CN1179856A - 天线阵中用于自适应波束成型的装置以及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于从一自适应天线单元阵来接收和发送信息的装置和方法,其中一预测滤波器(68)提供在紧接着的一次传输脉冲串中可能被接收的接收信号样值(x(n))的估算。将此估算x(n))与从实际(先前接收到的)信号获得的信号样值(x)合并(70),以生成优化波束成型系数w_opt,应用(74)于从一自适应天线单元阵(41)来的数据(76),实际信号在预定数量帧上接收。同样,用于获取波束成型系数的处理时间增加了。

Description

天线阵中用于自适应波束成形的装置以及方法

本发明一般涉及的通信***，它尤其可用于采用自适应波束成形技术的通信***。

在通信***(特别是频分复用(FDM)***，诸如泛欧数字蜂窝全球移动通信***(GSM)通信以及交替码分多址(CDMA)***)中，自适应天线(AA)的使用日益诱人，原因在于这种自适应天线全面提高了***性能，特别是在(业务)容量处理上。可以理解，在自适应天线***中，通过精确地改变发射波的相位和振幅(幅度)分量能获得高精度的波束。更确切地说，从收发信机的天线阵中发射出来的一组波的相位和幅度随着天线阵中的单个元素的“加权”而变化，从而(如某个基站的)天线辐射模式与普通信号以及有关的覆盖区如一个小区的接口环境自动(优化)匹配。

在双工通信***中的自适应发射波束成形中，要求波束成形系数(即“加权”因子)通过响应先前接收信道信息来调整，这些接收信息在***的上行链路或下行链路中产生。实际上，当特定考虑某个GSM基站时，某种业务模式的波束成形系数必须在四个时隙持续时间(也就是4×15/26毫秒(ms)，即2.3ms)求得，然而在实际中，在移动单元中计算波束成形系数的时间可能更短。不幸的是，当考虑计算(估算)这些波束成形系数所要求的处理量时，有限的时间严重限制了可获得的精度。事实上，根据信号接收，包含在信号中的信息(典型时)必须被采样、存储然后再解调(通过同步和均衡处理)。另外，必须从接收信号生成发射权重，然后在此数据加载与调制之前应用到该用于传输的数据。

此外，由于这种波束成形机制导致的固有缺陷，使可用于处理的有限时间进一步受到损害，这些问题主要来自：(i)波束成形系数(权重)是频率相关的(上行链路和下行链路通常是工作在不同频率，从而要求进行频率转换和相位错误修正)；以及(ii)在信道环境中由移动单元与固定基站相对运动导致的时间相关波动。在后一点上，时间变化带来的影响可以通过如对接收到的时隙权重求平均的方法来减轻一定程度，但这种形式的时间修正是很粗糙的。

鉴于典型通信***中(可以被理解的)的波束成形系数选择，Weiner解决方案提出了一种优化选择(当然是用于修正上行链路与下行链路之间的频差)，为： $w_{\mathrm{upt}}=R_{\mathrm{xx}}^{-1}{r}_{\mathrm{xd}}------\left(1\right)$

其中：

i)x＝[x₁ ，x₂，...x_(n-1)，x_(n-2)，]^T是在n个支路(也就是n个天线单元)接收到的信号矢量；

ii)w_opt＝[w₁，w₂，...w_(n-1)，w_(n-2)]^T是这些n个支路的优化权重矢量；

iii)r_xd＝E[x^*s]是接收到的信号矢量与需要的信号矢量s的相关，需要的信号矢量在一脉冲串的确定训练序列期间被发送；

iv)R_xx是接收到的信号互相关矩阵，等于E[x^*x^T]；

v)R_xx ^-1表示矩阵的逆矩阵R_xx；

vi)x^*是x的复共轭；

vii)T是一矢量传递函数，它的行由列取代，反之亦然；以及，

viii)E[.]表示一期望值。

计算一连续信息帧必需的波束成形系数必须从接收信号来估算，因为相关矩阵R_xx和r_xd不能直接得到(因为在接收到与这些矩阵有关的信号之前不可能知道这些相关矩阵)。在这一点上，估算 (用一横线来表示)利用以下式子，适合用于计算一后续帧(n+1)的近似权重： $\stackrel{-}{R_{\mathrm{xx}}}(n+1)=\frac{1}{B}\underset{k=n-B+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}^{*}\left(k\right)x^T\left(k\right)-----\left(2\right)$

