最大波束，得到陣列數據的路徑時延信息；第二步103，判斷該幀數據的所有時隙是否處理結束，如果結束則轉到110進行處理；第三步104，判斷多徑是否結束，如果結束則轉到第八步109處理；第四步105，將陣列接收的未經任何處理的數據求自相關運算，以時隙為單位求平均，得到R＝E[x(t)xH(t)]，Rxx＝(SlotNum-1)/SlotNum*Rxx+1/SlotNum*R；同樣處理解擴之後的數據，得到R=E[y1(t)y1H(t)]]]>和Ryy＝(SlotNum-1)/SlotNum*Ryy+1/SlotNum*R第五步106，將解擴前後的自相關矩陣相減，得到R＝Ryy-Rxx；第六步107，對矩陣R進行廣義特徵值分解，求出最大廣義特徵值所對應的廣義特徵向量a，得到該時隙該路徑的接收權向量w＝a；第七步108，用w波束形成該時隙的解擴數據；第八步109，將該時隙的所有多徑解擴數據利用復增益進行RAKE合併；第九步110，將每個時隙的RAKE結果順序連接起來，得到該幀的接收。
請繼續參閱圖2所示，該圖示意了為實現本發明方法所採用的結構原理，該結構包括三個模塊，即，時延搜索模塊21，處理模塊22，波束形成模塊23。
所述時延搜索模塊21進一步包括K(K＝1、2…M)組接收數據陣列211、預多波束處理和時延搜索模塊212，所述處理模塊22進一步包括解擴前相關器221，解擾器222，解擴器223，解擴後自相關器224，求解廣義特徵向量計算模塊225；所述波束形成模塊23進一步包括乘法器231，加法器232；所述的時延搜索模塊21首先利用預多波束時延搜索模塊212生成多個固定的窄波束，分別利用這多個固定的窄波束進行波束形成接收數據陣列211，得到多個波束信號，把它們送到時延搜索器，進行時延搜索，找到最大能量值所在波束的時延，即是期望用戶的時延信息；處理模塊22首先對每個時隙的接收數據陣列沒有時延對齊進行相關器221運算，然後以時隙為單位求平均，同時把該時隙的接收數據陣列時延對齊，送入解擾器222，將解擾出來的Q路數據送入解擴器223，接下來對解擴出來的數據求自相關器224運算，和相關器221一樣對自相關結果求平均，最後把相關器221和自相關器224輸出的自相關平均結果輸入到廣義特徵向量計算模塊225，求出最大廣義特徵值所對應的廣義特徵向量；把上步求得的廣義特徵向量記為波束形成的權值，在波束形成模塊23對該時隙的解擴數據進行波束形成。
以上過程是針對一條路徑的，多條路徑只要進行RAKE合併即可。
而多路徑和多用戶是單個用戶單條路徑的疊加。
陣列接收的信號經過射頻前端和基帶轉換成為基帶信號，在基帶進行自適應處理。基帶信號由於空間信道的影響，會產生時延擴展和角度擴展等性能的變化，如果直接對接收數據陣列進行時延搜索，時延的精度將不能保證。為此，先生成多個固定的窄波束，分別利用這幾個波束接收陣列數據，得到多個波束信號，對之進行時延搜索，能量值最大的波束就是期望用戶所在波束，而對應的時延值就是該用戶的時延；將陣列接收的數據自相關運算，並且每個時隙的結果要累加求平均，這樣使權值的變化反映信道的變化，前後時隙的相關性更大；同時將接收數據陣列211、解擾器222、解擴器223得到的數據進行自相關運算，結果也要求平均；將接收數據陣列211解擴前相關器221與自相關器224的自相關矩陣相減，求出差矩陣的最大廣義特徵值所對應的廣義特徵向量，作為該時隙該路徑的接收權向量；把這個權向量送到波束形成模塊23進行波束形成、輸出。
圖3示意了採用本發明波束形成方法的仿真輸出波束，該圖中，陣元數為6，用戶數為2，都卜勒頻移均為20HZ，角度擴展為0度，每個用戶有1條路徑，每條可分辨多徑中含有5條不可分辨的子多徑，噪聲功率為0.1，最大時延擴展為10個碼片，信號和幹擾的功率均為1，假設信號方向為0度，幹擾方向為30度，圖中表示期望用戶的波達發現(以下同)，仿真結果的權值能在波達方向形成最大指向，經仿真輸出信噪比為34.0561dB。
