專利名稱：車域網(wǎng)中的智能天線及其信號處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是在高速運行的交通工具上形成的車域網(wǎng)中使用的智能接收技術(shù)，屬于移動通信領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
因特網(wǎng)的迅速發(fā)展，使人們期望能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)隨身攜帶，小范圍個人無線通信能夠很好地滿足這個要求。從網(wǎng)絡(luò)的角度來看，繼廣域網(wǎng)，局域網(wǎng)之后，人們又提出了“無線個域網(wǎng)”。
無線個域網(wǎng)的應(yīng)用之一車載通信最典型的情況是人在車上用手機打電話。當手機在以較高的速度運行的車上工作時，通常它的發(fā)射功率是最大的，因此耗電和對人的健康的危害也就是最大的時候；同時這時所使用的系統(tǒng)資源也是最多的時候，尤其是對于實時性要求很高的話音通信，因為蜂窩系統(tǒng)為了使其在越區(qū)切換時不間斷，必然要有更多的基站和手機保持通信并不斷地進行檢測、判斷以及產(chǎn)生相應(yīng)的動作。一般來說，車速越快，手機的發(fā)射功率越大、動用的系統(tǒng)資源越多。因此，如果能夠利用無線個域網(wǎng)的概念，將車載通信分為兩部分，一部分是以人攜帶的移動終端(典型的例子是手機，也可以是筆記本電腦、PDA等)和車內(nèi)的對應(yīng)設(shè)備構(gòu)成的小范圍網(wǎng)絡(luò)，它們均以功率發(fā)射低為特點，另一部分是與蜂窩網(wǎng)通信的部分，包括收、發(fā)和天線等，這樣把車載接入端使用大功率，移動終端使用微功率，并且便于使用許多復(fù)雜而有效的技術(shù)，則可以很好地解決上述兩個問題。這個網(wǎng)絡(luò)我們稱之為無線車域網(wǎng)(WVAN，Wireless Vehicle AreaNetwork)，簡稱車域網(wǎng)，它實質(zhì)上是無線個域網(wǎng)的一個分支。
工作過程是車內(nèi)的移動終端和裝在車上的WPAN接入設(shè)備A通過WPAN協(xié)議進行微功率的通信，A和車上蜂窩網(wǎng)B之間通過接口AB進行轉(zhuǎn)換，B通過天線系統(tǒng)C和蜂窩網(wǎng)的基站或其它公眾移動通信系統(tǒng)的固定設(shè)備(如移動通信衛(wèi)星，平流層空間平臺等)進行遠距離的通信。這樣，車載設(shè)備(包括A、AB、B、C各部分)對于移動終端來說，它好像是公眾移動通信系統(tǒng)的基站；對于基站來說，它又是普通的終端。
這樣做的好處是多方面的。車內(nèi)形成一個典型的小范圍個人通信環(huán)境，手機等移動終端可以減少發(fā)射功率，從而節(jié)省電池，減少對人體的危害；B和C構(gòu)成典型的公眾移動通信系統(tǒng)終端，但它的供電由車負責，在設(shè)計上帶來更大的自由度；最為關(guān)鍵的是可以將智能天線的概念及其技術(shù)應(yīng)用到車上，解決在手機等小型移動終端使用智能天線技術(shù)所面臨的困難，為公眾移動通信系統(tǒng)的寬帶化和大容量提供一個好的解決方案。
車域網(wǎng)的目標是通過車載通信系統(tǒng)的接入，車內(nèi)各個設(shè)備間構(gòu)成WPAN，并使得它們和車外的公眾移動通信系統(tǒng)以及廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)和話音通信。它是一種車內(nèi)微功率、車外大功率的系統(tǒng)。在目前，車內(nèi)可以使用藍牙或類似的系統(tǒng)，車外就是普通的蜂窩網(wǎng)；在將來，車內(nèi)將使用帶寬更寬的WPAN的系統(tǒng)，車外是3G或更新的公眾移動通信系統(tǒng)。
