CN1526209A - 自适应阵列天线接收装置和方法 - Google Patents

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�д��ʷ
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Abstract

本发明公开了一种自适应阵列天线接收装置，其中无线电接收部分(102a、102b、……、102n)将来自天线元件(101a到101n)的RF信号转换成基带信号(118a、118b、……、118n)并输出它们。响应于所转换的基带信号，搜索器部分(103)基于天线元件(101a到101n)为每个波束检测路径的位置(时间)。手指部分(104)在由搜索器部分(103)检测到的时间处执行解扩操作，使用自适应算法来形成波束，并最大比率合并所述波束。按这种方式，当多个路径在时间轴上彼此重合时，可以根据所述路径的位置(时间)来区分这些路径。因此，当检测到延迟信息差别时，不必重分配路径。这改进了波束的跟循特性和通信质量。

Description

自适应阵列天线接收装置和方法
技术领域
本发明涉及自适应阵列天线接收装置和方法，更具体地说，本发明涉及这样一种自适应阵列天线接收装置和方法，其为使用DS-CDMA(直接序列码分多址)方案的移动通信***中的无线电基站提供具有多个天线元件的阵列天线，并且通过将接收信号乘以任意的幅度与相位权重并合并所述乘积来等价地形成所希望的波束方向图。
背景技术
一般地，DS-CDMA方案是其中多个通信装置通过使用相同的频带而进行多路复用通信的方案。各通信装置彼此隔离并由扩频码所标识。在移动通信中，多路复用波传播中的各接收波在传播路径长度上有所不同，因此具有不同传播延迟时间的多路复用会彼此干扰，并输入到多个接收器中。而且，由于移动站相对于基站的位置变化，因此各传播路径中的路径信号在超视距环境下会产生瑞利偏差(Rayleigh variation)。结果，所获得的延迟特性(相对于延迟时间的信号功率分布)也随着时间而变化。在DS-CDMA通信中，收集具有不同传播延迟时间的多个时间上分开的多路径信号并对它们执行同相合并(RAKE合并)，可获得路径分集效果并提高接收特性。
或者，如果接收质量保持恒定，则可通过伴随RAKE合并的多样性效果而减小发射功率。
当前使用扇形天线作为使用DS-CDMA的移动通信***中的基站天线。每个扇形天线负责从360°圆周(小区)划分而成的多个扇区中对应的一个。将小区划分成扇区使得可以去除来自扇区之外的移动站的干扰波，并减少对扇区之外的移动站的干扰。然而，来自同一扇区中其他用户的波成了干扰波。来自其他用户的干扰是导致信道容量减小和传输质量下降的主要因素。因此，作为减小这一干扰并提高传输质量的技术，人们已研究并开发了自适应阵列天线***。
通过将每个天线输出乘以幅度和相位权重，自适应阵列天线***等价地形成天线导向性方向图(波束)。该***在所希望的波的到达方向上导引所述波束，或者在干扰波的到达方向上导引空值，从而提高了所希望的波的增益，并抑制了区域内的干扰。
在图5中的传统的自适应阵列天线中，由天线组521接收的RF(射频)接收信号被无线电接收部分组522频率转换成中频信号，并由自动增益放大器(未示出)所放大。所放大的信号被正交检测成I/Q信道基带信号。然后A/D转换器(未示出)将这些信号转换成数字信号。从无线电接收部分组522输出的各数字信号被发送到搜索器部分501和手指部分504。在搜索器部分501中，首先，相关器组505计算包含在由天线组521接收的接收信号中的所希望的波信号的符号相关度，并且延迟特性估算部分组507基于所述计算结果生成延迟特性信号组508(相对于延迟时间的信号功率分布)。延迟特性估算部分组507然后输出该信号组。路径检测电路502根据延迟特性信号组508搜索多路径信号的接收时间(receptiontiming)，并将所述接收时间分配到手指部分504的各个手指(手指1到手指n)。
