專利名稱：一種移動通訊系統(tǒng)來波方向的高分辨率估計方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種TD-SCDMA系統(tǒng)超多DOA的高分辨率估計的方法或裝置，本方法同時適用于其它CDMA通信領域。
背景技術：
在無線通訊系統(tǒng)中，往往需要估計移動用戶的來波方向(DOA)，以滿足各種不同的應用需要，如移動用戶定位，波束賦形，等等，DOA估計一般是通過對多陣元的天線陣列的接收信號進行聯(lián)合處理來實現(xiàn)的。傳統(tǒng)的DOA估計技術，如MUSIC算法，ESPRIT算法和以MUSIC算法為基礎改進的Root-MUSIC等，所能估計的DOA數(shù)受天線陣列的陣元數(shù)的限制，M根陣元只能估計M-1個DOA。而在實際中，考慮成本與復雜度，基站所采用的天線陣列一般為4-8根陣元，也就是說，在實際的8陣元的天線陣列系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的DOA估計方法只能估計最多7個DOA。這是不能滿足需要的，因為在無線通信環(huán)境中，一個基站往往需要同時與十幾到幾十個用戶同時通信，且這些用戶信號的傳播環(huán)境還存在多徑，需要估計的DOA個數(shù)常常多于7個?；贛USIC算法改進的循環(huán)MUSIC算法根據(jù)譜相關性，能估計的DOA數(shù)不受陣元數(shù)的限制，但要求的數(shù)據(jù)量較大，計算復雜。
因此，現(xiàn)有技術存有缺陷，而有待于改進和發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種移動通訊系統(tǒng)來波方向的高分辨率估計方法，能夠高分辨率地估計出各用戶的多徑來波方向，且最多能估計的DOA數(shù)數(shù)倍于天線陣列的陣元數(shù)，為(M-1)K個，其中M是天線陣列的陣元數(shù)，K是用戶個數(shù)，而且本發(fā)明提出的方法計算量少，易于工程實現(xiàn)。
本發(fā)明的技術方案為一種移動通訊系統(tǒng)來波方向的高分辨率估計方法，其包括以下步驟估計出各天線陣元上每個用戶的信道信息，然后利用各天線陣元上每個用戶的信道信息構成各個用戶的信號協(xié)方差矩陣，再對每個用戶的信號協(xié)方差矩陣進行特征分解，分離信號子空間和噪聲子空間，然后在噪聲子空間搜索來波方向，將每個用戶的多徑方向準確搜索出來。
所述的方法，其中，所述方法還包括以下步驟a)估計用戶信道響應值利用每個時隙中已知的Midamble碼構成G矩陣，估計所有用戶在M元陣元上的信道響應值，第m根陣元上的信道響應值為h^(m)=(GHG)-1GH·r(m)----(4);]]>b)根據(jù)用戶k的midamble碼移位取得該相應位置上的信道矩陣；c)求取用戶k的信道矩陣的相關矩陣Rhh(k)=H(k)·H(k)H=h(k,1)h(k,2)···h(k,M)h(k,1)*h(k,2)*···h(k,M)*;]]>=h(k,1)h(k,1)*h(k,1)h(k,2)*···h(k,1)h(k,M)*h(k,2)h(k,1)*h(k,2)h(k,2)*···h(k,2)h(k,M)*············h(k,M)h(k,1)*h(k,M)h(k,2)*···h(k,M)h(k,M)*----(7)]]>d)對該相關矩陣進行特征分解；e)根據(jù)特征值的大小排序，取最小的M-Lk個特征值對應的特征向量組成噪聲空間Vn(k)=g1(k)g2(k)···gM-Lk(k)----(9);]]>f)用戶k的第l徑的方向向量a(θl(k))，l＝1∶Lk，可表示為a(θl(k))=ej2πrλcosθl(k)ej2πrλcos(θl(k)-2π(ka-1)Ka)···ej2πrλcos(θl(k)-2π(Ka-1)Ka)T---(10)]]>由于用戶k的第l徑屬于信號空間，因此有a(θl(k))HVnVnHa(θl(k))=0]]>于是，用戶k的Lk個入射信號的來波方向可通過確定MUSIC空間譜的峰值而作出估計，具體如下令P(θl(k))=1al(k)HVn(k)Vn(k)Hal(k)----(11)]]>或P(θl(k))=al(k)Hal(k)al(k)HVn(k)Vn(k)Hal(k)---(12)]]>令θ從0到360度取值，計算P(θ)值，取P(θ)的Lk個峰值對應的Lk個θ值為θl(k)，l＝1…Lk；g)重復步驟b)-f)，估計出所有用戶(k＝1…K)的來波方向。
