TW535369B - Apparatus and method of estimating angle of arrival with multi-path interference suppressing unit - Google Patents

Description

535369 - — --— ----. 五、發明說明（1) 【發明領域】 本發明是有關於一種到達角度估測裝置及方法，且特 別是有關於使用於展頻通訊系統之一種具多路徑千擾抑制 單元之到達角度估測裝置及方法。 【發明背景】 隨著科技的進步，無線通訊系統的發展也是日新月 異。無線通訊系統已經廣泛的由機關、公司及個人使用， 是現代人非常方便的溝通工具。許多國家，如美國，已經 開始修法要求無線通訊系統必須可以提供定位的功能，以 找出發號者的位置，例如當發生緊急事件時，定位系統可 以快速地找出發號者的位置，以供救護單位提供即時的支 援。以網路為基礎之定位糸統（Network-based location systems)所使用的方法係以已知之基地台（Base station， BS)位置找出發出信號之行動台（Mobile station，MS)之 座標，行動台例如是手機或其他行動通信裝置。傳統的定 位系統可以用基地台所接收之信號的到達角度 (Angle-of-Arrival，A0A)或到達時間（Time-of-Arrival， TOA)以進行行動台定位。 清參照第1圖’其繪示為使用到達角度進行行動台定 位之系統圖。行動台MS可以由第一方位軸線（Lines of bearing, LOB)L1與第二方位轴線L2的交點來確定其位 置。就此等作法而言，第一基地台BS1與第二基地台BS2中 分別设置有多個天線’稱之為陣列天線（A n t e η n a array) ’需要進行定位時，行動台…便將無線信號11〇發

第4頁 535369 五、發明說明（2) 出’由於無線#號1 1 0為全向性的無線信號，因此在無線 信號1 1 0發出之後，兩基地台均可收到；而後，只需^將 兩基地台中各天線所接收之無線信號丨1 〇進行陣列信號處 理（Array signal processing)運算後，即可得知無線信 號110入射至第一基地台BS1的入射角度h，及無線信號 110入射至第二基地台BS2的入射角度02。藉由適當的運 算，即可由入射角度心與心求得方位軸線L1與方位軸線 L2，並利用兩軸線的交點得知行動台Ms的位置。由上文敘 述可知，本方法需要至少兩個基地台來進行行動台之定 位，且在實際應用上，每個基地台更需要為數眾多的接收 天線，方能使入射角度的檢測更為精確，進而正確地估得 到行動台的位置。如此一來，雖能估算出行動台之位置， 卻增加基地台建構之複雜度。而在現存之無線通訊系統 中，使用空間分集（Space diversity)技術之基地台通常 只具有兩個或三個天線而已，這樣的架構比較容易建設， 又可減輕無線信號110的衰落效應（Fading effect)，因此 被廣為使用；若要修改現有之基地台以使用到達角度做定 位實不可行，其肇因於需花費很大的成本，相當不符人經

濟效益。 H 而且使用到達角度進行定位還有一個急需解決的問 題，那就是多路徑干擾（Multipath)。多路徑干擾係指信 號從發射端發射後，信號經過一條以上的路徑到達接收 端，例如是經過都市中大樓的反射或大氣層ς反射等，使 得接收端所接收到的信號並非僅經由一直接路徑到達，還

