專利名稱：用于碼分多址智能天線系統(tǒng)的快速用戶定向方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無(wú)線通信系統(tǒng)的智能天線技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及用于碼分多址智能天線陣中進(jìn)行快速用戶定向的方法。
近幾年來(lái)，隨著移動(dòng)通信迅速發(fā)展，有限的通信頻帶日趨擁擠。為了進(jìn)一步提高通信頻帶的利用率，人們提出了用智能天線陣把同頻信號(hào)在入射方向上分開(kāi)，來(lái)最大限度地利用有限的頻帶資源。在采用碼分多址(CDMA-Code Division Multiplex Access)的無(wú)線通信系統(tǒng)中，系統(tǒng)的容量決定于系統(tǒng)的信噪比。通過(guò)智能天線的應(yīng)用可以有效地解決干擾問(wèn)題、提高系統(tǒng)的信噪比，使系統(tǒng)可以容納更多的用戶，達(dá)到提高頻帶利用率的目的。目前無(wú)線通信是全球發(fā)展最快的領(lǐng)域。可以預(yù)測(cè)，在不久的將來(lái)，用戶需求與頻譜資源的嚴(yán)重不足之間的矛盾將會(huì)激化。因此，智能天線的廣泛應(yīng)用將是不可避免的，它本身必然會(huì)形成一個(gè)大市場(chǎng)。
為把信號(hào)源在入射方向上分開(kāi)，必需先進(jìn)行用戶定向(DOA-Direction Of Arrival)，而后通過(guò)調(diào)整天線陣的系數(shù)形成指向用戶方位的波束，使天線在用戶方向的發(fā)射功率最強(qiáng)。因此用戶方向定位是智能天線中一項(xiàng)核心技術(shù)。
一般碼分多址智能天線系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法如

圖1所示，包括以下四個(gè)步驟1、對(duì)各通道信號(hào)進(jìn)行下變頻、基帶濾波和采樣；2、進(jìn)行用戶定向；3、根據(jù)用戶方位形成針對(duì)不同用戶形成波束；4、對(duì)每個(gè)用戶進(jìn)行同步解碼，解調(diào)，獲得用戶信息。
其中第2步為用戶定向方法，當(dāng)前用戶定向方法具體包括以下步驟(對(duì)應(yīng)于圖1虛線框內(nèi)部分)1、將各通道獲得的數(shù)據(jù)緩存在RAM中；2、計(jì)算協(xié)方差矩陣；3、如果采用從傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)中沿襲過(guò)來(lái)的空間超分辨方法(MUSIC、ESPRIT)，則計(jì)算特征植和特征向量；4、構(gòu)造空間譜函數(shù)；5、進(jìn)行譜峰搜索并獲得用戶方位；上述用戶定向方法中的第3步，空間超分辨方法如多信號(hào)分類(MUSIC)或旋轉(zhuǎn)子空間不變(ESPRIT)，但其實(shí)現(xiàn)需要SVD分解，譜峰搜索，導(dǎo)致計(jì)算量大，成本高，難于實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。而且在CDMA個(gè)人移動(dòng)通信系統(tǒng)，電磁環(huán)境復(fù)雜，信號(hào)又是同頻帶碼分復(fù)用，導(dǎo)致信號(hào)相關(guān)性很強(qiáng)，并存在大量目標(biāo)用戶的相關(guān)多徑，MUSIC等方法往往難于穩(wěn)定工作。此外而且這些方法都是在信源數(shù)小于陣列單元數(shù)目為前提的，由于CDMA信號(hào)是同頻帶碼分復(fù)用，其同一個(gè)頻帶內(nèi)的信號(hào)及多徑信號(hào)總數(shù)通常多于陣列單元數(shù)(典型的為40～60)，導(dǎo)致方失效。當(dāng)前在一些國(guó)外大公司中，基本上只能在固定用戶應(yīng)用中的無(wú)線用戶環(huán)路WLL上用，而且由于采用了高速的工作站，其成本很高，很難在實(shí)際民用普及型系統(tǒng)中應(yīng)用，性能也不甚理想。
若采用基于FFT分析的方法，可省略第3步，且空間譜函數(shù)簡(jiǎn)單，運(yùn)算速度快可以滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行的要求，但DOA的精度與分辨很低，使天線指向偏離用戶真實(shí)方向，影響智能天線系統(tǒng)的性能。