在這些系統(tǒng)中要比現(xiàn)有的系統(tǒng)更高速的比特率，更高的傳輸質(zhì)量，還有高容量的要求。這樣需要盡量不犧牲頻率帶寬的情形下獲得高的接收信噪比，顯然，現(xiàn)有的單個全向接收天線將難于滿足在這種惡劣環(huán)境下的對數(shù)據(jù)傳輸?shù)母哔|(zhì)量，高速，還有高容量的要求?，F(xiàn)有的蜂窩通信系統(tǒng)僅研究了基站端的智能天線的設(shè)計和性能，主要因為手機等小型移動終端使用智能天線技術(shù)所無法實現(xiàn)，車域網(wǎng)的形成，使得研究移動端智能天線既緊迫又實用，但是由于信號形式的不同，使得基站智能天線和移動端智能天線有不同的形式。

發(fā)明內(nèi)容
(1)發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種高增益、高信噪比、適用于車域網(wǎng)實際應(yīng)用環(huán)境的車域網(wǎng)中的智能天線及其信號處理方法。
(2)技術(shù)方案本發(fā)明是一種車域網(wǎng)中的智能天線及其信號處理方法。該天線由天線陣列傳感器、波束成形器、解擴器、信號處理器、信道估計器、多徑合并器所組成，天線陣列傳感器的輸出端接波束成形器和解擴器的輸入端，波束成形器的輸出端接解擴器的輸入端，解擴器的輸出端接信號處理器、多徑合并器、信道估計器的輸入端，信號處理器的輸出端接波束成形器的輸入端，信道估計器的輸出端接多徑合并的輸入端；天線陣列傳感器由相同的若干組并聯(lián)排列的信號處理電路組成，每一組該信號處理電路由天線傳感器、去載波電路、低通濾波器依次串聯(lián)而成；解擴器由相同的若干組并聯(lián)排列的信號處理電路組成，每一組該信號處理電路由解擴器電路、積分電路串聯(lián)所組成；信號處理的方法是將天線陣列傳感器接收的信號經(jīng)解擴器的解擴后，再送信號處理器處理，獲得波束成形矢量送波束成形器，再由此波束成形矢量對天線陣列傳感器接收的信號波束成形后，經(jīng)解擴器，再由信道估計器，得到的信號后，通過多徑合并器，得到判決信號。
本發(fā)明的智能天線是安裝在高速移動的火車，轎車等移動終端，形成車域網(wǎng)，本發(fā)明基于第三代移動通信系統(tǒng)的下行鏈路的信號傳輸方式。
(3)技術(shù)效果根據(jù)移動端的信號的不同特點，提出使用先對接收陣列信號進行解擴，利用解擴后信號計算最佳權(quán)矢量w，由于是處理解擴后信號，其速率遠遠低于解擴前信號，運算量大為減少，計算時間隨之減少，非常適合于信道變化惡劣的無線信道環(huán)境，和車載環(huán)境。
四

圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)框圖。
圖2是由天線陣列傳感器1，解擴器3和信號處理器4組成的波束成形的最佳權(quán)重矢量計算的方法。其中還有天線傳感器7，去載波8，低通濾波器9，解擴器電路10，積分器11。
圖3是在信號處理器4算的最佳權(quán)矢量w的基礎(chǔ)上，接收信號的信號處理方法。其中有天線傳感器7，去載波電路8，低通濾波器9，解擴器10，積分器11，波束成形器12，信號處理器4五具體實施方式
以下結(jié)合實施例和附圖，對本發(fā)明作進一步說明。
首先從天線陣列傳感器1接收來波信號S1(n)，其中包括去載波和抽樣過程，從天線陣列傳感器1出來的是陣列數(shù)字信號，是含有期望用戶信號，干擾用戶信號，噪聲等。S1(n)經(jīng)過波束成形器2后，其中的波束成形矢量由信號處理器4得到，獲得具有最大信號干擾噪聲比的信號S2(n)，再由本地產(chǎn)生的擴頻序列對信號S2(n)進行解擴，得到解擴后信號S3(n)，再進行信道估計，由多徑合并器6進行最大比合并。再進行判決，從而完成接收過程。
