專利名稱：一種空間到達(dá)方向的估計(jì)方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信系統(tǒng)中使用陣列天線的進(jìn)行接收和發(fā)射的方法及 裝置，尤其涉及其中的路徑檢測和波達(dá)方向推測方法及裝置。
背景技術(shù)：
為了能夠更有效的降低多徑，多址干擾，降低鄰小區(qū)千擾，提高系統(tǒng)容量，在第三代無線通信技術(shù)中采用了智能天線技術(shù)，特別是在TD-SCDMA 第三代無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中智能天線技術(shù)更是作為其關(guān)鍵技術(shù)之一。智能天 線的釆用帶來的技術(shù)優(yōu)勢包括減少小區(qū)間干擾，降低多徑千擾，降低發(fā)射功率，提高接收靈敏度，增加系統(tǒng)容量和小區(qū)半徑，使基于每一用戶的信噪比 得以增加。采用智能天線技術(shù)的無線通信系統(tǒng)中，智能天線發(fā)射的能量可以僅指向 處于激活狀態(tài)的移動終端，且在本小區(qū)內(nèi)該移動終端在通信階段一直處于被 跟蹤狀態(tài)。在智能天線應(yīng)用中其下行發(fā)射波束賦形參數(shù)可以通過對上行方向 的波束到達(dá)方向的估計(jì)來得到，特別是在TDD系統(tǒng)中這種應(yīng)用更容易。FDD 方式由于上、下行鏈路信號傳播的無線環(huán)境受頻率選擇性衰落影響不相同， 所以根據(jù)上行鏈路計(jì)算得到的權(quán)值不能直接應(yīng)用于下行鏈路；TDD方式上、 下行鏈路使用相同頻率傳輸信號，且間隔時間短，鏈路無線傳播環(huán)境差異不 大，可以-使用相同沖又值。智能天線的接收處理算法在4艮多資料，文獻(xiàn)和專利上都有討論，大致可 分為兩類， 一類是基于一定最優(yōu)準(zhǔn)則直接利用接收信號和相關(guān)的系統(tǒng)信息求 出陣列處理的復(fù)數(shù)加權(quán)矢量，另一類是首先通過一定的方法估計(jì)出接收信號 中期望信號的空間到達(dá)方向(DirectionOfArrival，簡稱DOA),然后按照陣 列的空間結(jié)構(gòu)形成與估計(jì)的DOA對應(yīng)的理想的陣列處理矢量。第一類方法多數(shù)是基于接收符號的權(quán)矢量更新，因而陣列處理大大加重
了基站的處理負(fù)荷。特別是許多智能天線算法在求解權(quán)矢量時需要進(jìn)行接收矢量矩陣的求逆運(yùn)算(如基于MMSE準(zhǔn)則的大量算法)或干擾噪聲矩陣的 求逆運(yùn)算(如基于最大信噪比準(zhǔn)則的大量算法)，這樣進(jìn)一步加重了基站的 附加運(yùn)算量。盡管一些自適應(yīng)算法如LMS算法運(yùn)算量不大，但是它的收斂 速度較慢，實(shí)際實(shí)現(xiàn)時步長逸取不當(dāng)造成算法發(fā)散。此類智能天線算法還存 在穩(wěn)定性和可靠性的問題，如果因?yàn)楦蓴_或者某種原因?qū)е虏ㄊ纬善睿?波束形成的接收效果會嚴(yán)重惡化，甚至比單元陣接收效果還差。另外，由于 在接收符號內(nèi)利用有限的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征矩陣的形成，基于符號的權(quán)矢量更新 算法形成的波束圖通常會隨符號的不同有;f艮大的波動，導(dǎo)致接收性能的明顯 下降。第二類基于DOA估計(jì)的智能天線算法(如圖l所示)，通it^t期望倌 號的初始DOA進(jìn)行估計(jì)，然后對DOA進(jìn)行跟蹤，在對權(quán)矢量更新時，直 接由當(dāng)前估計(jì)的期望信號DOA按陣列空間結(jié)構(gòu)形成與估計(jì)DOA對應(yīng)的理 想波束賦形矢量，然后又重新估計(jì)新的DOA。這種方法利用了在蜂窩移動 通信系統(tǒng)中實(shí)際數(shù)據(jù)符號率通常遠(yuǎn)大于移動臺相對于基站的角度變化率的 特點(diǎn)，對多個符號采用相同的陣列權(quán)矢量進(jìn)行接收，因而相對基于符號更新 權(quán)矢量的智能天線算法可以大大降低基站處理的運(yùn)算量。目前在TD-SCDMA系統(tǒng)的智能天線算法中，DOA估計(jì)方法采用公開號 為CN 1535048A ,名稱為"一種估計(jì)固定波束空間到達(dá)方向的方法"的中 國專利中公開的多級搜索法。該方法雖然原理簡單易實(shí)現(xiàn)，但卻存在以下缺 點(diǎn)每次搜索都需要進(jìn)行復(fù)雜的矩陣運(yùn)算，運(yùn)算量較大；因?yàn)槭腔诿繒r隙 求一次DOA，利用該方法求得的DOA估計(jì)值用在下行波束賦形時存在不小 的偏差(特別是在UE高速移動情況下)，需要在下行進(jìn)行校正(采用公開 號為CN 1700801A,名稱為"一種移動通信智能天線系統(tǒng)中的下行鏈路波束 賦形方法"的中國專利中公開的技術(shù))，從而增加了智能天線算法處理的復(fù) 雜度。