手指部分504通过使用输出自路径检测电路502的接收时间通知信号503来解扩输出自无线电接收部分组522的数字信号。在手指部分504的手指1到手指n的每个手指中，解调器组511(每个手指包含数量上等于天线组521的所有天线元件的解调器)在搜索器部分501所分配的路径上执行解扩处理。解扩后输出自解调器组511的信号被输出到波束形成器512，以乘以权重控制部分514中由自适应算法计算出的幅度和相位权重，从而等价地形成波束。基于参考信号516，来自波束形成器512的输出在信道估算部分513中接受信道估算计算，并被输出到RAKE合并电路515。RAKE合并电路515对来自各手指的信道估算部分513的输出进行RAKE合并，并将所获得的输出发送出去。
通过使用信道估算部分513将参考信号516乘以信道估算值，并计算所述乘积和来自波束形成器512的输出之间的差值，生成权重控制部分514中的自适应控制算法所需的误差信号。权重控制部分514更新所述幅度和相位权重，以最小化这一误差信号，从而等价地形成波束方向图并使得它跟循(follow up)所分配的路径。
注意，作为用于确定幅度和相位权重的算法，使用了例如MMSE(最小均方差)的自适应算法。这些类型的算法中的许多算法被设计成使得所计算的权重逐步收敛到最优值。
如上所述，在传统的自适应阵列天线接收装置中，搜索器部分501只能获得路径的功率电平和延迟时间信息。因此除了基于这两项信息将路径分配到手指部分504的各手指之外没有其他选择。
作为这种路径分配方法的示例，日本专利特开No.9-181704中公开的“CDMA多路径搜索方法和CDMA信号接收装置(CDMA MultipathSearch Method and CDMA Signal Reception Apparatus)”是公知的。在此文献中描述了下述技术。
例如，对于不同延迟信息在其上彼此重合的路径，存在一种方法，用来基于功率电平信息将路径重新分配到手指上，并且存在一种方法，用来按照延迟时间的顺序将以预定时间间隔检测到的多个路径分配到手指部分504上。然而，利用这些方法，在路径的功率电平和延迟信息每时刻都在变化的环境中，需要从初始状态开始重复进行用于自适应处理的计算，并且每次需要这种操作时波束都会发散，从而导致接收质量的下降和信道容量的减小。
参考用于说明路径延迟的图6(图6A和6B)和示出了图6中的延迟特性的图7(图7A和7B)，假设从移动单元601发射的信号已经过两个传输路径即路径1和2而在给定时刻t1到达基站602，如图6A所示。假设由于路径1的传输路径长度小于路径2，并且路径1的延迟相应地小于路径2，因此基站601中的接收装置中的搜索器部分501获得了类似于如图7A所示的延迟特性。
随后，在给定时刻t2，移动单元601移动了，并设置了如图6B所示的位置关系。在此情形下，路径1的传输路径长度大于路径2，并在基站602中获得了类似于图7B所示的延迟特性。
在传统的自适应阵列天线接收装置中，在图7A所示的情形下，路径1和2分别分配给手指1(即波束1)和手指2(波束2)，并且，当处于图7B所示的情形时，切换路径分配，以使得路径2分配给手指1(波束1)，而路径1分配给手指2(波束2)。也就是说，当在时间轴上路径彼此重合时，如路径1和2，传统的搜索器部分501就不能区分这两个与移动单元601的移动相关的路径，因此丢失了对所述路径之一的跟循(follow-up)控制。因此，当以后检测到延迟信息差别时，就必须重新进行路径分配。
在自适应阵列天线***中的自适应处理中，这一路径分配需要从初始状态开始为已会聚的波束或会聚中的波束进行重计算。也就是说，这一操作是一个大大降低了波束的跟循特性(会聚特性)的因素，产生了基本性能上的严重问题。
在上述传统的自适应阵列天线接收装置中，当移动站移动时，由于传播延迟时间的改变，已分别分配给手指1(即波束1)和手指2(波束2)的路径1和2被切换并分别重分配给手指2(波束2)和手指1(波束1)，其中所述传播时间的改变是因为由于移动站的移动而导致的到基站的路径长度的改变。当所述的两个路径在时间轴上彼此重合时，搜索器部分就不能区分它们，因此此时就丢失了对所述路径之一的跟循控制。因此，当以后检测到延迟信息差别时，就必须再次重新进行路径分配。
