一種多天線波束空間信號處理的方法及裝置的制作方法

文檔序號：7967037閱讀：182來源：國知局

專利名稱：一種多天線波束空間信號處理的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及通信領域的信號處理技術，特別涉及一種多天線波束空間信號處理的方法及裝置。
背景技術：
多天線技術在移動通信系統中的應用越來越廣泛，主要包括波束賦形、分集和空間復用等幾種多天線應用方式。對于相關接收陣列(相鄰天線單元之間的距離為載波波長的一半左右)來說，一種處理方法是進行波束賦形接收，將多天線接收信號合并為一路接收信號之后再進行其他處理(例如時域的均衡等)，該應用方式的優勢在于通過波束賦形形成的窄波束對千擾信號形成抑制，在移動通信系統特別是干擾受限的CDMA系統中，波束賦形技術可以抑制系統的總體干擾；另一種處理方法是直接對多天線接收信號進行時域處理，這種方法又稱為空時域聯合處理，空時域聯合處理的性能聯合考慮了信號的空間特性和時間特性。
但是，由于構成天線陣的天線單元和所覆蓋的區域是匹配的，例如對于全向小區，其單元天線的輻射特性是全向的；對于扇區來說，其單元天線的輻射特性基本能覆蓋整個扇區；這樣對于多天線接收信號來講，其本身是不具有或者僅具有有限的空間濾波的效果。空時域聯合方式的信號處理方法性能一般要好于空間-時間方式的信號處理方法，然而使用空時域聯合處理時，其每路輸入信號都不具有空間濾波性能，而在做單路信號處理(例如每路信號的信道估計等)時，其性能要受到空間干擾信號的影響；例如對于使用全向輻射單元的陣列來說，其每個單元的接收信號包括期望信號和所有方向的干擾信號。顯然，單天線的接收信號要受到這些干擾信號的影響，雖然采取多小區聯合處理的方
法能夠消除這些干擾，但是在單天線全向/扇區接收時千擾信號的數量較大，從而加大了用戶信號的處理量。

發明內容
本發明提供一種多天線波束空間信號處理的方法及裝置，用以解決現有技術中由于多天線接收信號空間濾波能力有限而導致干擾信號數量以及處理工作量較大的問題。
本發明提供如下技術方案
一種多天線波束空間信號處理的方法，包括步驟
對多個天線接收信號進行賦形接收，將所述多個天線接收信號轉換成多個
波束空間接收信號；
根據所述多個波束空間接收信號進行信道估計；
根據信道估計結果對所述多個波束空間接收信號進行數據檢測。
所述方法中，波束的賦形系數預先設置，或者對波束進行優化后確定對應
的賦形系數。
其中，在對波束進行優化過程中，當滿足下述條件時確定波束對應的賦形系數
覆蓋整個小區范圍的所有波束的寬度之和在所述小區范圍與所述小區范圍和所有波束的重疊寬度之和的區間內；并且，小區內的每個波束覆蓋的鄰小區的總數量小于本小區的鄰小區總數量。
根據對天線單元中所有的天線接收信號與對應波束的賦形系數進行線性加權合并后確定所述多個波束空間接收信號的序列。
所述信道估計包括步驟
對每個波束所覆蓋的小區集合內的小區進行單小區信道估計；
對每個波束所覆蓋的小區集合中的小區進行多小區聯合信道估計。
根據本波束所覆蓋的小區特定的基本訓練序列對該波束的接收信號進行
單小區信道估計。
所述數據;險測在多波束空間實現，或者才艮據所述信道估計的結杲在多天線域實現。
在多波束空間實現數據檢測包括直接對多波束空間接收信號進行數據檢測和對多波束空間接收信號進行部分數據檢測。
在多天線域實現數據檢測時，根據多波束空間信道沖激響應估計出多天線信道沖激響應，進一步根據所述多天線信道沖激響應進行數據檢測。
所述數據檢測采用空時域聯合的方式實現。
所述數據檢測包括單小區單用戶信號檢測、單小區多用戶信號檢測和多小區多用戶信號才企測。
所述多用戶信號檢測算法包括匹配濾波線性塊均衡、迫零線性塊均衡和最小均方誤差線性塊均衡。
所述方法中，對各波束空間檢測得到的同一個用戶信號進行合并處理。
一種通信設備包括
用于獲得多個天線接收信號的單元；
用于將所述多個天線接收信號轉換成多個波束空間接收信號的單元；
用于根據所述多個波束空間接收信號進行信道估計的單元；
用于根據信道估計結果對所述多個波束空間接收信號進行數據檢測的單元。
