專利名稱：基于智能天線和干擾抵銷的基帶處理方法
技術領域：
本發明涉及一種在使用智能天線的無線通信系統基站中，對干擾抵銷信號的處理技術，更確切地說是涉及一種基于智能天線和干擾抵銷的基帶處理方法。
在現代無線通信系統特別是在碼分多址(CDMA)無線通信系統中，為了提高系統容量，提高系統靈敏度，和在較低發射功率下獲得較遠的通信距離，都希望使用所謂智能天線技術(Smart Antenna)。
在名稱為“具有智能天線的時分雙工同步碼分多址無線通信系統”的發明專利申請中(97104039.7)，公開了一種采用現代智能天線的無線通信系統的基站結構，包括由一個或多個天線組成的天線陣列、相應的射頻饋電電纜和一組相干的射頻收發信機。根據天線陣列中各天線單元所接收到的來自用戶終端的信號的不同反應，由基帶處理器獲得此信號的空間特征矢量和信號到達方向(DOA)，再使用相應的算法實現接收天線波束賦形。其中任一個天線、相應的射頻饋電電纜及相干的射頻收發信機稱為一條鏈路。將從上行接收波束賦形中獲得的每一條鏈路的權重用于下行發射波束賦形，在對稱的電波傳播條件下，可達到智能天線的全部功能。
現代無線通信的主體是移動通信。參照ITU建議M1225，由于移動通信是在復雜多變的移動環境下工作的，因此必須考慮嚴重的時變和多徑傳播影響。在上述專利申請及多篇公開發表的技術文獻中，都涉及到對智能天線的波束賦形算法的研究，其結論是功能越強則算法越復雜。然而在移動通信環境下，波束賦形必須實時完成，且完成算法的時間是微秒級的，而受現代微電子技術水平的限制，在如此短的時間內，數字信號處理器(DSP)或專用芯片(ASIC)還不能實現過于復雜的實時處理。面對上述矛盾，在此移動通信環境下，智能天線的簡單、實時算法也并不能解決多徑傳播問題，也就不能徹底解決CDMA系統容量問題。
而另一方面，為解決多徑傳播產生的干擾問題，人們深入研究了Rake接收機和聯合檢測或稱多用戶檢測(Joint Detection)等技術，并將其廣泛用于碼分多址移動通信系統中。但對使用了智能天線技術的無線通信系統，上述Rake接收機或多用戶檢測技術并不便于直接使用，其主要原因是多用戶檢測技術是對多碼道的CDMA信號進行處理，經信道估計和匹配濾波器后，通過矩陣求逆直接將所有用戶的信息一次解出，而智能天線技術是對每一條CDMA碼道分開進行波束賦形，它難以利用用戶多徑帶來的分集的好處；Rake接收機技術對用戶的主要多徑分量進行合成，但它將破壞天線陣各天線的相位關系，且由于受其原理所限，用戶數與擴頻系數相同，而無法工作在滿碼道的情況下。
有一種正在研究的二維智能天線技術，其算法還不成熟且相當復雜。還有一種方法是在使用智能天線后進行多用戶檢測處理，但此時因每一條碼道已經分開，則必須對每一條碼道分別進行處理，其結果不但不能充分發揮多用戶檢測的功能，反而大大增加了基帶信號處理的復雜度。
綜上所述，為了使CDMA無線通信系統具有更高的容量和更好的性能，必須找到一種簡單、實時工作且便于在基于智能天線的CDMA無線通信系統中使用的干擾抵銷方法。
本發明的目的是設計一種基于智能天線和干擾抵銷的基帶處理方法，通過設計一種新的數字信號處理方法，使應用此方法的碼分多址移動通信系統或其它無線通信系統，在使用智能天線的同時，能解決多徑傳播等干擾，并獲得良好的效果。
本發明的目的是這樣實現的一種基于智能天線和干擾抵銷的基帶處理方法，其特征在于包括A.利用已知的用戶訓練序列，對來自每一鏈路天線單元及射頻收信機的采樣數據輸出信號進行信道估計，得到所有用戶在所有信道上的響應；B.在信道估計的基礎上，利用智能天線波束賦形，從所述的采樣數據輸出信號中提取有用的符號級信號；
C.對獲得的有用的符號級信號進行數據重構，并加擾碼，得到碼片級的重構信號；D.從所述的采樣數據輸出信號中減去重構信號；E.反復執行步驟B至D，恢復所有用戶信號結果。
所述的步驟A是由信道估計模塊完成的，所述的信道響應中含有與各用戶的訓練序列有關的矩陣，該矩陣是提前計算并存儲的。
所述的步驟B包括利用功率估計模塊對所有用戶在所有信道上的響應進行功率估計，計算所有用戶的主徑與多徑在搜索窗中的功率分布情況；將計算的功率分布情況送信號生成器中進行信號生成，包括計算每個用戶的最大峰值功率的所在點；將峰值點的位置存儲在功率點中；在功率點上用智能天線算法獲得所有信號在該點上的解擴結果。
