專利名稱：一種基于已知時(shí)延的波達(dá)方向估計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信系統(tǒng)接收機(jī)中的接收技術(shù)，具體地說涉及到無線通信系統(tǒng)接收信號的波達(dá)方向(DOA)估計(jì)技術(shù)。
目前，常用的DOA估計(jì)方法是快速付立葉變換(FFT)方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡單，但是存在著無法確定信號數(shù)目以及估計(jì)誤差方差較大的問題，而且由于FFT方法并不是一種統(tǒng)計(jì)方法，其性能受噪聲的影響很大，因此估計(jì)值的波動很大。在無線通信系統(tǒng)中，采用上述方法進(jìn)行信號的波達(dá)方向的估計(jì)，不能很好地利用一段時(shí)間內(nèi)的接收信號以減小估計(jì)結(jié)果的誤差。
針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種基于已知時(shí)延的波達(dá)方向估計(jì)的方法，使用該方法使得信號數(shù)目的估計(jì)大大簡化，且獲得的信號波達(dá)方向的估計(jì)受噪聲影響較小，估計(jì)值的波動也較小。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種基于已知時(shí)延的波達(dá)方向估計(jì)方法，該方法包括以下步驟(1)判斷天線各陣元是等距離線性放置還是等距離放置在圓環(huán)上，如果是等距離線性放置，轉(zhuǎn)步驟(3)繼續(xù)操作，否則繼續(xù)以下操作；(2)對于各個陣元等距離放置在園周上的天線，針對各陣元接收到的基帶信號按下述公式y(tǒng)(n)＝Ty0(n)做變換，得到等效信號列向量y(n)；其中y0(n)為天線接收到的基帶信號列向量， (3)利用已知時(shí)延信息，對線性天線的接收信號向量或者環(huán)形天線的經(jīng)過變換之后的等效信號列向量y(n)進(jìn)行解擴(kuò)，得到解擴(kuò)后信號列向量x(n)；(4)利用解擴(kuò)后信號列向量x(n)構(gòu)造降維信號向量zi(n)，i＝1，…，P-1，按照下述公式 和R(n)＝λfR(n-1)+Rss(n)計(jì)算得到瞬時(shí)相關(guān)矩陣Rss(n)和相關(guān)矩陣R(n)的估計(jì)；(5)根據(jù)上述步驟(4)得到的瞬時(shí)相關(guān)矩陣Rss(n)和相關(guān)矩陣R(n)的估計(jì)，得到需要的向量w(n)＝[w1w2]T的估計(jì)；(6)利用上述步驟(5)得到的向量包含的兩個加權(quán)權(quán)值w1和w2，得到所需要的信號波達(dá)方向的估計(jì)。
上述根據(jù)瞬時(shí)相關(guān)矩陣Rss(n)和相關(guān)矩陣R(n)的估計(jì)，得到需要的向量w(n)＝[w1w2]T的估計(jì)可以按照下述方法得到設(shè)初始條件為w(0)＝[10]T，殘差向量g(0)＝[-10]T，梯度向量p(1)＝g(0)，n＝1，依次計(jì)算更新步長a(n)=ηp(n)Tg(n-1)p(n)TR(n)p(n)λf-0.5)≤η≤λf]]>所需向量更新計(jì)算為w(n)＝w(n-1)+a(n)p(n)殘差向量更新公式為g(n)＝λfg(n-1)-a(n)R(n)p(n)-Rss(n)w(n-1)梯度調(diào)整步長計(jì)算如下面公式為β(n)=(g(n)-g(n-1))Tg(n)g(n-1)Tg(n-1)]]>梯度向量更新計(jì)算
p(n)＝g(n)+β(n)p(n)通過每次的迭代計(jì)算，可以得到所需要的向量w(n)＝[w1w2]T。