所述通信設備還包括用于根據多波束空間信道沖激響應估計出多天線信道沖激響應的單元。
較佳的，所述通信設備還包括用于對各波束空間檢測得到的同一個用戶信號進行合并處理的單元。
較佳的，所述通信設備為基站。
本發明有益效果如下
本發明將多天線接收信號進行賦形接收后轉換成多個波束空間接收信號，進一步對波束空間信號進行信道估計，根據多波束空間信道沖激響應對多波束空間接收信號進行數據檢測，從而獲得原始的天線接收信號；本發明還可以將多波束空間信道沖激響應恢復為天線域的信道沖激響應后進行數據檢測，從而獲得原始的天線接收信號；由于波束空間接收信號具有空間濾波功能，所以本發明減少了各個波束空間內干擾信號的數量和強度，減小了波束空間內的信號處理復雜度和處理量，有利于提高基帶處理算法實現的穩定性。

圖1為本發明實施例中一種通信設備的結構示意圖2為本實施例中多波束空間信號處理的實現流程如下；
圖3為本發明實施例中波束空間示意圖4為本發明實施例中并行千擾消除法實現聯合信道估計的流程圖。
具體實施例方式
本實施例中將多個全向/扇區單元接收數據轉換為多個波束空間接收數據，以及對該多個波束空間接收數據進行信道估計，進一步根據信道估計的結果對多個波束空間接收數據進行信號處理從而恢復出原始的接收信號。下面結合說明書附圖對本發明技術方案進行詳細說明。本實施例中一種基站的結構如圖1所示，該基站包括接收單元11由多個天線及其對應的4妄收信號處理單元組成，用于對接收信號進行處理，形成多天線接收信號；轉換單元12用于將多天線接收信號轉換為多個波束空間接收信號；信道估計單元13用于對多個波束空間接收信號分別進行信道估計，從而得到信道沖激響應；該信道估計包括對每個波束所覆蓋的小區集合內的小區進行單小區信道估計和對每個波束所覆蓋的小區集合中的小區進行多小區聯合信道估計；數據檢測單元14用于根據信道估計單元13的估計結果分別對多個波束空間接收信號進行數據檢測；該數據檢測的方法可以是空時域聯合檢測方式，也可以通過其他檢測方式實現；數據檢測單元14可以直接對多波束空間接收信號進行數據檢測，或者對多波束空間接收信號進行部分數據檢測，也可
以將多波束空間信道沖激響應轉換成多天線信道沖激響應后進行數據檢測；處
理單元15用于對各波束空間檢測得到的同一個用戶信號進行合并處理。
本實施例中假設基站的天線單元數為K。，波束數量為Kb,并且有Ka≤Kb,該限定是為了使本實施例中的多波束聯合檢測與多天線聯合檢測方法相比不損失合并維數，即多波束的合并維數不少于多天線的合并維數。
如圖2所示，本發明實施例中多波束空間信號處理的主要流程如下
步驟200、進行多個天線接收信號的處理。
步驟201 、將多個天線接收信號轉換為多個波束空間接收信號。
步驟202、對多個波束空間接收信號分別進行信道估計。
步驟203、根據信道估計結果分別對多個波束空間接收信號進行數據檢測。
預設波束對應的賦形系數可以預先設置，也可以通過對波束進行優化后確
定，下面以采用窮舉法優化波束為例作簡要說明，其實現步驟如下
a、預先設置一個初始賦形系數w。。
b、計算賦形方向圖，計算一個優化指標/。=/ 。)，例如所關注區域的增益和期望增益的誤差等。
c、如果^滿足需求或循環次數達到限制，則輸出賦形系數w。；否則，繼續如下步驟。
d、為賦形系數的幅度和相位加上一個擾動，構成新的賦形系數w,并計算優化指標/ = /~)，如果該優化指標優于原優化指標，則i殳置w。-w，/,/, 并輸出賦形系數w。
優化波束實際上是離線進行的，對波束進行優化不需實時進行，可以將同時滿足優化原則的優化結果(即賦形系數)存儲在系統，通過配置的方式提供給基站。預設Kb個波束，其賦形系數為W(Kb)，維數為(Ka,1)，所述優化原則包括
1、 Kb個波束覆蓋整個小區范圍，如果小區范圍為φ，波束Kb的寬度(半
功率波瓣寬度)為φKb，則有<formula>see original document page 9</formula>，其中εφ為波束重疊的寬度。
