Cdma無線通信的空間特徵提取及信號到達方向估計方法
2023-05-15 08:44:41 1
專利名稱：Cdma無線通信的空間特徵提取及信號到達方向估計方法
技術領域：
本發明涉及一種移動通信技術，更確切地說是涉及一種碼分多址(CDMA)無線通信的空間特徵提取及信號到達方向(DOA)估計的方法。該方法不受信號相關性和信號DOA間距的影響，適於在CDMA移動通信系統中估計多徑信號的空間特徵和DOA。所提取的無線信道空間特徵，可用於對接收或發射的信號進行空間濾波，估計的DOA可以用於對移動目標進行定位和波束賦形。
背景技術：
在移動通信系統中應用天線陣列可以有效地抑制幹擾，提高系統容量，通過在具有天線陣列的移動通信系統中設置空間濾波器和/或波束賦形器來有效抑制幹擾。空間濾波器的設計方法，大致可以分為「盲」和「非盲」兩大類。其中「非盲」的方法是利用訓練序列估計信道的空間特徵(或通過估計DOA得到信道的空間特徵)來完成的。DOA估計還可以用於對移動目標進行定位和跟蹤。
對於單一的(無擴散的)一條無線信道傳播路徑，當天線陣列結構確定以後，信道的空間特徵與信號的DOA是一一對應的(映射關係)，因此可以將信道的空間特徵估計和信號的DOA估計作為同一個問題來處理。
估計信號DOA的方法有很多，最典型的有波束掃描(Classic)方法(一種傳統的DOA估計方法)，Capon的最小方差無畸變響應(MVDR)方法，和特徵結構法(如MUSIC，ESPRIT及其擴展方法)。傳統的波束掃描方法是假設空間濾波器具有陣列方向矢量的形式，在空間一定的觀察範圍內以一定的角度間隔搜索空間濾波器輸出功率最大的那些峰值，那些峰值所對應的角度就是要估計的DOA。Capon的MVDR方法的優化準則是在保證主瓣能量的約束條件下，使空間濾波器輸出功率最小，從而達到抑制幹擾的目的。因此在分辨DOA相近的多個信號時，比傳統的波束掃描方法具有更好的分辨性能。特徵結構法通過對以陣列方式輸出的空間協方差矩陣進行特徵值分解，定義信號子空間和噪聲子空間，進而利用信號子空間和噪聲子空間的正交性(對MUSIC及其擴展)或利用信號子空間的旋轉不變性(對ESPRIT及其擴展)來獲得對信號DOA的估計。特徵結構法在估計多個獨立信號的DOA時，其角度分辨能力大大超過了傳統的Classic算法，因此又被稱為高分辨技術。
上述的DOA估計算法在分辨多個信號的DOA時要求信號源的數目小於天線陣列中的天線單元總數。這一要求使這些算法不能直接用於CDMA通信系統，因為在CDMA通信系統中，信號源的數目一般大於天線單元總數。因此現有的CDMA信號的DOA估計方法均基於解調後的CDMA信號進行。
由於在CDMA移動通信系統中，DOA估計方法基於解調後的CDMA信號進行。而某個用戶解調後的信號中必然含有該用戶的多徑信號分量和加性噪聲，且具有如下的特徵(1)信號的多徑分量之間存在很強的相關性；(2)信號的多徑分量之間的DOA間隔(間距)很小；(3)由於CDMA系統中擴頻碼的非正交性，解調後的噪聲往往是有色噪聲。對於高度相關的信號，採用傳統Classic算法的DOA估計方法時，會使角分辨能力嚴重下降，採用高分辨方法雖然可以結合空間平滑技術使其分辨相關信號的性能改善，但有損失陣列孔徑和加大算法計算量的不足。在移動通信系統中，多徑分量間的角度往往相隔很近，而受系統成本的影響，陣列天線中的天線單元總數又不可能很多，因此對於既相關又角度相近的多徑分量，高分辨的算法也將無能為力。上述分析說明，現有的空間特徵提取及DOA估計方法，分辨多徑分量的能力受信號相關性和DOA間距影響很大。這是因為這些技術基於噪聲汙染的用戶多徑數據的空間協方差矩陣，如果多徑信號相關，這些相關能量在分辨多徑時就會影響分辨性能。另一方面，在DOA間距較小時，現有技術受天線數及技術本身性能的影響，使其無法分辨這些DOA間距較小的多徑。
