專利名稱：一種波達角估計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種波達角(Direction of Arrival,筒稱DOA)估計方法。
背景技術(shù)：
作為TD-SCDMA (時分-同步碼分多址)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，智能天線 近年來已得到越來越深入的研究。智能天線與傳統(tǒng)時域信號處理技術(shù)相結(jié)合 形成的空時信號處理技術(shù)在擴大小區(qū)范圍、提高系統(tǒng)容量、提高系統(tǒng)頻譜利 用率、降低發(fā)射功率和減小用戶干擾等方面顯示了巨大的潛能。DOA估計 是智能天線無線技術(shù)定位和信道分配實現(xiàn)的基礎(chǔ)。
對于DOA估計方法，最簡單的實現(xiàn)方法是譜估計，即利用陣列形式對 空間波達信號的角度功率譜，例如Bartlett (巴利特)譜、Capon (卡朋)譜、 MUSIC (多重信號分類)譜和ESPRIT (旋轉(zhuǎn)不變信號參數(shù)估計)語等進行 估計，進而得到用戶信號的波達角。
在眾多的DOA估計方法中，Schmidt (施密特)提出的基于信號源協(xié)方 差矩陣特征分解的MUSIC算法最具代表性。該算法突破了由陣列孔徑尺寸 大小限制的瑞利限，是一種被廣泛使用的高分辨DOA估計方法。但是， MUSIC算法在低信噪比下難以分辨空間相距較近的信號，僅能估計非相關(guān) 信號源。對于相關(guān)信號源，MUSIC算法將隨著信號源間相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)) 的增加，性能逐漸惡化，直至完全失效。而在無線信號傳播環(huán)境中，無線信 道非常復(fù)雜，從簡單的視距傳播到具有各種障礙物的反射、折射以及多徑等 傳播環(huán)境，大量存在相關(guān)信號，為此需要一種方法能降低信號之間的相關(guān)性， 以正確估計出相關(guān)多徑信號的波達角的DOA估計方法。
在文獻Kundu D.Modify MUSIC Algorithm for Estimating DOA ofSignal[J].Signal Processing,1996,(48):85 ~ 89 ("用于信號的DOA估計的改進 的MUSIC算法"，《信號處理，1996年》第85頁~89頁，坤都D.)中， 提出了 一種采用空間平滑技術(shù)(spatial smoothing technique )去相關(guān) (decorrelating )的方法。該方法是將接收陣列分成若干子陣，分別求出每 個子陣的相關(guān)矩陣，然后將這些相關(guān)矩陣進行平均得到平滑的相關(guān)矩陣，實 現(xiàn)去相關(guān)。采用這種空間平滑的方法進行去相關(guān)減少了陣元數(shù)和陣列孔徑， 進而減小了可估計信源數(shù)目，對于前向空間平滑和前后向空間平滑，可估計 的信源數(shù)分別為M/2和2M/3 (M為基站陣列天線數(shù))，同時對相關(guān)信號源 的DOA估計精度也較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種不降低 DOA估計精度，且不減少可估計多徑信號的數(shù)目的DOA估計方法。
為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種波達角估計方法，應(yīng)用于使用智能 天線的無線通訊系統(tǒng)中，其特征在于，獲得用戶的信道沖擊響應(yīng)矩陣H后， 對H或H對應(yīng)的空間協(xié)方差矩陣R的復(fù)共軛矩陣11*進行共軛重排，得到共 軛重排的空間協(xié)方差矩陣R，，對Rm-ocxR，+p xR進行譜估計獲得波達方 向角度估計值；其中，a>0, p >0。
此外，對所述H采用如下方法進行共軛重排，得到共軛重排的信道沖 擊響應(yīng)矩陣Hm: Hm=IxH';并根據(jù)Hm采用如下方法獲得所述R， R' = Hm
X(Hmf;其中，上述I為與tf同階的反向單位矩陣，(Hm)H為Hm的共軛轉(zhuǎn)
置矩陣，tf為H的復(fù)共軛矩陣。
此外，采用如下方法對所述I^進行共軛重排并得到所述R， R， = IxR* xl;上述I為與11*同階的反向單位矩陣。
此外，所述a = p =0.5,或"=0=1,或cx-l, P=0。
此外，采用仿真方法獲得所述a、 p的值，使得在進行所述語估計時， 使用oc 、 P值對應(yīng)的所述Rm構(gòu)造的空間譜函數(shù)滿足精度要求。
此外，所述譜估計為Bartlett譜估計，Capon語估計，MUSIC語估計，ESPRIT語之一。