所述的在計算每個用戶的最大峰值功率的所在點時，對于最強徑不與其它用戶在同一點上的與基站不同步的用戶，向其發送模塊送調整參數。
所述的步驟B還包括將解擴結果同時送信噪比估計模塊，估計所有用戶的信噪比，信噪比低的用戶則繼續執行所述的步驟C、D、E，信噪比高的用戶直接輸出用戶信號結果。
所述的估計用戶的信噪比包括計算用戶的功率；將功率超過一定域值的判斷為有效功率；對所有有效功率的信號在它們對應的星座圖的點上求方差；方差大于給定的域值時，判斷用戶的信噪比低，方差小于給定的域值時，判斷用戶的信噪比高。
所述的步驟C是在信號重構模塊中對原始信號進行重構，求出所有用戶信號及多徑在各天線單元上的分量。
所述的步驟D是在干擾消除模塊中進行干擾消除的。
所述的步驟E是在判斷模塊中進行的，當干擾消除的循環次數達到預設的小于或等于搜索窗長度的次數時，停止干擾消除，輸出恢復信號的結果。
所述的步驟E是在判斷模塊中進行的，當所有信號的信噪比大于給定域值時，停止干擾消除，輸出恢復信號的結果。
本發明方法的實質是為每一個信道在搜索窗長度內的每一條多徑進行賦形，提取有用信號，再將這些有用的信號疊加，從而最大限度地利用了空間分集和時間分集的好處，即使系統在有嚴重多徑干擾和白噪聲干擾的情況下，仍有良好的結果。本方法計算量有限，完全可以用目前商用的數字信號處理器(DSP)或現場可編程邏輯門陣列(FPGA)來實現。
下面結合實施例及附圖進一步說明本發明的技術
圖1是使用智能天線的無線通信基站結構框2是智能天線和干擾抵銷方法的實施結構示意3是智能天線和干擾抵銷方法的實施流程框圖參見圖1，本發明所涉及的系統是具有智能天線和干擾抵銷的移動通信系統，或無線用戶環路系統等無線通信系統，圖1示出系統中的基站結構。主要包括N個全同的天線單元201A，201B，…，201i，…，201N，N條接近全同的饋電電纜202A，202B，…，201i，…，202N，N個射頻收發信機203A，203B，…，203i，…，203N，和基帶處理器204。所有的射頻收發信機203使用同一個本振信號源208，以保證一基站中的各個射頻收發信機是相干工作的。各射頻收發信機中均設有模擬至數字變換器(ADC)和數字至模擬變換器(DAC)，因此所有的射頻收發信機203的基帶輸入輸出均為數字信號，它們與基帶處理器204間通過一條高速數字總線209連接。圖中100表示基站設備。
本發明僅討論圖1所示結構的基帶處理中對接收信號的干擾抵銷方法，不考慮其發信信號的處理，實現智能天線和干擾抵銷的工作方式是在基帶處理器204中完成的。
假設該CDMA無線通信系統共設計有K個碼道(信道)，智能天線系統由N個天線單元和N個射頻收發信機組成，共有N條鏈路。每條鏈路中經其射頻收信機的模擬至數字變換器采樣后的輸出數據為S1(n)，S2(n)，…，Si(n)，…SN(n)，n為第n個碼片(Chip)，以來自第i條接收鏈路、經第203i射頻收信機的模擬至數字變換器采樣后的數據Si(n)為例，Si(n)作為輸入信號進入基帶處理器204。基帶處理器204包括有與N條鏈路的N個射頻收發信機203A，203B，…，203i，…，203N相對應的信道估計模塊210A，210B，…，210i，…，210N，和智能天線干擾抵銷模塊211，N條鏈路的輸出數據S1(n)，S2(n)，…，Si(n)，…SN(n)分別送對應的信道估計模塊210A，210B，…，210i，…，210N和智能天線干擾抵銷模塊211，各信道估計模塊210A，210B，…，210i，…，210N輸出信道響應信號 至智能天線干擾抵銷模塊211，智能天線干擾抵銷模塊211輸出同步調整參數Ss(K)至下行發送模塊，和輸出智能天線干擾抵銷的結果Sca+l，K(d)至信道譯碼模塊，其中 Si(n)信號進入信道估計模塊210i，通過預先知道的訓練序列(導頻(Pilot)或Midamble)，對K個信道情況進行估計，可以獲得K個信道沖擊響應，表示為hi，k，其中i表示為第i個天線，k表示第k個信道。
其具體處理過程是已知的第k個用戶的訓練序列為mk，第i根天線上接收到的訓練序列的數值為ei，則有 其中n為第n個碼片，w為搜索窗長，noi為第i根天線接收到的白噪聲。