圖4中，陣元數為6，用戶數為10，都卜勒頻移均為20HZ，角度擴展為5度，每個用戶有3條路徑，噪聲功率為0.1，最大時延擴展為10個碼片，每條可分辨多徑中含有10條不可分辨的子多徑，信號和幹擾的功率均為1，每個信號和幹擾的3條路徑方向隨機產生，仿真結果的權值能在波達方向形成最大指向，輸出信噪比為13.4559dB。
圖5中，陣元數為6，15個用戶的都卜勒頻移都為20HZ，角度擴展為5度，每個用戶有3條路徑，噪聲功率為20，最大時延擴展為10個碼片，每條可分辨多徑中含有10條不可分辨的子多徑，信號和幹擾的功率均為1，每個信號和幹擾的3條路徑方向為隨機產生，仿真結果的權值能在波達方向形成最大指向，輸出信噪比為8.4957dB。
本發明碼濾波自適應波束形成方法運算量小、複雜程度低、性能優、更具有實用性，該方法具有以下優點第一，該方法沒有利用參考信號，也就省去了產生參考信號的硬體結構，實現起來更加簡單。
第二，該方法能應用在各種信道環境下，如宏小區、微小區等ITU建議使用的幾種信道環境，都能輸出較高的信噪比和較低的誤碼率。
第三，該方法能在期望用戶的波達方向形成波束最大指向，有效的接收期望用戶信號，提高期望信號處理的性能，還能跟蹤用戶的波達方向，自適應的調節權矢量。
權利要求
1.一種碼濾波自適應波束形成方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟步驟一，利用預多波束進行時延搜索，利用快速傅立葉變換生成多個固定的窄波束，波束形成接收數據陣列，對多個波束信號時延搜索，得到每條路徑的時延值；步驟二，解擴前後陣列數據自相關運算，然後兩矩陣相減，求出差矩陣的最大特徵值所對應的廣義特徵向量，作為該時隙的權值；步驟三，將步驟二求出的權值波束形成解擴數據；步驟四，將多條路徑進行合併和解擴數據的合併。
2.如權利要求1所述的碼濾波自適應波束形成方法，其特徵在於，在所述的步驟一與步驟二之間，還進一步包括以下步驟a1)，判斷該幀數據的所有時隙是否處理結束，如果處理結束則將每個時隙的解擴數據合併，作為該幀的解擴輸出；如果處理未結束，則，a2)，判斷多徑是否結束，如果結束，則將多條路徑的解擴數據復增益進行RAKE合併，如果未結束，則進入步驟二。
3.如權利要求1所述的碼濾波自適應波束形成方法，其特徵在於，所述的步驟二進一步包括以下步驟b1)，將陣列接收的未經任何處理的數據求自相關運算，以時隙為單位求平均，得到R＝E[x(t)xH(t))]，Rxx＝(SlotNum-1)/SlotNum*Rxx+1/SlotNum*R，同樣處理解擴之後的數據，得到R=E[y1(t)y1H(t)]]]>和Ryy＝(SlotNum-1)/SlotNum*Ryy+1/SlotNum*R；b2)，將解擴前後的自相關矩陣相減，得到R＝Ryy-Rxx；b3)，對矩陣R進行廣義特徵值分解，求出最大廣義特徵值所對應的廣義特徵向量a，得到該時隙該路徑的接收權向量w＝a；b4)，用w波束形成該時隙的解擴數據。
4.如權利要求1所述的碼濾波自適應波束形成方法，其特徵在於，所述的步驟四中，對多條路徑進行合併是指對多條路徑的解擴數據利用復增益進行RAKE合併；對解擴數據的合併是將每個時隙的解擴數據合併，合併的結果作為該幀的解擴輸出。
全文摘要
本發明公開了一種碼濾波自適應波束形成方法，該方法利用預多波束進行時延搜索；解擴前後陣列數據自相關運算，然後兩矩陣相減，求出差矩陣的最大特徵值所對應的廣義特徵向量，作為該時隙的權值；將步驟二求出的權值波束形成解擴數據；將多條路徑進行合併和解擴數據的合併。該方法避免了大型矩陣求逆，大大降低了運算量，利用解擴前後求自相關矩陣並相減得到最大廣義特徵值所對應的廣義特徵向量，保證輸出最大信噪比；採用本發明的方法實現自適應波束形成，會使系統構成更加簡化、更易於硬體的實現，研發周期也大大縮短，使寬帶碼分多址系統智能天線基站處理的性能大大提高。
文檔編號H04B7/06GK1503487SQ0214537
公開日2004年6月9日 申請日期2002年11月25日 優先權日2002年11月25日
發明者遲立東, 孫公航 申請人:深圳市中興通訊股份有限公司