2、每個波束覆蓋一定數量的鄰小區并盡可能降低波束的副瓣電平，即小區內的每個波束霞蓋的鄰小區的總數量小于本小區的鄰小區的總數量；對于不屬于該波束范圍內的鄰小區信號應盡量抑制，即避免接收來自/輻射該波束范圍外的鄰小區信號；抑制鄰小區信號可以通過賦形系數的設定進行，例如優化波束使得副瓣電平盡可能低。如圖3所示的波束空間示意圖中，由若干個波束覆蓋整個小區，圖中僅示意3個波束，波束l除了覆蓋本小區部分區域外，還覆蓋l、 6兩個鄰小區，波束2、 3除了覆蓋本小區部分區域外還分別覆蓋鄰小區1、 2和鄰小區2。
在步驟201進行賦形接收獲得多個波束空間接收信號的過程中，具體是根據對天線單元中所有的天線接收信號與對應波束的賦形系數進行線性加權合并后確定多個波束空間接收信號的序列；假設天線&上接收的信號為e&)，維數為(L,l)，則波束空間Kb的接收信號序列為
<formula>see original document page 9</formula>
因為波束具有空間濾波的作用，所以只有空間某些方向的鄰小區的信號被該波束接收，對該波束內的所有信號可以進行聯合信道估計。例如，可以在網絡規劃階段根據網絡布局(即圖3所示的小區分布情況和賦形波束形狀)和上述優化的波束知道每個波束所覆蓋的小區集合r(Kb)，例如對于圖3所示的波束示意圖，有
r(1) = {o，i,6} r(2) = {o，i，2} .r(3)={o，2}
從而可以將各個波束所覆蓋的小區，特別是鄰小區信息配置到基站中，即每個波束對應的小區信息是可以預先確定的，在小區信息中，包括了小區的信
道估計碼信息，即基本midamble碼(或稱基本訓練序列)信息，從而可以保證有效地進行多小區的聯合信道估計。
假設小區k,k=1，…,K所用的基本訓練序列為m(k),長度為L;對每個波束空間kb,kb=1,..，Kb接收的信號進行如下處理
1 、根據本波束所覆蓋的小區特定的訓練序列對該波束的接收信號進行原始單小區信道估計，從而得到每個小區的原始信道估計結果；單小區信道估計方法有很多種，例如通過基本的Steiner估計器實現，可以得到
<formula>see original document page 10</formula>
其中，G(k)是對角矩陣，其對角線元素矢量為gW-DFT(m化))，《二)為該波束空間接收信號4"中的訓練序列部分。
2、對集合r^中的小區進行多小區聯合信道估計；聯合估計的方法可以是串行干擾消除法、并行千擾消除法及其混合、改進形式。如圖4所示，通過并行干擾消除法實現聯合信道估計的過程如下
步驟400、計算干擾消除的數據，可以通過如下公式計算<formula>see original document page 10</formula>
步驟401、根據干擾消除后的數據《^)估計每個用戶的信道沖激響應<formula>see original document page 10</formula>
步驟402、判斷迭代結束條件，如滿足，則執行步驟403,即終止迭代，輸出信道沖激響應結果；如未滿足，則返回步驟401;所述迭代條件是為防止迭代進入死循環所設置的，可以設置為迭代次數，也可以設置為誤差需求；當迭代次數達到某值或者迭代誤差小于某值時都可以結束迭代。
在步驟203中對多波束空間信號進行數據檢測可以通過空時域聯合檢測方式實現，也可以通過其他檢測方式實現，本實施例中以空時域聯合的數據檢測方式為例進行說明。空時域聯合的數據檢測包括兩種情況，一種是對多波束空
10間的信號進行數據檢測，包括直接對多波束空間的信號進行數據檢測和對多波
束空間的信號進行部分數據檢測；另一種是利用多波束空間的信道估計結果在在多天線域進行信號處理。下面對上述幾種情況分別進行說明
1 、直接在多波束空間的信號進行數據檢測
直接對多波束接收的信號進行空時域聯合的數據檢測方法可以是任意的信號檢測方法，例如單小區單用戶檢測、單小區多用戶檢測和多小區多用戶檢測等。下面以多小區多用戶檢測的實現過程為例進行說明
首先，從尺個小區中選擇&個包括本小區用戶所占用的碼道在內的功率較大的碼道參加多小區聯合;^r測；其中，^個碼道可以^換一定的功率門限選擇，也可以按照設定的碼道數量從大到小選擇。