其中的信號處理器的輸入信號來自于解擴后信號S4(n)，S4(n)是對沒有經(jīng)過波束成形的信號S1(n)直接進行解擴，而現(xiàn)有的智能天線的信號處理器的輸入信號是天線陣列傳感器1的輸出S1(n)，由于S3(n)是解擴后信號，其速率遠遠低于解擴前信號S1(n)，運算量大為減少，計算時間隨之減少，非常適合于信道變化惡劣的無線信道環(huán)境。這種對天線陣列傳感器接收信號解擴后，送交信號處理器，再由特殊的算法獲得波束成形矢量的方法，是本發(fā)明的創(chuàng)新之一。
本發(fā)明的核心部分是天線陣列傳感器1，波束成形器2，解擴器3和信號處理器4組成的權(quán)重矢量計算模塊。其詳細的信號處理圖如圖3和圖4，分別包含著兩個信號通路，其工作過程如下圖2是由天線陣列傳感器1，解擴器3和信號處理器4組成的波束成形的最佳權(quán)重矢量計算的方法。首先由天線傳感器7將無線電信號轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過去載波電路8，低通濾波器9，初步除去帶外噪聲，經(jīng)過抽樣后，得到陣列數(shù)字信號，進入解擴器10，用本地產(chǎn)生的擴頻序列對陣列信號分別進行解擴，積分后。得到解擴后信號，它也是陣列數(shù)字信號。由積分后的樣值，取得充分多的樣值估計陣列協(xié)方差矩陣Ryy。再由信號處理部分又相應(yīng)公式計算出噪聲加干擾協(xié)方差矩陣Ruu，這樣矩陣對(Ryy，Ruu)其最大特征值對應(yīng)的特征向量就是最佳權(quán)矢量w。這就是圖2的輸出信號送給波束成形器2用來對解擴前信號進行波束成形。
圖3是在信號處理器4算的最佳權(quán)矢量w的基礎(chǔ)上，接收信號的信號處理方法。由天線陣列7將無線電信號轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過8的去載波，9的低通濾波，初步除去帶外噪聲，經(jīng)過抽樣后，得到陣列數(shù)字信號，進入12波束成形，由此得到具有最大信號干擾噪聲比的信號，之后是普通的用本地產(chǎn)生的擴頻序列對陣列信號分別進行解擴，積分得到各徑信號。
再根據(jù)由導(dǎo)頻輔助估計得到的各衰落信道的估計如圖二，求出各路徑的衰落的幅度和相位，并由此結(jié)果在輸出端對多徑信號進行最大比合并，從而獲的最大信噪比接收質(zhì)量信號。就是時域處理部分。再將合并后的信號進行判決。這樣就完成了接收。由圖一中的設(shè)備AB將這種信號通過802.11等無線個域網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)，以微功率和車上的移動終端進行通信。
我們看圖一的情況。假設(shè)當移動用戶在小轎車上時，欲訪問因特網(wǎng)。如果使用傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)時，由于車的高速行駛，必然占用大量的資源和很大的發(fā)射功率。有了車域網(wǎng)后，用戶首先通過安裝于車上的無線接入系統(tǒng)把蜂窩的信號轉(zhuǎn)換為低功率的無線個域網(wǎng)支持的信號進行通信。本發(fā)明的重點是無線接入時的智能天線，它的工作原理是分兩步。第一步是波束成形，由圖3首先由天線陣列7將無線電信號轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過8的去載波，9的低通濾波，初步除去帶外噪聲，經(jīng)過抽樣后，得到陣列數(shù)字信號，進入10，用本地產(chǎn)生的擴頻序列對陣列信號分別進行解擴，積分后。得到解擴后信號，它也是陣列數(shù)字信號。由積分后的樣值，取得充分多的樣值估計陣列協(xié)方差矩陣Ryy。再由信號處理部分又相應(yīng)公式計算出噪聲加干擾協(xié)方差矩陣Ruu，這樣矩陣對(Ryy，Ruu)其最大特征值對應(yīng)的特征向量就是最佳權(quán)矢量w。這就是圖3的輸出信號送給波束成形器2用來對解擴前信號進行波束成形。