一個解決分辨多徑分量的途徑是利用RAKE接收機結構上的特點進行的，即用一條路徑解調後的信號估計該徑的DOA(逐徑進行)，但這種方法仍然要受加性有色噪聲的嚴重影響，這是因為現有的技術是基於加性白噪聲發展起來的。此外，在分辨多個信號源時，高分辨DOA估計技術的優點主要體現在與傳統的波束掃描技術相比較，但在計算上要花更大的消費，因為它要進行複數矩陣的特徵值分解。當用單條路徑解調後的信號進行DOA估計時，高分辨技術就失去了它的優越性。另外，用RAKE接收機結構的每條徑解調後的信號進行DOA估計還對接收機有如下的要求(1)接受機必須是RAKE接收形式；(2)有分離每條徑的解調處理能力。否則，只為DOA估計而實行多徑分量的分離跟蹤和解調會給接收機帶來額外的複雜性。
發明內容
本發明的目的是設計CDMA無線通信的空間特徵提取及信號到達方向估計方法，不受信號相關性和信號到達方向間距的影響，提取的信道空間特徵可以用於對接收和發射的信號進行空間濾波，估計的到達方向(DOA)可以用於對目標進行定位和波束賦形。
實現本發明目的的技術方案是這樣的一種CDMA無線通信的空間特徵提取及信號到達方向估計方法，其特徵在於包括以下步驟A.利用天線陣列接收的用戶數據估計所關心用戶信道的空時衝激響應；B.從估計的該用戶信道的空時衝激響應結果中分離並選取出其中主要傳播路徑的空間衝激響應；C.用提取出的主要傳播路徑的空間衝激響應，估計每條主要傳播路徑的空間特徵以及對應的到達方向。
所述步驟B，分離並選取出其中主要傳播路徑的空間衝激響應，進一步包括B1.根據該用戶信道的空時衝激響應結果，獲得其中每條傳播路徑在每個天線單元、每個時延抽頭上的衝激響應強度；B2.利用衝激響應強度，按衝激響應平均功率最大原則確定與主要傳播路徑對應的時延抽頭；B3.提取與主要傳播路徑對應的時延抽頭的信道空間衝激響應。
所述的步驟B2進一步包括求出該用戶對應每個天線單元、每個時延抽頭的衝激響應平均功率；選取對應最大q個平均功率的時延抽頭作為與主要傳播路徑對應的時延抽頭。
所述的q是在不同信道環境下，所存在的滿足一定信噪比門限的不少於q的主要傳播路徑。
所述的步驟B2進一步包括設定一功率門限值；選取滿足某一條徑對應的空間衝激響應的功率平均值大於等於功率門限值的所有時延抽頭作為與主要傳播路徑對應的時延抽頭。
所述的功率平均值基於天線陣列中的全部天線單元或部分天線單元。
所述的功率門限值基於當前時隙信道空時衝激響應數據確定，或聯合考慮當前時隙和當前時隙前面時隙的信道空時衝激響應數據確定。
所述的聯合考慮當前時隙和當前時隙前面時隙的信道空時衝激響應數據，是從當前時隙開始按指數衰減的原則考慮前面時隙的信道空時衝激響應數據。
所述的步驟C按θi，a(i)=argmax
]>計算每條主要傳播路徑i的空間特徵以及對應的到達方向，，表示內積運算，為陣列方向矢量a(θ)和其中一條主要傳播路徑i對應的空間衝激響應h(k)(τi)的內積，k表示第k個用戶，τi表示與主要傳播路徑i對應的時延抽頭。