然后，根據&個波束空間的信道估計構成&個碼道與&個波束空間之間的系統矩陣A(kb,kc),kb=1，...，kb,kc=1，...,kc 并基于該系統矩陣構建^個波束空間與A個碼道之間的系統矩陣A,矩陣A由小矩陣A(kb,kc)組合而成，如下所示<formula>see original document page 11</formula>
最后，根據聯合檢測算法進行求解，聯合檢測算法可以是匹配濾波線性塊
均衡、Rn線性塊均衡、最小均方誤差線性塊均衡及其變化形式中的任意一種；如迫零線性塊均衡的解為<formula>see original document page 11</formula>
其中，及rn為噪聲協方差矩陣，可以通過噪聲估計得到。
2、對多波束空間的信號進行部分數據檢測
對多波束接收的信號進行空時域聯合的部分數據檢測方法可以是任意的
信號檢測方法，例如單小區單用戶檢測、單小區多用戶檢測和多小區多用戶檢測等。對該波束內的多小區多用戶進行聯合檢測時，假設用戶所占用碼道數為
Kc(kb)，對于某波束接收的所有用戶，即集合┏kb, kb=1,..., Kb 中所有小區的所有用戶，可以通過信道估計的結果得到碼道kc(kc=1, ..., Kckb)對應的信道沖激響應
h(kc)，假設其所用擴頻碼字為c(kc),則可以建立系統矩陣A(kc)，該矩陣的構成如
下
<formula>see original document page 12</formula>
其中，<formula>see original document page 12</formula>
于是，
多小區多用戶的聯合檢測結果為:
<formula>see original document page 12</formula>
其中，<formula>see original document page 12</formula>, Rn(kb)為噪聲協方差矩陣，可以通過噪聲估計得到。
在多波束空間進行信號檢測時，由于不同波束的覆蓋區域會有一定的重疊，當用戶的位置處于多個波束的重疊區域時，可能會在不同的波束中各自都得到一個檢測結果，這時可以對不同波束中檢測得到的同一個用戶信號進行合并處理，例如可采用選擇合并、最大比軟合并等處理措施，以進一步提高處理
3、在天線域進行數據檢測
在天線域進行空時域聯合的數據檢測是將信道估計結果恢復到多天線域，然后在多天線域進行數據檢測，其實現過程如下
首先，從多波束信道沖激響應反推出多天線信道沖激響應
假設任意發射機包括本小區用戶、外小區用戶和外小區基站，該發射機與本小區基站多天線接收機之間的信道為h(kα),kα=1,……，kα，維數為(w,1),則與波束
空間對應的信道為<formula>see original document page 13</formula>
假設天線信道矩陣H-[h(1),h(2),……h(kα)]，維數為(w,kα);和
波束空間信道矩陣<formula>see original document page 13</formula>,維數為(w,kb)，并且有
<formula>see original document page 13</formula>,則<formula>see original document page 13</formula>從多波束的信道沖激響應估計出多天線的信道沖激響應當Kα=kb時，有<formula>see original document page 13</formula>;
當Kα <kb時，可以用任何準則下的估計方法，例如最小二乘準則下的估計
結果為<formula>see original document page 13</formula>.
然后，根據恢復的多天線信道沖激響應在空時域聯合進行接收數據的檢溯'J。數據檢測的方法可以是任意的信號檢測方法，例如單小區單用戶檢測、單
小區多用戶檢測和多小區多用戶檢測等；對于多小區多用戶檢測的結果為
<formula>see original document page 13</formula>.