第二步圖3是在信號處理器4算的最佳權(quán)矢量w的基礎(chǔ)上，接收信號的信號處理方法。由天線陣列7將無線電信號轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過8的去載波，9的低通濾波，初步除去帶外噪聲，經(jīng)過抽樣后，得到陣列數(shù)字信號，進入12波束成形，由此得到具有最大信號干擾噪聲比的信號，之后是普通的用本地產(chǎn)生的擴頻序列對陣列信號分別進行解擴，積分得到各徑信號。每一徑的時延可由導(dǎo)頻估計得到，在獲得每一徑的最佳權(quán)矢量后，對接收信號在各條徑進行波束成形，如圖二所示，從而得到各徑的最大信號干擾噪聲比。再根據(jù)由導(dǎo)頻估計得到的各路徑的衰落信道的估計，進行最大比合并。就是時域處理部分。再將合并后的信號進行判決。這樣就完成了接收。由圖一中的設(shè)備AB將這種信號轉(zhuǎn)化，再以微功率和車上的移動終端進行通信。
權(quán)利要求
1.一種車域網(wǎng)中的智能天線，其特征在于該天線由天線陣列傳感器(1)、波束成形器(2)、解擴器(3)、信號處理器(4)、信道估計器(5)、多經(jīng)合并器(6)所組成，天線陣列傳感器(1)的輸出端接波束成形器(2)和解擴器(3)的輸入端，波束成形器(2)的輸出端接解擴器(3)的輸入端，解擴器(3)的輸出端接信號處理器(4)、多徑合并器(6)、信道估計器(5)的輸入端，信號處理器(4)的輸出端接波束成形器(2)的輸入端，信道估計器(5)的輸出端接多徑合并(6)的輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車域網(wǎng)中的智能天線，其特征在于天線陣列傳感器(1)由相同的若干組并聯(lián)排列的信號處理電路組成，每一組該信號處理電路由天線傳感器(7)、去載波電路(8)、低通濾波器(9)依次串聯(lián)而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的車域網(wǎng)中的智能天線，其特征在于解擴器(3)由相同的若干組并聯(lián)排列的信號處理電路組成，每一組該信號處理電路由解擴器電路(10)、積分電路(11)串聯(lián)所組成。
4.一種車域網(wǎng)中的智能天線信號處理方法，其特征在于信號處理的方法是將天線陣列傳感器(1)接收的信號經(jīng)解擴器(3)的解擴后，再送信號處理器(4)處理，獲得波束成形矢量送波束成形器(2)，再由此波束成形矢量對天線陣列傳感器(1)接收的信號波束成形后，經(jīng)解擴器(3)，再由信道估計器(5)，得到的信號后，通過多徑合并器(6)，得到判決信號。
全文摘要
車域網(wǎng)中的智能天線及其信號處理方法是在高速運行的交通工具上形成的車域網(wǎng)中使用的智能接收技術(shù),該天線由天線陣列傳感器、波束成形器、解擴器、信號處理器、信道估計器、多經(jīng)合并器所組成,天線陣列傳感器的輸出端接波束成形器和解擴器的輸入端,波束成形器的輸出端接解擴器的輸入端,解擴器的輸出端接信號處理器、多徑合并器、信道估計器的輸入端,信號處理器的輸出端接波束成形器的輸入端,信道估計器的輸出端接多徑合并的輸入端。
文檔編號H04B1/707GK1388718SQ0213784
公開日2003年1月1日 申請日期2002年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月25日
發(fā)明者沈連豐, 徐平平, 付永生, 胡靜, 葉芝慧 申請人:東南大學(xué), 南京東大移動互聯(lián)技術(shù)有限公司