CN1322685C - 自适应天线阵列***以及权重系数计算控制方法 - Google Patents

Abstract

一种自适应天线阵列***，包括一个天线阵列，所述天线阵列包括多个天线单元，所述天线阵列通过根据权重系数来确定由每个天线单元所接收的已接收信号的权重来已接收信号进行合成，并输出所合成的信号；一个权重系数计算单元，用于通过自适应控制对已接收信号的权重系数进行计算；一个评估单元，用于对由权重系数计算单元执行的自适应控制的收敛状态进行评估；以及一个控制单元，用于根据评估单元的收敛状态评估结果、对由权重系数计算单元执行的自适应控制的操作进行控制。

Description

自适应天线阵列***以及权重系数计算控制方法

技术领域

本发明相关于一个自适应天线阵列***以及计算并且控制权重系数的方法。

所要求的优先权是2003年3月31日提交的编号为2003-95364的日本专利申请，其内容结合在这里以供参考。

背景技术

在常规传统的自适应天线阵列***中，提供由多个天线单元组成的一个天线阵列，并且在使用控制该天线阵列的方向性的权重系数来确定该信号的权重之后将每个天线单元的已接收信号合成起来并输出。另外，计算该权重系数的方法的一个已知的例子涉及使用基于最小均方误差(MMSE)的自适应算法来计算使用自适应控制的权重系数，以使每个天线单元的已接收信号和一个参考信号间的均方误差最小(请参考，例如，Nobuyoshi Kikuma编辑的，“Adaptive SignalProcessing by Array Antennas”，科学出版有限公司(Science PressInc)，1998年11月，13-66页)。上面提到的基于MMSE的自适应算法的例子包括最小均方(LMS)算法和递归最小均方误差(RLS)算法。

另外，一个已经开发出***，其能够通过减少用于更新上面提到的权重系数的计算的次数来减少该算法处理装置(例如，数字信号处理器(DSP))的功率消耗。在此种类型的***中，如所示出的，例如，在第一公布号为2002-77012的日本未审查的专利申请中，通过评估一个已接收信号的传播路径特征以及控制上面提到的对应此评估结果的权重系数的更新次数，可知用于更新权重系数的计算的数量减少了。用于表示传播路径特性的一个参数的例子是移动终端装置的相位调整速度。如果相位调整速度低于一个预定的值，可以判断该权重系数自身几乎没有波动，并且以先前的框架计算的权重系数继续被使用，从而减少了权重系数的更新次数。例如，更新次数取一个比例，即一个帧对应每个预定数量的帧。

另外，直到权重系数的偏差增加到一定程度，即在已接收信号中发生了循环冗余码校验(CRC)错误或者其他的接收错误，权重系数的更新处理才能被执行。

然而，上面提到的现有技术存在下面指出的问题。

就一个基于移动终端装置的相位调整速度而减少了权重系数的更新次数的***来说，由于对权重系数的更新次数是否能够被减少的判断是基于根据经验获取的条件，相应于权重系数中的波动更新次数并不总是被减少，从而导致接收品质恶化的风险。

另外，就一个接收错误产生之后更新权重系数的***来说，存在对接收品质造成严重有害影响的风险，从而使其成为不合需要的。

为了使权重系数精确地跟随已接收信号的传播路径中波动，减少权重系数的更新次数是不理想的。另一方面，大量的计算增加了移动终端的电流消耗，从而具有增加电池尺寸以及缩短电池寿命的有害效果。

基于这样的原因，有一种需求是获取一个合适的权重系数，同时减少所需要的计算的数量。

考虑到这样的情况，本发明的目的是提供一个自适应的天线阵列***以及权重系数计算控制方法，以能够通过减少为获取适当的权重系数而需要的计算数量来减少电流消耗。

发明内容

本发明的第一个方面是一种自适应天线阵列***，其具有包括多个天线单元的天线阵列，所述天线阵列根据权重系数以及输出信号来确定每个天线单元已接收到的信号的权重对已接收信号进行合成；一个权重系数计算单元，其通过自适应控制来计算已接收到的信号的权重系数；一个评估单元，用于评估由权重系数计算单元执行的自适应控制的收敛状态；以及一个控制单元，用于根据该评估单元的收殓状态评估结果来控制由权重系数计算单元执行的自适应控制的操作。