上述根據(jù)瞬時(shí)相關(guān)矩陣Rss(n)和相關(guān)矩陣R(n)的估計(jì)，得到需要的向量w(n)＝[w1w2]T的估計(jì)也可以按照下述方法得到將相關(guān)矩陣R(n)進(jìn)行奇異值分解如下R(n)＝U(n)∑(n)U(n)H＝[u(n)w(n)]diag{λ1，λ2}[u(n)w(n)]Hλ1＞λ2≥0，可以得到所需要的向量w(n)＝[w1w2]T。
上述利用兩個加權(quán)權(quán)值w1和w2，得到所需要的信號波達(dá)方向的估計(jì)可以按照下述方法得到對于各個陣元等距離放置在園周上的天線，信號方向角φ＝angle(w2)-angle(w1)；對于各陣元線性等距離放置的天線，信號到達(dá)方向角度為 由上述本發(fā)明采用的技術(shù)方案可以看出，由于本發(fā)明利用已知的時(shí)延信息簡化了信號數(shù)目估計(jì)的問題，實(shí)際中易于實(shí)現(xiàn)；由于本發(fā)明可以利用連續(xù)的天線接收的多個基帶信號進(jìn)行統(tǒng)計(jì)信號處理，因此可以避免常用的FFT方法容易受噪聲影響的缺點(diǎn)，使得通過本發(fā)明的方法進(jìn)行信號波達(dá)方向估計(jì)，估計(jì)出來的結(jié)果波動性將大大減小，正確性有所提高，從而可以改善無線通信接收的性能。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。


圖1是本發(fā)明方法的流程示意圖。
一般說來，實(shí)際的無線通信系統(tǒng)中，信號的波達(dá)方向變化是比較緩慢的，現(xiàn)有的FFT方法不利用這些緩慢變化的信息改善估計(jì)結(jié)果，在此基礎(chǔ)上的信號處理方法性能必然存在改進(jìn)的余地。
本發(fā)明的方法是針對天線各個陣元接收到的經(jīng)過解調(diào)以后得到的基帶信號的處理。假設(shè)以符號y(n)表示得到的基帶信號列向量，向量元素的個數(shù)為P，也就是實(shí)際天線陣元的數(shù)目，列向量表示符號中的n對應(yīng)的是采樣時(shí)刻，也就是說，該向量是在第n個采樣時(shí)刻得到的各個陣元上的基帶信號采樣值組成的向量。
針對天線形狀不同，本發(fā)明的方法也要采用不同的處理。對于各陣元線性等距離放置的天線而言，本發(fā)明的方法可以直接應(yīng)用。而對于各個陣元等距離放置在園環(huán)上的天線而言，需要對信號預(yù)先進(jìn)行如下的處理假設(shè)天線實(shí)際陣元數(shù)目為N，園環(huán)的半徑為r，載波波長λ，到達(dá)信號俯仰角θ∈
，令M＝2πr/λ，ζ＝MsinθT=diag{j-MJM-1(ζ),…,Tj-1J1-1(ζ),J0-1(ζ),j-1J1-1(ζ),…,Tj-MJM-1(ζ)}VH]]>V=1…1…1ej2πM/N…ej2π0/N…e-J2πM/N....….…....ej2πM(N-1)/N…ej2π0×(N-1)/N…e-j2πM(N-1)/N]]>其中， Jm(ζ)是階數(shù)為m的第一類貝舍爾函數(shù)，diag{a，b}代表主對角元素分別為a，b的對角陣。對天線接收到的基帶信號列向量y0(n)(該向量維數(shù)為N×1)做如下變換y(n)＝Ty0(n)變換后的等效信號列向量y(n)的元素個數(shù)為P＝2M+1。上述變換是針對不同陣元上接收到的信號的變換。利用已知的時(shí)延信息直接對線性天線的接收信號向量或者環(huán)形天線的經(jīng)過變換之后的等效信號列向量y(n)進(jìn)行解擴(kuò)。解擴(kuò)后的信號列向量記作x(n)。