因此當(dāng)前工程實(shí)現(xiàn)上迫切要求尋找一種能在存在大量相關(guān)多徑(甚至強(qiáng)多徑)的條件下，快速有效地檢測(cè)出用戶目標(biāo)信號(hào)的方向的實(shí)用方法。
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種用于碼分多址智能天線系統(tǒng)的快速用戶定向方法，該方法適合CDMA系統(tǒng)特點(diǎn)，具有運(yùn)算量低、精度高、有很高的穩(wěn)定性和很強(qiáng)的抗多徑能力的特點(diǎn)，可滿足工程上高性能、低成本和實(shí)時(shí)性要求。
本發(fā)明提出的一種用于碼分多址智能天線系統(tǒng)的快速用戶定向方法，包括以下步驟1、根據(jù)基站用戶信息，對(duì)每個(gè)用戶進(jìn)行同步解碼，獲得每用戶的信息數(shù)據(jù)；2、將各通道獲得的每用戶信息數(shù)據(jù)緩存在RAM中；3、針對(duì)每用戶信號(hào)計(jì)算協(xié)方差矩陣R，并根據(jù)這個(gè)協(xié)方差矩陣進(jìn)行預(yù)處理，獲得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入矢量；4、通過(guò)對(duì)協(xié)方差矩陣R進(jìn)行N×N點(diǎn)FFT分析，而后統(tǒng)計(jì)3個(gè)以上覆蓋0°-180°等間距相互交疊區(qū)域的能量大小來(lái)進(jìn)行粗略的用戶定位，選出能量最集中的區(qū)域作為目標(biāo)域，而后把該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入矢量輸入對(duì)應(yīng)該目標(biāo)區(qū)域的反向傳播神經(jīng)(BP)網(wǎng)絡(luò)，獲得用戶估計(jì)；5、用根據(jù)目標(biāo)定位選出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行用戶精確定位，該反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為3個(gè)以上網(wǎng)絡(luò)，與第4步中的能量區(qū)域相對(duì)應(yīng)；上述第3步中獲得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入矢量的預(yù)處理步驟，可包括1)將協(xié)方差矩陣R去除對(duì)角線后的下三角區(qū)元素提取出來(lái)排列成一個(gè)復(fù)向量，共N×(N-1)，/2元素；2)將這個(gè)復(fù)向量實(shí)部、虛部分開(kāi)，獲得N×(N-1)的實(shí)數(shù)向量X；3)對(duì)X規(guī)一化。
該BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可為兩層結(jié)構(gòu)，隱層函數(shù)映射為tan-sigmniod，一般取2×N×(N-1)個(gè)神經(jīng)元，輸出層函數(shù)映射為線性映射。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的各層的網(wǎng)絡(luò)權(quán)值可預(yù)先通過(guò)學(xué)習(xí)訓(xùn)練獲得；BP學(xué)習(xí)方法采用自適應(yīng)步長(zhǎng)的慣性調(diào)整，網(wǎng)絡(luò)權(quán)值調(diào)整表達(dá)式如下Δwijl(k)=(1-m)tSijl(k)+mΔwijl(k-1),]]>式中m是慣性因子，t為步長(zhǎng)，它們可以由網(wǎng)絡(luò)誤差函數(shù)確定。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出層僅一個(gè)元素，直接給出反映用戶方位信息。
本發(fā)明的基本特點(diǎn)為它先進(jìn)行基帶PN長(zhǎng)碼相關(guān)解擴(kuò)，而后用進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域分組，根據(jù)分組結(jié)果選取相應(yīng)反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行用戶定向。具體有如下幾方面的特點(diǎn)第一，在本發(fā)明的方法中，由于先對(duì)CDMA接收信號(hào)按不同用戶的PN碼進(jìn)行解擴(kuò)，所以處理的信號(hào)，即每用戶的信息數(shù)據(jù)變成僅有該P(yáng)N碼的用戶信號(hào)和其產(chǎn)生的多徑信號(hào)構(gòu)成的混合信號(hào)，其它用戶信號(hào)和干擾成為噪聲形式。因此僅需要估計(jì)出這個(gè)用戶的方位。這種處理，簡(jiǎn)化了信號(hào)形式、提高了信噪比，使其容易用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理。