可將公式(1)進一步改寫為ei=Ghi，k+noi…………公式(2)則對信道的估計可以表示為hi，k=(G*TG)-1G*Tei=Mli…………公式(3)其中M是一個僅與各個用戶訓練序列有關的矩陣，可以提前計算并存儲下來，由于不必對其作實時計算，就可大大加快信道估計的速度。
按上述過程分別計算所有用戶在所有信道上的響應，得到的hi，k結果輸入智能天線干擾抵銷模塊211，經其進一步處理將所有用戶的信號恢復出來。
參見圖2，圖中示出天線干擾抵銷模塊211對干擾抵銷的處理過程。由信道估計模塊210i計算出的信道響應hi，k首先被送到功率估計模塊220中進行功率估計，計算K個用戶(同K個信道)的主徑與多徑在搜索窗中的功率分布情況，為 然后計算每個用戶的最大峰值功率的所在點，如果有的用戶的最強徑與其它用戶的最強徑不在同一點上，則說明此用戶與基站不同步，基站將在下行信道中通知此用戶，令其調整，以與其它用戶同步，這個調整參數即為前述的Ss(K)。
再計算第k個用戶的主徑與多徑在搜索窗中總功率的分布情況，為 其中是搜索窗中的一個點，所獲得的送信號生成器221中，進行信號生成，同時送入信號生成器221中的還有各信道估計模塊210A，210B，…，210i，…，210N輸出信道響應信號 和N條鏈路的輸出數據S1(n)，S2(n)，…，Si(n)，…SN(n)。
信號生成器221首先計算power_abs中的峰值點的位置，將計算出的結果存在power_point中，同時令power_abs(power_point)=0，以便在下次做干擾時不再計算這一點，再在power_point點上用智能天線算法，得到所有信號在這一點解擴的結果，為 其中，Cq，k是第k個用戶的擴譜碼，pn_code(1)是擾碼，Sca，k(d)是上一次干擾抵銷的結果，初始值So，k(d)=0，輸出結果Sca+l，K(d)是符號級的。顯然，由于用戶不完全同步，且系統中有嚴重的多徑干擾及白噪聲，開始時的Sca+l，K(d)是一個粗略結果。
將Sca+1，K(d)送到信噪比估計模塊224和信號重構模塊222。信噪比估計模塊224的作用是估計各個用戶的信噪比，經信號生成器221生成后的信號已經是解擾、解擴及解調過的信號，此時估計各個用戶的信噪比可以有很多種方法，其中之一的方法是對第k個用戶首先計算它的功率，為
若功率超過一定的域值，則稱為有效功率，對所有具有有效功率的信號在它們對應的星座圖的點上求方差，如果方差大于給定的域值，則此用戶的信噪比比較低，其Sca+1，K(d)的值不可信，需要做干擾消除；反之，如果方差小于給定的域值，則此用戶的信噪比比較高，其Sca+l，K(d)的值不信，不需要做干擾消除。使用信噪比估計模塊的目的是為了簡化干擾抵銷的計算，對于可信信號則不必做干擾消除。
信號重構模塊222是利用Sca+l，K(d)對原始信號進行重構，重構的信號是碼片級的為Sca+l，k(Q(d-1)+q)=Sca+l，k(d)Cq，kpn_code(1) ……… 公式(8)然后求K個用戶信號在N根天線上的分量，為 N個天線恢復的結果送到干擾消除模塊223，進行干擾消除，為Si(n)=Si(n)-S’ca+l，i(n)………公式(10)圖中判斷模塊225的作用是用于判斷干擾消除可時停止的，共有兩個判斷條件1)所有信號的信噪比大于給定域值；2)干擾消除的循環次數達到設定的次數，該次數小于或等于搜索窗長度，在這個范圍內，循環次數是由數字信號處理器和FPGA等芯片的處理能力決定的。只要滿足上述兩個條件中的任何一個條件，智能天線干擾抵銷方法處理過程就結束，輸出恢復信號結果Sca+l，k(d)。
參見圖3，圖中以8根天線為例說明智能天線干擾抵銷方法的處理流程。
功能框301，由功率估計模塊220計算信道估計的功率；功能框303、304，由信號生成模塊221尋找功率中的最大值，計算偏差，并將此值設為0，和在它的偏差點上解擴，波束賦形，獲得結果并同時送信噪比判斷模塊225和通過判斷模塊225送信號重構模塊222；功能框302，送出同步調整量Ss(k)；功能框308，重構數據，求這些重構數據在8根天線上的分量；功能框309，從receive_data中減去重構數據在8根天線上的分量，所得結果仍存入receive_data中，并重復執行功能框303至309，當功能框305信噪比判斷模塊224判斷信噪比大、小，和經功能框306判斷模塊225，在循環到指定次數或者所有用戶的信噪比都滿足要求時，結束干擾消除，由功能框307輸出恢復信號結果。