設(shè)x(n)＝[x1(n)x2(n)…√xP(n)]T，由此構(gòu)造一些新的降維信號向量，令z1(n)＝[x1(n)，x2(n)]Tz2(n)＝[x2(n)，x3(n)]TzP-1(n)＝[xP-1(n)，xP(n)]T按照下列兩個式子進(jìn)行計(jì)算Rss(n)=1P-1Σi=1P-1zi(n)zi(n)H]]>R(n)＝λfR(n-1)+Rss(n)其中，遺忘因子λf滿足0＜λf≤1。在得到相關(guān)矩陣R(n)和瞬時(shí)相關(guān)矩陣Rss(n)的計(jì)算公式結(jié)果以后，可以通過兩種方法計(jì)算得到需要的向量w(n)第一個方法是基于共軛梯度的方法，該方法具體為設(shè)初始條件為w(0)＝[10]T，殘差向量g(0)＝[-10]T，梯度向量p(1)＝g(0)，n＝1，依次計(jì)算更新步長 其中λf-0.5)≤η≤λf，所需向量更新計(jì)算為w(n)＝w(n-1)+a(n)p(n)殘差向量更新公式為g(n)＝λfg(n-1)-a(n)R(n)p(n)-Rss(n)w(n-1)梯度調(diào)整步長計(jì)算如下面公式β(n)=(g(n)-g(n-1))Tg(n)g(n-1)Tg(n-1)]]>梯度向量更新計(jì)算p(n)＝g(n)+β(n)p(n)通過每次的迭代計(jì)算，可以得到所需要的向量w(n)＝[w1w2]T。
第二個方法是基于奇異值分解的方法。由于矩陣維數(shù)較小，因此分解計(jì)算量不是很大。考慮到這里信號的特點(diǎn)，可以假設(shè)相關(guān)矩陣R(n)的奇異值分解如下R(n)＝U(n)∑(n)U(n)H＝[u(n)w(n)]diag{λ1，λ2}[u(n)w(n)]Hλ1＞λ2≥0，則w(n)＝[w1w2]T就是我們需要的向量。
最后通過所求得的向量獲得信號波達(dá)方向的估計(jì)。這時(shí)需要用到的數(shù)據(jù)是包含在向量w(n)中的兩個加權(quán)權(quán)值w1和w2。計(jì)算向量w(n)的兩個元素兩個加權(quán)權(quán)值的相角之差，令φ＝angle(w2)-angle(w1)，對于各個陣元等距離放置在園周上的天線而言，這個角度(單位是弧度)就是需要估計(jì)的信號到達(dá)方向的方位角；對于各陣元線性等距離放置的天線而言，所需要估計(jì)的信號到達(dá)方向角度估計(jì)可以通過如下公式計(jì)算得到θ=sin-1(λφ2πd)]]>λ同樣是載波波長，d是相鄰陣元之間的距離，sin-1(·)代表反正弦函數(shù)。
下面通過本發(fā)明應(yīng)用于TD-SCDMA(時(shí)分同步碼分多址)系統(tǒng)對本發(fā)明做進(jìn)一步描述。
在TD-SCDMA系統(tǒng)中，用于波達(dá)方向估計(jì)的信號是經(jīng)過解擴(kuò)后的中間導(dǎo)頻(midamble)碼信號，也可以是經(jīng)過聯(lián)合檢測后得到的信道估計(jì)信號。假設(shè)系統(tǒng)天線為各個陣元等距離放置在圓周上的天線，該天線得到的信號為hk，l(j)(n)，其中j＝1，…，J代表不同陣元，k＝1，…，K代表不同用戶，l＝1，…，Lk代表不同徑的信號。本發(fā)明的具體實(shí)施過程參考圖1。