第二，在這種方法中，對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入的信號(hào)進(jìn)行了預(yù)處理，去除了協(xié)方差矩陣中的冗余信息，減少了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入神經(jīng)元數(shù)目，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練易于收斂，用于用戶定位時(shí)運(yùn)算量的大為減少。
第三，在這種方法中，采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分組技術(shù)，既通過(guò)對(duì)協(xié)方差矩陣進(jìn)行N×N點(diǎn)FFT分析，而后統(tǒng)計(jì)分布在0-180°范圍內(nèi)的三個(gè)以上區(qū)域的能量大小〔即FFT幅度平方和，也可用幅度和代替〕來(lái)進(jìn)行粗略的用戶定位。這種分類網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將大大簡(jiǎn)化BP網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度，降低在用戶定向檢測(cè)時(shí)的運(yùn)算量，提高檢測(cè)性能。
第四，在這種方法中，引入反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)每用戶的信息數(shù)據(jù)的用戶方向，即最大功率方向做估計(jì)。
由于它的用戶定向是基于BP網(wǎng)絡(luò)而不是協(xié)方差矩陣分解，因此也無(wú)信源數(shù)小于陣列單元數(shù)目的限制。
由于它采用預(yù)先已學(xué)習(xí)訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)，直接采用映射給出用戶方向，不需譜峰搜索、SVD分解，計(jì)算量小非常小，僅取決于一次等點(diǎn)數(shù)快速FFT(8×N×N×log2N)和兩次網(wǎng)絡(luò)映射(為2×N×(N-1) ×(N×(N-1)＋1))。而常規(guī)的波束成形FFT需要譜峰搜索，如精度取2°則需128點(diǎn)的FFT運(yùn)算，由于一般N為4-16，因此BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算量低于FFT分析。這樣這種BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的DOA算法沒(méi)有特殊的硬件實(shí)現(xiàn)要求，計(jì)算量小，可以在工程上方便廉價(jià)的實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)方向估計(jì)。
由于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使基于對(duì)實(shí)際環(huán)境的訓(xùn)練，而不是象傳統(tǒng)超分辨方法那樣基于數(shù)學(xué)模型。它在訓(xùn)練時(shí)已包含了相關(guān)情況的學(xué)習(xí)，因此可以克服多徑問(wèn)題。對(duì)于多徑引起的相關(guān)信號(hào)有很強(qiáng)的容忍性，強(qiáng)多徑信號(hào)只是造成估值方差的有限增加。因此它可以在復(fù)雜的CDMA系統(tǒng)下穩(wěn)定的工作。此外它在訓(xùn)練時(shí)也包含了實(shí)際工程中天線尺寸的不精確、各陣元噪聲可能是非高斯有色噪聲等情況，這些情況會(huì)導(dǎo)致傳統(tǒng)模型失配而引起誤差，而在本發(fā)明的方法中通過(guò)在基站的實(shí)際學(xué)習(xí)，可以克服這些其他用戶定向方法很難或根本無(wú)法解決的問(wèn)題。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明圖1為已有的碼分多址智能天線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法示意圖。