本發(fā)明所提供的一種移動通訊系統(tǒng)來波方向的高分辨率估計方法，結合傳統(tǒng)MUSIC的思想，利用各天線陣元上每個用戶的信道信息構成各個用戶的信號協(xié)方差矩陣，再對每個用戶的信號協(xié)方差矩陣進行特征分解，分離信號子空間和噪聲子空間，然后在噪聲子空間搜索來波方向，估計的DOA數(shù)遠遠突破天線陣列陣元數(shù)的限制，并且計算量少，易于工程實現(xiàn)。


圖1、圖2是本發(fā)明的移動通訊系統(tǒng)來波方向的高分辨率估計方法的效果示意圖。
具體實施例方式
下面以實施例子具體說明本發(fā)明方法。
本發(fā)明方法的核心思想為，首先估計出各天線陣元上每個用戶的信道信息，然后結合傳統(tǒng)MUSIC算法的思想，利用各天線陣元上每個用戶的信道信息構成各個用戶的信號協(xié)方差矩陣，再對每個用戶的信號協(xié)方差矩陣進行特征分解，分離信號子空間和噪聲子空間，然后在噪聲子空間搜索來波方向，將每個用戶的多徑方向準確搜索出來。
下面是對本發(fā)明方法做進一步詳細描述。
對一個離散輸入輸出的CDMA系統(tǒng)，設系統(tǒng)共有K個用戶接入，第k個用戶所發(fā)送的信號可表示為s(k)(t)=Σn=1Ndn(k)·Σq=1Qcq(k)·gc{t-[(n-1)Q+q]Tc}----(1)]]>其中，dn(K)表示用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)符號；N為用戶發(fā)送的符號數(shù)，Q為擴頻系數(shù)，Tc為碼片持續(xù)時間，gc(τ)為碼片沖激響應，cq(k)為第k個用戶的擴頻碼片值。
設基站使用M元的天線陣列(均勻線陣、圓陣或其它流形)，則第m個陣元上的接收數(shù)據(jù)為x(m)(t)=Σk=1KΣl=1Lkal(k,m)sk(t)·hl(k,m)(τ,t)+n(t)----(2)]]>其中，Lk是第k個用戶信號到達接收端的多徑數(shù)；hl(k，m)(τ，t)是第k個用戶的第l徑到達天線第m陣元的等效信道沖激響應，它包含了空中衰落信道和接收端信道濾波器的影響，含有幅度的瑞利衰落、多徑時延、因移動臺高速移動引起的多譜勒頻移、角度擴展等信息，是時變信道；al(k，m)是第k個用戶的第l徑到達天線第m陣元的陣列因子，它主要與陣列間距和信號的波達角有關；n(t)為加性噪聲。
則M根天線的接收信號合成一個矩陣為X＝[x(1)(t) x(2)(t) ... x(M)(t)]T(3)其中，T為轉置。
根據(jù)TD-SCDMA物理層協(xié)議，一個時隙中的K個用戶的Midamble碼由一基本的Midamble碼移位形成，移位的窗長度W＝[128/K]，這個W值對于基站和用戶都是事先已知的。根據(jù)Steiner信道估計方法，利用每個時隙中已知的Midamble碼構成G矩陣，估計所有用戶在第m根陣元上的信道響應值h^(m)=(GHG)-1GH·r(m)----(4)]]>其中r(m)是接收信號x(m)中相應于Midamble碼的部分。
聯(lián)合M根陣元上的信道響應 每個用戶根據(jù)自己的Midamble碼的移位，在 中有相應的M×W的信道值，如式(5)的標記所示。第k個用戶的信道矩陣H(k)=h1(k,1)···hW(k,1)h1(k,2)···hW(k,2)·········h1(k,M)···hW(k,M)----(6)]]>由式(4)估計的信道響應值，不僅包含時延和衰落信息，還包含角度信息，是式(2)中的hl(k，m)(τ，t)和al(k，m)兩項的乘積。求用戶k的信道相關矩陣Rhh(k)=H(k)·H(k)H=h(k,1)h(k,2)···h(k,M)h(k,1)*h(k,2)*···h(k,M)*]]>=h(k,1)h(k,1)*h(k,1)h(k,2)*···h(k,1)h(k,M)*h(k.2)h(k,1)*h(k,2)h(k,2)*···h(k,2)h(k,M)*············h(k,M)h(k,1)*h(k,M)h(k,2)*···h(k,M)h(k,M)*----(7)]]>容易驗證，協(xié)方差矩陣Rhh(k)為Hermitian矩陣，它的特征值為非負值。