基于多天線的聯(lián)合doa估計和波束形成的多徑信號接收方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種新的聯(lián)合應(yīng)用DOA估計和波束形成的多徑信號接收方法，該方法是利用多徑信號中各個路徑信號攜帶的空間信息不同的特性，聯(lián)合應(yīng)用DOA估計和波束形成技術(shù)，將接收的多徑信號進(jìn)行處理，有效地估計出各個路徑信號的到達(dá)角，在空間角度上來區(qū)分各個路徑信號；對各個角度的路徑信號進(jìn)行波束形成，從而將各個路徑信號分離；在各個路徑信號中提取出主徑信號，并對其進(jìn)行解調(diào)、解碼。其核心思想是：DOA估計和波束形成技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，有效地分離了多徑信號，接收端提取出主徑信號進(jìn)行解調(diào)、解碼，這樣從根本上消除了多徑效應(yīng)的影響，提高了OFDM通信系統(tǒng)的接收性能。
【專利說明】基于多天線的聯(lián)合DOA估計和波束形成的多徑信號接收方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及移動通信【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及聯(lián)合信號到達(dá)角(Direction ofArrival, D0A)估計和波束形成(Beamforming)技術(shù)在多載波系統(tǒng)接收多徑信號時的一種應(yīng)用領(lǐng)域。
技術(shù)背景
[0002]在無線正交頻分復(fù)用(OrthogonalFrequency Division Multiplexing, 0FDM)通信系統(tǒng)中，實際的通信環(huán)境為多徑環(huán)境，發(fā)射信號的電波會經(jīng)過不同路徑到達(dá)接收端，多個路徑中的傳播時延和衰落均為隨機(jī)的，接收端所接收的信號為多個路徑信號的疊加。多徑傳播會引起OFDM信號在時域上發(fā)生時域波形的擴(kuò)展、在頻域上產(chǎn)生頻率選擇性衰落。同時，節(jié)點之間的相對移動，導(dǎo)致了多普勒頻偏的發(fā)生，這些因素都會影響OFDM信號的正確接收，導(dǎo)致接收端的接收性能下降。在移動多徑環(huán)境下提高通信系統(tǒng)性能是當(dāng)前研究的熱點，如何在接收端盡可能地消除多徑效應(yīng)的影響則是問題的關(guān)鍵。目前存在的方案大致分為兩類:其一是在無線OFDM通信系統(tǒng)中使用信道糾錯碼、自適應(yīng)調(diào)制和信道均衡技術(shù)；其中，信道均衡技術(shù)是在發(fā)送時在OFDM符號中插入特定導(dǎo)頻，接收端利用插入的特定導(dǎo)頻對信號進(jìn)行均衡；信道糾錯技術(shù)和信道均衡技術(shù)增加了信道開銷，且無法完全消除頻率選擇性衰落對傳輸可靠性的影響；自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)在信道狀況惡化時會選擇抗干擾能力更強(qiáng)的調(diào)制方式，也會降低信道利用率；其二是基于多天線的分集接收技術(shù)，由于同一信號經(jīng)過多徑傳播可能產(chǎn)生的不相關(guān)性，利用不同空間位置處的多天線同時去接收一個發(fā)射信號，然后合成或選取一個強(qiáng)信號，但這種技術(shù)無法從根本上消除多徑效應(yīng)所帶來的影響。本發(fā)明能夠很好地解決上面的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]發(fā)明目的是通過聯(lián)合應(yīng)用信號到達(dá)角(DOA)估計和波束形成技術(shù)，對接收的多徑信號進(jìn)行處理，從根本上消除多徑效應(yīng)的影響，提高OFDM通信系統(tǒng)的接收性能。