在上面描述的自适应天线阵列***中，该权重系数计算单元也通过自适应控制来计算权重系数，所述自适应控制使用基于最小均方误差方法的自适应算法，以使参考信号与输出信号之间的移动均方误差最小，并且该评估单元可以通过在所述移动均方误差连续地低于一预定的值达到一预定的次数的情况中已经收敛的权重系数计算单元来对该自适应控制进行判断。

在上面的自适应天线阵列***中，该权重系数计算单元也可以通过自适应控制来计算权重系数，所述自适应控制使用基于最小均方误差方法的自适应算法，以使参考信号与输出信号之间的移动均方误差最小，并且该评估单元可以通过在所述移动均方误差均方误差的变化速率低于一预定值的情况中已经收敛的权重系数计算单元来对该自适应控制进行判断。

在上面的自适应天线阵列***中，当控制单元通过评估单元判断到该权重系数计算单元的自适应控制已经收殓时，该控制单元可以停止由该权重系数计算单元执行的该自适应控制的操作。

在上面的自适应天线阵列***中，当控制单元通过该评估单元判断到该权重系数计算单元的自适应控制已经收殓时，该控制单元可以间歇性地激活由该权重系数计算单元执行的自适应控制。

在上述的自适应天线阵列***中，该控制单元以指定的时间间隙间歇性地激活由该权重系数计算单元执行的自适应控制。

在上面的自适应天线阵列***中，在由权重系数计算单元执行的自适应控制被间歇性地激活的情况中，当评估单元对自适应控制的收敛判断条件不再被满足时，该控制单元可以将由该权重系数计算单元执行的自适应控制返回到稳定的状态。

在上面的自适应天线阵列***中，该控制单元可以自适应地控制间歇性激活由权重系数计算单元执行的自适应控制的时间间隙。

本发明的第二个方面是一种自适应天线阵列***中的权重系数计算以及控制方法，该自适应天线阵列***包括多个天线单元的天线阵列，并且合成并输出由天线单元通过根据权重系数确定信号权重而已接收信号，该方法有一个权重系数计算步骤，用于通过自适应控制计算已接收信号的权重系数；一个评估步骤，用于评估由该权重系数计算步骤执行的自适应控制的收敛状态；以及一个控制步骤，用于根据该评估步骤对收敛状态评估的结果来控制由权重系数计算步骤执行的自适应控制的操作。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施方式的自适应天线阵列***的配置框图。

图2是当无线电信号被图1中的***接收时所使用的一个帧的部分配置示意图。

图3是本实施方式中评估自适应控制的收敛状态的方法示意图。

图4是本实施方式中用于控制自适应控制的操作的方法示意图。

图5是本实施方式中使用自适应控制操作的控制方法获取的仿真结果的第一图示。

图6是本实施方式中使用自适应控制操作的控制方法获取的仿真结果的第二图示。

具体实施方式

下面结合附图提供对本发明的实施方式的说明。另外，在本实施方式中，码分多路访问(CDMA)***，被称为“cdma2000lxEV-DO”的例子被用于说明该无线通信***。

图1是根据本发明的实施方式的自适应天线阵列***的配置的框图。图1所示的自适应天线阵列***具有例如“cdma20001xEV-DO”类型的无线通信***中提供的一个移动台(例如，蜂窝电话)，且使用由ANT1到ANT4(图1中所示的四个)组成的多个天线阵列接收从一个无线基站传送的无线电信号，然后通过确定权重系数来合成已接收信号。

图2示出了当从一个无线基站向“cdma20001xEV-DO”类型的无线通信***中的一个移动台传送无线电信号时所使用帧的部分配置。在无线电信号被图1所示的***接收时，图2所示的帧被使用。

图2示出了时间间隙的配置，多个时间间隙根据该帧内的时间分配而被多路复用。在此图2中，该引示信号是一个已知的信号，并且由CDMA***中扩散信号(PN码)的96个单元(96个码片)组成。

该引示信号被自适应控制用来计算权重系数。例如，引示信号101被用于计算从后面的测量与控制(MAC)信号到下一个引示(PILOT)信号102之间的时间间隙上已接收信号的权重系数Wk。

在图1中，该自适应控制***提供有一个天线阵列，其包括四个天线单元ANT1到ANT4，一个无线单元2，乘法器4，一个加法器8，一个权重计算单元10，一个参考信号存储单元12，一个收敛状态评估单元14以及一个权重计算控制单元16。