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種DOA的估計(jì)方法和裝置，可以大 大減低復(fù)雜矩陣運(yùn)算量，并能提供更高精度DOA估計(jì)值。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種空間到達(dá)方向的估計(jì)方法， 應(yīng)用于采用智能天線技術(shù)的無線通信系統(tǒng)，先設(shè)置一個校正周期包含的上行 時隙數(shù)M及更新周期T, 一個時隙包括一個或多個更新周期T,啟動空間到 達(dá)方向DOA估計(jì)后，對每個校正周期內(nèi)的上行時隙和每個上行時隙內(nèi)的更 新周期進(jìn)行計(jì)數(shù)；基于上述計(jì)數(shù)值，在每一校正周期第一個時隙的第一個更 新周期，采用最大功率值搜索算法求解DOA估計(jì)值，作為DOA估計(jì)初始 值或校正值；在該校正周期的其它時間，采用最佳解調(diào)信號判別算法求解 DOA估計(jì)值，在DOA估計(jì)初始值或校正值基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對DOA估計(jì)值的 跟蹤。在本發(fā)明的一較佳實(shí)施例中，所迷M取值為30^M^60。在本發(fā)明的一較佳實(shí)施例中，采用最大功率值搜索算法求解DOA估計(jì) 值時，采用多級搜索法，即第一次以等角度間隔Ai計(jì)算角度選值區(qū)間內(nèi)N, 個點(diǎn)的功率值，求解該A個功率值中的最大值；第二次以N,個點(diǎn)中功率最 大值點(diǎn)對應(yīng)的角度為中心，分別以小于A,的等角度間隔八2計(jì)算其左右各 N2個點(diǎn)的功率值，求解該2N2個功率值和該中心點(diǎn)的功率值中的最大值；依 此多次搜索，直到達(dá)到搜索精度要求，最后一次所得到的功率最大值對應(yīng)的 角度為所求解的DOA估計(jì)值。在本發(fā)明的一較佳實(shí)施例中，還設(shè)置了一初始步長值，采用最佳解調(diào)信 號判別算法求解DOA估計(jì)值時，在每一個時隙內(nèi)執(zhí)行以下步驟的運(yùn)算(a) 在該時隙的每一個更新周期，利用DOA估計(jì)值的初值和初始步長 值構(gòu)造兩個接收權(quán)矢量，該DOA估計(jì)值的初值為該時隙上一更新周期或者 上一時隙最后一個更新周期求解的DOA估計(jì)值；(b) 計(jì)算該更新周期內(nèi)該兩權(quán)矢量的接收結(jié)果；(c) 根據(jù)所述接收結(jié)果確定該更新周期的新的DOA估計(jì)值。在本發(fā)明的一較佳實(shí)施例中，所述步驟(a)中，構(gòu)造兩個接收權(quán)矢量 的公式如下 <formula>formula see original document page 9</formula>其中，T為更新周期，^為期望信號當(dāng)前DOA估計(jì)值，即該更新周期 DOA估計(jì)值的初值，M為當(dāng)前步長，wl， w2即為兩個構(gòu)造的權(quán)矢量，X 為載波波長，d為天線陣列的陣元間距。在本發(fā)明的一較佳實(shí)施例中，所述步驟(b)計(jì)算更新周期內(nèi)該兩權(quán)矢 量的接收結(jié)果的公式如下<formula>formula see original document page 9</formula>其中，L為更新周期T內(nèi)的比特?cái)?shù)，c是接收的空間天線陣列接收的碼 片數(shù)據(jù)，Y1,Y2表示經(jīng)過上式接收的解調(diào)輸出信號，wl, w2為兩個構(gòu)造的 權(quán)矢量。在本發(fā)明的一較佳實(shí)施例中，所述步驟(c)根據(jù)所述接收結(jié)果確定新 的DOA估計(jì)值的公式如下<formula>formula see original document page 9</formula>其中^0'+D為更新后的DOA估計(jì)值，^(0為期望信號當(dāng)前的DOA估 計(jì)值，即該更新周期DOA估計(jì)值的初值，Y1，Y2分別表示更新周期內(nèi)兩權(quán) 矢量的接收結(jié)果。在本發(fā)明的一較佳實(shí)施例中，設(shè)置更新周期T的碼片數(shù)時，使得每個上 行時隙包括8個或9個更新周期T。在本發(fā)明的一較佳實(shí)施例中，還保存最近L次的DOA估計(jì)值的增量， 在所述步驟(c)之后還包括
步驟(d)，保存新的DOA估計(jì)值相對前一DOA估計(jì)值的增量，判斷 是否已保存了 L個L,如果是，執(zhí)行步驟(e),否則返回步驟(a);步驟(e)，判斷當(dāng)前存儲的L個^的增量，如連續(xù)L個0M增量的符 號都為正或負(fù)，將增大步長AP;如果逸續(xù)L個相鄰的0，增量的符號彼此異 號，減小步長AP,否則保持當(dāng)前步長不變，返回步驟(a)。