第5頁 535369 五、發明說明（3) 包括經由其他路徑而到達之信號。此些經由不同路徑到達 接收端的信號即為多路徑信號，其到達基地台的入射角度 係為不同，使得所估測的到達角度容易誤判。傳統上，使 用展頻（Spread Spectrum, SS)技術可以將多路徑干擾降 低。在展頻通訊系統中，例如是分碼多工擷取（c〇de Division Multiplexing Access， CDMA)系統，行動台在 開始傳送資料前必須向基地台要求一個唯一的辨識碼，不 同的行動台使用不同的辨識碼來傳送資料，而接收端之基 地台也是依據行動台所使用的辨識碼來解開所接收之資土 料。由於辨識碼的頻譜比基頻信號的頻譜來的寬，因此去 兩個信號相乘後，辨識碼可將基頻信號的頻寬展開，連^ 的，依附在基頻信號上的雜訊也會被展開，形成功率 =擾情！矣舉例f說’展頻技術例如是係使用256個基 =(ChlP)來表示一個位元的資料，亦即傳 到的基片還原成原始資料，因末此傳資V值接收端然後將接收 雜訊干擾在最佳狀況之下可以減少甲所又到的 信號係為時強時弱，所以多路巧干ΰ。但是所傳送的 直接路徑的信號強I，就算多；=號的強度可能大於 咖倍，也會對到達角度的估夕Λ成^f。號的強度減少了 綜上所述，傳統的定位方法5小 -、以到達角度進行定位之A::以下缺點： 與現有之使用空間分集技術之美需架設陣列天線， 本，不符合經濟效益。 土地σ不同’增加建構成

五、發明說明（4) 二、由於 角度的準確性 【發明目的及 有鑑於此 擾抑制單元之 依據現有空間 減低基地台之 加到達角度估 根據本發 之到達角度估 所發出之無線 無線通訊具有 不足。 概述】 ’本發明的目 到達角度估測 分集之天線來 建構成本，並 測之準確性。 明的目的，提 測裝置，用於 信號入射至基 多路徑干擾，使得估測之到達 的就是在提供一種具多路徑干 襞置及方法，此裝置及方法係 檢測無線信號入射之角度，以 且可以抑制多路徑干擾，以增 第一 第 輸出第一展頻 出第二展頻信 頻單元、多路 係與第一天線 號與第 單元耦 一解展 接，用 後輸出 元耦接 列信號 元耦接 二展頻 接，用 頻信號 以接收 序列信 ，用以 與第二 ，用以 二天線 信號， 號。到 徑干擾 與第二 信號並 以接收 。多路 解展頻 號。序 接收序 並列信 接收第 ，第一 第二天 達角度 抑制單 天線輕 輸出多 多工信 徑干擾 信號， 列轉並 列信號 號。角 一並列 出一種具 展頻通訊 地台之到 天線用以 線用以接 估測裝置 元及角度 接，用以 工信號。 號，將多 抑制單元 抑制解展 列單元， ’並依據 度估測單 信號與第 多路徑干擾抑制單元 系統，以檢測行動台 達角度。基地台包括 接收無線信號並據以 收無線信號並據以輪 包括多工單元、解展 估測單元。多工單元 分時接收第一展頻信 解展頻單元係與多工 工信號解展頻後輸出 係與解展頻單元耦 頻信號之多路徑干擾 與多路徑干擾抑制單 序列信號輸出第一並 元係與序列轉並列單 二並列信號，並據以

— 五、發明說明（5)

輸出到達角度D 根據本發明之另一目的，提出— 法二用於-展頻通訊系、统，本方法包括干J抑制方 頻信號。接著，擷取解展頻信號之傳 =收解展 將傳：：：位凡與已知前導位元相乘後輸出。被後 明之上述目的、特徵、 明如下。 較佳實施例’並配合所附圖式，作詳細說 【圖式之簡單說明】 圖。第1圖繪示為使用到達角度進行行動台定位之系統 第2圖繪示為依據本發明一 之到達角度估測裝置之方塊圖。 第3圖繪示為角度估測單元 【圖式標號說明】 種具多路徑干擾抑 制單 元 之方塊圖。

2 0 0 ·具多路徑干擾抑制 2 1 0 :多工單元 220 :解展頻單元 單元之到達角度估測裝 2 3 0 :多路徑干擾抑制單元 232 :前導位元擷取器 2 3 4 :乘法器 240 :序列轉並列單元 2 5 0 :角度估測單元