无线单元2放大来自天线单元ANT1到ANT4的无线电信号，并且在将它们转换为基带信号，在通过一模拟数字转换器(A/D转换器)转换为数字信号之后，输出已接收信号X₁到X₄。这些信号X₁到X₄分别对应于天线单元ANT1到ANT4。

对应于每个天线单元ANT1到ANT4提供了乘法器4。对应于每个天线单元的已接收信号经由无线单元2输入到每个乘法器4。另外，对应于每个天线单元的权重系数从权重计算单元10输入到每个乘法器4。

乘法器4通过将输入的已接收信号乘以来自权重计算单元10的一个权重系数来执行权重计算。该计算了权重的已接收信号随后被输入到加法器8。加法器8通过把从每个乘法器4来的已接收信号输入相加来合成一个信号，以产生并且输出一个输出信号Y。另外，此输出信号Y被输入到权重计算单元10。

权重计算单元10(权重系数计算单元)使用一个基于MMSE的自适应算法来计算权重系数W₁到W₄，该权重系数W₁到W₄用于控制由天线单元ANT1到ANT4组成的该天线阵列的方向性的。最小均方(LMS)方法和递归最小均方误差(RLS)算法方法可以被用于此自适应算法。

一个来自参考信号存储单元12的参考信号r，已接收信号X1到X4以及来自无线单元2的输出信号Y，以及来自权重计算控制单元16的控制指令被输入到权重计算单元10。参考信号存储单元12具有对应于前面提到的图2中所示的预先存储在存储器中的已知的引示信号的参考信号r。

权重计算单元10使用输入参考信号r，已接收信号X1到X4以及输出信号Y通过自适应控制来计算权重系数W1到W4，以使参考信号r和输出信号Y之间的移动均方误差E最小。这些权重系数的计算的处理在由96个码片组成的引示信号上执行。也就是说，每次接收到一个引示信号，计算的权重系数W1到W4被分别地输入到对应的乘法器以更新权重系数。

在一个单重的权重系数更新处理过程中，权重计算单元10从引示信号中的第一码片开始在码片单元中依序执行自适应控制的算术处理。如果从权重计算控制单元16已接收到一个控制指令，则根据该控制指令来执行自适应控制的算术处理。

另外，对于码片单元中的引示信号的自适应控制的每次算术处理，权重计算单元10将上面提到的移动均方误差E输出到收敛状态评估单元14。移动均方误差E由等式1和2来确定。

$e\left(t\right)={|r\left(t\right)-W_k^H\left(t\right)X\left(t\right)|}^2$ (等式1)

$E\left(m\right)=\frac{1}{L}\underset{n=m-L+1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}e\left(t_n\right)$ (等式2)

在这些等式中，t表示码片单元中从第1个码片到第96个码片的时间，r(t)表示时刻t的参考信号，W_k(t)表示时刻t权重系数向量[W(t)₁-W(t)₄]，X(t)表示时刻t的已接收信号向量[X(t)₁-X(t)₄]，e(t)表示时刻t的瞬间方误差，E(m)表示移动平均间隔m上的移动均方误差，L表示移动平均长度，t_n表示对应于第n个码片(n＝1，2，3，...96)的时间，并且H是复共轭变换的符号。

收敛状态评估单元14(评估单元)通过权重计算单元10根据来自所述权重计算单元10的移动均方误差E来评估自适应控制的收殓状态。后面还将对控制自适应控制操作的方法进行详细地描述。收敛状态评估单元14将评估结果输出到权重计算控制单元16。

权重计算控制单元16(控制单元)根据从收敛状态评估单元14的评估结果来控制由权重计算单元10执行的自适应控制的操作。用于控制自适应控制操作的方法将在后面详细描述。

接下来，对上面提到的用于评估自适应控制的收敛状态的方法提供一个说明。

在本实施方式中，自适应控制的收敛状态由权重计算单元10根据移动均方误差E来评估。尽管可以考虑使用各种不同的方法来进行此评估，下面还是提供了对使用下面例子的方法的说明。

第一，提供了对第一评估方法的说明。图3是一个第一评估方法的示意图。在此第一评估方法中，如图3中所示，如果移动均方误差E连续地低于预定的阈值达到一个预定的次数，由权重计算单元10进行的自适应控制被判断为已经收敛。可以选择的是，也可以在移动均方误差E只低于预定的阈值Th一次的情况下判断自适应控制已经收敛。一个值，例如对应于基于CIR的动态范围的CIR值的下限应该被选择作为上面提到的阈值Th的值。