本發(fā)明提供的空間到達(dá)方向的估計(jì)裝置包括計(jì)數(shù)單元、算法選擇控制 器、功率最大值搜索器、最佳解調(diào)信號判別器和空間到達(dá)方向DOA輸出值 選擇器，其中所述計(jì)數(shù)單元，包括時隙計(jì)數(shù)器，用于對上行時隙進(jìn)行計(jì)數(shù)，每計(jì)數(shù)M 次后重新計(jì)數(shù)，M值為預(yù)先設(shè)置的一個校正周期包括的時隙數(shù)；更新周期計(jì) 數(shù)器，用于對每個時隙中的更新周期進(jìn)行計(jì)數(shù)；時隙計(jì)數(shù)值和更新周期計(jì)數(shù) 值輸出到所述算法選擇控制器和DOA輸出值選擇器；所述算法選擇控制器，用于在輸入的時隙計(jì)數(shù)值和更新周期計(jì)數(shù)值都等 于0時，激活功率最大值搜索器求解DOA估計(jì)值；在其它情況下，激活最 佳解調(diào)信號判別器求解DOA估計(jì)值；所迷功率最大值搜索器用于通過功率最大值搜索算法求解DOA估計(jì) 值，作為DOA估計(jì)初始值或者校正值，輸出到所述最佳解調(diào)信號判別器和 DOA輸出值選擇器；所述最佳解調(diào)信號判別器，用于采用最佳解調(diào)信號判別算法求解DOA 估計(jì)值并輸出到所迷DOA輸出值選擇器，在所述DOA估計(jì)初始值或校正 值基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對DOA估計(jì)值的跟蹤；所述DOA輸出值選擇器，用于在輸入的時隙計(jì)數(shù)值和更新周期計(jì)數(shù)值 都等于0時，輸出功率最大值搜索器得到的DOA估計(jì)值，在其它情況下， 輸出最佳解調(diào)信號判別器得到的DOA估計(jì)值。在本發(fā)明的一較佳實(shí)施例中，所述計(jì)數(shù)單元中的M值設(shè)置為30《M《60， 其中的更新周期計(jì)數(shù)器在一個時隙的最大計(jì)數(shù)值為8或9。在本發(fā)明的一較佳實(shí)施例中，所述功率最大值搜索器采用多級搜索法來
搜索功率最大值對應(yīng)的角度，即所求解的DOA估計(jì)值。在本發(fā)明的一較佳實(shí)施例中，所述最佳解調(diào)信號判別器進(jìn)一步包括權(quán)矢量構(gòu)造單元，用于在該時隙的每一個更新周期，利用DOA估計(jì)值 的初值和初始步長值構(gòu)造兩個接收權(quán)矢量；接收結(jié)果計(jì)算單元，用于計(jì)算該更新周期內(nèi)該兩權(quán)矢量的接收結(jié)果；DOA估計(jì)值計(jì)算單元，用于根據(jù)所述接收結(jié)果確定該更新周期的新的 DOA估計(jì)值；存儲器，用于最多保存L個新的DOA估計(jì)值相對前一 DOA估計(jì)值的 增量；步長調(diào)節(jié)單元，用于判斷當(dāng)前存儲的L個所述增量，如連續(xù)L個增量 的符號都為正或負(fù)，將增大步長;如果連續(xù)L個相鄰的增量的符號彼此異號， 減小步長，否則保持當(dāng)前步長不變。由上可知，利用本發(fā)明的DOA估計(jì)方法及裝置進(jìn)行DOA估計(jì)能有效 提高DOA估計(jì)的精度，實(shí)現(xiàn)對移動臺的筒易粗定位和良好的跟蹤。很好避 免了采用單一算法帶來的運(yùn)算大及計(jì)算精度低的缺點(diǎn)。特別是在高速移動情 況下能帶來DOA估計(jì)性能的較大提高，簡化了智能天線處理過程。使下行 波束賦形時可以直接根據(jù)此估計(jì)值進(jìn)行權(quán)值生成，無需進(jìn)行DOA估計(jì)值的 重新校正，簡化智能天線處理算法。附困說明圖l是智能天線物理實(shí)現(xiàn)的原理圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例DOA估計(jì)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明實(shí)施例DOA估計(jì)方法的流程圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明DOA估計(jì)方法及裝置的基本思想是利用"功率最大值搜索法" 進(jìn)行DOA估計(jì)的粗定位和校準(zhǔn)，利用"最佳解調(diào)信號判別法"進(jìn)行DOA
估計(jì)值微調(diào)和跟蹤。其中采用"功率最大值搜索法"進(jìn)行的粗定位和校準(zhǔn)每隔M個上^f亍時隙(M值可配置)啟動計(jì)算一次，得出當(dāng)前時隙粗略估計(jì)的 DOA值，在其余上行時隙采用"最佳解調(diào)信號判別法"基于"功率最大值 搜索法"得到的DOA值進(jìn)行微調(diào)和DOA跟蹤。為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合附圖