此外，所述無線通訊系統(tǒng)為TD-SCDMA系統(tǒng)。
與現(xiàn)有的基于空間協(xié)方差矩陣進行譜估計的DOA估計方法相比，采用 本發(fā)明的上述基于共軛重排后的空間協(xié)方差矩陣進行譜估計的DOA估計方 法，可有效地提高DOA估計的精度，降低用戶多徑信號之間的相關(guān)性，可 以改善系統(tǒng)中利用高分辨算法對期望用戶多徑信號的DOA估計性能。并且 本發(fā)明的方法在沒有減少可估計相關(guān)多徑數(shù)目的情況下，計算量并無明顯增 加。


圖1是本發(fā)明實施例應(yīng)用于TD-SCDMA系統(tǒng)的波達角估計方法流程圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的基本思路是對用戶的信道沖激響應(yīng)矩陣進行共軛重排，使用共 軛重排的信道沖激響應(yīng)矩陣生成修正的空間協(xié)方差矩陣，并基于上述修正的 空間協(xié)方差矩陣進行DOA估計。
空間平滑方法是一種降低信號相關(guān)性的一種有效方法，其基本思想是將 等距線陣分成若干個相互重疊的子陣列，各子陣的陣列流形相同，各子陣的 協(xié)方差矩陣可以進行平均運算，實現(xiàn)去相關(guān)，這是前向平滑的基本原理。前 后向平滑是除了前向平滑外，對各子陣再進行共軛反向重新構(gòu)成一個子陣 列，然后分別對各經(jīng)過前后向平滑后處理的子陣的協(xié)方差矩陣進行平均運 算，構(gòu)成總的協(xié)方差矩陣，實現(xiàn)去相關(guān)。
如果取子陣長度與陣元數(shù)目相同，就能達到不縮小陣列孔徑，在不影響 算法對非相關(guān)信號DOA估計的情況下，提高對相關(guān)信號的DOA估計性能。 本發(fā)明正是基于此思想對信道沖激響應(yīng)矩陣共軛重排，實現(xiàn)對空間協(xié)方差矩 陣的平滑，達到降低多徑信號相關(guān)性的目的。下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細描述。
圖1是本發(fā)明實施例應(yīng)用于TD-SCDMA系統(tǒng)的波達角估計方法流程 圖。如圖1所示，該方法包含如下步驟
S101:基站根據(jù)各用戶在各天線上的信道估計，獲得各用戶的天線陣列 信道沖激響應(yīng)矩陣；
TD-SCDMA系統(tǒng)中運用的無線信道模型的數(shù)學表達式為
& (r, =2] - 、, )3 w -《,)
其中，/^(r一)表示第A:個用戶的信道響應(yīng)，它是時延r和到達角^的函數(shù)。 i表示信道總的路徑數(shù)，/代表各多徑標號，敘/W、 、《,分別表示第A:個 用戶的第/條多徑的時變信號幅度、相對時延和相對到達角。
在基站使用陣列天線的情況下，UE (用戶終端)發(fā)送的信號經(jīng)過多徑 信道到達基站時，每個接收天線上的信道沖激響應(yīng)為由不同來波方向(DOA ) 入射的方向性信道沖激響應(yīng)疊加而成。若Z^表示第A個用戶發(fā)送的信號入射 到基站陣列天線時具有不同來波方向(DOA)的入射信號數(shù)目，從時域角度 觀察，若疊加后的信道沖激響應(yīng)離散抽頭數(shù)為『，則信道沖激響應(yīng)(CIR) 可表示為『xl維離散矢量，即時域上^個獨立的多徑分量的疊加實際上是A 個CIR矢量對應(yīng)位置元素的加權(quán)疊加，權(quán)值即該方向的衰落幅度。
記W) ^[W)(l)，/^')(2),…/^)(『)f為第)t個用戶第/個入射信號的方向性 信道沖激響應(yīng)矢量；第A個用戶所有方向性信道沖激響應(yīng)矢量可組成一個方 向性信道沖激響應(yīng)矩陣
—//*'M Yl A V'M化2 f『」—
其中，M表示基站陣列天線數(shù)，W表示信道估計窗長(W=128)。
S102:根據(jù)用戶的信道沖激響應(yīng)矩陣計算空間協(xié)方差矩陣； 第*個用戶的空間協(xié)方差矩陣R^為R(k)=H(k) x (H(k)f;
其中，(HW)H表示矩陣H^的共輒轉(zhuǎn)置矩陣。
S103:對用戶的信道沖激響應(yīng)矩陣進行共軛重排；
根據(jù)矩陣乘法的意義可知，要實現(xiàn)陣列的重排，取單位反向矩陣時，對 陣列的接收端數(shù)據(jù)需要進行左乘。因此，對信道沖激響應(yīng)數(shù)據(jù)進行共軛重排
時，需要對信道沖激響應(yīng)矩陣的共軛左乘反向單位矩陣。
令I(lǐng)為MxM階反向單位矩陣，即
—0… 0 1
I
0 1 0
1 0 …0
對第k個用戶的信道沖激響應(yīng)(CIR)矩陣進行共軛重排，得到共軛重 排的信道沖激響應(yīng)矩陣HL^，
H扣(k)=I x H(k)*.