圖2為本發(fā)明的的碼分多址智能天線系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法示意圖。
采用本發(fā)明的碼分多址智能天線系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法如圖2所示，包括以下步驟1、碼分多址智能天線系統(tǒng)(多接收機(jī))接收的各通道信號(hào)進(jìn)行下變頻、基帶濾波和采樣；2、進(jìn)行快速用戶定向；
3、根據(jù)用戶方位形成針對(duì)不同用戶形成波束(目標(biāo)方向圖)，已克服其他用戶干擾；4、對(duì)每個(gè)用戶進(jìn)行解碼，解調(diào)，獲得用戶信息。
上述第2步中的快速用戶定向方法的實(shí)施例如圖2中虛線框內(nèi)所示，具體包括以下步驟1、根據(jù)基站用戶信息，對(duì)每個(gè)用戶進(jìn)行同步解碼，獲得每用戶的信息數(shù)據(jù)；2、將各通道獲得的每用戶信息數(shù)據(jù)緩存在RAM中；3、針對(duì)每用戶信號(hào)計(jì)算協(xié)方差矩陣R^0=1NΣl=1Nz0(l)z0H(l)]]>(N為采樣快拍數(shù)，Z0為天線陣列信號(hào)接收向量)，并根據(jù)該協(xié)方差矩陣進(jìn)行預(yù)處理，獲得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入矢量；4、通過(guò)對(duì)協(xié)方差矩陣進(jìn)行N×N點(diǎn)FFT分析，而后統(tǒng)計(jì)分布在0°-60°、40°-100°、80°-140°、120°-180°四個(gè)區(qū)域的能量大小〔即FFT幅度平方和，也可用幅度和代替〕來(lái)進(jìn)行粗略的用戶定位。選出能量最集中的區(qū)域作為目標(biāo)域，而后用對(duì)應(yīng)該目標(biāo)區(qū)域的反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲得用戶估計(jì)；5、用根據(jù)目標(biāo)定位選出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行用戶精確定位，該BP網(wǎng)絡(luò)有1、2、3、4四個(gè)BP網(wǎng)絡(luò)，分別對(duì)應(yīng)于目標(biāo)信號(hào)在0°-60°、40°-100°、80°-140°、120°-180°四個(gè)交疊的方位域的情況；第3步中獲得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入矢量的預(yù)處理步驟，包括1)將協(xié)方差矩陣R去除對(duì)角線后的下三角區(qū)元素提取出來(lái)排列成一個(gè)復(fù)向量，共N×(N-1)2元素；2)將這個(gè)復(fù)向量實(shí)部、虛部分開(kāi)，N×(N-1)的實(shí)數(shù)向量X。3)對(duì)X規(guī)一化；該BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為兩層結(jié)構(gòu)，隱層函數(shù)映射為tan-sigmiod，一般取2×N×(N-1)個(gè)神經(jīng)元，輸出層函數(shù)映射為線性映射。所說(shuō)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各層的網(wǎng)絡(luò)權(quán)值可預(yù)先通過(guò)學(xué)習(xí)訓(xùn)練獲得；BP學(xué)習(xí)方法采用自適應(yīng)步長(zhǎng)的慣性調(diào)整，網(wǎng)絡(luò)權(quán)值調(diào)整表達(dá)式如下Δwijl(k)=(1-m)tSijl(k)+mΔwijl(k-1).]]>這里m是慣性因子，t為步長(zhǎng)，它們可以由網(wǎng)絡(luò)誤差函數(shù)確定；所說(shuō)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出層僅一個(gè)元素，直接給出反映用戶方位信息。
權(quán)利要求