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3 1 Ο :切換交互相關器 3 2 0 ·累加器 3 3 0 :相位檢測器 【較佳實施例】 在一般無線通訊系統中，使用空間分集技術之基地台 通常只具有兩個或三個天線而已，由於建構簡單，又可減 輕通道衰落效應（Fading effect)，因此被廣為使用。使 用空間分集技術的基地台之各個天線接收通訊信號後之輪 出稱為分支輸出（Branch output)，為了增進通訊品質， 此些天線之相對位置係為大於半個波長，以使此些分支輪 出之振幅在統計上係為沒有相關性（Unc〇rrelated)，亦即 其此些分支輸出之振幅之期望值為零，此為熟知此項技藝 之人士所共知。雖然此些分支輸出之振幅係為沒有相關 性，但是此些分支輸出的信號之間具有因天線所在位置不 同所造成之相位差，此相位差可以經由將此些分支輸出進 行交互相關運算而得。因此依據天線所在的位置，與各個 分支輸出之間的相位差，即可計算出無線信號11〇的'入射 角度0 °本發明依據上述之原理以進行到達角度之估測， 並依據展頻通机糸統的原理以減低多路徑干擾 、 (Multipath)。 展頻通訊系統中，例如第三代行動通訊標準中 分碼多工擷取（Wideband-CDMA，W-CDMA) ▲ μ ^ 。關“糸統，傳送踹所 發送的信號係以時框（Frame)為單位，备個吐 v调呀框包括1 5徊

時槽（Slot)，每個時槽的信號的最前端包枯古1 $ 〇1U ,u秸有刖導位元 五、發明說明（7) (P i 1 〇 t b i t s )，前導位元係A q而丨Q〜一 β α 士 你馮3到8個位兀。行動台與基地 台開始建立連結時，行動盘其从a # J 町錢/、基地台相互傳送信號所使用的 前導位兀即為已知，稱之為已4σ箭道a 一 術〜勺匕知刖導位兀a ,之後傳送端 傳送資：：：收每個時槽的資料亦都包括有前導位 兀，ί ί :刖導位兀3，。接收端所接收的信號係可能 經過^路徑干^ ’因此接收端接收之每個時槽的傳送前導 位元a和已★刖導位元a係為相異。例如，若已知前導位 元a係為三個位元所組成： a:U((〇’a(：0’a(2：〇 = (i，—1，υ。在接收端所接收之信號 係為直接路徑之信號d與其他路徑之信號d，的疊加，經由 直接路徑之信號d的前導位元ad係與已知前導位元a相同， 亦即ad:Ud(0)，ad(l )，ad(2)) = (a(〇)，a(1 1 )。而經由其他路徑之信號4，由於有時間的差異，因此相 位會與經由直接路徑之信號d的相位不一樣，假設經由其 他路徑之信號的前導位元ad，為 ad =(ad (OXad’dhad’uDy — uj)。若將已知前導 位元a的與傳送前導位元a，相乘，其結果為 a*a’=(a(0)*a’（〇)+ ;則經由直 接路徑之彳§號d的前導位元ad與已知前導位元&相乘的結果 為3 ’經由其他路徑之信號d，的前導位元ad，與已知前導位 元a相乘的結果為1。可知經由其他路徑之信號的前導位元 ad’與已知前導位元a相乘後的強度會被抑制，而經由直接 路徑之信號d與已知前導位元a相乘後的強度會被增強，因 此可以有效的抑制多路徑干擾所造成的影響。 