專利名稱：盲目適應波束形成技術的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種智能型天線系統，特別地涉及一種用于諸如WCDMA和CDMA-2000的無線通信系統的智能型天線系統中的增強的盲自適應波束形成技術。
智能天線系統通常與基站共址，其將天線陣與數字信號處理能力結合起來，以便能以自適應的、空間敏感的方式發送和接收。換言之，該系統能夠根據所在的信號環境自動地變換它的輻射圖的定向。這樣就可以明顯地提高無線系統的性能特征(如容量)。
自適應波束形成天線系統是所述智能型天線系統中的一種。
自適應天線技術代表了目前最先進的智能型天線方案。自適應系統使用了各種新的信號處理算法，它的優勢在于其能夠有效地定位和跟蹤各種類型的信號，以動態地使干擾達到最小，使預定的信號接收達到最大。
在自適應天線系統中，通過用于控制各種復雜運行條件的組合的先進的技術(算法)提高了基本的信號處理能力。典型地，將來自空間分布的天線單元的接收的信號乘以一個加權矢量，對幅度和相位進行復合的調整。將這些信號組合，產生天線陣的輸出。自適應算法根據預先確定的目標控制加權矢量。這些動態的計算使系統能夠改變其輻射方向圖，以使信號的接收最佳化。
自適應波束形成算法分為基于定方的波束成形、基于訓練序列的波束成形和盲波束形成算法。
所述基于定方的波束形成算法檢測來自移動終端的信號的各種到達角度，以形成最佳的波束方向圖。但是，該算法要求陣列校準具有高的精確度，因此在無線通信系統中有限制地使用。
所述基于訓練序列的波束形成算法使用基準信號(訓練信號)來估算加權矢量，以便根據加權矢量形成波束方向圖。
最后，所述盲波束形成算法的特征在于，在加權矢量的估算中無需使用基準(訓練)信號。
本發明的波束形成算法屬于盲波束形成算法。
已研究和開發了很多的用于形成最佳波束方向圖的波束形成算法。Seungwon Chui et.al.開發了一種自適應的波束形成算法(Seungwon Choi和Donghee Shim的“一種用于CDMA移動通信環境中的智能型天線系統的新的自適應波束形成算法”，IEEE Trans.OnVehicular Technology，Vol.49，No.5 pp1793-1806，2000年9月)，它的特征在于將信噪比最大(SNR)，而不是使信號與干擾加上噪音的比(SINR)最大。但是，該波束成形算法在高能量干擾的環境中不能很好地工作，因為該波束成形算法使SNR最大。
Donghee Shim et.al.開發了另一個波束成形算法(Donghee Shim，Fakhrul Alam和Jeongho Kim的“采用盲自適應算法的智能型天線系統的性能分析”，VT MPRG workshop，2001)，它的特征在于，根據自相關矩陣的倒置使SINR最大。但是，由于該波束形成算法在更新加權矢量的等式中使用近似值，因此可對系統的性能造成不利影響。
本發明的目的是提供一種自適應的波束形成方法，在寬帶碼分多址(WCDMA)、CDMA-2000等的智能型天線系統中使用梯度搜索算法將SINR作為性能數據，使SINR最大。
為實現上述目的，本發明的自適應波束形成方法包括以下步驟設置初始加權矢量，根據新的信號的矢量計算各種矢量和/或標量的值，使用新信號的矢量和標量的值在梯度搜索方法中更新加權矢量，使加權矢量歸一化，并基于更新的加權矢量形成最佳波束的方向圖。
根據以下cost函數的最大，將所述加權矢量設置為使SINR最大J(wk,pλ)=wk,pHRsswk,p+λ(1-wk,pHRuuwk,p)]]>其中H是復共軛轉置矩陣(厄密共軛算子)，λ是拉格朗日算子，Wk，p是第k個用戶終端的第p個多路徑信號的加權矢量，Rss是所需信號的自協方差矩陣，以及Ruu是不需要信號的自協方差矩陣，即干擾信號和噪聲的和(u)。
所述梯度搜索方法由下列等式構成wk,p(m+1)=wk,p(m)+12μ▿w]]>=wk,p(m)+μ(Rss(m)wk,p(m)-λ(m)Ruu(m)wk,p(m))]]>這里，w(m)是函數J(Wk，p，λ)在瞬態(snapshot)指數m的梯度矢量，μ是步進尺寸。
根據以下等式，分別計算所需的和不需要的信號的自相關矩陣Rss，k，p(m)和Ruu，k，p(m)。