另外，在自适应阵列天线***中的自适应处理中，这一路径重分配需要从初始状态开始为已会聚的波束或会聚中的波束进行重计算。这一操作大大降低了波束的跟循特性(会聚特性)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自适应阵列天线接收装置和方法，其可以在具有动态变化的多路径环境中大大提高自适应阵列天线***波束的跟循特性(会聚特性)。
本发明的另一个目的在于提供一种自适应阵列天线接收装置和方法，其在自适应阵列天线***中提高了通信质量并增加了信道容量。
根据本发明，提供了一种使用DS-CDMA(直接序列码分多址)方案的自适应阵列天线接收装置，其特征在于包括：
n(n是不小于1的整数)个天线元件，
n个无线电接收部分，其将来自所述n个天线元件的RF信号转换成n个基带信号，
搜索器部分，其接收所述n个基带信号，形成m(m是不小于1的整数)个波束，并为每个波束检测路径的位置时间(position timing)，以及
手指部分，其接收所述n个基带信号，在由所述搜索器部分检测到的位置时间处解扩所述信号，使用自适应算法来形成波束，并执行最大比率合并。
附图说明
图1是一个方框图，示出了本发明的自适应阵列天线接收装置的实施例；
图2是图1中的搜索器部分的搜索器部分波束形成器的详细的方框图；
图3示出了当使用4个天线元件形成4个波束时所获得的波束导向性特性；
图4是一个方框图，示出了本发明的自适应阵列天线接收装置的第二
实施例；
图5是一个方框图，示出了传统的自适应阵列天线接收装置；
图6A和6B是用于说明路径延迟的示图；以及
图7A和7B是示出了图6A和6B中的延迟特性的示图。
具体实施方式
下面将参考附图来说明本发明的实施例。
图1是一个方框图，示出了本发明的自适应阵列天线接收装置的实施例。
图1所示的实施例示出了接收装置的一种配置，其具有用于形成4个波束的情形的空间型搜索器。这一配置包括：n个天线元件101a、101b、……、101n；n个无线电接收部分102a、102b、……、102n，其将来自各天线元件101a、101b、……、101n的RF信号转换成基带信号118a、118b、……、118n；搜索器部分103，其基于天线元件101a到101n来为每个波束检测路径位置(时间)；以及手指部分104，其接收基带信号118a、118b、……、118n，在由搜索器部分103检测到的时间处解扩所述信号，使用自适应算法例如MMSE(最小均方差)来形成波束，并最大比率合并所述波束。
搜索器部分103包括：相关器105a、105b、……、105n，对应于天线元件101a、101b、……、101n的数量；搜索器部分波束形成器106a到106d，其接收来自相关器105a、105b、……、105n的所有输出，用对应的波束权重信号119a到119d加权所述输出，并输出所获得的波束；延迟特性估算部分107a到107d，对应于波束输出的数量；路径检测电路108，其对接收自延迟特性估算部分107a到107d的延迟特性信号120a到120d执行输入处理，以输出有效路径信号121；路径确定电路109，其接收有效路径信号121，并输出接收时间通知信号116；以及波束权重生成部分110，其分别向搜索器部分波束形成器106a到106d输出波束权重信号119a到119d。
手指部分104包括多个手指电路手指1到手指n以及RAKE合并电路115。每个手指电路都包括：解调器111a、111b、……、111n，其解调从无线电接收部分102a、102b、……、102n输出的基带信号118a、118b、……、118n；波束形成器112，其接收来自解调器111a到111n的输出，用幅度和相位权重对所述输出进行加权，并输出所获得的波束；信道估算部分113，其基于参考信号117为输出自波束形成器112的波束执行信道估算计算；权重控制部分114，其通过由自适应算法例如MMSE所计算出的幅度和相位权重进行加权来控制波束形成器112；以及RAKE合并电路115，其对来自各手指电路的信道估算部分113的输出进行同相合并。