對技 術(shù)方案的實(shí)施作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，雖然是以TD-SCDMA系統(tǒng)為例，但本 發(fā)明也可用于其它采用智能天線的通信系統(tǒng)中。如圖2所示，本實(shí)施例DOA估計(jì)裝置包括計(jì)數(shù)單元、算法選擇控制器、 功率最大值搜索器、最佳解調(diào)信號判別器和DOA輸出值選擇器，其中計(jì)數(shù)單元，包括時隙計(jì)數(shù)器和更新周期計(jì)數(shù)器。其中，時隙計(jì)數(shù)器用于 根據(jù)系統(tǒng)給出時隙更新信息對上行時隙進(jìn)行計(jì)數(shù)，每計(jì)數(shù)M次再重新計(jì)數(shù)， M值為預(yù)先設(shè)置的一個校正周期包括的時隙數(shù);更新周期計(jì)數(shù)器用于對每個 時隙中的更新周期進(jìn)行計(jì)數(shù)，其取值將在下文中詳細(xì)介紹。計(jì)數(shù)單元的計(jì)數(shù) 值(包括時隙計(jì)數(shù)值和更新周期計(jì)數(shù)值)輸出到算法選擇控制器和DOA輸 出值選擇器。算法選擇控制器，用于根據(jù)輸入的計(jì)數(shù)值生成算法選捧控制信號，在輸 入的時隙計(jì)數(shù)值和更新周期計(jì)數(shù)值都等于0時，激活功率最大值搜索器進(jìn)行 DOA估計(jì)初始值或者校正值的計(jì)算；在其它情況下，激活最佳解調(diào)信號判 別器進(jìn)行DOA估計(jì)值的跟蹤和微調(diào)計(jì)算。功率最大值搜索器是通過功率最大值搜索算法進(jìn)行DOA估計(jì)初始值或 校正值的運(yùn)算部，基于經(jīng)典波束形成算法，對用戶在天線陣列整個波束空間 范圍內(nèi)按照一定的搜索精度要求進(jìn)行多級搜索，每次搜索都求解相應(yīng)空間角 度來波的功率，通過判斷最大的功率值，得出最可能的來波方向，并輸出到 最佳解調(diào)信號判別器和DOA輸出值選擇器。最佳解調(diào)信號判別器，用于根據(jù)DOA估計(jì)值的初值和當(dāng)前步長，在每 個更新周期內(nèi)計(jì)算兩個構(gòu)造的權(quán)矢量的接收結(jié)果，并根據(jù)接收結(jié)果確定新的 期望信號的DOA估計(jì)值，輸出到DOA輸出值選擇器。該最佳解調(diào)信號判別器進(jìn)一步包括權(quán)矢量構(gòu)造單元，用于在該時隙的每一個更新周期，利用DOA估計(jì)值 的初值和初始步長值構(gòu)造兩個接收權(quán)矢量；接收結(jié)果計(jì)算單元，用于計(jì)算該更新周期內(nèi)該兩權(quán)矢量的接收結(jié)果；DOA估計(jì)值計(jì)算單元，用于根據(jù)所述接收結(jié)果確定該更新周期的新的 DOA估計(jì)值；FIFO存儲器，用于最多保存L個新的DOA估計(jì)值相對前一DOA估計(jì) 值的增量；步長調(diào)節(jié)單元，用于判斷當(dāng)前存儲的L個所述增量，如連續(xù)L個增量 的符號都為正或負(fù)，將增大步長;如果連續(xù)L個相鄰的增量的符號彼此異號， 減小步長，否則保持當(dāng)前步長不變。DOA輸出值選擇器，用于根據(jù)輸入的計(jì)數(shù)值，選擇功率最大值搜索器 或最佳解調(diào)信號判別器的運(yùn)算結(jié)果作為DOA估計(jì)值輸出。即在輸入的時 隙計(jì)數(shù)值和更新周期計(jì)數(shù)值都等于0時，輸出功率最大值搜索器得到的DOA 估計(jì)值，在其它情況下，輸出最佳解調(diào)信號判別器得到的DOA估計(jì)值。圖2所示為本實(shí)施例對某用戶進(jìn)行DOA估計(jì)的流程，預(yù)先設(shè)定一校正 周期包含的時隙個數(shù)M， M取值不宜過大或過小，過大會造成校正周期過 長，過小造成頻繁校正。M取值宜在30到60之間，本實(shí)施例M值選擇為 30。此外，還要i殳置DOA估計(jì)值的更新周期T,該更新周期T即用最佳解 調(diào)信號判別器求解的DOA值的更新周期。在TD-SCDMA系統(tǒng)中，更新次 數(shù)由每時隙總碼片數(shù)864和更新周期T確定，T值不能取過大或過小，過大 造成運(yùn)算量增加，過小達(dá)不到運(yùn)算精度， 一般取值在100碼片附近。為了取 整數(shù)，T值的較佳選擇有T-108, 96,相應(yīng)地，每個時隙的DOA估計(jì)值的 更新次數(shù)為8次和9次，本實(shí)施例T=96。該流程包括計(jì)數(shù)和DOA估計(jì)值運(yùn)算兩個并行的進(jìn)程。對于計(jì)數(shù)來說，包括對上行時隙的計(jì)數(shù)和對時隙中更新周期的計(jì)數(shù)，先 初始化時隙計(jì)數(shù)器和更新周期計(jì)數(shù)器的值為0，啟動DOA估計(jì)后，對上行 時隙計(jì)數(shù)，每計(jì)數(shù)M次后復(fù)位，再重新開始計(jì)數(shù)；在上行時隙計(jì)數(shù)值變化
