專利名稱：自適應波束成形設備和方法
技術領域：
本發明涉及自適應波束成形設備和方法，尤其涉及自適應波束成形設備和方法的改進的權向量更新技術。
最近，使用定向天線，通過提高傳播到預期移動終端的能量，同時減小傳播到其它遠程移動終端的干涉能量，從而提高信噪比(SNR)。通過生成空間選擇定向傳輸波束模式(beam pattern)，可減少傳播到其它移動終端的干涉能量。
自適應波束成形是一種用于實現這種波束模式的定向天線技術，其中，基站的波束成形天線陣列所產生的波束模式響應于變化的多路徑條件而調整。在這種波束成形陣列中，產生天線波束模式來使向/從預期移動終端發射/接收的信號能量最大。
為適應變化的多路徑條件，必須確定從基站天線陣列向預期移動終端發射的能量的各個發射角(AOD)。通過估計來自移動終端的信號能量在基站的各個入射角(AOA)來確定各個AOD。在自適應波束成形天線系統中，利用權向量原理來估計對應于預期AOD范圍的AOA范圍。
最小均方(LMS)算法是一種自適應波束成形算法，其僅使用用于傳輸參考信號的導頻信道(非盲波束成形算法)。
在LMS算法中，使用導頻碼元作為訓練信號來計算使均方誤差最小的權向量。由以下公式1來通過LMS算法計算權向量。
<公式1>wK(m+1)=wk(m)-μrDPCCH_k(m)[dk,c(m)-wkH(m)rDPPCH_k(m)]H]]>rDPCCH_k=[rDPCCH_k0(m)rDPCCH_k1(m)...rDPCCH_k(P-1)(m)]H]]>wk(m)=[wk(0)(m)wk(1)(m)...wk(P-1)(m)]H]]>其中，w指權向量，u是權向量更新系數。
另一種自適應波束成形算法是常數模算法(CMA)。CMA是盲的自適應波束成形算法，其使用恒定的包絡信號，而不是訓練信號。這意味著沒有幅度調制。在CMA中，通過以下公式2來計算權向量。
<公式2>yDPCCH_k(m)=wkH(m)rMPCCH_k(m)]]>eDPCCH_k(m)=2(yDPCCH_k(m)-yDPCCH_k(m)|yDPCCH_k(m)|)]]>wk(m+1)=wk(m)-μrDPCCH_k(m)eDPCCH_k*(m)]]>現有技術的自適應波束成形方法有多個問題。例如LMS算法緩慢收斂于最優值。因此，很難在快速衰減無線電環境中采用LMS算法。此外，對于CMA，因為其是盲的自適應算法，其收斂速度比使用訓練信號的算法慢。另外，相對于LMS算法，CMA的收斂特性沒有準確的定義。
即使存在多種其它波束成形算法，但與LMS和CMA相比，大多數算法太復雜并不適合無線電系統。因此，這些算法是有問題的。
引入以上的參考資料以幫助更好地理解附加或可選的細節、特征和/或技術背景。
本發明的另一個目的在于提供一種能夠通過精確地估計AOA范圍來產生最佳波束模式的自適應波束成形設備和方法。
本發明的另一個目的在于提供一種能夠向移動終端產生最佳波束模式來提高系統容量和通信質量的自適應波束成形設備和方法。
為全部或部分達到上述目的，提供了一種自適應波束成形設備，包括用于對輸入信號進行解擴的解擴器，以解擴器輸出的碼元為單位計算權向量的權向量計算模塊，以及使用解擴器的輸出碼元和來自權向量計算模塊的權向量來產生波束模式的波束成形器，其中，權向量計算模塊包括權向量估計器，其根據輸出碼元的類型來選擇兩種波束成形算法中的一種。該波束成形算法是LMS和CMA算法。
根據DPCCH時隙的子信道來確定輸出碼元的類型。DPCCH時隙被分成導頻子信道和非導頻子信道。如果輸出碼元屬于導頻子信道，則權向量估計器選擇LMS算法，如果輸出碼元屬于非導頻子信道，則權向量估計器選擇CMA算法。
如果波束成形算法從LMS算法變成CMA算法，則CMA算法使用LMS算法所計算的最后一個(先前)權向量作為初始權向量。反之，如果波束成形算法從CMA算法變為LMS算法，則LMS算法使用CMA算法所計算的最后一個(先前)權向量作為初始權向量。
此外，為完全或部分達到上述目的，提供了一種自適應波束成形方法，包含解擴輸入信號；確定解擴信號是否是DPCCH信號；確定碼元屬于DPCCH信號的導頻子信道還是非導頻子信道；如果碼元屬于導頻子信道，則啟動兩個波束成形算法的一個，如果碼元屬于非導頻子信道，則啟動兩個算法中的另一個；使用所計算的權向量來更新權向量；以及根據更新后的權向量來形成波束模式。所述的兩個波束成形算法是LMS和CMA算法。