其中，A是由多天線的系統矩陣組合而成，Rn是多天線的噪聲協方差矩陣。本發明方案中不局限在基站側實現多天線波束空間信號的處理，支持多天
線的其他通信設備也可以實現該處理，其結構與本實施例中基站的結構相同，
不再贅述。
顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發
明的精神和范圍。這樣，倘若對本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
權利要求
1、一種多天線波束空間信號處理的方法，其特征在于，包括步驟對多個天線接收信號進行賦形接收，將所述多個天線接收信號轉換成多個波束空間接收信號；根據所述多個波束空間接收信號進行信道估計；根據信道估計結果對所述多個波束空間接收信號進行數據檢測。
2、如權利要求1所述的方法，其特征在于，波束的賦形系數預先設置，或者對波束進行優化后確定對應的賦形系數。
3、如權利要求2所述的方法，其特征在于，在對波束進行優化過程中，當滿足下述條件時確定波束對應的賦形系數覆蓋整個小區范圍的所有波束的寬度之和在所述小區范圍與所述小區范圍和所有波束的重疊寬度之和的區間內；并且，小區內的每個波束覆蓋的鄰小區的總數量小于本小區的鄰小區總數量。
4、如權利要求1至3任一項所述的方法，其特征在于，根據對天線單元中所有的天線接收信號與對應波束的賦形系數進行線性加權合并后確定所述多個波束空間接收信號的序列。
5、如權利要求l所述的方法，其特征在于，所述信道估計包括步驟對每個波束所覆蓋的小區集合內的小區進行單小區信道估計；對每個波束所覆蓋的小區集合中的小區進行多小區聯合信道估計。
6、如權利要求5所述的方法，其特征在于，根據本波束所覆蓋的小區特定的基本訓練序列對該波束的接收信號進行單小區信道估計。
7、如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述數據檢測在多波束空間實現，或者根據所述信道估計的結果在多天線域實現。
8、如權利要求7所述的方法，其特征在于，在多波束空間實現數據檢測包括直接對多波束空間接收信號進行數據檢測和對多波束空間接收信號進行部分數據檢測。
9、如權利要求7所述的方法，其特征在于，在多天線域實現數據檢測時，根據多波束空間信道沖激響應估計出多天線信道沖激響應，進一步根據所述多天線信道沖激響應進行數據檢測。
10、如權利要求7至9任一項所述的方法，其特征在于，所述數據檢測采用空時域聯合的方式實現。
11、如權利要求10所述的方法，其特征在于，所述數據檢測包括單小區單用戶信號檢測、單小區多用戶信號檢測和多小區多用戶信號檢測。
12、如權利要求11所述的方法，其特征在于，所述多用戶信號檢測算法包括匹配濾波線性塊均衡、迫零線性塊均衡和最小均方誤差線性塊均衡。
13、如權利要求l所述的方法，其特征在于，對各波束空間檢測得到的同一個用戶信號進行合并處理。
14、一種通信設備，其特征在于，包括用于獲得多個天線接收信號的單元；用于將所述多個天線接收信號轉換成多個波束空間接收信號的單元；用于根據所述多個波束空間接收信號進行信道估計的單元；用于根據信道估計結果對所述多個波束空間接收信號進行數據檢測的單元。
15、如權利要求14所述的通信設備，其特征在于，還包括用于根據多波束空間信道沖激響應估計出多天線信道沖激響應的單元。
16、如權利要求15所述的通信設備，其特征在于，還包括用于對各波束空間檢測得到的同一個用戶信號進行合并處理的單元。
17、如權利要求14至16任一項所述的通信設備，其特征在于，所述通信設備為基站。
全文摘要
本發明公開了一種多天線波束空間信號處理的方法及裝置，用以解決現有技術中多天線接收信號空間濾波能力有限而導致干擾信號數量以及處理工作量較大的問題，本發明方法包括對多個天線接收信號進行賦形接收，將所述多個天線接收信號轉換成多個波束空間接收信號；根據所述多個波束空間接收信號進行信道估計；根據信道估計結果對所述多個波束空間接收信號進行數據檢測。采用本發明減少了各個波束空間內干擾信號的數量和強度，減小了波束空間內的信號處理復雜度和處理量，有利于提高多天線基帶信號處理的穩定性。
文檔編號H04B7/08GK101174871SQ20061011414
公開日2008年5月7日申請日期2006年10月30日優先權日2006年10月30日
發明者任世巖, 寧劉, 孫長果, 王映民申請人:大唐移動通信設備有限公司

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