后，將更新周期計(jì)數(shù)器復(fù)位，在計(jì)數(shù)過程中每經(jīng)過一個更新周期，即96個 碼片計(jì)數(shù)值加1。對于DOA估計(jì)值運(yùn)算來說，是在上述計(jì)數(shù)值的基礎(chǔ)上選擇不同的計(jì)算 方法來完成的。具體步驟如下步驟IIO，啟動DOA估計(jì)后，每次在時隙計(jì)數(shù)器和更新周期計(jì)數(shù)器的 計(jì)數(shù)值變化時，執(zhí)行下一步；步驟120，判斷時隙計(jì)數(shù)器和更新周期計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值是否均為0，如 杲是，執(zhí)行步驟130,否則，執(zhí)行步驟140;步驟130，利用最大功率值搜索算法求解DOA估計(jì)初始值或DOA估計(jì) 校正值；文中將第一個校正周期的第一個時隙用最大功率值搜索算法計(jì)算得到 的DOA估計(jì)值稱為DOA估計(jì)初始值，將后續(xù)校正周期的第一個時隙用最 大功率值搜索算法計(jì)算得到的DOA估計(jì)值稱為DOA估計(jì)校正值。步驟140，利用最佳解調(diào)信號判別算法對DOA估計(jì)值進(jìn)行跟蹤并對步 長進(jìn)行微調(diào)。上述步驟130中的功率最大值搜索算法采用基于經(jīng)典波束形成算法的 多級搜索法來實(shí)現(xiàn)，經(jīng)典波束形成算法的功率求解計(jì)算方法如下輸入空間協(xié)方差矩陣/ ,計(jì)算 其中a(句是方向向量，表示為其中&為天線陣元數(shù)目，r表示天線陣元之間的距離，H是共軛轉(zhuǎn)置運(yùn) 算符，當(dāng)每根天線都是全向天線時/1的=/2的=...-/ (60-1。其中當(dāng)天線陣列 為均勻線陣時^e [0，180),但天線陣列為均勻圓陣時6 e [0，360)。按照搜索精度的要求，每個搜索角度0都需要進(jìn)行一次p伊)的求解，其 輸入?yún)?shù)包括方向向量《的和空間相關(guān)矩陣及 。所有求得的中最大值對應(yīng)得角度^即為需要求解的DOA估計(jì)值。為了簡化運(yùn)算，本實(shí)施例采用多級搜索法。以下以TD-SCDMA系統(tǒng)中 基于8天線圓陣的天線系統(tǒng)為實(shí)例進(jìn)行說明。8天線圓陣空間角度為360。，假設(shè)DOA估計(jì)的精度設(shè)為1° ,則如果 不采用多級搜索法則需要分別計(jì)算360個角度值對應(yīng)的功率值，運(yùn)算量較 大。多級搜索法的思想是，第一次以均等的較大角度間隔計(jì)算360。的N！ 個點(diǎn)的功率值，求解A個功率值中最大值；第二次以第一次N,個點(diǎn)中功率 最大值點(diǎn)對應(yīng)的角度為中心，分別以較小的等間隔角度分別計(jì)算其左右各 N2個點(diǎn)的功率值，求解該2N2個功率值及該中心點(diǎn)的功率值中的功率最大 值；依次類推，直到達(dá)到搜索精度要求，最后一次得到的功率最大值對應(yīng)的 角度，即為所求解的DOA估計(jì)值。采用2級的功率最大值搜索法時，具體工作過程包括以下步驟1) 讀入Rxx值；2) 根據(jù)公式p的=^的及^ (外^(0，《)，以10。為間隔計(jì)算從0。到 360°的共36個角度點(diǎn)對應(yīng)的功率值；3) 求解36個功率值中的最大值，給出該功率最大值對應(yīng)的角度，記為Cc ;4) 以1。為間隔，分別求C。左右從(C-9) °到(c+9) °各9個點(diǎn)， 共18個角度點(diǎn)對應(yīng)的功率值；5) 求解第4步的18個點(diǎn)以及C。點(diǎn)的共19個功率值中的最大值，給 出該最大值點(diǎn)對應(yīng)的角度，即為所求的DOA估計(jì)值。當(dāng)然，也可以采用更多級的搜索，如三級搜索法，如設(shè)第一級角度點(diǎn)間 隔為20。，第二級角度點(diǎn)間隔為4。，第三級角度點(diǎn)間隔為l。，先從第一 級18個角度點(diǎn)中得到功率最大值對應(yīng)的角度C，然后以4°為間隔，計(jì)算 左右從(C-16) °到(c+16) °共8個角度點(diǎn)中功率最大值對應(yīng)的角度D, 最后以1。為間隔，計(jì)算左右從(D-3)。到(D+3)。共6個角度點(diǎn)中功率 最大值對應(yīng)的角度，即為所求的DOA估計(jì)值。
另外，當(dāng)天線陣列為均勻線陣，即^[0，180)時，只需將上述第2)步時 的選值區(qū)間改為0。到180°來取值即可，其它步驟都是相同的。上述流程中，最佳信號解調(diào)判別器的DOA跟蹤原理是對根據(jù)"功率最 大值法"求得的DOA初始值或校正值進(jìn)行跟蹤計(jì)算，即當(dāng)陣列波束對移動 臺處于良好跟蹤狀態(tài)時，DOA跟蹤的當(dāng)前值^應(yīng)在實(shí)際的DOA左右跳變， 即^交替取t+A^， ^^-A^。當(dāng)陣列波束對移動臺處于跟蹤失敗狀態(tài)時， A,會長時間超出或低于實(shí)際DOA。本實(shí)施例的最佳信號解調(diào)判別器首先設(shè)計(jì)一個深度為L的FIFO (先入 先出存儲器)，用來記錄連續(xù)L個^^值的增量變化(可正可負(fù))。