[0004]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是:本發(fā)明提供一種基于多天線的聯(lián)合DOA估計和波束形成的多徑信號接收方法，該方法是利用多徑信號中各個路徑信號攜帶的空間信息不同的特性，聯(lián)合應(yīng)用DOA估計和波束形成技術(shù)，將接收的多徑信號進(jìn)行處理，在空間角度上來區(qū)分各個路徑信號，分離多徑信號并提取出主徑信號，消除多徑效應(yīng)的影響，從而提高OFDM通信系統(tǒng)的傳輸性能。
[0005]多徑信號接收方案包括如下:能夠估計出各個路徑信號的到達(dá)角、能夠有效地對各個路徑信號進(jìn)行波束形成、有效地分離多徑信號、有效地提取主徑信號。本發(fā)明引入聯(lián)合應(yīng)用信號到達(dá)角(DOA)估計和波束形成技術(shù)，所提出的方案能從根本上解決多徑效應(yīng)的影響，且方法簡單，容易實現(xiàn)，在目前所有公開報道的方案中，接收性能是最優(yōu)的。
[0006]在單發(fā)多收OFDM通信系統(tǒng)中，本發(fā)明提出的基于多天線的聯(lián)合DOA估計和波束形成的多徑信號接收方法的OFDM接收機(jī)系統(tǒng)框圖如圖2所示，主要的工作模塊由天線陣列、DOA估計、波束形成器以及OFDM解調(diào)模塊構(gòu)成；其中DOA估計和波束形成器是多徑信號接收方案的核心。本發(fā)明提出了如下技術(shù)方案:利用多徑信號中各個路徑信號攜帶的空間信息不同的特性，接收端對接收信號進(jìn)行DOA估計；由于多徑信號的相干性，將天線陣列劃分為若干子陣，計算出各個子陣接收信號的相關(guān)矩陣，并求得多個子陣相關(guān)矩陣的平均值，即為去相干后的信號相關(guān)矩陣Rx ;將信號相關(guān)矩陣Rx進(jìn)行特征值分解，根據(jù)得到的小特征值對應(yīng)的特征向量計算信號的空間譜，空間譜中的譜峰對應(yīng)各個路徑信號的空間到達(dá)角Θ I, Θ 2,..., θ K ;在得到路徑信號的空間到達(dá)角Q1, Θ 2,..., θ K的基礎(chǔ)上，對各個空間角的路徑信號分別進(jìn)行波束形成，分別得到各個路徑信號，將多徑信號分離；在得到的多個路徑信號中，利用OFDM解調(diào)的符號同步，將同步點最小(路徑時延最小)的路徑信號選取出來，即最強(qiáng)主徑信號ymax(t);將最強(qiáng)主徑信號ymax(t)作為波束形成器的輸出信號；對輸出信號Ymax (t)進(jìn)行OFDM解調(diào)，包括去循環(huán)前綴(CP)、串并變換、FFT和逆映射，最后進(jìn)行解碼。
[0007]由于多徑信號的相干性，將在接收端對接收信號進(jìn)行去相干處理，即將天線陣列劃分為若干子陣，計算出各個子陣接收信號的相關(guān)矩陣，并求得多個子陣相關(guān)矩陣的平均值，得到去相干后的信號相關(guān)矩陣Rx，將N根天線陣列劃分成由m根天線組成的子陣列，子陣列數(shù)即為L = N-m+1，每個子陣列的輸出信號矢量Xl (t)分別為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于多天線的聯(lián)合DOA估計和波束形成的多徑信號接收方法，其特征在于，所述方法包括:利用多徑信號中各個路徑信號攜帶的空間信息不同的特性，接收端對接收信號進(jìn)行DOA估計；由于多徑信號的相干性，所以將天線陣列劃分為若干子陣，計算出各個子陣接收信號的相關(guān)矩陣，并求得多個子陣相關(guān)矩陣的平均值，即為去相干后的信號相關(guān)矩陣Rx ;將信號相關(guān)矩陣Rx進(jìn)行特征值分解，根據(jù)得到的小特征值對應(yīng)的特征向量計算信號的空間譜，空間譜中的譜峰對應(yīng)各個路徑信號的空間到達(dá)角Q1, θ 2)..., θκ;在得到路徑信號的空間到達(dá)角Q1, Θ 2,..., θ κ的基礎(chǔ)上，對各個空間角的路徑信號分別進(jìn)行波束形成，分別得到各個路徑信號，將多徑信號分離；在得到的多個路徑信號中，利用OFDM解調(diào)的符號同步模塊，將同步點最小的路徑信號選取出來，即最強(qiáng)主徑信號ymax(t);將最強(qiáng)主徑信號7_(0作為波束形成器的輸出信號；對輸出信號ymax(t)進(jìn)行OFDM解調(diào)，包括去循環(huán)前綴CP、串并變換、FFT和逆映射，最后進(jìn)行解碼。