如果波束成形算法從LMS算法向CMA算法變化，則CMA算法使用LMS算法所計算的最后一個權向量作為初始權向量。另一方面，如果波束成形算法從CMA算法向LMS算法變化，則LMS算法使用CMA算法所計算的最后一個權向量作為初始權向量。
本發明的其它優點、目的和特征有一部分將在以下的說明書中進行闡述，有一部分則對于本領域的技術人員經過對以下內容的檢驗后會變得明了，或者通過本發明的實踐而體驗到。所附的權利要求書具體指出了本發明的目的和優點。
優選實施例說明參考附圖，下文將描述本發明的優選實施例由3GPP定義的上行鏈路專用物理信道(DPCH)包含超幀(superframe)、無線幀和時隙的三層結構。有兩種類型的DPCH。第一類型是用于傳輸專用數據的專用物理數據信道(DPDCH)，第二類型是用于傳輸控制信息的專用物理控制信道(DPCCH)。


圖1顯示了優選實施例所使用的3GPP RAN技術規范的上行鏈路無線幀結構。
如圖1所示，上行鏈路DPCH無線幀結構包括多個時隙(時隙#0～時隙#14)。DPCCH時隙包括導頻字段，傳輸格式組合指示(TFCI)字段，格式字節整數(FBI)字段，以及發射功率控制(TPC)字段。
圖2顯示了根據本發明優選實施例的自適應波束成形設備。優選的，如圖2所示，本發明的自適應波束成形設備包括分別從天線(未顯示)接收的專用物理信道信號rDPCH_k中解擴出數據信道信號和控制信道信號的第一專用物理數據信道(DPDCH)解擴器11A和專用物理控制信道(DPCCH)解擴器11B。該設備最好還包括以碼元單位計算由DPCCH解擴器11B所解擴的信號的權向量的權向量計算模塊12。
權向量計算模塊12包括根據DPCCH時隙的子信道而使用不同的權向量更新算法來估計權向量的自適應權向量估計器12A。
提供了DPDCH波束成形器13A，以權向量計算模塊12所計算的權向量乘以解擴信號，并把所乘的信號與相同處理的信號累加。分別通過其它天線來接收該相同處理的信號。該設備還包括DPCCH波束成形器13B，其用權向量計算模塊12所計算的權向量來乘以解擴信號，并把所乘的信號與通過其它天線分別接收的相同處理信號相加。還提供了用于存儲來自DPDCH波束成形器13A的輸出信號的DPDCH數據緩沖器14，以及信道估計器15，其使用來自DPCCH波束成形器13B的信號來補償信道。該設備還包括用信道估計器15的輸出信號乘以DPDCH數據緩沖器14的輸出信號，從而補償DPDCH數據緩沖器14的輸出信號的乘法器16。還提供了DPDCH組合器17，其把來自乘法器16的信號組合成幀，還提供了幀緩存器18，用于存儲來自DPDCH組合器17的幀。最后，提供了第二DPDCH解擴器19，用于解擴來自幀緩沖器18的幀，然后輸出解擴的幀。
圖3顯示了優選實施例的自適應波束成形設備的DPCCH波束成形器13B的補充細節。
如圖3所示，DPCCH波束成形器13B的權值被連續更新。DPCCH波束成形器13B用各乘法器(M0～MP-1)上的相應權向量(wk(0)~wk(P-1)]]>)乘以通過P個天線接收并解擴后的信號(rDPCCH_k(0)~rDPCCH_k(P-1)]]>)。然后，DPCCH波束成形器13B在加法器21中對乘法結果進行累加。以相同方式處理輸入到DPDCH波束成形器13A的信號的權向量。
下文將描述上述構成的自適應波束成形設備的運作。
一旦通過天線接收到無線電信號rDPCH_k，由第一DPDCH解擴器11A和DPCCH解擴器11B解擴該信號rDPCH_k。然后向DPCCH波束成形器13B和權向量計算模塊12傳輸由DPCCH解擴器11B解擴的信號。權向量計算模塊12以碼元單位計算DPCCH解擴器11B輸出的信號的權向量。
上行鏈路DPCCH幀由15個時隙組成，每個時隙被分成導頻子信道和非導頻子信道。