Rss，h，p(m)=fRss，k，p(m-1)+s(m)sH(m)和Ruu，k，p(m)＝fRuu，k，p(m-1)+μ(m)μH(m)其中f是忘記因子(forgetting factor)(0≤f≤1)。
可用以下等式表示λ(m)λ(m)=wm,pH(m)Rss,k,p(m)wk,p(m)wk,pH(m)Ruu,k,p(m)wk,p(m)]]>用以下等式更新加權矢量wk,p(m+1)=wk,p(m)+μ[y~k,p(m)-λ(m)q~k,p(m)]]]>通過以下等式使更新的加權矢量歸一化wk,p(m+1)=wk,p(m+1)||wk,p(m+1)||]]>
圖1是一個表示了根據本發明的優選實施例的盲自適應波束形成方法的流程圖。
在本發明所述的自適應波束形成方法中，可以用采用拉格朗日算子的cost函數將按如下方式計算加權矢量，以使SINR最大J(wk,p·λ)=wk,pHRsswk,p+λ(1-wk,pHRuuwk,p)---(1)]]>其中H是復共軛轉置矩陣(厄密共軛算子)，λ是拉格朗日算子，Wk，p是第k個用戶終端的第p個多路徑信號的加權矢量，Rss是所需信號的自協方差矩陣，以及Ruu是不需要的信號的自協方差矩陣，即干擾信號和噪聲的和(u)。
可用以下公式表示所述加權矢量Wk，pwk,p=[wk,p(0)wk,p1···wk,pN-1]H---(2)]]>其中N是天線的數量。從等式(2)中，使函數J(Wk，p，λ)最大的加權矢量Wk，p可通過約束wk,pHRuuwk,p10=1]]>條件得出。
Rsswk，p＝λRuuwk，p(3)從等式(1)中，可通過如下等式計算函數J(Wk，p，λ)的與wk，p*有關的梯度矢量w(m)w(m)=2(Rss(m)Wk，p(m)-λ(m)Ruu(m)Wm，p(m))(4)其中m是瞬態指數，*是復共軛。
根據梯度搜索方法，按如下方式更新加權矢量wk,p(m+1)=wk,p(m)+12μ▿w---(5)]]>=wk,p(m)+μ(Rss(m)wk,p(m)-λ(m)Ruu(m)wk,p(m))]]>其中，μ為步進尺寸。可通過如下等式獲得協方差矩陣Rss和RuuRss，k，p(m)=fRss，k，p(m-1)+s(m)sH(m) (6)Ruu，k，p(m)＝fRuu，k，p(m-1)+u(m)uH(m) (7)其中f是忘記因子(0≤f≤1)。從等式(5)中，λ(m)可表示如下λ(m)=wm,pH(m)Rss,k,p(m)wk,p(m)wk,pH(m)Ruu,k,p(m)wk,p(m)---(8)]]>同樣，按如下方式將所述加權矢量wk，p歸一化wk,p(m+1)=wk,p(m+1)||wk,p(m+1)||---(9)]]>使用協方差矩陣，可以推出能夠減少盲梯度搜索方法(BGSA)的計算復雜程度的線性化的盲自適應算法。
可按如下方式定義瞬態指數m中的拉格朗日算子λλ(m)=λnum(m)λden(m)---(10)]]>由公式(10)，將λnum(m)表示如下λnum(m)=wk,pH(m)Rss(m)wk,p(m)]]>=wm,pH(m)≥[fRss(m-1)+s(m)sH(m)]wk,p(m)---(11)]]>=fwk,pH(m)Rss(m-1)wk,p(m)+wk,pH(m)s(m)sH(m)wk,p(m)]]>≈fwk,pH(m-1)Rss(m-1)wk,p(m-1)+wk,pH(m)s(m)sH(m)wk,p(m)]]>同樣，從等式(11)中，可將λnum(m)表示如下λnum(m)＝fλnum(m-1)+|yk，p(m)|2(12)從等式(12)中，可yk，p(m)將表示如下yk,p(m)=sk,pH(m)wk,p(m)---(13)]]>以同樣的方式，將λden表示如下λden(m)＝fλden(m-1)+|qk，p(m)|2(14)從等式(14)中，可將qk，p(m)表示如下qk，p(m)＝uH(m)wk，p(m) (15)同樣，可將加權矢量更新等式(5)寫成如下wk，p(m+1)＝wk，p(m)+μzk，p(m) (16)在等式(16)中，可將zk，p(m)表示如下zk，p(m)＝[Rss(m)-λ(m)Ruu(m)]wk，p(m) (17)在等式(17)中，可將zk，p(m)表示為zk，p(m)＝［fRss(m-1)+s(m)sH(m)-λ(m)(fRuu(m-1)+u(m)uH(m))]wk，p(m)＝[(fRss(m-1)wk，p(m)+s(m)sH(m)wk，p(m))-fλ(m)Ruu(m-1)wk，p(m)-λ(m)u(m)wk，p(m)](18)從等式(13)和(18)中，可將 