FIFO的 深度L的取值范圍較佳在4到8之間，這里取6，避免過短的L值很難反應(yīng) 當(dāng)前步長的特征以及過長的L帶來調(diào)整滯后的問題。當(dāng)然也可以采用其它存 儲器，只要實(shí)現(xiàn)相應(yīng)邏輯即可。計(jì)算前還要設(shè)置DOA估計(jì)值的更新周期T及初始步長值，這里更新周 期T是指^^的更新周期，即用最佳解調(diào)信號判別器求解的DOA值的更新 周期，上文中已做過詳細(xì)介紹。由于每個時隙的DOA估計(jì)值的更新次數(shù)的 增加，相對于功率最大值搜索法每時隙只求解一次DOA估計(jì)值，最佳解調(diào) 信號判別法實(shí)現(xiàn)了更好的DOA求解精度。本實(shí)施例的最佳解調(diào)信號判別方法在一個時隙內(nèi)執(zhí)行的操作如下1 )在該時隙的每一個更新周期，利用DOA估計(jì)值的初值和初始步長值 構(gòu)造兩個接收權(quán)矢量，公式如下<formula>formula see original document page 16</formula>這里，T為更新周期，取96碼片。P，為期望信號當(dāng)前DOA估計(jì)值， 也即該更新周期DOA估計(jì)值的初值，AP為當(dāng)前步長，X為載波波長，d為 天線陣列的陣元間距，wl， w2即為兩個構(gòu)造的權(quán)矢量。應(yīng)當(dāng)說明的是，本 發(fā)明不局限于上述權(quán)矢量的構(gòu)造公式，運(yùn)用其它公式也是可以的。
該DOA估計(jì)值的初值即為該時隙上一更新周期得到的DOA估計(jì)值， 或者上一時隙最后一個更新周期得到的DOA估計(jì)值?？赡苁窃谛Ｕ芷诘?一個時隙第一個更新周期用功率最大值搜索算法得到的DOA估計(jì)初始值或 校正值，也可能是用最佳解調(diào)信號判別法得到的DOA估計(jì)值。2)計(jì)算更新周期內(nèi)該兩權(quán)矢量的接收結(jié)果，并根據(jù)該結(jié)果確定新的 DOA估計(jì)值；按下面的公式對兩個權(quán)矢量計(jì)算接收結(jié)果 工l/豕0L /豕0其中L為更新周期T內(nèi)的比特?cái)?shù)(這里即指96碼片數(shù)據(jù)的比特?cái)?shù))， c是接收的空間天線陣列接收的碼片數(shù)據(jù)，Y1，Y2表示經(jīng)過上式接收的解調(diào) 輸出信號。則^的更新判別方法根據(jù)下式進(jìn)行其中+1)為更新后的DOA估計(jì)值，為期望信號當(dāng)前的DOA估 計(jì)值，即該更新周期DOA估計(jì)值的初值。3 )將新的DOA估計(jì)值相對前一 DOA估計(jì)值的增量移入FIFO，判斷 FIFO是否已滿，如果FIFO未滿，轉(zhuǎn)第1)步，如果FIFO已滿，進(jìn)行第4) 步；4)根據(jù)FIFO狀態(tài)確定新的步長，轉(zhuǎn)第1)步。如果FIFO已滿，先判斷當(dāng)前存儲的L個^的增量，如果連續(xù)L個&, 增量的符號都為正或負(fù)，說明根據(jù)當(dāng)前的步長陣列波束跟蹤不上移動臺 的角速度變化，應(yīng)將A-增大ldB(表示的是一種增量關(guān)系)；如果連續(xù)L個相 鄰的^增量的符號彼此異號，說明步長可能偏大，則減小步長AP ldB，這 樣通過自適應(yīng)調(diào)整，使步長一直處于檢測與調(diào)整中，如果AP偏大或偏小，
幾個更新周期T后，AP可以得到校正。步長調(diào)節(jié)值的范圍視精度要求可以取{1dB,2dB，3dB}, 一般需要獲得較佳精度，使用ldB。在進(jìn)行M的調(diào)整后， 還可以清空該FIFO,以避免已使用數(shù)據(jù)對后續(xù)判斷的影響。在另一實(shí)施例中，也可以不對步長A0進(jìn)行微調(diào)，其精度也能滿足要求。綜上所述，本發(fā)明利用"功率最大值搜索法"進(jìn)行DOA初始值的求解，算法簡單，但運(yùn)算涉及較大矩陣運(yùn)算，不適宜在每個時隙都采用該方法，避免造成很多的運(yùn)算量的浪費(fèi)。當(dāng)粗略的DOA估計(jì)值得出后，根據(jù)實(shí)際情況短時間內(nèi)移動臺將在該角度附近范圍內(nèi)變化，此時適合全空間范圍搜索的功率最大值搜索法將造成計(jì)算資源浪費(fèi)，而采用最佳解調(diào)信號判別法則能帶來高效的跟蹤性能，在小范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)DOA估計(jì)快速求解和更新，能夠提高DOA估計(jì)精度。因?yàn)楸景l(fā)明中的最佳解調(diào)信號判別法采用自適應(yīng)步長技術(shù)，且在讀入根據(jù)功率最大值搜索法獲得的初始DOA估計(jì)值作為初值，后續(xù)計(jì)算以最佳解調(diào)信號判別法求得的當(dāng)前DOA估計(jì)值作為初值，有可能造成一段時間后跟蹤失步，有必要周期性的進(jìn)行DOA校正，DOA校正利用功率最大值搜索法進(jìn)行，在全空間再進(jìn)行一次粗定位，求得的新DOA估計(jì)值作為新的校正周期的最佳解調(diào)信號判別器的DOA初始值。因而在有效提高DOA估計(jì)的精度，實(shí)現(xiàn)對移動臺的簡易粗定位和良好的跟蹤的同時，4艮好避免了 采用單一算法帶來的運(yùn)算大及計(jì)算精度低的缺點(diǎn)。