在步驟1，判斷天線各陣元是等距離線性放置還是等距離放置在圓環(huán)上，由于天線個陣元不是等距離線性放置，因此繼續(xù)以下操作；在步驟2，針對各陣元接收到的基帶信號按下述公式y(tǒng)(n)＝Ty0(n)做變換，得到等效信號列向量y(n)；其中y0(n)為天線接收到的基帶信號列向量，T=diag{j-MJM-1(ζ),…,j-1J1-1(ζ),J0-1(ζ),j-1J1-1(ζ),…,j-MJM-1(ζ)}VH;]]>在步驟3，利用已知時(shí)延信息，對上述經(jīng)過變換之后的等效信號列向量y(n)進(jìn)行解擴(kuò)，得到解擴(kuò)后信號列向量x(n)；在步驟4，利用解擴(kuò)后信號列向量x(n)構(gòu)造降維信號向量zi(n)，i＝1，…，P-1，按照下述公式 和R(n)＝λfR(n-1)+Rss(n)計(jì)算得到瞬時(shí)相關(guān)矩陣Rss(n)和相關(guān)矩陣R(n)的估計(jì)；在步驟5，根據(jù)上述步驟4得到的瞬時(shí)相關(guān)矩陣Rss(n)和相關(guān)矩陣R(n)的估計(jì)，得到需要的向量w(n)＝[w1w2]T的估計(jì)；在步驟6，利用上述步驟5得到的向量包含的兩個加權(quán)權(quán)值w1和w2，得到所需要的信號波達(dá)方向的估計(jì)。
上述根據(jù)瞬時(shí)相關(guān)矩陣Rss(n)和相關(guān)矩陣R(n)的估計(jì)，得到需要的向量w(n)＝[w1w2]T的估計(jì)按照下述方法得到設(shè)初始條件為w(0)＝[10]T，殘差向量g(0)＝[-10]T，梯度向量p(1)＝g(0)，n＝1，依次計(jì)算更新步長a(n)=ηp(n)Tg(n-1)p(n)TR(n)p(n)λf-0.5≤η≤λf]]>所需向量更新計(jì)算為w(n)＝w(n-1)+a(n)p(n)殘差向量更新公式為g(n)＝λfg(n-1)-a(n)R(n)p(n)-Rss(n)w(n-1)梯度調(diào)整步長計(jì)算如下面公式為β(n)=(g(n)-g(n-1))Tg(n)g(n-1)Tg(n-1)]]>梯度向量更新計(jì)算p(n)＝g(n)+β(n)p(n)通過每次的迭代計(jì)算，可以得到所需要的向量w(n)＝[w1w2]T。
上述得到需要的向量w(n)＝[w1w2]T的估計(jì)也可以按照下述方法得到的將相關(guān)矩陣R(n)進(jìn)行奇異值分解如下R(n)＝U(n)∑(n)U(n)H＝[u(n)w(n)]diag{λ1，λ2}[u(n)w(n)]Hλ1＞λ2≥0，可以得到所需要的向量w(n)＝[w1w2]T。
在利用兩個加權(quán)權(quán)值w1和w2，得到所需要的信號波達(dá)方向的估計(jì)的過程中，對于各個陣元等距離放置在園周上的天線，信號方向角φ＝angle(w2)-angle(w1)；對于各陣元線性等距離放置的天線，信號到達(dá)方向角度為
由上述本發(fā)明的具體實(shí)施過程可知，本發(fā)明適用于需要進(jìn)行DOA估計(jì)的移動通信系統(tǒng)，可以提供方差較小的DOA估計(jì)。
權(quán)利要求
1.一種基于已知時(shí)延的波達(dá)方向估計(jì)方法，其特征在于，該方法包括以下步驟(1)判斷天線各陣元是等距離線性放置還是等距離放置在圓環(huán)上，如果是等距離線性放置，轉(zhuǎn)步驟(3)繼續(xù)操作，否則繼續(xù)以下操作；(2)對于各個陣元等距離放置在園周上的天線，針對各陣元接收到的基帶信號按下述公式y(tǒng)(n)＝Ty0(n)做變換，得到等效信號列向量y(n)；其中y0(n)為天線接收到的基帶信號列向量，T=diag{j-MJM-1(ζ),…,▿j-1J1-1(ζ),J0-1(ζ),j-1J1-1(ζ),…,▿j-MjM-1(ζ)}VH;]]>(3)利用已知時(shí)延信息，對線性天線的接收信號向量或者環(huán)形天線的經(jīng)過變換之后的等效信號列向量y(n)進(jìn)行解擴(kuò)，得到解擴(kuò)后信號列向量x(n)；(4)利用解擴(kuò)后信號列向量x(n)構(gòu)造降維信號向量zi(n)，i＝1，…，P-1，按照下述公式 