表示為y~k,p(m)=fRss(m-1)wk,p(m)+s(m)sH(m)wk,p(m)]]>≈fRss(m-1)wk,p(m-1)+s(m)sH(m)wk,p(m)---(19)]]>=fy~k,p(m-1)+yk,p(m)s(m)]]>其中可將初始值表示為y~k,p(0)=yk,p(0)s(0).]]>以相同的方式，從公式(15)和(18)可將 表示如下q~k,p(m)=fRuu(m-1)wk,p(m)+u(m)uH(m)wk,p(m)---(20)]]>=fq~k,p(m-1)+qk,p(m)u(m)]]>其中，可將初始值表示為q~k,p(0)=qk,p(0)u(0).]]>相應地，可將zk，p(m)表示為zk,p(m)=[y~k,p(m)-λ(m)qk,p(m)]---(21)]]>將參照圖1對本發明所述的盲自適應波束形成方法進行描述。
當本發明所述的盲自適應波束形成算法用于接收的信號時，利用如下(22)-(27)的等式計算的初始矢量和/或標量，在步驟S101來設置初始加權矢量wk，p(0)wk，p(0)＝s(0) (22)yk，p(0)＝sH(0)wk，p(0)(23)qk，p(0)＝uH(0)wk，p(0)(24)λnum(0)＝|yk，p(0)|2(25)λden(0)=|qk,p(0)|2---(26)]]>λ(0)=λnum(0)λden(0)---(27)]]>接收到新的信號時，就在步驟S102按如下方法使用新信號的信號矢量更新以前的矢量和/或標量yk，p(m)＝sH(m)wk，p(m) (28)qk，p(m)＝uH(m)wk，p(m) (29)λnum(m)＝fλnum(m-1)+|yk，p(m)|2(30)λden(m)＝fλden(m-1)+|qk，p(m)|2(31)λ(m)=λnum(m)λden(m)---(32)]]>y~(m)=fy~k,p(m-1)+yk,p(m)sk,p(m)---(33)]]>q~k,p(m)=fq~k,p(m-1)+qk,p(m)u(m)---(34)]]>上述值更新后，在步驟S103中，采用梯度搜索方法中的更新的矢量和/或標量值來更新加權矢量如下wk,p(m+1)=wk,p(m)+μ[y~k,p(m)-λ(m)q~k,p(m)]---(35)]]>更新后，在步驟S104，按如下方法對加權矢量進行歸一化wk,p(m+1)=wk,p(m+1)||wk,p(m+1)||---(36)]]>如果繼續進行自適應的更新程序，則自適應波束成形算法重復地回到步驟S102。
一旦計算出加權矢量，在步驟S105，根據更新的加權矢量計算天線陣的輸出。
當結合目前認為最為實用的和優選的實施例，對本發明作了描述后，可以理解，本發明不僅限于公開的實施例，相反，本發明包括在權利要求中所述的精神和范圍之內的各種修改和等效設置。
如上所述，在本發明的盲自適應波束形成算法中，由于形成最佳波束方向圖的加權矢量是在梯度搜索方法中計算的，因此有可能使同信道的干擾和噪聲最小，結果，使系統容量、覆蓋區域和可靠的高速數據通信服務達到最佳。
同樣，本發明所述的盲自適應波束形成算法可用于第四代無線通信系統中，也可用于諸如WCDMA、CDMA-2000的其他無線系統中，以使系統性能最佳。
權利要求
1.一種自適應波束形成方法，包括步驟設置初始加權矢量；根據新的信號的矢量計算各種矢量和/或標量的值；使用新信號的矢量和標量的值在梯度搜索方法更新加權矢量；根據更新的加權矢量形成最佳波束方向圖。
2.根據權利要求1所述的自適應波束形成方法，其中所述加權矢量設置為使SINR最大。
3.根據權利要求2所述的自適應波束形成方法，其中根據以下cost函數的最大使SINR最大J(wk,p·λ)=wk,pHRsswk,p+λ(1-wk,pHRuuwk,p)]]>其中H是復共軛轉置矩陣(厄密共軛算子)，λ是拉格朗日算子，wk，p是第k個用戶終端的第p個多徑信號的加權矢量，Rss是所需信號的自協方差矩陣，以及Ruu是不需要的信號的自協方差矩陣，即干擾信號和噪聲的和(u)。