權(quán)利要求
1、一種空間到達(dá)方向的估計(jì)方法，應(yīng)用于采用智能天線技術(shù)的無線通信系統(tǒng)，其特征在于先設(shè)置一個校正周期包含的上行時隙數(shù)M及更新周期T，一個時隙包括一個或多個更新周期T，啟動空間到達(dá)方向DOA估計(jì)后，對每個校正周期內(nèi)的上行時隙和每個上行時隙內(nèi)的更新周期進(jìn)行計(jì)數(shù)；基于上述計(jì)數(shù)值，在每一校正周期第一個時隙的第一個更新周期，采用最大功率值搜索算法求解DOA估計(jì)值，作為DOA估計(jì)初始值或校正值；在該校正周期的其它時間，采用最佳解調(diào)信號判別算法求解DOA估計(jì)值，在DOA估計(jì)初始值或校正值基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對DOA估計(jì)值的跟蹤。
2、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所迷M取值為3(KMS60。
3、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，采用最大功率值搜索算法 求解DOA估計(jì)值時，采用多級搜索法，即第一次以等角度間隔A^十算角度 選值區(qū)間內(nèi)N,個點(diǎn)的功率值，求解該Nt個功率值中的最大值；第二次以 N！個點(diǎn)中功率最大值點(diǎn)對應(yīng)的角度為中心，分別以小于A,的等角度間隔A2 計(jì)算其左右各N2個點(diǎn)的功率值，求解該2N2個功率值和該中心點(diǎn)的功率值 中的最大值；依此多次搜索，直到達(dá)到搜索精度要求，最后一次所得到的功 率最大值對應(yīng)的角度為所求解的DOA估計(jì)值。
4、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，還設(shè)置了一初始步長值， 采用最佳解調(diào)信號判別算法求解DOA估計(jì)值時，在每一個時隙內(nèi)執(zhí)行以下 步驟的運(yùn)算(a) 在該時隙的每一個更新周期，利用DOA估計(jì)值的初值和初始步長 值構(gòu)造兩個接收權(quán)矢量，該DOA估計(jì)值的初值為該時隙上一更新周期或者 上一時隙最后一個更新周期求解的DOA估計(jì)值；(b) 計(jì)算該更新周期內(nèi)該兩權(quán)矢量的接收結(jié)果；(c) 根據(jù)所述接收結(jié)果確定該更新周期的新的DOA估計(jì)值。
5、 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述步驟(a)中，構(gòu)造兩 個接收權(quán)矢量的公式如下 公式如下:<formula>formula see original document page 3</formula>其中，T為更新周期，e^為期望信號當(dāng)前DOA估計(jì)值，即該更新周期 DOA估計(jì)值的初值，AS為當(dāng)前步長，wl， w2即為兩個構(gòu)造的權(quán)矢量，^ 為栽波波長，d為天線陣列的陣元間距。
6、 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述步驟(b)計(jì)算更新周 期內(nèi)該兩權(quán)矢量的接收結(jié)果的公式如下<formula>formula see original document page 3</formula>其中，L為更新周期T內(nèi)的比特?cái)?shù)，c是接收的空間天線陣列接收的碼 片數(shù)據(jù)，Y1，Y2表示經(jīng)過上式接收的解調(diào)輸出信號，wl， w2為兩個構(gòu)造的 權(quán)矢量。
7、 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述步驟(c)根據(jù)所迷接 收結(jié)果確定新的DOA估計(jì)值的公式如下其中t(i+l)為更新后的DOA估計(jì)值，^(z)為期望信號當(dāng)前的DOA估 計(jì)值，即該更新周期DOA估計(jì)值的初值，Y1,Y2分別表示更新周期內(nèi)兩權(quán) 矢量的接收結(jié)果。
8、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，設(shè)置更新周期T的碼片數(shù) 時，使得每個上行時隙包括8個或9個更新周期T。