图2是图1中搜索器部分103的搜索器部分波束形成器106a到106d的详细的方框图。
参考图2，搜索器部分波束形成器106a到106d中的每一个都包括：(4×n)乘法器201a、201b、201c和201d，其执行对应于天线元件101a、101b、……、101n的数量的复数乘积求和运算；(2×n)加法器202a和202b；以及两个累加器203a和203b，其分别将n个I输出和n个Q输出相加/合并。
下面将参考图1和图2更详细地描述这一实施例的操作。
由n个天线元件101a到101n接收的RF信号被分别发送到无线电接收部分102a到102n。所述RF信号由无线电接收部分102a到102n频率转换成中频信号，并由自动增益放大器(未示出)放大。所放大的信号被正交检测成I/Q信道基带信号118a到118n。然后，A/D转换器(未示出)将这些信号转换数字信号。输出自无线电接收部分102a到102n的基带信号118a到118n被发送到搜索器部分103和手指部分104。
在搜索器部分103中，首先，相关器105a到105n计算基于天线元件的接收信号中所包含的所希望的波信号的符号相关度。来自相关器105a到105n的所有n个输出分别被发送到搜索器部分波束形成器106a到106d。在搜索器部分波束形成器106a到106d中，用输出自波束权重生成部分110的波束权重信号119a到119d对各输出进行加权。
参考图2，使用乘法器201a到201d和加法器202a和202b，搜索器部分波束形成器106a到106d中的每一个都将从天线元件101a到101n分别输入的I/Q信道所希望的波信号的符号相关度值乘以对应的波束权重204，并将为各天线元件而获得的结果输出到累加器203a到203b，从而相加/合并了所述结果。表示波束权重204的W(m，n)可如下计算
W(m，n)＝exp{j×2π(m-1)(n-1)/s+jπ(n-1)/t}    …(1)其中m是波束号(搜索器部分波束形成器的数量)，n是天线元件号，s是波束数量，而t是天线元件数量。
例如，当使用4个天线元件形成4个波束时，等式(1)被改写成
W(m，n)＝exp{j×2π(m-1)(n-1)/4+jπ(n-1)/4}    …(2)因此，可以通过将等式(2)的m和n指定为1而获得要被第一搜索器部分波束形成器将其与来自第一天线元件的输入信号相乘的波束权重。
波束权重生成部分110根据等式(1)计算波束权重，并将所计算出的波束权重作为波束权重信号119a到119d发送到对应的搜索器部分波束形成器106a到106d。来自相关器105a到105n的表示各天线元件的相关度值的输出在乘以对应于搜索器部分波束形成器106a到106d的波束权重信号119a到119d后被合并起来，从而纠正了元件之间的相位。
搜索器部分波束形成器106a到106d中的每一个都形成一个波束。来自每个波束形成器的该波束输出成为接收相关度值输出。
图3示出了当使用4个天线元件形成4个波束时所获得的波束导向性特性。纵坐标表示增益Gain，而横坐标表示角度Angle。
图3示出了波束1、2、3和4相对于波束到达角度的增益，所述波束是来自搜索器部分波束形成器106a到106d的波束输出。例如，入射角为15°的路径可以用具有稍小于20dB的增益的波束1而接收到。另外，每个波束的波束位置被设计成与其余波束的零点重合，因此入射角为15°的路径就不能用其他波束来接收。也就是说，当形成图3所示的波束并只能用波束1检测到一个路径时，可以确定该路径的到达角度是15°。
也就是说，如图3所示的波束是通过乘以由等式(1)所获得的波束权重因子而形成，并检查所述波束中利用其来接收路径的的一个特定波束，或者检查在利用其来检测所述路径的波束之间的特定接收电平关系。这使得可以确定所述路径入射的方向。
传统上，只根据到达时间信息来对路径进行分类。然而，通过以上述方式形成波束和接收路径，除了时间信息之外可以根据空间信息来对所述路径进行分类。使用这种空间信息(波束号)的路径检测称为空间搜索。