1.一種用于碼分多址智能天線系統(tǒng)的快速用戶定向方法，包括以下步驟1)根據(jù)基站用戶信息，對(duì)每個(gè)用戶進(jìn)行同步解碼，獲得每用戶的信息數(shù)據(jù)；2)將各通道獲得的每用戶信息數(shù)據(jù)緩存在RAM中；3)針對(duì)每用戶信號(hào)計(jì)算協(xié)方差矩陣R，并根據(jù)該協(xié)方差矩陣進(jìn)行預(yù)處理，獲得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入矢量；4)通過(guò)對(duì)該協(xié)方差矩陣R進(jìn)行N×N點(diǎn)FFT分析，而后統(tǒng)計(jì)3個(gè)以上覆蓋0°-180°等間距相互交疊區(qū)域的能量大小來(lái)進(jìn)行粗略的用戶定位，選出能量最集中的區(qū)域作為目標(biāo)域，而后把該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入矢量輸入對(duì)應(yīng)該目標(biāo)區(qū)域的反向傳播神經(jīng)(BP)網(wǎng)絡(luò)，獲得用戶估計(jì)；5)用根據(jù)目標(biāo)定位選出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行用戶精確定位，該反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為3個(gè)以上網(wǎng)絡(luò)，與第4步中的能量區(qū)域相對(duì)應(yīng)。
2.如權(quán)利要求1所述的快速用戶定向方法，其特征在于，所說(shuō)的第3步中獲得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入矢量的預(yù)處理步驟，包括1)將協(xié)方差矩陣R去除對(duì)角線后的下三角區(qū)元素提取出來(lái)排列成一個(gè)復(fù)向量，共N×(N-1)／2元素；1)將這個(gè)復(fù)向量實(shí)部、虛部分開(kāi)，獲得N×(N-1)的實(shí)數(shù)向量X；2)對(duì)X規(guī)一化。
3.如權(quán)利要求1所述的快速用戶定向方法，其特征在于，該BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為兩層結(jié)構(gòu)，隱層函數(shù)映射為tan-sigmiod，取2×N×(N-1)個(gè)神經(jīng)元，輸出層函數(shù)映射為線性映射。
4.如權(quán)利要求3所述的快速用戶定向方法，其特征在于，所說(shuō)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各層的網(wǎng)絡(luò)權(quán)值可預(yù)先通過(guò)學(xué)習(xí)訓(xùn)練獲得；BP學(xué)習(xí)方法采用自適應(yīng)步長(zhǎng)的慣性調(diào)整，網(wǎng)絡(luò)權(quán)值調(diào)整表達(dá)式如下Δwijl(k)=(1-m)tSijl(k)+mΔwijl(k-1),]]>式中m是慣性因子，t為步長(zhǎng)，它們可以由網(wǎng)絡(luò)誤差函數(shù)確定。
5.如權(quán)利要求3所述的快速用戶定向方法，其特征在于，所說(shuō)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出層僅一個(gè)元素，直接給出反映用戶方位信息。
全文摘要
本發(fā)明屬于無(wú)線通信系統(tǒng)的智能天線技術(shù)領(lǐng)域,包括:根據(jù)基站用戶信息,對(duì)每個(gè)用戶進(jìn)行同步解碼;將各通道獲得的每用戶信息數(shù)據(jù)緩存在RAM中;針對(duì)每用戶信號(hào)計(jì)算協(xié)方差矩陣;進(jìn)行FFT分析,而后統(tǒng)計(jì)3個(gè)以上區(qū)域的能量大小來(lái)進(jìn)行用戶粗定位,用對(duì)應(yīng)目標(biāo)區(qū)域的BP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行用戶精確定位,獲得用戶估計(jì)。本發(fā)明具有運(yùn)算量低、精度高、有很高的穩(wěn)定性和很強(qiáng)的抗多徑能力的特點(diǎn),可以滿足工程上高性能、低成本和實(shí)時(shí)性的要求。
文檔編號(hào)H04W64/00GK1284799SQ0012498
公開(kāi)日2001年2月21日 申請(qǐng)日期2000年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月29日
發(fā)明者李陽(yáng), 馮正和, 陳雅琴, 胡銘, 梁立萬(wàn), 潘偉峰 申請(qǐng)人:清華大學(xué)