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多天線的聯(lián)合DOA估計和波束形成的多徑信號接收方法，其特征在于:所述的多徑信號中的各個路徑信號所攜帶的空間信息不同，即為路徑信號的空間到達(dá)角，利用這一特性去分離多徑信號中的各個路徑信號，在接收端，對接收信號進(jìn)行DOA估計，得到信號的空間譜及各個路徑信號的空間到達(dá)角Q1, θ2，...，θκ。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于多天線的聯(lián)合DOA估計和波束形成的多徑信號接收方法，其特征在于:由于所述的多徑信號的相干性，所以將在接收端對接收信號進(jìn)行去相干處理，即將天線陣列劃分為若干子陣，計算出各個子陣接收信號的相關(guān)矩陣，并求得多個子陣相關(guān)矩陣的平均值，得到去相干后的信號相關(guān)矩陣Rx，其推導(dǎo)過程包括: 假設(shè)將N根天線陣列劃分成由m根天線組成的子陣列，子陣列數(shù)即為L = N-m+1，每個子陣列的輸出信號矢量X1 (t)分別為:
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種基于多天線的聯(lián)合DOA估計和波束形成的多徑信號接收方法，其特征在于:所述方法是對進(jìn)行去相干處理后的信號自相關(guān)矩陣Rx進(jìn)行特征分解，分別得到大特征值和小特征值，計算得出小特征值所對應(yīng)的特征向量Un =[uK+1，uK+2,..., uffl],根據(jù)信號空間譜定義式
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于多天線的聯(lián)合DOA估計和波束形成的多徑信號接收方法，其特征在于:所述方法在得到路徑信號的空間到達(dá)角θ” θ2，...，θ κ的基礎(chǔ)上，對各個空間角的路徑信號分別進(jìn)行波束形成，即義(O 二 <嚴(yán)1(?)，表示第i條路徑波束形成的最優(yōu)權(quán)值，分別得到各個路徑信號Y1 (t)，y2 (t)，...，yK(t)，分離了多徑信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于多天線的聯(lián)合DOA估計和波束形成的多徑信號接收方法，其特征在于:所述方法在對各個路徑信號進(jìn)行波束形成時，通過以下準(zhǔn)則得出各個路徑信號的最優(yōu)權(quán)值，即保持該期望路徑角度Θ i增益一定的條件下，使得該輸出信號功率最小化，其推導(dǎo)如下: 建立的優(yōu)化函數(shù)表示為:
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于多天線的聯(lián)合DOA估計和波束形成的多徑信號接收方法，其特征在于:所述方法在得到的K個路徑信號中進(jìn)行主徑信號的選取，由于各個路徑信號的路徑時延不同，所以利用OFDM解調(diào)中的符號同步模塊，將同步點最小(路徑時延最小)的路徑信號設(shè)為主徑信號
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多天線的聯(lián)合DOA估計和波束形成的多徑信號接收方法，其特征在于:所述方法中的同步點最小為路徑時延最小。
【文檔編號】H04B7/08GK103634038SQ201310661337
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月9日
【發(fā)明者】盧敏, 劉梓蕓, 曾桂根 申請人:南京郵電大學(xué)