其中B是每次估算中所考虑的采样部分(如脉冲串)的数目(在某些情形下，每帧包含可能不止一个脉冲串)，它的说明可参阅J.H.Winters的“Signal Acquisition and Tracking with Adaptive Arrays in theDigital mobile Radio System IS-54 with Flat-Fading”，发表在1993年11月42(4)的IEEE Transactions on Vehicular Technology第377-384页上。同样，相关矩阵的估算是基于实际接收信号的。

同样，一般需要可靠的经过改进的机制(主要是提高效率)来计算波束成形系数。

用于接收和发送从一自适应天线单元阵来的信息的装置，该装置包括存储装置，用于保存接收信息，其特征在于一个预测滤波器，它通过响应接收信息，用于估算在至该装置至少一次将来传输中由该装置可能接收到的信息，以及合并先前接收信息和预测信息用以产生波束成形系数的装置，波束成形系数用于加权随后由该自适应天线单元阵发送的信息，这样就允许至该装置的至少一次将来传输中，在该装置接收到信息之前，计算波束成形系数。

本发明的第二点是它提供了一种在包含一自适应天线单元阵的装置中接收和发送信息的方法，该方法包括存储接收信息的步骤，其特征在于以下步骤：通过响应接收信息，在至该装置至少一次的将来传输中估算被该装置可能接收到的信息；以及用于合并先前接收信息和预测信息以产生波束成形系数，用于加权随后由该自适应天线单元阵发送的信息，借此允许在至该装置至少一次将来传输中，在该装置接收到信息之前，计算波束成形系数。

现在将结合附图对本发明的例示实施方式进行描述。

图1表示的是采用现有技术的双工通信信道。

图2表示的是本发明结合图1中的双工通信信道来实现时，定时得到的相应的改进。

图3表示用于自适应波束成形的机制和装置(对应于本发明的优选实施方式)的功能图。

参看图1，所表示的是采用现有技术的双工通信信道10，它包括多个帧12-18(在此特例中，为简洁起见仅例示了四帧)。每个帧分成8个分离时隙t₀-t₇(然而***对应的时隙数目以及每个时隙的持续时间可能不同)。可以理解，该双工通信信道10可以是一业务信道(TCH)或广播控制信道(BCCH)，这些不同形式信道的明显区别是在BCCH中，至少分配一个专门时隙(通常是t₀)用于***控制目的。如果我们将双工通信信道10看成一TCH，那么时隙t₀通常用作下行链路，而时隙t₃将用作对应的上行链路。其余的时隙将以类似的方式被分配/配对。因此，在本例中，每个帧12-18在下行链路传输与上行链路接收之间产生两个时隙的缓冲；以及，如上面的解释，在相邻帧中的上行链路接收与下行链路传输之间产生四个时隙(t₄-t₇)的缓冲20。显然，在移动单元情形下，缓冲刚好相反。

根据等式2，每个脉冲串传输可(从一训练序列的位的互相关，训练序列可以如在GSM中的中级缓行(mid-amble)序列)推得一帧k的接收信号矢量x(k)，同时每次估算要求的脉冲串的数量根据R_xx的预测变化率作相应的调整。然而，等式2要用到x(n)，因此可利用的时间限制在诸如基站或移动单元之类的通信装置的信息接收和发送之间。

本发明的优选实施方式是利用线性预测滤波，提供前一传输脉冲串中可能被接收的接收信号样值 x(n)的估算，并将此估算与从实际(先前接收到的)信号获得的接收信号样值合并，这些实际信号从任意(预定)数目脉冲串或帧接收，如三帧。可以理解，线性预测滤波可以用以下等式来表示： $\stackrel{-}{x}\left(n\right)-\underset{m=n-M}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_m^{T}x\left(m\right)------\left(3\right)$

其中：

i)a_m是用本领域普通技术人员所熟知的技术获得的滤波器系数矢量(参看Simon Haykin所著的参考书“Adaptive Filter Theory”第二版，New Jersey，U.S.A.；Prentice-Hall，1986.ISBN：0-13-01326-5中优化选择am的方法)；

ii)M是线性预测滤波器长度；

iii)m是整数标号；

iv)n是当前帧。

因此，与本发明优选实施方式相对应的相关矩阵的估算利用下式实现： $\stackrel{-}{R_{\mathrm{xx}}}(n+1)=\frac{1}{B}(\underset{k=n-B+1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}^{*}\left(k\right)x^T\left(k\right)+\stackrel{-}{x^{*}}\left(n\right)\stackrel{-}{x^T}\left(n\right))---\left(4\right)$