4.根據權利要求2所述的自適應波束形成方法，其中使用拉格朗日算子使SINR最大。
5.根據權利要求3所述的自適應波束形成方法，其中梯度搜索方法用以下等式表示wk,p(m+1)=wk,p(m)+12μ▿w]]>=wk,p(m)+μ(Rss(m)wk,p(m)-λ(m)Ruu(m)wk,p(m))]]>其中，w(m)是函數J(Wk，p，λ)瞬態指數m的梯度矢量，以及μ是步進尺寸。
6.根據權利要求5所述的自適應波束形成方法，其中根據以下等式，分別計算所需的和不需要的信號的自協方差矩陣Rss，k，p(m)和Ruu，k，p(m)Rss，k，p(m)＝fRss，k，p(m-1)+s(m)sH(m)和Ruu，k，p(m)＝fRuu，k，p(m-1)+u(m)uH(m)其中f是忘記因子(0≤f≤1)。
7.根據權利要求5所述的自適應波束形成方法，其中用以下等式表示λ(m)λ(m)=wm,pH(m)Rss,k,p(m)wk,p(m)wk,pH(m)Ruu,k,p(m)wk,p(m)]]>
8.根據權利要求6所述的自適應波束形成方法，其中通過下列等式更新所述加權矢量wk,p(m+1)=wk,p(m)+μ[y~k,p(m)-λ(m)q~k,p(m)]]]>
9.一種自適應波束形成方法，包括步驟設置初始加權矢量；根據新的信號的矢量計算各種矢量和/或標量的值；使用新信號的矢量和標量的值在梯度搜索方法中更新加權矢量；使所述加權矢量歸一化；和根據更新的加權矢量形成最佳波束方向圖。
10.根據權利要求9所述的自適應波束形成方法，其中所述加權矢量設置為使SINR最大。
11.根據權利要求10所述的自適應波束形成方法，其中根據以下cost函數的最大使SINR最大J(wk,p·λ)=wk,pHRsswk,p+λ(1-wk,pHRuuwk,p)]]>其中H是復共軛轉置矩陣(厄密共軛算子)，λ是拉格朗日算子，wk，p是第k個用戶終端的第p個多徑信號的加權矢量，Rss是所需信號的自協方差矩陣，以及Ruu是不需要的信號的自協方差矩陣，即干擾信號和噪聲的和(u)。
12.根據權利要求10所述的自適應波束形成方法，其中使用拉格朗日算子使SINR最大。
13.根據權利要求11所述的自適應波束形成方法，其中梯度搜索方法用以下等式表示wk,p(m+1)=wk,p(m)+12μ▿w]]>=wk,p(m)+μ(Rss(m)wk,p(m)-λ(m)Ruu(m)wk,p(m))]]>其中，w(m)是函數J(Wk，p，λ)瞬態圖指數m的梯度矢量，以及μ是步進尺寸。
14.根據權利要求13所述的自適應波束形成方法，其中根據以下等式，分別計算所需的和不需要的信號的自協方差矩陣Rss，k，p(m)和Ruu，k，p(m)Rss，k，p(m)＝fRss，k，p(m-1)+s(m)sH(m)和Ruu，k，p(m)＝fRuu，k，p(m-1)+u(m)uH(m)其中f是忘記因子(0≤f≤1)。
15.根據權利要求14所述的自適應波束形成方法，其中用以下等式表示λ(m)λ(m)=wm,pH(m)Rss,k,p(m)wk,p(m)wk,pH(m)Ruu,k,p(m)wk,p(m)]]>
16.根據權利要求15所述的自適應波束形成方法，其中通過下列等式更新所述加權矢量wk,p(m+1)=wk,p(m)+μ[y~k,p(m)-λ(m)q~k,p(m)]]]>
17.根據權利要求15所述的自適應波束形成方法，其中通過以下等式將所述加權矢量歸一化wk,p(m+1)=wk,p(m+1)||wk,p(m+1)||]]>
全文摘要
本發明公開了一種自適應波束形成方法，它包括以下步驟設置初始加權矢量，根據新的信號的矢量計算各種矢量和/或標量的值，使用新信號的矢量和標量的值在梯度搜索方法中更新所述加權矢量，使所述加權矢量歸一化，并基于更新的加權矢量形成最佳波束方向圖。由于本發明的形成最佳波束方向圖的所述加權矢量是按照盲自適應波束形成算法中的梯度搜索方法計算的，因此可使同信道的干擾和噪聲最小，結果，使系統容量、覆蓋區域和可靠的高速數據通信業務達到最佳。
文檔編號H04J13/00GK1467941SQ0310845
公開日2004年1月14日 申請日期2003年4月11日 優先權日2002年6月17日
發明者金相俊 申請人:Lg電子株式會社