根據優選實施例，使用兩種波束成形算法，即非盲波束成形算法和盲波束成形算法來形成波束模式。如果工作的波束成形算法從第一波束成形算法向第二波束成形算法轉換，則使用第一波束成形算法計算的最后一個權向量作為第二波束成形算法的初始權向量。在計算權向量期間，自適應權向量估計器12A根據DPCCH時隙的子信道類型，即導頻子信道和非導頻子信道，來選擇LMS和CMA算法中的一種。因此，自適應權向量估計器12A對導頻子信道啟動LMS算法，對非導頻子信道啟動CMA。優選實施例所采用的LMS和CMA算法與現有技術的公式1和公式2所表示的算法一致。
把初始權向量設置為0。因此，以初始值0為基礎來計算導頻子信道的起始碼元的權向量。根據先前權向量來連續更新權向量。另外，以導頻子信道的最后一個碼元的權向量為基礎來計算非導頻子信道的起始碼元的權向量，并把先前碼元的權向量作為初始權向量來連續計算下一個碼元的權向量。
這里，權向量計算模塊12參照DSP或上層提供的幀和時隙號來更新權向量。
在權向量計算模塊12中更新的權向量(wk(0)~wk(P-1)]]>)最好分別提供給DPDCH波束成形器13A和DPCCH波束成形器13B。在DPCCH波束成形器13B中，在各乘法器(M0～MP-1)處把權向量分別乘以輸入信號(rDPCCH_k(0)~rDPCCH_k(P-1)]]>)。記住，該輸入信號是通過P個天線接收并解擴的信號。乘法結果值在加法器21中進行累加。把權向量(wk(0)~wk(P-1)]]>)乘以通過天線接收到的信號，并在DPDCH波束成形器13A中把乘法結果相加。
DPDCH波束成形器13A的輸出信號被暫時存儲在DPDCH數據緩沖器14內，DPCCH波束成形器13B的輸出信號被用在信道估計器15中估計信道。
在乘法器16中，接著用信道估計器15的輸出來對DPDCH數據緩沖器14中存儲的DPDCH數據進行補償，然后在DPDCH組合器17中把數據組合為幀。來自DPDCH組合器17的幀被暫時存儲在幀緩沖器18中，并在第二DPDCH解擴器19中解擴后進行輸出。
下文將參考圖4來描述本發明優選實施例的自適應波束成形方法。圖4是流程圖，顯示了本發明優選實施例的自適應波束成形方法。
如圖4所示，在步驟S101，首先從DPCCH解擴器11B接收解擴碼元。接下來，如步驟S102所示，權向量計算模塊12確定該碼元是否是DPCCH時隙的導頻子信道中的碼元。如果該碼元屬于導頻子信道，則在步驟S103中權向量計算模塊12啟動LMS算法，然后在步驟S104，使用LMS算法來計算權向量。另一方面，如果碼元在非導頻子信道內，則在步驟S105，權向量計算模塊12啟動CMA算法，并在步驟S106使用CMA算法來計算權向量。
如果導頻子信道向非導頻子信道轉換，則使用導頻子信道中最后一個碼元的權向量來計算非導頻子信道中第一個碼元的權向量。另一方面，如果非導頻子信道向導頻子信道轉換，則使用非導頻子信道中最后一個碼元的權向量來計算導頻子信道中第一個碼元的權向量。
根據優選實施例的自適應波束成形系統和方法有許多優點。例如，優選實施例的自適應波束成形設備和方法分別對導頻和非導頻子信道使用LMS和CMA算法來執行權向量更新，因此可以通過空間濾波效應而有效地減少其它移動終端發射的干涉，從而使系統容量和覆蓋范圍得到提高。
此外，相對于其它波束成形算法，LMS和CMA算法相對簡單，優選實施例的自適應波束成形設備和方法可以有效地采用靈巧天線系統(smart antenna system)。
此外，在優選實施例的自適應波束成形設備方法中，根據情況使用LMS和CMA算法中的一種，從而可以準確地計算出權向量，使用可靠的權向量可提高信道估計的準確度。
上述的實施例和優點僅僅是示例性的，并不對本發明構成限制。本發明可以容易地應用于其它類型的裝置。本發明的說明書是用于進行說明，不限制權利要求的范圍。對于本領域的技術人員，很顯然可以有很多的替換、改進和變化。在權利要求書中，裝置加功能的語句旨在涵蓋實現所述功能的結構，其不僅包括結構的等同，也包括等同的結構。
權利要求
1.一種自適應波束成形設備，包括權向量計算模塊，根據接收到的碼元數據所屬的子信道類型來選擇波束成形算法，并使用所選擇的波束成形算法來計算權向量；以及波束成形器，根據權向量計算模塊計算出的權向量來生成波束模式。
2.根據權利要求1所述的設備，該設備還包含解擴器，用于解擴輸入信號并輸出碼元數據。