因此本发明的机制允许波束成形系数在脉冲串接收之前就被算得(因为先前接收到的信号影响到后面的波束成形系数)，例如在图1的基站情形中是在时隙t₃之前。从而在数据的接收与传输之间获得了可用于处理的额外时隙，因此提供了增加的缓冲30。增加以后的缓冲如图2所示，结合图1的双工通信信道相应的处理时间，可以看出图中本发明的实施方式带来的定时的好处。可以理解，增加后的缓冲30可以是整个帧或更多，但它至少是最后接收脉冲串与线性预测滤波器估算的脉冲串(它可能在同一帧中产生)之间的时间。

尽管预测滤波本身要求在通信装置的微处理器(或类似装置)中进行处理，提供给通信装置的额外时间既允许采用更为复杂的解码和波束成形算法(后者在通信***中一般能提高波束成形的分辨率与精度)，也允许使用更慢(从而更便宜)的处理器。而在通信装置中要求进行的额外处理可以通过限制估算中所用的脉冲串B来得到优化。为了简洁，对计算

的机制作了详细的描述，应理解尽管对于估算

最好采用相同的数学方法，但要作适当的替换，即将x^T或

变为s^T。

通过对等式4中的每一项加权，本发明的基本思想可以得到进一步的发展，加权因子对应于预计R_xx的变化率，从而使相关矩阵估算本身变成了可预测的。这在数学上可表示如下： $\stackrel{-}{R_{\mathrm{xx}}}(n+1)=\frac{1}{B}(\underset{k=n-B+1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}c(k-n+B)x^{*}\left(k\right)x^T\left(k\right)+c\left(B\right)\stackrel{-}{x^{*}}\left(n\right)\stackrel{-}{x^T}\left(n\right))---\left(5\right)$

其中数值集合c＝[c(1)，c(2)，...c(B)]^T预先进行估算，通过凭借经验测量从覆盖区域来接收数据的点，使估算误差最小(在一移动单元与一固定基站之间进行测量)。因此，该预测加权考虑相关矩阵R_xx的实际变化率。同样，系数c的引入给等式5中的级数项提供了相对加权，使得R_xx估算错误最小。

现在参看图3，它是一种用于自适应波束成形的机制与装置40的功能图(对应于本发明的优选实施方式)。装置40是一通信装置，例如是包括接收和发送编码信号42的天线单元阵41的基站或移动单元(适当的)。该天线单元阵41耦合到一天线开关阵44，它用于选择地将接收器阵列46或发射器阵列48耦合到天线单元阵41。

在一接收通路，由天线单元阵41接收、并由接收器阵列46处理的信息方位(bearing)信号(即x)通过一模数转换器50耦合到缓冲器49。该缓冲器设计成至少能保存B个脉冲串。保存在缓冲器49中的数据x输入到相关矩阵估算器52中，相关矩阵估算器52还对包含训练序列s的存储复制的寄存器54进行响应。该相关矩阵估算器52给R_xx和r_xd提供数值(根据等式2)以作为对x和s的响应。权计算器56接收R_xx和r_xd来完成等式1的运算以生成w_opt的值(也就是该接收通路的波束成形系数)，这些值分别作用于从波束成形器58中的缓冲器49来的样值。一个从波束成形器58来的输出被耦合到解调器60，解调器60反过来再提供一解码输出信号62给输出装置64，例如是语音解码器或可视显示单元(VDJ)。

在一发送通路，存储在缓冲器49中数据与先前帧相关，它被输入到根据等式3来计算x的信号预测器68中。存储在缓冲器49中的数据x还输入到相关矩阵估算器70(它对 x作进一步的响应，它还对存储在寄存器54中的训练序列s的复制进行响应)中，由它完成等式4或等式5，生成

和

。一个二次权计算器72(它可能是权计算器56)接收

和

来完成等式1以生成w_opt的值(用于该发送通路)，它们在波束成形器74(它可能是波束成形器58)中用于从诸如调制解调器或键盘等输入装置来的数据76。从波束成形器74来的一个输出耦合给调制器80阵列，而调制器阵列80反过来提供编码输出信号82给发射器48，最终通过天线开关阵列44提供给天线单元阵列41。

可以理解，相关矩阵估算器52和70、权计算器56和72、波束成形器58和74以及信号预测器68的典型实现在一微处理器90中，而寄存器54可位于该微处理器90的内部(如图所示)或外部。