丄丄modifyl 111 5
其中，H^為H^的復(fù)共軛矩陣。
S104:計算上述共軛重排后的信道沖激響應(yīng)矩陣的空間協(xié)方差矩陣； 第it個用戶的共軛重排的信道沖激響應(yīng)矩陣Hm。difyl W的空間協(xié)方差矩陣
modify 1
尺modifyl = Hmodify丄(k) x (Hmodifyi (k))H= I X R/1^ X I;
為R，
S105:基于用戶的空間協(xié)方差矩陣和共軛重排后的空間協(xié)方差矩陣，得 到修正的空間協(xié)方差矩陣Rm。dify(k);
本實施例中，取Rm。difyW-(Rm。dify嚴+RW)/2，即修正的空間協(xié)方差矩陣
為空間協(xié)方差矩陣和共軛重排后的協(xié)方差矩陣的平均。 在另一實施例中，可以取 Rmodify(k) = a x Rm。difyl(k)+ e x R(k);(公式1 )其中aX), P >0;即修正的空間協(xié)方差矩陣為空間協(xié)方差矩陣和共軛 重排后的協(xié)方差矩陣的加權(quán)平均，且當P =0時，修正的空間協(xié)方差矩陣為 共軛重排后的協(xié)方差矩陣。
上述a和P的取值范圍通常通過仿真獲得，當然根據(jù)公式1獲得的 Rm。dify^需要滿足后續(xù)的譜估計矩陣分解的要求。
經(jīng)仿真可以得出，當a = P =0.5,或a = P =1，或a =1， p =0時， 采用上述公式1都可以獲得同樣精度的DOA估計結(jié)果。
S106:基于上述修正的空間協(xié)方差矩陣R^difyW進行譜估計，對信號的 多徑來波方向進行估計，得到多徑波達方向角度；
在實施用例中采用MUSIC譜估計方法，即構(gòu)造MUSIC譜函數(shù)后對信 號的多徑來波方向進行估計。
由MUSIC空間譜估計對第fc個用戶的修正的空間協(xié)方差矩陣Rm。dify(k) 進行特征分解、或SVD (奇異值)分解、或QR ( 二次余數(shù))分解，計算特 征值及特征向量可得
Rm。di/) = usi:s《+ uNsNu^
其中，Us是由大特征值對應(yīng)的特征矢量張成的子空間即信號子空間，uN
是由小特征值對應(yīng)的特征向量張成的子空間即噪聲子空間。
理想條件下數(shù)據(jù)空間中的信號子空間與噪聲子空間是相互正交的，即信
號空間中的導(dǎo)向矢量^(G)也與噪聲子空間正交，即^(9)^=0。 構(gòu)造空間協(xié)方差矩陣的MUSIC鐠函數(shù)
P畫c(e)、，丄H,;
對MUSIC i普峰值進行搜索，得到用戶對應(yīng)的多徑波達方向角度。
由構(gòu)造的空間譜函數(shù)p目K(e),當分母為0時，p目Je)有一尖峰，使e變
化，通過搜索語峰值來估計多徑信號的到達角DOA,以此實現(xiàn)基于信道沖 激響應(yīng)數(shù)據(jù)共軛重排得到的空間協(xié)方差矩陣的高分辨DOA估計，實現(xiàn)對期 望用戶的多徑信號的波達角估計。由上可知，本發(fā)明在獲得用戶的信道沖擊響應(yīng)矩陣H^后，根據(jù)H^獲 得共軛重排的協(xié)方差矩陣Rm。difyl(k);根據(jù)Rm。dify嚴進行后續(xù)的譜估計。而上 述Rm。dify嚴可以釆用兩種方式獲得
(1 )對HW進行共軛重排得到Hm。difyl (k)，并根據(jù)Hm。difyl 計算Rm。difyl(k);
(2 )使用H^計算R(k),并對R^進行共軛重排獲得Rm。difyl(k)。
以上兩種方式的目的都是通過共軛重排獲得相關(guān)性小的協(xié)方差矩陣，并 根據(jù)該協(xié)方差矩陣進行譜估計，以最小的代價獲得較高精度的多徑波達方向 角度估計值。