下面将提供对第二评估方法的说明。在此第二评估方法中，对权重计算单元10执行的自适应控制是否已经收敛的判断是根据移动均方误差E的变化速率来作出的。移动均方误差E的变化速率β是由等式3来确定的。

$\mathrm{\β}\left(m\right)=\frac{|E\left(m\right)-E(m-1)|}{E\left(m\right)}$ (等式3)

如果变化速率β小于一个预定的阈值β0，自适应控制被判断为已经收敛。

当收敛状态评估单元14已经判断出由权重计算单元10执行的自适应控制已经收敛，其将该状况通知权重计算控制单元16。

在上面描述的本实施方式中，权重计算单元10执行的自适应控制已经收敛的判断是根据移动均方误差E来作出的。移动均方误差已经知道是与载干比(CIR，Carrier to Interference radio)的提高相关的。CIR作为已接收特性的一个表示。因此，当自适应控制被判断为已经收敛时，权重系数能够通过使用对应于符合要求的CIR的阈值Th或者β0来维持符合要求的接收品质。

下面提供对上面提到自适应控制操作的控制方法的说明。在本实施方式中，在由权重计算单元10执行的单个引示的权重系数的每重更新处理过程中，由权重计算单元10执行的自适应控制被控制，以便在权重计算单元10执行的自适应控制被通过上面提到的评估方法判断为已经收敛之后，在随后的权重系数更新处理过程中减少计算的数量。尽管可以考虑将各种不同的方法作为此自适应控制操作的控制方法，下面提供了对这样的方法的例子进行说明。

首先，提供对第一操作控制方法的说明。在此第一操作控制方法中，一旦权重计算单元10执行的自适应控制已经被判断为收敛之后自适应控制的操作就被停止。因此，一旦其已经已接收到停止操作的指令，权重计算单元10不再为码片进行自适应控制的计算。权重计算单元10随后使用在操作被停止时的该权重系数来更新权重系数。结果是用于更新权重计算单元10中权重系数的计算的数量被减少了。

接下来，提供对第二操作控制方法的说明。图4是第二操作控制方法示意图。在此第二操作控制方法中，如图4所示，在由权重计算单元10执行的自适应控制已经被判断为已收敛时，自适应控制被间歇性地操作，而不是对每个码片来操作。作为结果，权重计算单元10在已接收到启动该操作的指令时仅为一个码片进行自适应控制的计算。权重计算单元10随后使用在自适应控制的最后计算中获得的权重系数来更新权重系数。作为结果，再加上在权重计算单元10中被减少的用于更新权重系数的次数，自适应控制尽可能在权重系数被应用到的已接收信号相近的时间来执行，从而提高权重系数的精确度。

另外，上面提到的间歇性操作方法可以以一个指定的时间间隙来激活。

另外，如果由权重计算单元10执行的自适应控制被间歇性地操作，一旦根据上面提到的阈值Th或者阈值β0来判断收敛的条件不再满足时，该自适应控制可以返回稳态。

另外，该操作间隔也可以被自适应地控制。在这样的用于操作间隔的自适应控制的方法的一个例子中，一旦被判断已经收敛该移动均方误差E由收敛状态评估单元14来监视。该操作间隔随后可以在移动均方误差E减小的过程中被增加，也可以在移动均方误差E增加的过程中被减小。例如，根据等式4来控制用于自适应控制的一个码片(时间)。

t_n+1＝t_n+Δt_n+1    (等式4)

在此等式中，当β(n)＜β0时Δt_n+1是Δt_n+1+1，当β(n)≥β0时Δt_n+1是1。

图5和6示出了根据等式4来自适应地控制用于自适应控制的操作间隔的情况中的仿真结果。图5示出了用于自适应控制的计算次数的累积分布，同时图6示出了CIR的改进度的累积分布。

如图5中所示，自适应控制的计算数量相对于阈值β0减少。相比之下，如图6中所示，尽管阈值β0改变了，但是CIR的改进度基本上是相同的。在此方式中，根据本实施方式，除了能够保持接收品质外，还可降低直到得到一个适当的权重系数所需要的计算次数。因此，由DSP以及其他组件消耗的功率量被降低了。