本發明的技術方案，基於用戶信道空時衝激響應，估計出每個用戶的信道空時衝激響應後，再分離出每條信號主要傳播路徑的信道空間衝激響應(有用信息)，只用每個用戶信號主要傳播路徑的信道空間衝激響應，而不是利用所有傳播路徑的空間衝激響應數據，來估計相應徑的DOA，不僅避免了白噪聲的影響，還避免了多徑信息的相互幹擾。即使多徑信號的相關性很高，DOA完全相同，本發明方法也是有效的。而其它現有的方法既不能有效地分辨高度相關的多徑信號，也不能分辨DOA相近的多徑。
此外，本發明方法計算簡單，適合工程應用尤其是在CDMA系統中應用。
圖1是8天線單元的天線陣列和衝激響應窗長或抽頭數為16時的衝激響應強度示意圖；圖2是對應圖1的衝激響應的平均功率示意圖；圖3是應用本發明方法的DOA估計，以1°為步長計算的兩個方向角效果示意。
具體實施例方式
本發明提出了一種簡單有效的無線信道空間特徵提取及信號到達方向(DOA)的估計方法，是基於信道空時衝激響應的DOA估計方法，該方法不受信號相關性和信號DOA間距的影響，適合用在移動通信系統中估計多徑分量的信道空間特徵和DOA。提取的信道空間特徵可以用於對接收和發射的信號進行空間濾波，估計的DOA可以用於對目標進行定位和波束賦形。
本發明主要針對多用戶移動通信系統，尤其是CDMA系統，提出的一種基於空時信道估計的DOA估計方法。以下結合附圖詳細說明其技術方案，其主要技術步驟包括估計用戶信道空時衝激響應；分離用戶多徑信號並按衝激響應平均功率最大原則選取抽頭；和進行空間特徵提取及DOA估計。
結合參見圖1，對於用戶k，假設估計後的用戶信道空時衝激響應為H(k)＝[h(k)(0)h(k)(1)…h(k)(W-1)](1)
=h1(k)(0)h1(k)(1)h1(k)(W-1)h2(k)(0)h2(k)(1)h2(k)(W-1)hM(k)(0)hM(k)(1)hM(k)(W-1)----(2)]]>(1)式為矩陣表達式，(2)式是列矢量表達式，式中M為天線數，W為空時衝激響應窗長或抽頭數。本發明方法中，可以採用任何現有的估計技術來估計用戶信道空時衝激響應，即對估計用戶信道的空時衝激響應的方法沒有限制。衝激響應可以是任何形式歸一化後的結果。
定義對應第m個天線單元第i+1個抽頭的衝激響應強度為 (強度是絕對值)，圖1示意給出了M＝8和W＝16時，用戶k對應每個天線單元、每個抽頭上的衝激響應強度，用圓圈示出。經過運算，假設其中兩條多徑的信號h(k)(0)和h(k)(3)(公式2中的第1、第4兩列，即第1條、第2條徑)分別對應抽頭τ1＝0和τ2＝3(圖中橫軸表示時延抽頭τ，縱軸表示衝激響應強度。
很明顯，此時對第k個用戶，信道的特徵可由h(k)(0)和h(k)(3)完全確定。事實上，在每條路徑角度擴散比較小的情況下，我們可以將h(k)(0)和h(k)(3)近似表示成衝激響應函數 式中α0、α1表示信道的幅度衰落係數，0、1分別是第1條、第2條徑的相位，表示成ej0，ek1，a(θ0)，a(θ1)分別表示第1條、第2條徑的空間特徵，δ(τ)和δ(τ-3)沒有運算上的意義。因此經過上述運算過程，從H(k)中提取了h(k)(0)和h(k)(3)，就可以估計這兩條路徑的空間特徵a(θ0)和a(θ1)以及它們各自對應的到達方向角θ0和θ1。