和R(n)＝λfR(n-1)+Rss(n)計(jì)算得到瞬時(shí)相關(guān)矩陣Rss(n)和相關(guān)矩陣R(n)的估計(jì)；(5)根據(jù)上述步驟(4)得到的瞬時(shí)相關(guān)矩陣Rss(n)和相關(guān)矩陣R(n)的估計(jì)，得到需要的向量w(n)＝[w1w2]T的估計(jì)；(6)利用上述步驟(5)得到的向量包含的兩個加權(quán)權(quán)值w1和w2，得到所需要的信號波達(dá)方向的估計(jì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于已知時(shí)延的波達(dá)方向估計(jì)方法，其特征在于，根據(jù)瞬時(shí)相關(guān)矩陣Rss(n)和相關(guān)矩陣R(n)的估計(jì)，得到需要的向量w(n)＝[w1w2]T的估計(jì)是按照下述方法得到的設(shè)初始條件為w(0)＝[10]T，殘差向量g(0)＝[-10]T，梯度向量p(1)＝g(0)，n＝1，依次計(jì)算更新步長a(n)=ηp(n)Tg(n-1)p(n)TR(n)p(n)λf-0.5)≤η≤λf]]>所需向量更新計(jì)算為w(n)＝w(n-1)+a(n)p(n)殘差向量更新公式為g(n)＝λfg(n-1)-a(n)R(n)p(n)-Rss(n)w(n-1)梯度調(diào)整步長計(jì)算如下面公式為β(n)=(g(n)-g(n-1))Tg(n)g(n-1)Tg(n-1)]]>梯度向量更新計(jì)算p(n)＝g(n)+β(n)p(n)通過每次的迭代計(jì)算，可以得到所需要的向量w(n)＝[w1w2]T。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于已知時(shí)延的波達(dá)方向估計(jì)方法，其特征在于，所述根據(jù)瞬時(shí)相關(guān)矩陣Rss(n)和相關(guān)矩陣R(n)的估計(jì)，得到需要的向量w(n)＝[w1w2]T的估計(jì)是按照下述方法得到的將相關(guān)矩陣R(n)進(jìn)行奇異值分解如下R(n)＝U(n)∑(n)U(n)H＝[u(n)w(n)]diag{λ1，λ2}[u(n)w(n)]Hλ1＞λ2≥0，可以得到所需要的向量w(n)＝[w1w2]T。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于已知時(shí)延的波達(dá)方向估計(jì)方法，其特征在于，所述利用兩個加權(quán)權(quán)值w1和w2，得到所需要的信號波達(dá)方向的估計(jì)是按照下述方法得到的對于各個陣元等距離放置在園周上的天線，信號方向角φ＝angle(w2)-angle(w1)；對于各陣元線性等距離放置的天線，信號到達(dá)方向角度為
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于已知時(shí)延的波達(dá)方向估計(jì)方法,該方法利用接收到的導(dǎo)頻信號,在時(shí)延估計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行信號波達(dá)方向估計(jì),使得信號數(shù)目的估計(jì)工作大大簡化;同時(shí),本發(fā)明采用基于共軛梯度或基于奇異值分解的方法得到計(jì)算信號波達(dá)方向所需要的向量,使得利用本發(fā)明的方法獲得的信號波達(dá)方向的估計(jì)受噪聲影響較小,估計(jì)值的波動也小。
文檔編號H04B1/707GK1355628SQ0012813
公開日2002年6月26日 申請日期2000年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月27日
發(fā)明者周雷, 范濤, 曲秉玉 申請人:華為技術(shù)有限公司