9、 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，還保存最近L次的DOA 估計(jì)值的增量，在所述步驟(c)之后還包括步驟(d)，保存新的DOA估計(jì)值相對前一DOA估計(jì)值的增量，判斷 是否已保存了 L個e，.，如果是，執(zhí)行步驟(e)，否則返回步驟(a);步驟(e),判斷當(dāng)前存儲的L個^的增量，如連續(xù)L個e，增量的符 號都為正或負(fù)，將增大步長M;如果連續(xù)L個相鄰的^^增量的符號彼此異 號，減小步長AP，否則保持當(dāng)前步長不變，返回步驟(a)。
10、 一種空間到達(dá)方向的估計(jì)裝置，包括計(jì)數(shù)單元、算法選擇控制器、 功率最大值搜索器、最佳解調(diào)信號判別器和空間到達(dá)方向DOA輸出值選擇 器，其中所述計(jì)數(shù)單元，包括時隙計(jì)數(shù)器，用于對上行時隙進(jìn)行計(jì)數(shù)，每計(jì)數(shù)M 次后重新計(jì)數(shù)，M值為預(yù)先設(shè)置的一個校正周期包括的時隙數(shù)；更新周期計(jì) 數(shù)器，用于對每個時隙中的更新周期進(jìn)行計(jì)數(shù)；時隙計(jì)數(shù)值和更新周期計(jì)數(shù) 值輸出到所述算法選擇控制器和DOA輸出值選擇器；所述算法選擇控制器，用于在輸入的時隙計(jì)數(shù)值和更新周期計(jì)數(shù)值都等 于0時，激活功率最大值搜索器求解DOA估計(jì)值；在其它情況下，激活最 佳解調(diào)信號判別器求解DOA估計(jì)值；所述功率最大值搜索器用于通過功率最大值搜索算法求解DOA估計(jì) 值，作為DOA估計(jì)初始值或者校正值，輸出到所述最佳解調(diào)信號判別器和 DOA輸出值選擇器；所述最佳解調(diào)信號判別器，用于采用最佳解調(diào)信號判別算法求解DOA 估計(jì)值并輸出到所述DOA輸出值選擇器，在所述DOA估計(jì)初始值或校正 值基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對DOA估計(jì)值的跟蹤；所述DOA輸出值選擇器，用于在輸入的時隙計(jì)數(shù)值和更新周期計(jì)數(shù)值 都等于0時，輸出功率最大值搜索器得到的DOA估計(jì)值，在其它情況下， 輸出最佳解調(diào)信號判別器得到的DOA估計(jì)值。
11、 如權(quán)利要求IO所述的估計(jì)裝置，其特征在于，所述計(jì)數(shù)單元中的 M值設(shè)置為3(KN^60，其中的更新周期計(jì)數(shù)器在一個時隙的最大計(jì)數(shù)值為8 或9。
12、 如權(quán)利要求IO所述的估計(jì)裝置，其特征在于，所述功率最大值搜索器采用多級搜索法來搜索功率最大值對應(yīng)的角度，即所求解的DOA估計(jì) 值。
13、如權(quán)利要求IO所迷的估計(jì)裝置，其特征在于，所述最佳解調(diào)信號 判別器進(jìn)一步包括權(quán)矢量構(gòu)造單元，用于在該時隙的每一個更新周期，利用DOA估計(jì)值 的初值和初始步長值構(gòu)造兩個接收權(quán)矢量；接收結(jié)果計(jì)算單元，用于計(jì)算該更新周期內(nèi)該兩權(quán)矢量的接收結(jié)果；DOA估計(jì)值計(jì)算單元，用于根據(jù)所述接收結(jié)果確定該更新周期的新的 DOA估計(jì)值；存儲器，用于最多保存L個新的DOA估計(jì)值相對前一 DOA估計(jì)值的 增量;步長調(diào)節(jié)單元，用于判斷當(dāng)前存儲的L個所述增量，如連續(xù)L個增量 的符號都為正或負(fù)，將增大步長；如果連續(xù)L個相鄰的增量的符號彼此異號， 減小步長，否則保持當(dāng)前步長不變。
全文摘要
一種空間到達(dá)方向的估計(jì)方法及裝置，應(yīng)用于采用智能天線技術(shù)的無線通信系統(tǒng)，先設(shè)置一個校正周期包含的上行時隙數(shù)M及更新周期T，一個時隙包括一個或多個更新周期T，啟動空間到達(dá)方向DOA估計(jì)后，計(jì)數(shù)單元對每個校正周期內(nèi)的上行時隙和每個上行時隙內(nèi)的更新周期進(jìn)行計(jì)數(shù)；算法選擇控制器基于上述計(jì)數(shù)值，在每一校正周期第一個時隙的第一個更新周期，激活最大功率值搜索器求解DOA估計(jì)值，作為DOA估計(jì)初始值或校正值；在該校正周期的其它時間，激活最佳解調(diào)信號判別器求解DOA估計(jì)值，實(shí)現(xiàn)對DOA估計(jì)值的跟蹤；DOA輸出值選擇器選擇輸出最終的DOA估計(jì)值。本發(fā)明可減低復(fù)雜矩陣運(yùn)算量，提供更高精度DOA估計(jì)值。
文檔編號H04B7/04GK101119147SQ20061010920
公開日2008年2月6日 申請日期2006年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月1日
發(fā)明者趙興山 申請人:中興通訊股份有限公司