但是，在實際中，我們並不知道信道有幾個主要的傳播路徑(如上述的兩條多徑信號h(k)(0)和h(k)(3))，也不知道這些路徑所對應的時延抽頭(如上述的抽頭τ1＝0和τ2＝3)。因此，必須按照某種準則判定並選取出信號的主要傳播路徑(即如何獲得上述兩條多徑信號h(k)(0)和h(k)(3)及分別對應時延抽頭τ1＝0和τ2＝3)。可以採用兩種選取方法第一種選取方法是固定的選取q個最大平均功率的時延抽頭，或者說基於選取平均功率最大的q個徑。
對第k個用戶，定義對應第i個時延抽頭的衝激響應的平均功率為P(k)(i)=||h(k)(i)||2/M,i=0,,W-1----(4)]]>對應圖1，可得到8個天線信道空間衝激響應的平均功率，如圖2中圓圈所示。實施時，計算平均功率可基於部分天線單元或全體天線單元進行(即M的取值)。
通過對無線信道進行測量和分析，假設在不同的信道環境下總存在不少於q(例如q＝2)個主要傳播路徑滿足一定的信噪比門限，因此，我們在計算了所有抽頭對應的衝激響應的平均功率後，就可選取對應最大q個平均功率的抽頭，提取這些抽頭對應的空間衝激響應(對應時延抽頭τ1＝0和τ2＝3的位置處)。
第二種選取方法是先設定一個功率門限，選取平均功率超過該門限的所有抽頭，或者說基於設定的某個門限值，選取平均功率大於該門限的徑。
在移動通信環境中，環境的變化和信道的衰落都會帶來多徑數和多徑強度的變化。方法1選擇固定q條徑就可能出現過估計(q太大)或欠估計(q太小)的情況。一種自適應選取q的方法是根據估計的信道空間衝激響應設定某個門限值 ，然後選取滿足下式(5) 的所有抽頭做為主徑抽頭，即某一條徑對應的信道空間衝激響應的功率平均值大於等於 的徑，而把低於門限 的徑當噪聲處理。門限可以只用本時隙估計的本用戶的衝激響應數據來確定，也可以聯合考慮本時隙和前面時隙的衝激響應數據來確定，比如從本時隙開始按指數衰減的原則考慮前面時隙數據的作用。
最後作空間特徵提取及DOA估計。當我們由H(k)選出了某個信號多徑的空間衝激響應h(k)(τi)(如對應圖2的h(k)(0)，h(k)(3))後，就可以按下面的規則估計對應路徑的空間特徵(以a(θ)為變量)以及對應的DOA(以θ為變量)
i,a(i)=argmax
]>其中，表示內積運算，為陣列方向矢量a(θ)(陣列方向矢量可以是以任何形式歸一化後的結果)和其中一條徑對應的空間衝激響應h(k)(τi)的內積。由上式可見，DOA的估計精度由兩個因素確定。其一是h(k)(τi)的估計精度，其二是計算消費函數fi(θ)＝|a(θ)，h(k)(τi)|時，角度搜索步長的選取。
作為驗證舉例，圖3給出了對應圖2中的兩條路徑在假設[θ0，θ3]＝[20°，60°]時，在0到2π範圍內，以1°為步長計算(掃描)的f0(θ)＝|a(θ)，h(k)(0)|(圖中上半部分)和f1(θ)＝|a(θ)，h(k)(3)|的值(圖中下半部分)。圖中顯示出在θ分別為20°和60°時，計算出的f0(θ)和f1(θ)最大，說明了本發明方法的準確性。
權利要求
1.一種CDMA無線通信的空間特徵提取及信號到達方向估計方法，其特徵在於包括以下步驟A.利用天線陣列接收的用戶數據估計所關心用戶信道的空時衝激響應；B.從估計的該用戶信道的空時衝激響應結果中分離並選取出其中主要傳播路徑的空間衝激響應；C.用提取出的主要傳播路徑的空間衝激響應，估計每條主要傳播路徑的空間特徵以及對應的到達方向。