延迟特性估算部分107a到107d根据来自搜索器部分波束形成器106a到106d的波束输出来生成并输出延迟特性信号120a到120d。路径检测电路108从延迟特性信号120a到120d为各波束检测出有效路径，并发送作为有效路径信号121的延迟信息、功率电平信息和空间信息(波束号)到路径确定电路109。
路径确定电路109将包含在有效路径信号121中的三项信息与之前确定的路径信息相匹配，并切换路径，以将被认为与之前的路径相同的路径分配到与之前的路径相同的手指。
例如，根据本发明，在图6所示的情形下，即使当移动单元601移动时路径1在时间上与路径2重合，但是，由于只要路径1在空间信息(波束号)上与路径2不同这两个路径就可以被识别为不同的路径，因此不需要改变路径到手指部分的分配。
图4是一个方框图，示出了本发明的自适应阵列天线接收装置的第二
实施例。
与图1相同的标号或符号在图4中表示相同组成部分，并省略了对其的描述。
参考图4，路径确定电路109将波束号通知信号401输出到波束权重生成部分110，并输出接收时间通知信号116。波束权重生成部分110向手指部分104的波束形成器112输出已利用其检测到路径的波束的权重，作为波束权重通知信号402。
因此，搜索器部分103将所检测到的路径的时间信息作为接收时间通知信号116发送到手指部分104中的解调器111a、111b、……、111n，还向手指部分104中的波束形成器112输出已利用其检测到路径的波束的波束权重，作为初始值。
这使得手指部分104可以从接近路径的到达方向的位置处计算波束权重，而不是在没有导向性的情况下形成波束。因此，与传统接收装置相比，可以缩短会聚所需的时间。
如上所述，本发明是一种自适应阵列天线***，其为使用DS-CDMA(直接序列码分多址)方案的移动通信***中的无线电基站提供具有多个天线元件的阵列天线，并且通过将接收信号乘以任意的幅度与相位权重并合并所述乘积来等价地形成所希望的波束方向图，并且其特征在于具有空间搜索功能。
通过向图5中的传统自适应阵列天线接收装置的搜索器部分501增加搜索器部分波束形成器106a到106d、路径确定电路109和波束权重生成部分110，可获得根据本发明的具有空间搜索功能的接收装置，并且所述接收装置需要安装与波束数量相等个数的搜索器部分波束形成器106a到106d。从相关器105a到105n向一个搜索器部分波束形成器输出所有天线元件输入信号的相关度值。然后将由波束权重生成部分110生成的表示固定幅度和相位权重的波束权重信号119a到119n乘到所述相关度值上，并合并所述乘积以形成如图3所示的多个波束(图3示出了波束数量设置为4的情形)。
路径确定电路109从前一阶段的路径检测电路108获得多路径功率电平信息、延迟时间信息和空间信息(波束号)，并将当前检测到的路径与之前检测到的路径匹配，以将路径分配到手指部分104上。
如果使用了根据本发明的具有空间搜索功能的接收装置，那么，由于搜索器部分103可以获得空间信息(波束号信息)以及传统的功率电平信息，因此甚至可以识别出在延迟信息上彼此重合的多个路径，从而提高了具有动态变化的多路径环境中的波束跟循特性(会聚特性)。然后这又使得可以提高接收质量和增加信道容量。
如上所述，根据本发明的自适应阵列天线接收装置和方法，对具有带有空间信息(波束号信息)的空间搜索功能的接收装置的使用使得搜索器部分能够获得现有技术中的功率电平信息和延迟时间信息之外的空间信息(波束号信息)。这使得可以大大提高具有动态变化的多路径环境中的自适应阵列天线***波束的跟循特性(会聚特性)。这也使得可以在自适应阵列天线***中提高通信质量和增加信道容量。

Claims (12)

1.一种使用DS-CDMA方案的自适应阵列天线接收装置，其特征在于所述装置包括：
n个天线元件，n是不小于1的整数；
n个无线电接收部分，其将来自所述n个天线元件的射频信号转换成n个基带信号；
搜索器部分，其接收所述n个基带信号，形成m个波束，并为每个波束检测路径的位置时间，m是不小于1的整数；以及
手指部分，其接收所述n个基带信号，在由所述搜索器部分检测到的位置时间处解扩所述信号，使用自适应算法来形成波束，并执行最大比率合并。