令特征值λ1≥λ2≥...≥λM≥0，其特征分解值可寫成Rhh(k)=UΣUH=Σi=1MλiuiuiH.]]>式中，U＝[u1，u2...，uM]為特征向量組成的酉矩陣(即每個向量的模為1，向量之間相互正交，且UUH＝I，是復數(shù)的正交陣)。∑＝diag[λ1，λ2，...，λM]為特征值構成的對角矩陣。若將M個特征值按大小依次排列，則前Lk(Lk≤W)個與用戶k的多徑功率有關。從第Lk+1開始的小特征值完全確定于噪聲，其值約等于σ2，即λLk+1≈λLk+2≈...≈λM≈σ2.]]>假設各用戶有效的多徑數(shù)Lk小于陣元數(shù)M(這是非常合理的假設，一般多徑數(shù)在2-4間，陣元數(shù)在4-8間)，Rhh(k)有Lk個大特征值對應多徑信號數(shù)，有M-Lk個最小特征值，對應于噪聲功率。將與Lk個大特征值對應的特征向量ul(k)，l＝1，...，Lk，它們構成多徑信號空間，與M-Lk個最小特征值對應的特征向量gj(k)，j＝1∶M-Lk，它們是噪聲矢量，構成噪聲空間。多徑信號空間與噪聲空間正交，也就是說u1(k)u2(k)···uLk(k)⊥g1(k)g2(k)···gM-Lk(k)----(8)]]>構造噪聲矩陣Vn(k)=g1(k)g2(k)···gM-Lk(k)----(9)]]>根據(jù)(8)式，我們可得ul(k)HVnVnHul(k)=0.]]>用戶k的第l徑的方向向量a(θl(k))，l＝1∶Lk可表示為
a(θl(k))=ej2πrλcosθl(k)ej2πrλcos(θl(k)-2π(ka-1)Ka)···ej2πrλcos(θl(k)-2π(Ka-1)Ka)T----(10)]]>由于用戶k的第l徑屬于信號空間，因此有a(θl(k))HVnVnHa(θl(k))=0]]>于是，用戶k的Lk個入射信號的DOA可通過確定MUSIC空間譜的峰值而作出估計。
具體如下令P(θl(k))=1al(k)HVn(k)Vn(k)Hal(k)---(11)]]>或P(θl(k))=al(k)Hal(k)al(k)HVn(k)Vn(k)Hal(k)---(12)]]>令θ從0到360度取值，計算P(θ)值，取P(θ)的Lk個峰值對應的Lk個θ值為θl(k)，l＝1∶Lk。
一般來說，與Lk個大特征值對應的特征向量al(k)=a(θl(k)),]]>l＝1∶Lk，為導向矢量，可以將它們直接作為下行的加權矢量用于波束形成。但在仿真中發(fā)現(xiàn)，此方法形成的波束有一個缺點，就是求得的每個權矢量并沒有嚴格地與來波方向一一對應，它們在除了自己方向的其它方向也有一定幅度地響應，這樣使得形成的波束用于發(fā)射時，則把目標信號同時發(fā)射到其它徑向上和其它用戶方向上，形成干擾。另外，在宏小區(qū)的環(huán)境中，角度擴展一般為45°，使得同一用戶的兩個多徑方向可能很相近，此時形成的波束則不能兩徑信號分開。如果用本發(fā)明的方法高精度地估計出各徑的來波方向DOA，采用此方向的陣列響應矢量作為加權矢量，則會很大程度地避免上述問題。
本發(fā)明方法的具體操作步驟如下1.用Steiner方法估計用戶信道響應值，見(4)式；2.根據(jù)用戶k的midamble碼移位取得相應位置上的信道矩陣；3.求取用戶k信道矩陣的相關矩陣，見(7)式；4.對相關矩陣特征分解；5.根據(jù)特征值的大小排序，取最小的M-Lk個特征值對應的特征向量組成噪聲空間(9)式；6.取θ等于0到360度，計算a(θ)和P(θ)，見(10)式和(11)式，取P(θ)的Lk個峰值對應的Lk個θ值為用戶k的Lk個入射信號的DOA估計，記為θl(k)，l＝1∶Lk；重復步驟2到6，得出所有用戶的DOA估計。
假設TD-SCDMA系統(tǒng)同時通信的用戶數(shù)為5，每用戶有4個多徑，各徑能量分配為
dB，這樣總的來波數(shù)＝5*4＝20個，8陣元圓陣天線接收，陣列半徑0.5λ，用戶來波方向隨機產(chǎn)生，角度擴展范圍45，用戶移動速度0km/h，輸入信噪比Eb/NO為10dB。