2.根據權利要求1所述的一種CDMA無線通信的空間特徵提取及信號到達方向估計方法，其特徵在於所述步驟B，分離並選取出其中主要傳播路徑的空間衝激響應，進一步包括B1.根據該用戶信道的空時衝激響應結果，獲得其中每條傳播路徑在每個天線單元、每個時延抽頭上的衝激響應強度；B2.利用衝激響應強度，按衝激響應平均功率最大原則確定與主要傳播路徑對應的時延抽頭；B3.提取與主要傳播路徑對應的時延抽頭的信道空間衝激響應。
3.根據權利要求2所述的一種CDMA無線通信的空間特徵提取及信號到達方向估計方法，其特徵在於所述的步驟B2進一步包括求出該用戶對應每個天線單元、每個時延抽頭的衝激響應平均功率；選取對應最大q個平均功率的時延抽頭作為與主要傳播路徑對應的時延抽頭。
4.根據權利要求3所述的一種CDMA無線通信的空間特徵提取及信號到達方向估計方法，其特徵在於所述的q是在不同信道環境下，所存在的滿足一定信噪比門限的不少於q的主要傳播路徑。
5.根據權利要求2所述的一種CDMA無線通信的空間特徵提取及信號到達方向估計方法，其特徵在於所述的步驟B2進一步包括設定一功率門限值；選取滿足某一條徑對應的空間衝激響應的功率平均值大於等於功率門限值的所有時延抽頭作為與主要傳播路徑對應的時延抽頭。
6.根據權利要求5所述的一種CDMA無線通信的空間特徵提取及信號到達方向估計方法，其特徵在於所述的功率門限值基於當前時隙信道空時衝激響應數據確定，或聯合考慮當前時隙和當前時隙前面時隙的信道空時衝激響應數據確定。
7.根據權利要求6所述的一種CDMA無線通信的空間特徵提取及信號到達方向估計方法，其特徵在於所述的聯合考慮當前時隙和當前時隙前面時隙的信道空時衝激響應數據，是從當前時隙開始按指數衰減的原則考慮前面時隙的信道空時衝激響應數據。
8.根據權利要求5所述的一種CDMA無線通信的空間特徵提取及信號到達方向估計方法，其特徵在於所述的功率平均值基於天線陣列中的全部天線單元或部分天線單元。
9.根據權利要求1所述的一種CDMA無線通信的空間特徵提取及信號到達方向估計方法，其特徵在於所述的步驟C按θi，a(i)=argmax
]>計算每條主要傳播路徑i的空間特徵以及對應的到達方向，，表示內積運算，為陣列方向矢量a(θ)和其中一條主要傳播路徑i對應的空間衝激響應h(k)(τi)的內積，k表示第k個用戶，τi表示與主要傳播路徑i對應的時延抽頭。
全文摘要
本發明涉及一種CDMA無線通信的空間特徵提取及信號到達方向估計方法，可不受信號相關性和信號到達方向間距的影響。包括以下步驟A.利用天線陣列接收的數據估計所關心用戶信道的空時衝激響應；B.從估計的該用戶信道的空時衝激響應結果中分離並選取出其中主要傳播路徑的空間衝激響應；C.用提取出的主要傳播路徑的空間衝激響應，估計每條主要傳播路徑的空間特徵以及對應的到達方向。由於只用用戶信號主要傳播路徑的信道空間衝激響應，而不是利用所有傳播路徑的空間衝激響應數據，來估計相應徑的DOA，不僅避免了白噪聲的影響，還避免了多徑信息的相互幹擾。即使多徑信號的相關性很高，DOA完全相同，本發明方法也是有效的。
文檔編號H04L25/02GK1585318SQ03153929
公開日2005年2月23日 申請日期2003年8月20日 優先權日2003年8月20日
發明者李平安, 楊貴亮, 康紹莉, 胡兵 申請人:大唐移動通信設備有限公司