2.如权利要求1所述的自适应阵列天线接收装置，其特征在于所述搜索器部分包括
n个相关器，数量上对应于所述n个天线元件，
m个搜索器部分波束形成器，其接收来自所述n个相关器的所有输出，用波束权重信号加权所述输出，并为每个波束输出相关度结果，
m个延迟特性估算部分，对应于所述搜索器部分波束形成器的输出数量m，
路径检测电路，其对输出自所述m个延迟特性估算部分的m个延迟特性信号执行输入处理，并输出有效路径信号，
路径确定电路，其接收所述有效路径信号，并输出接收时间通知信号，以及
波束权重生成部分，其向所述m个搜索器部分波束形成器输出所述m个波束权重信号。
3.如权利要求1所述的自适应阵列天线接收装置，其特征在于
所述手指部分包括多个手指电路以及RAKE合并电路，所述RAKE合并电路对来自所述各手指电路的信道估算部分的输出进行同相合并，
所述多个手指电路中的每一个都包括
n个解调器，其解调从所述n个无线电接收部分输出的n个基带信号，
波束形成器，其接收所述n个解调器输出，并在用幅度和相位权重进行加权后输出波束，
信道估算部分，其基于参考信号为输出自所述波束形成器的波束执行信道估算计算，
权重控制部分，其通过用由所述自适应算法所计算出的幅度和相位权重进行加权来控制所述波束形成器。
4.如权利要求2所述的自适应阵列天线接收装置，其特征在于所述搜索器部分波束形成器包括(4×n)乘法器和(2×n)加法器，以执行在数量上对应于所述n个天线元件的复数乘积求和运算，所述波束形成器还包括两个累加器，其分别将n个I输出和n个Q输出相加/合并。
5.如权利要求2所述的自适应阵列天线接收装置，其特征在于所述路径确定电路输出所述接收时间通知信号，并且还向所述波束权重生成部分输出波束号通知信号。
6.如权利要求5所述的自适应阵列天线接收装置，其特征在于所述波束权重生成部分向所述手指部分的所述波束形成器输出已利用其检测到对应路径的波束的权重，作为波束权重通知信号。
7.如权利要求2所述的自适应阵列天线接收装置，其特征在于所述搜索器部分向所述手指部分中的所述n个解调器发送检测到的路径时间信息作为接收时间通知信号，并向所述手指部分中的所述波束形成器输出已利用其检测到对应路径的波束的波束权重，作为初始值。
8.如权利要求1所述的自适应阵列天线接收装置，其特征在于n设置成n＝4。
9.一种使用DS-CDMA方案的自适应阵列天线接收方法，其特征在于所述方法包括：
第一步骤，将由n个天线元件所接收的无线电信号转换成n个基带信号，n是不小于1的整数；
第二步骤，接收所述n个基带信号，形成m个波束，并为每个波束检测路径的位置时间，m是不小于1的整数；以及
第三步骤，接收所述n个基带信号，在由所述第二步骤中检测到的位置时间处解扩所述信号，使用自适应算法来形成波束，并执行最大比率合并。
10.如权利要求9所述的自适应阵列天线接收方法，其特征在于所述第二步骤包括
生成与所述n个基带信号对应的n个相关度输出的步骤，
接收来自所述n个相关器的所有输出，用波束权重信号加权所述输出，并为每个波束输出m个相关度结果的步骤，
估算对应于所述m个输出的m个延迟特性的步骤，
对所述m个延迟特性执行输入处理并输出有效路径信号的步骤，
接收所述有效路径信号并输出接收时间通知信号的步骤，以及
生成m个波束权重信号的步骤。
11.如权利要求9所述的自适应阵列天线接收方法，其特征在于所述第三步骤包括
解调所述n个基带信号并输出n个解调信号的步骤，
在用幅度和相位权重对所述n个解调信号进行加权后输出波束的步骤，
基于参考信号为所述输出波束执行信道估算计算的步骤，
利用由所述自适应算法所计算出的幅度和相位权重进行加权控制的步骤，以及
同相合并信道估算计算结果的步骤。
12.如权利要求10所述的自适应阵列天线接收方法，其特征在于所述输出所述接收时间通知信号的步骤包括输出波束号通知信号的步骤，所述波束号通知信号用于所述生成所述波束权重信号的步骤。
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