則用戶DOA的估計過程如下1分別用8陣元數(shù)據(jù)估計信道沖激響應；2根據(jù)第1用戶的midamble碼位移對應的位置，取得相應的信道矩陣。
3求信道矩陣的相關矩陣。
4對相關矩陣特征分解。
5根據(jù)特征值的大小排序，將特征向量分成信號空間和噪聲空間。
6利用噪聲空間矩陣在360度空間搜索DOA，得到第1用戶多徑來波方向，如圖1所示。
7第2用戶至第5用戶的DOA估計重復第2步到第6步。
如圖1和圖2所示，分別顯示了其中第1用戶和第2用戶的所有4徑的來波方向，圖上注明了實際的DOA以便與結果對比。其它3個用戶的結果相似，就不再贅述。從仿真結果可以看出本發(fā)明能有效估計全部的5個用戶的20個DOA。
應當理解的是，上述針對具體實施例的描述過于具體，不能因此而限制專利請求保護范圍，專利請求保護范圍應以所附權利要求為準。
權利要求
1.一種移動通訊系統(tǒng)來波方向的高分辨率估計方法，其包括以下步驟估計出各天線陣元上每個用戶的信道信息，然后利用各天線陣元上每個用戶的信道信息構成各個用戶的信號協(xié)方差矩陣，再對每個用戶的信號協(xié)方差矩陣進行特征分解，分離信號子空間和噪聲子空間，然后在噪聲子空間搜索來波方向，將每個用戶的多徑方向準確搜索出來。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括以下步驟a)估計用戶信道響應值利用每個時隙中已知的Midamble碼構成G矩陣，估計所有用戶在M元陣元上的信道響應值，第m根陣元上的信道響應值為h^(m)=(GHG)-1GH·r(m)---(4);]]>b)根據(jù)用戶k的midamble碼移位取得該相應位置上的信道矩陣；c)求取用戶k的信道矩陣的相關矩陣Rhh(k)=H(k)·H(k)H=h(k,1)h(k,2)···h(k,M)[h(k,1)*h(k,2)*···h(k,M)*]]]>=h(k,1)h(k,1)*h(k,1)h(k,2)*···h(k,1)h(k,M)*h(k,2)h(k,1)*h(k,2)h(k,2)*···h(k,2)h(k,M)*············h(k,M)h(k,1)*h(k,M)h(k,2)*···h(k,M)h(k,M)*---(7)]]>d)對該相關矩陣進行特征分解；e)根據(jù)特征值的大小排序，取最小的M-Lk個特征值對應的特征向量組成噪聲空間vn(k)=g1(k)g2(k)···gM-Lk(k)---(9);]]>f)用戶k的第1徑的方向向量a(θl(k)),l=1:Lk,]]>可表示為a(θl(k))=ej2πrλcosθl(k)ej2πrλcos(θl(k)-2π(ka-1)Ka)···ej2πrλcos(θl(k)-2π(Ka-1)Ka)T---(10)]]>由于用戶k的第1徑屬于信號空間，因此有a(θl(k))HVnVnHa(θl(k))=0]]>于是，用戶k的Lk個入射信號的來波方向可通過確定MUSIC空間譜的峰值而作出估計，具體如下令P(θl(k))=1al(k)HVn(k)Vn(k)Hal(k)---(11)]]>或P(θl(k))=al(k)Hal(k)al(k)HVn(k)Vn(k)Hal(k)---(12)]]>令θ從0到360度取值，計算P(θ)值，取P(θ)的Lk個峰值對應的Lk個θ值為θl(k)，l＝1...Lk；g)重復步驟b)-f)，估計出所有用戶(k＝1...K)的來波方向。
全文摘要
本發(fā)明的一種移動通訊系統(tǒng)來波方向的高分辨率估計方法，其包括以下步驟估計出各天線陣元上每個用戶的信道信息，然后利用各天線陣元上每個用戶的信道信息構成各個用戶的信號協(xié)方差矩陣，再對每個用戶的信號協(xié)方差矩陣進行特征分解，分離信號子空間和噪聲子空間，然后在噪聲子空間搜索來波方向，將每個用戶的多徑方向準確搜索出來。本發(fā)明方法估計的DOA數(shù)遠遠突破天線陣列陣元數(shù)的限制，并且計算量少，易于工程實現(xiàn)。
文檔編號H04J13/00GK1595190SQ20041002799
公開日2005年3月16日 申請日期2004年7月6日 優(yōu)先權日2004年7月6日
發(fā)明者周用芳 申請人:中興通訊股份有限公司