另外，本发明的自适应天线阵列***能够被类似地应用到一个无线基站。另外，其也可以被应用到各种无线通信***，例如上面提到的“cdma20001xEV-DO”***，假如该***通过自适应控制来计算已接收信号的权重系数。

尽管上面提到的解释结合附图提供了对本发明的实施方式的详细的描述，具体的配置并不限制于此实施方式，但是在不偏离本发明的精神的范围中也包括相当多的设计改变以及类似的内容。

综上所述，根据本发明，由于对通过自适应控制对权重系数的计算的收敛状态进行评估，且对应于该评估结果控制权重系数计算单元，由此控制所述自适应天线阵列，则获取一适当的权重系数需要的计算次数可以被减少。因此，由于DSP以及其他组件消耗的功率数量被减少了，所以可实现功率消耗的降低。

尽管本发明的优选实施方式已经被描述和说明如上，应该理解为这些是本发明的典型例子而不应看作是对本发明的限制。在不脱离本发明的精神或者范围的条件下可以进行增加，删除，替换以及其他的修改。因此，本发明不应被看作由前面的说明书来限制，并且本发明只由附加的权利要求来限制。

Claims (9)

1.一种自适应天线阵列***，包括：

一个天线阵列包括多个天线单元，所述天线阵列通过根据权重系数来确定每个天线单元已接收信号的权重对每个天线单元的已接收信号进行合成，并输出信号；

一个权重系数计算单元，用于通过自适应控制来使对接收信号的权重系数的计算收敛；

一个评估单元，用于评估权重系数计算单元中自适应控制的收敛状态；以及

一个控制单元，用于对应于评估单元的结果控制权重系数计算单元，由此控制自适应天线阵列。

2.如权利要求1所述的自适应天线阵列***，其中权重系数计算单元通过自适应控制使用基于最小均方误差方法的自适应算法来计算权重系数，以使参考信号与输出信号之间的移动均方误差最小，以及

该评估单元在移动均方误差连续地低于一预定值达到一预定次数时就判断由该权重系数计算单元在自适应控制下对接收信号的权重系数的计算已经收敛。

3.如权利要求1所述的自适应天线阵列***，其中权重系数计算单元通过自适应控制使用基于最小均方误差方法的自适应算法来计算权重系数，以使参考信号与输出信号之间的移动均方误差最小，以及

该评估单元在移动均方误差的改变率低于一预定值时，判断由该权重系数计算单元在自适应控制下对接收信号的权重系数的计算已经收敛。

4.如权利要求1所述的自适应天线阵列***，其中在评估单元判断出由权重系数计算单元在自适应控制下对接收信号的权重系数的计算已经收敛时，控制单元停止由权重系数计算单元根据自适应控制对接收信号的权重系数的计算。

5.如权利要求1所述的自适应天线阵列***，其中在评估单元判断出由权重系数计算单元在自适应控制下对接收信号的权重系数的计算已经收敛时，控制单元间歇性地激活由权重系数计算单元根据自适应控制对接收信号的权重系数的计算。

6.如权利要求5所述的自适应天线阵列***，其中该控制单元以特定的间隔间歇性地激活由该权重系数计算单元根据自适应控制对接收信号的权重系数的计算。

7.如权利要求5所述的自适应天线阵列***，其中在由权重系数计算单元在自适应控制下对接收信号的权重系数的计算被间歇性地激活的情况下，当评估单元对在权重系数计算单元中根据自适应控制对接收信号的权重系数的计算的收敛的判断条件不再被满足时，该控制单元将由该权重系数计算单元在自适应控制下对接收信号的权重系数的计算的返回到稳定的状态。

8.如权利要求5所述的自适应天线阵列***，其中该控制单元自适应地控制间歇性地激活由权重系数计算单元根据自适应控制对接收信号的权重系数的计算的时间间隔。

9.一种自适应天线阵列***中的权重系数计算和控制方法，所述自适应天线阵列***包括一个由多个天线单元组成的天线阵列，并且通过根据权重系数来确定信号的权重来合成并输出使用天线单元接收的接收信号，

该方法包括：

一个权重系数计算步骤，用于通过自适应控制使接收信号的权重系数的计算收敛；

一个评估步骤，用于评估由该权重系数计算步骤执行的自适应控制的收敛状态；以及

一个控制步骤，用于对应评估步骤的结果控制权重系数计算步骤，由此控制自适应天线阵列。

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