由该通信装置在该脉冲串期间接收到的信息例如可以是数据或编码语音。详细地说，在数据场合下，开始通信时可能有多个帧被缓冲以允许进行精确的发送波束成形。然而，在语音通信情形下，有必要用估算所得的波束成形系数以及覆盖区域的全方位模式来开始通信，借此来优化初始加权因子，然后在最早可能时间即至少一个脉冲串传输被接收以后引入本发明机制。

尽管本发明是结合GSM泛欧数字蜂窝通信***来描述的，本发明可应用于任何双向***，包括那些使用时分复用(TDM)协议、声波以及双工***。而且，本发明的实施方式可以是在某个移动单元中，或者是在某个控制多个移动单元的基站中。

当然可以理解，本发明在此仅给出了示例，可以在本发明范围内作细节上的修改，如预测滤波技术(该预测滤波技术的使用可以结合实际的数据接收，而无需局限于本发明例示实施方式中所描述的线性预测滤波)在紧接着的脉冲串传输之前可能超过一帧。这样，尽管处理时间会增加，但精度会相应提高。

Claims (10)

1.用于从某自适应天线单元阵(41)接收和发送信息(42)的装置(40)，该装置包括存储装置(49)以用于存储接收信息(x)，其特征在于：

一预测滤波器(68)，响应于接收的信息，在至该装置的至少一次将来传输中估算可能被该装置接收的预测信息；

用于合并先前接收信息(x)和此预测信息( x)的装置(70)，以生成波束成形系数(w_opt)，用于加权随后由自适应天线单元阵(41)发送的信息(76)，从而允许至该装置的至少一次将来传输中，在该装置接收到信息之前，计算波束成形系数。

2.根据权利要求1，其中预测滤波器(68)是一线性滤波器，形式如下： $\stackrel{-}{x}\left(n\right)=\underset{m=n-M}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_m^{T}x\left(m\right)$

其中：

i) x是预测所得信息；

ii)a_m是滤波器系数矢量；

iii)x(m)是接收信息；

iv)T是矢量传输函数，它的行用列替换，反之亦然；

v)M是线性预测滤波器长度；

vi)m是整数标号；

vii)n是当前帧。

3.根据权利要求2的装置，其中用于合并的装置(70)包括一相关矩阵估算器，它根据下式估算预测所得信息( x)与接收信息(x)之间的相关矩阵： $\frac{1}{B}(\underset{k=n-B+1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}^{*}\left(k\right)x^T\left(k\right)+\stackrel{\text{-}}{x^{*}}\left(n\right)\stackrel{-}{x^T}\left(n\right))$

其中：

i)x＝[x₁，x₂，...x_(n-1)，x_(n-2)] T是在自适应天线单元阵中的接收信号矢量；

ii)x^*是x的复共轭；以及

iii)B是每次估算中所考虑的样值部分的数量。

4.根据权利要求2的装置，其中用于合并的装置(70)包括一相关矩阵估算器，它根据下式估算预测所得信息( x)与接收信息(x)之间的相关矩阵： $\frac{1}{B}(\underset{k=n-B+1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}c(k-n+B)x^{*}\left(k\right)x^T\left(k\right)+c\left(B\right)\stackrel{-}{x^{*}}\left(n\right)\stackrel{-}{x^T}\left(n\right))$ 其中：

i)x＝[x₁，x₂，...x_(n-1)，x_(n-2)，]^T是在自适应天线单元阵中的接收信号矢量；

ii)x^*是x的复共轭；

iii)B是每次估算中所考虑的样值部分的数量；

iv)c是一常数集合[c(1)...c(B)]，对应与相关矩阵的预测变化率。

5.根据前述权利要求的装置，其中信息的接收和发送是在脉冲串中。

6.根据权利要求5的装置，其中脉冲串是在一时分复用(TDM)通信***中。

7.根据权利要求5和6的装置，其中接收信息是从预定数量的脉冲串得到的。

8.根据前面任何权利要求的装置，其中该装置是一基站。

9.根据权利要求1到7的任意一项的装置，其中该装置是一移动单元。

10.一种用于在包含一自适应天线单元阵(41)的装置(40)中接收和发送信息的方法，包括存储(49)接收信息(x)的步骤，其特征在于如下步骤：

响应于接收信息(x)，在至该装置的至少一次将来传输中，估算(68)可能被该装置接收的预测( x)；以及，

合并(70)先前接收信息和该预测信息，以产生波束成形系数，用于加权随后由该自适应天线阵发送的信息，从而允许信息在至该装置的至少一次将来传输中，在该装置接收到信息之前，计算波束成形系数。