535369 五、發明說明（8) -----—- 时一依照上述之原理，本發明提出一種具多路徑干擾抑制 早兀之到達角度估測裝置（Angle_〇f —arrival estimator)。請參照第2圖，其繪示為依照本發明之具多 =f干擾抑制單元之到達角度估測裝置2〇〇之方塊圖:到 綠度估/則裝置2 〇0係用於基地台，基地台包括天線a與天 展相。線A係接收行動台發出之無線信號110並據以輸出 μ、、乜號，天線B係接收行動台發出之無線信號no並 以輸出展頻信號SS2。到達角度估測裝置2〇〇與天線Α 耦接，用以接收展頻信號SS1與％2並據以輸出到達角度、 到達角度估測裝置200包括多工單元210、解展頻單元 、、多路徑干擾抑制單元23〇、序列轉並列單元24〇與角 又估測單元250。多工單元21〇係與天線A與B耦接，用以交 =選，展頻信號SS1與SS2並輸出為多工信號Sm。例如於第 ”個¥槽係選擇展頻信號Sg 1 ;第二個時槽則選擇展頻信 號％2，依此類推。所以第一個時槽：時槽（〇)之多工俨°號 =(〇)係等於時槽（0)之展頻信號SS1(0);第二個時槽; 丰曰（1)之多工信號Sm(i)係等於時槽（1)之展頻信號 SS2(1);第三個時槽··時槽（2)之多工信號Sm(2)係等於時 :2 )之展頻#號S S1 (2 )，…，依此類推。解展頻單元2 2 〇 1與多工單元2 1〇耦接，用以接收多工信號Sm，將各個時 槽之多工信號Sm解展頻後，輸出解展頻信號DS。多路徑干 擾抑制單元230係與解展頻單元220耦接，用以接收觝^ 。現DS，並依據上述之原理抑制解展頻信號DS之多路徑干 擾後’輪出抑制信號SP。序列轉並列單元240係與多路二徑 535369 五、發明說明（9) 干擾抑制裝置230耦接，用以接收抑制信號sp，並 信號評輸出為並列信號P1，將奇數時槽的抑制 ^SP輸出為並列信號P2。並列信號？1(丨）即為天線^ 信號SS，*i)經過解展頻與抑制多路徑信號干擾後 〇〇° ，並列仏號P 2 ( 1 +1 )即為天線6輸出之展頻俨號 盆中丨+^)經過解展頻與抑制多路徑信號干擾後“果， ;;單元;是正整數。角度估測單元25°係與序列轉並 以接收並列信號?1射2，並依據並列 仏就Ρ1與Ρ2的相位差輸出到達角度0。 护頁取擾抑制單元230包括前導位元（Pilot bits) 已與，Λ器234… 傳元a的每一個位元各個時槽的信號之 後輸：ir/對應，位元相•，並將相乘的結果相加 以接收解^瓶=『擷取器232係與解展頻單元22 0耦接，用 前導位…。、I號’並，據以輸出解展頻信號ds中的傳送 以接收十墓法15 234係與冑導位元掏取器232搞接，用 出序列Γ ，凡3 ’並與已知前導位元a相乘後，輸 内的傳送前導位元a 多個時槽内的傳送前導位元： = 輸 加總後輸I以使多路徑干擾抑以：位-相乘的結果 括.ίΪ徑：Ϊ:制單元23°抑制多路徑干擾的方法包 枯·百先’接收解展頻作获。姓w 送前導位元。最後，將^&者，擷取解展頻信號之傳 後將傳送刖導位元與-已知前導位元相