3.根據權利要求1所述的設備，其中，從非盲波束成形算法和盲波束成形算法中選擇波束成形算法。
4.根據權利要求3所述的設備，其中，所述的盲波束成形算法包括CMA波束成形算法。
5.根據權利要求4所述的設備，其中，所述的非盲波束成形算法包括LMS波束成形算法。
6.根據權利要求3所述的設備，其中，當碼元數據屬于導頻子信道時，使用LMS波束成形算法，LMS波束成形算法是基于導頻信道的波束成形算法。
7.根據權利要求1所述的設備，其中，所述的子信道類型包括導頻子信道和非導頻子信道。
8.根據權利要求7所述的設備，其中，當碼元數據屬于導頻子信道時，所選擇的波束成形算法是LMS算法，當碼元數據屬于非導頻子信道時，所選擇的波束成形算法是CMA算法。
9.根據權利要求1所述的設備，其中，當碼元數據屬于導頻子信道時，權向量計算模塊啟動LMS波束成形算法。
10.根據權利要求1所述的設備，其中，當碼元數據屬于非導頻子信道時，權向量計算模塊啟動CMA算法。
11.根據權利要求1所述的設備，其中，如果波束成形算法從第一波束成形算法轉換為第二波束成形算法，則使用第一波束成形算法計算的最后一個權向量作為第二波束成形算法的初始權向量。
12.一種自適應波束成形方法，包括根據輸入碼元數據所屬的子信道類型來選擇波束成形算法；使用所選擇的波束成形算法來更新權向量；以及使用更新后的權向量來形成波束模式。
13.根據權利要求12所述的方法，其中，從非盲波束成形算法和盲波束成形算法中選擇波束成形算法。
14.根據權利要求13所述的方法，其中，所述的盲波束成形算法是CMA波束成形算法，所述的非盲波束成形算法是LMS波束成形算法。
15.根據權利要求12所述的方法，其中，所述的子信道類型是導頻子信道和非導頻子信道中的一種。
16.根據權利要求12所述的方法，其中，選擇波束成形算法的步驟包括當子信道的類型是導頻子信道時，選擇非盲波束成形算法。
17.根據權利要求16所述的方法，其中，所述的非盲波束成形算法是LMS波束成形算法。
18.根據權利要求12所述的方法，其中，選擇波束成形算法的步驟包含當子信道的類型是非導頻子信道時，選擇盲波束成形算法。
19.根據權利要求17所述的設備，其中，所述的盲波束成形算法是CMA波束成形算法。
20.根據權利要求12所述的方法，其中，更新權向量的步驟包括當波束成形算法從第一波束成形算法向第二波束成形算法轉換時，使用第一波束成形算法計算的最后一個權向量作為第二波束成形算法的初始權向量。
21.一種自適應波束成形方法，包括確定碼元數據屬于導頻子信道還是非導頻子信道；根據確定的結果，使用至少兩種波束成形算法中的一種來更新權向量；以及使用更新后的權向量來形成波束模式。
22.根據權利要求21所述的方法，其中，所述的至少兩種波束成形算法包含CMA算法和LMS算法。
23.根據權利要求21所述的方法，其中，當確定碼元數據屬于導頻子信道時，使用LMS算法。
24.根據權利要求21所述的方法，其中，更新權向量的步驟包括當碼元數據屬于導頻子信道時，選擇非盲波束成形算法。
25.根據權利要求24所述的方法，其中，所述的非盲波束成形算法是LMS波束成形算法。
26.根據權利要求21所述的方法，其中，更新權向量的步驟包括當碼元數據不屬于導頻子信道時，選擇盲波束成形算法。
27.根據權利要求25所述的設備，其中，所述的盲波束成形算法是CMA波束成形算法。
28.根據權利要求21所述的方法，其中，更新權向量的步驟包括當波束成形算法從第一波束成形算法向第二波束成形算法轉換時，使用第一波束成形算法計算的最后一個權向量作為第二波束成形算法的初始權向量。
全文摘要
公開了一種自適應波束成形設備和方法，其解擴輸入信號，確定解擴信號的碼元屬于解擴信號的導頻子信道還是非導頻子信道。從而啟動兩種波束成形算法中的一種。如果碼元屬于導頻子信道，則使用第一算法來計算權向量，如果碼元屬于非導頻子信道，則使用第二算法來計算權向量。使用最新計算的權向量來更新當前權向量，并根據更新后的權向量來形成波束模式。
文檔編號H04B7/08GK1455473SQ0310294
公開日2003年11月12日 申請日期2003年1月24日 優先權日2002年4月30日
發明者金相俊 申請人:Lg電子株式會社