與現(xiàn)有的基于空間協(xié)方差矩陣進行譜估計的DOA估計方法相比，采用 本發(fā)明的上述基于共軛重排后的空間協(xié)方差矩陣進行譜估計的DOA估計方 法，可有效地提高DOA估計的精度，降低用戶多徑信號之間的相關(guān)性，可 以改善系統(tǒng)中利用高分辨算法對期望用戶多徑信號的DOA估計性能。并且 本發(fā)明的方法在沒有減少可估計相關(guān)多徑數(shù)目的情況下，計算量并無明顯增 加，僅在計算空間協(xié)方差矩陣時增加M"欠加法。
除了上述實施例中的MUSIC鐠估計外，本發(fā)明的基于共軛重排后的空 間協(xié)方差矩陣的DOA估計方法還可釆用其它任何基于空間協(xié)方差矩陣的譜 估計方法。
此外，上述實施例僅以TD-SCDMA系統(tǒng)為例對本發(fā)明的DOA估計方 法進行了介紹，除此之外，本發(fā)明的基于共軛重排后的空間協(xié)方差矩陣的還 適用于其它制式的采用智能天線的系統(tǒng)，差別僅在于基站獲得各用戶的天線 陣列信道沖激響應(yīng)矩陣的方法有所不同。
權(quán)利要求
1、一種波達角估計方法，應(yīng)用于使用智能天線的無線通訊系統(tǒng)中，其特征在于，獲得用戶的信道沖擊響應(yīng)矩陣H后，對H或H對應(yīng)的空間協(xié)方差矩陣R的復(fù)共軛矩陣R*進行共軛重排，得到共軛重排的空間協(xié)方差矩陣R’，對Rm＝α×R’+β×R進行譜估計獲得波達方向角度估計值；其中，α>0，β≥0。
2、 如權(quán)利要求1所述的波達角估計方法，其特征在于，對所述H采用 如下方法進行共軛重排，得到共軛重排的信道沖擊響應(yīng)矩陣Hm: Hm=IxH*; 并根據(jù)Hm采用如下方法獲得所述R， R' = Hmx(Hm)H;其中，上述I為與 If同階的反向單位矩陣，(Hmf為Hm的共輒轉(zhuǎn)置矩陣，tf為H的復(fù)共軛矩 陣。
3、 如權(quán)利要求1所述的波達角估計方法，其特征在于，采用如下方法 對所述I^進行共軛重排并得到所述R， R， = IxR*xI;上述I為與11*同階 的反向單位矩陣。
4、 如權(quán)利要求1所迷的波達角估計方法，其特征在于，所述a = P = 0.5,或"=3=1,或a-l, P=0。
5、 如權(quán)利要求1所述的波達角估計方法，其特征在于，采用仿真方法 獲得所述oc、 P的值，使得在進行所述i普估計時，使用a、 P值對應(yīng)的所述 Rm構(gòu)造的空間i普函數(shù)滿足精度要求。
6、 如權(quán)利要求1所述的波達角估計方法，其特征在于，所述譜估計為 Bartlett譜估計，Capon鐠估計，MUSIC語估計，ESPRIT譜之一。
7、 如權(quán)利要求1所述的波達角估計方法，其特征在于，所述無線通訊 系統(tǒng)為TD-SCDMA系統(tǒng)。
全文摘要
一種波達角估計方法，應(yīng)用于使用智能天線的無線通訊系統(tǒng)中，其特征在于，獲得用戶的信道沖擊響應(yīng)矩陣H后，對H或H對應(yīng)的空間協(xié)方差矩陣R的復(fù)共軛矩陣R^*進行共軛重排，得到共軛重排的空間協(xié)方差矩陣R’，對R_m＝α×R’+β×R進行譜估計獲得波達方向角度估計值。與現(xiàn)有的基于空間協(xié)方差矩陣進行譜估計的DOA估計方法相比，采用本發(fā)明的上述基于共軛重排后的空間協(xié)方差矩陣進行譜估計的DOA估計方法，可有效地提高DOA估計的精度，降低用戶多徑信號之間的相關(guān)性，可以改善系統(tǒng)中利用高分辨算法對期望用戶多徑信號的DOA估計性能。并且本發(fā)明的方法在沒有減少可估計相關(guān)多徑數(shù)目的情況下，計算量并無明顯增加。
文檔編號H04B1/707GK101431354SQ20071016596
公開日2009年5月13日 申請日期2007年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月9日
發(fā)明者婷 丁 申請人:中興通訊股份有限公司