535369 五、發明說明（10) 乘後輸出並結束本方法。其中， 位元係具有相同之位元數n，將傳傳^刖^位元/已知前導 位元相乘之步驟包括：㈣時傳；vn凡與已知前導 此參數之内$值相加。接著，人將相乘之結果與 ^ ? ^ 备 刀按耆7j遞增1。然後，檢查j是 ’若是’則回到步驟(a)，若否 即為傳送料位元與已知前導位元相乘的結果數心值 言=照第3圖’其所纷示乃角度估測單元25〇之方塊 圖。角度估測單元250包括切換交互相關器（Switched

Cr〇^-Mrrelator) 31〇、累加器（Accumuiat〇r)32〇 與相 位檢測器（P h a s e d e t e r t n r、1 Q π » . 、，^ _, aeteCt〇r)33()。切換交互相關器310係用 1接收亚列信號P1與並列信號P2，並將並列信號ρι與並列 ，號P2進行交互相關運算，輸出估計之交互相關係數p。 累加器320係與切換交互相關器31〇耦接，用以接收一觀察 週期内之多個交互相關係數p'分別給予各個交互相關係 數P加權值後加總，輸出平均交互相關係數P—。由於在展 頻通訊系統中，取得一個樣本的時間比較長，約丨0ms，所 以環境因素變化所造成的影響很大，例如行動台正在移 動，則所取得的樣本需要進行加權加總，以減低環境變化 所造成的影響，並可以平滑時變（Time varying)之通道特 性。各個交互相關係數之加權值可以由遺忘因子 (Forgetting Factor，FG)決定，FG之值係小於i。例如累 535369 五、發明說明（11) 加器要將交互相關係數$ (0)5 (1)與^ (2)三者相加，且交 互相關係數P' ( 2 )係為最新之資料，則交互相關係教p' ( 〇 ) ρλ (1 )與5 (2)三者之加權值各別為（fg)2、（FG)i與1。亦即’ 越新之資料的加權值越大，以使估測的到達角度0更為準 確。相位檢測器330係與累加器耦接，接收平均交互相…關 係數f ，進行相位檢測後，輸出到達角度0。 本實施例中包括多工單元2丨〇以及序列轉並列單元 240曰，其目的是為了減少到達角度估測裝置2〇〇内部的元 數置，以降低實施本發明所需的成本。然而 列轉並列單元240的設置，而在解= Ϊ-置：Λ 展頻的電㉟、多路徑干擾抑制單元23〇 干ί抑制 處理電$。如此一來’本變化實施例之多路徑 支卩制早將包括一解展頻單元，以接收來自美 兩組天線所輸出的兩組展頻信 ， 土 口 展頻後，於ψ ^亚將該兩、、且展頻信號解 、 雨 兩、、且解展頻信號；一多路徑干擾在，丨0 -、 接收該兩組解展韻作骑、 卩制早以 組降擾後_铲· ^ ^卩制其多路徑干擾後輸出兩 於，Κΐΐ ’ 一角度估測單元，接收該兩組降擾後传 現，並计异得所接收 Τ促攸 路徑干擾抑制單元將包二、、、·二二的到達角度。此時，該多 頻單元耦接，用以接 導位元擷取器，與該解展 送前導位元；_乘法哭b ^展頻信號，並輪出兩組傳 接收該兩組傳义：：與該前導位元擷取器耦接，用以 -已知前導出；：Γ組傳送前導位元分別與 後輸出該兩組降擾信號給角度估測單 535369

五、發明說明（12) 元。這樣的設計雖然可能會造成多路徑干擾抑制單元總成 本的增加，然而也同樣可以達到本發明之目的。 “ 【發明效果】 法與襞置具 本發明上述實施例所揭露之定位彳貞測之方 有以下優點： ’即可 付合經 一、基地台只需兩個天線輔以簡單的加減運算 檢測到達角度，不需對現有之基地台做大幅更异 濟效益；以及 ’ 二、可以抑制多路徑干擾 確度。 以增進到達角度估 測之準 系示上所述， 然其並非用以限 本發明之精神和 本發明之保護範 準。 雖然本發明已以一 疋本發明，任何熟 範圍内，當可作各 圍當視後附之申請 車父佳實施例揭露 習此技藝者，在 種之更動與潤飾 專利範圍所界定 如上， 不脫離 ’因此 者為

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Claims (1)