本發明主要針對碼分多址無線通信系統，包括時分雙工(TDD)和頻分雙工(FDD)的碼分多址無線通信系統。任何從事無線通信系統開發的工程師，只要知道智能天線的基本原理，具有數字信號處理的基本知識，都可以使用本發明的方法來設計一個高質量的智能天線系統，并將其用于各種移動通信或無線用戶環路系統，使之獲得高性能。
權利要求
1．一種基于智能天線和干擾抵銷的基帶處理方法，其特征在于包括A.利用已知的用戶訓練序列，對來自每一鏈路天線單元及射頻收信機的采樣數據輸出信號進行信道估計，得到所有用戶在所有信道上的響應；B.在信道估計的基礎上，利用智能天線波束賦形，從所述的采樣數據輸出信號中提取有用的符號級信號；C.對獲得的有用的符號級信號進行數據重構，并加擾碼，得到碼片級的重構信號；D.從所述的采樣數據輸出信號中減去重構信號；E.反復執行步驟B至D，恢復所有用戶信號結果。
2．根據權利要求1所述的基于智能天線和干擾抵銷的基帶處理方法，其特征在于所述的步驟A是由信道估計模塊完成的，所述的信道響應中含有與各用戶的訓練序列有關的矩陣，該矩陣是提前計算并存儲的。
3．根據權利要求1所述的基于智能天線和干擾抵銷的基帶處理方法，其特征在于所述的步驟B包括利用功率估計模塊對所有用戶在所有信道上的響應進行功率估計，計算所有用戶的主徑與多徑在搜索窗中的功率分布情況；將計算的功率分布情況送信號生成器中進行信號生成，包括計算每個用戶的最大峰值功率的所在點；將峰值點的位置存儲在功率點中；在功率點上用智能天線算法獲得所有信號在該點上的解擴結果。
4．根據權利要求3所述的基于智能天線和干擾抵銷的基帶處理方法，其特征在于所述的在計算每個用戶的最大峰值功率的所在點時，對于最強徑不與其它用戶在同一點上的與基站不同步的用戶，向其發送模塊送調整參數。
5．根據權利要求1所述的基于智能天線和干擾抵銷的基帶處理方法，其特征在于所述的步驟B還包括將解擴結果同時送信噪比估計模塊，估計所有用戶的信噪比，信噪比低的用戶則繼續執行所述的步驟C、D、E，信噪比高的用戶直接輸出用戶信號結果。
6．根據權利要求5所述的基于智能天線和干擾抵銷的基帶處理方法，其特征在于所述的估計用戶的信噪比包括計算用戶的功率；將功率超過一定域值的判斷為有效功率；對所有有效功率的信號在它們對應的星座圖的點上求方差；方差大于給定的域值時，判斷用戶的信噪比低，方差小于給定的域值時，判斷用戶的信噪比高。
7．根據權利要求1所述的基于智能天線和干擾抵銷的基帶處理方法，其特征在于所述的步驟C是在信號重構模塊中對原始信號進行重構，求出所有用戶信號及多徑在各天線單元上的分量。
8．根據權利要求1所述的基于智能天線和干擾抵銷的基帶處理方法，其特征在于所述的步驟D是在干擾消除模塊中進行干擾消除的。
9．根據權利要求1所述的基于智能天線和干擾抵銷的基帶處理方法，其特征在于所述的步驟E是在判斷模塊中進行的，當干擾消除的循環次數達到預設的小于或等于搜索窗長度的次數時，停止干擾消除，輸出恢復信號的結果。
10．根據權利要求1所述的基于智能天線和干擾抵銷的基帶處理方法，其特征在于所述的步驟E是在判斷模塊中進行的，當所有信號的信噪比大于給定域值時，停止干擾消除，輸出恢復信號的結果。
全文摘要
本發明涉及一種基于智能天線和干擾抵銷的基帶處理方法,包括:A.進行信道估計,得到信道的響應;B.在信道估計的基礎上,利用智能天線波束賦形,從接收到的數據信號中提取有用的符號級信號;C.利用獲得的有用信號進行數據重構,并加擾碼,得到碼片級的重構信號;D.從接收到的數據信號中減去重構信號;E.反復執行B至D,恢復所有用戶信號。本發明的方法,在使用智能天線的CDMA系統中,能解決各種多徑傳播干擾,獲得良好效果。
文檔編號H04B1/10GK1283936SQ99111349
公開日2001年2月14日 申請日期1999年8月10日 優先權日1999年8月10日
發明者李峰 申請人:信息產業部電信科學技術研究院