1. 535369 六、申請專利範圍 1· 一種具多路捏千搭：kDAi 置，用於一展頻通訊Λ Λ單元之到達角度估測裝 線信號入射至一基地Α、、、一 檢測一行動台所發出之一無 -天線與一第二天線達角度，該基地台包括-第 據以輸出一第一展頻^第—天線用以接收該無線信號並 號並據以輸出一第二‘ gu i =第二天線用以接收該無線信 括： 展頻#就，該到達角度估測裝置包 以分時接收一：J該J:天線與該第二天線耦接，用 工信號； 頻^唬與該第二展頻信號並輸出一多 信號，ίΞ多工單元耦接1以接收該多工 一多路卜石说°旎解展頻後輸出一解展頻信號； 接收該解展抑：單元，與該解展頻單元…用以 出-序列信』 抑制該解展頻信號之多路徑干擾後輸 用以接元’與該多路徑干擾抑制單元耦接， 信號與-第序=並依據該序列信號輪出-第-並列 弟一並列^號；以及 收該；測單元，與該序列轉並列單元輕接1以接 角度。、’列信號與該第二並列㈣’並據以輸出該到達 並中2兮夕如申請專利範圍第1項所述之到達角度估測裝置， 號並係接收該第-展頻信 於奇數之蚪槽係接收忒第二展頻信號並輸出。 W5369 六、申請專利範圍 其中，兮W專利耗圍第2項所述之到達角度估測裝置， ^j列單元係將偶數之時槽的該序列信號輪 將奇數之時槽的該序列信號輸出為 其中4該 岫導位70擷取器，與該解展頻單元耦接，用以接收 該解^頻信號，並輪出一傳送前導位元；以及 ，二乘法器，與該前導位元擷取器耦接，用以接收該 送前導位兀，將該傳送前導位元與一已知前導位元相乘後 輸出該序列信號。 设 5·如申請專利範圍第1項所述之到達角度估測裝置， 其中該角度估測單元包括： /切換=互相關器，用以分時接收該第一並列信號與 該第二亚列信號，並將該第一並列信號與該第二並列信號 進行父互相關運算後依序輸出複數個交互相關係數； ’ f加器，係與該切換交互相關器耦接，用以依序接 收該些父互相關係數，分別給予一加權值，並據以輪出一 不均交互相關係數；以及 /相位檢測器，係與該累加器耦接，用以接收該平均 交立相關係數並據以輸出一到達角度。 6 ·如申請專利範圍第5項所述之到達角度估測裝置， 其中’越晚得到的該交互相關係數之該加權值越大。 7· 一種多路徑干擾抑制方法，用於一展頻通訊系

   第17頁 六、申請專利範圍 統’該方法包括： 接收一解展頻信號； 解展頻信號之一傳送前導位元；以及 8 Λ送Λ導'元與一已知，導位元相乘後輪出。 法，1中Ύ傳、圍第7項所述之多路徑干擾抑制方 之位元數η /定義則來翁位凡、與該已知前導位元係具有相同 〇，將$值、、，& i >數之初始值係為0，j之初始值係為 括將5亥傳运刖導位元與該已知前導位元相乘之步驟包 第.彳字Λ_傳送如‘位元之第j個位元與該已知前導位元之 ·)位凡相乘並將相乘之結果與該參數之内容值相加； 令j遞增1 ;以及 榀，j疋否小於n ,若是，則回到步驟（a);以及 一。玄茶數之内容值即為該傳送前導位元與該已知前位 儿相乘的結果。 9 · 一種具多路徑干擾抑制單元之到達角度估測裝 丄，於一展頻通訊系統，以檢測一行動台所發出之一無 二〖"j虎入射至一基地台之一到達角度，該基地台包括一第 =天線與一第二天線，該第一天線用以接收該無線信號並 =以輸出一第一展頻信號，該第二天線用以搓收該無線信 \亚據以輸出一第二展頻信號，該到達角度估測裝置包 括： 一解展頻單元，將該第一展頻信號及該第二展頻信號 解展頻後’輸出一第一解展頻信號及一第二解展頻信號；

   第18頁 六、申請專利範圍 一多路徑干擾抑制單一 接收該第一解展頻作 凡’與該解展頻單元耦接，用以 解展頻信號及該第I ^里該第二解展頻信號、抑制該第一 第一降擾信號以及一第_ ^尨號之多路徑干擾後，輸出一 -角度估測單元：：擾信號；以及 擾信號，並據以輸出該到降擾信號以及該第二降 置，二中；：：專利範圍第9項又所述之到達角度估測， 置其:该多路控干擾抑制單元包括： 別裝 ^ 〃一前導位元操取器，與該解展頻 δ亥第一解展頻信號以及該第二、 ，用以接收 傳送前遙办- 峨 一解展頻k號’並輸出一筮 則¥位兀以及一第二傳送前導位元；以及 弟— -傳：^器，與該前ί位元擷取器耦接’用以接收” 前導：:j ¥位元以及該弟二傳送前導位元，將該第第 谈輪出該第一降擾信號以及該第二 導位疋 第19頁