專利名稱：估計(jì)發(fā)射機(jī)到接收機(jī)信號(hào)的角擴(kuò)展的方法和相應(yīng)的接收機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的領(lǐng)域是無(wú)線電傳輸系統(tǒng)，特別是蜂窩系統(tǒng)。更準(zhǔn)確的講，本發(fā)明涉及估計(jì)由發(fā)射機(jī)傳送到接收機(jī)的信號(hào)的角擴(kuò)展(angular spread)的方法。
本發(fā)明可以有利地應(yīng)用在SDMA(空分多址)傳輸網(wǎng)路中。本發(fā)明也涉及實(shí)現(xiàn)上面的方法的接收機(jī)。
下列的描述是在確定發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間傳送的信號(hào)的角擴(kuò)展的情況下中給出的。正如在

圖1表示的當(dāng)發(fā)射機(jī)10向接收機(jī)發(fā)射時(shí)，由于在發(fā)射機(jī)10的周圍存在障礙，多路徑傳播產(chǎn)生了該傳送信號(hào)的角擴(kuò)展。這個(gè)角擴(kuò)展的特征為角α，最初近似反比于發(fā)射機(jī)10和接收機(jī)11之間的距離。
作為常規(guī)的準(zhǔn)則，對(duì)于接收由發(fā)射機(jī)發(fā)送的信號(hào)的任何接收機(jī)，不論它是不是蜂窩狀網(wǎng)絡(luò)的一部分，角擴(kuò)展是必須考慮的一個(gè)重要參數(shù)。例如，希望該算法適合于把在接收機(jī)11接收的信號(hào)均衡成角擴(kuò)展α的值。這樣適應(yīng)的一個(gè)目標(biāo)是當(dāng)有一個(gè)高角擴(kuò)展時(shí)使用更強(qiáng)大的均衡算法，而當(dāng)有一個(gè)低角擴(kuò)展時(shí)使用一個(gè)不太強(qiáng)大的均衡算法。
而且，當(dāng)有高角擴(kuò)展時(shí)，例如在蜂窩狀網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)小區(qū)中的SDMA傳輸?shù)那闆r下-在該情況下接收機(jī)11是一個(gè)基站并且發(fā)射機(jī)10通常是一個(gè)移動(dòng)終端-它不可能與信號(hào)的精確到達(dá)方向(DOA)相結(jié)合并因而在發(fā)射機(jī)10的方向形成一個(gè)波瓣。則重新利用的系數(shù)較高。更精確的講，在SDMA傳輸?shù)那闆r下，當(dāng)該發(fā)射機(jī)接近該基站時(shí)，也就是說(shuō)，當(dāng)α有一個(gè)高值時(shí)，不能在該發(fā)射機(jī)方向形成波瓣。
特別根據(jù)上述理由，因此希望知道在接收機(jī)11的角擴(kuò)展α的值。
有各種技術(shù)用于估計(jì)α的值。該接收機(jī)通常包括一天線陣單元，其中每個(gè)接收該傳送的信號(hào)，這個(gè)天線陣連接到用于計(jì)算角擴(kuò)展的裝置?，F(xiàn)有技術(shù)的主要缺點(diǎn)是它們都要求對(duì)該接收信號(hào)進(jìn)行相當(dāng)大的處理。例如，MUSIC或者ESPRIT類型算法可以確定接收信號(hào)的角擴(kuò)展，但是要求計(jì)算協(xié)方差矩陣，需要相當(dāng)大的計(jì)算能力。另外一個(gè)缺點(diǎn)是必須在較長(zhǎng)的時(shí)間周期觀察該接收信號(hào)。而且，就收斂而言上面的算法缺乏魯棒性(robustness)。
本發(fā)明的一個(gè)目的是補(bǔ)救上面的缺點(diǎn)。
更準(zhǔn)確地講，本發(fā)明的目的是提供估計(jì)由發(fā)射機(jī)傳送到接收機(jī)的信號(hào)的角擴(kuò)展的一種方法，該方法容易使用并需要較小的處理能力。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供包含用于估計(jì)角擴(kuò)展的裝置的接收機(jī)。
上面的目的和在下面變得清楚的其它的目的是通過(guò)估計(jì)由發(fā)射機(jī)傳送并且由接收機(jī)接收的信號(hào)的角擴(kuò)展的一種方法實(shí)現(xiàn)的，這種方法在于至少在一給定的時(shí)間周期通過(guò)觀察表示只與由接收機(jī)天線陣的每個(gè)天線振子接收信號(hào)的幅度或者功率有關(guān)的一個(gè)變量的數(shù)據(jù)來(lái)僅僅估計(jì)該角擴(kuò)展。
在第一實(shí)施例中，該數(shù)據(jù)是由該天線振子接收信號(hào)的幅度差的方差的平均，該差值是以成對(duì)的天線振子計(jì)算出的。
在第二實(shí)施例中，該數(shù)據(jù)是由每個(gè)天線振子接收的信號(hào)幅度的方差的平均。
在首選的應(yīng)用中，發(fā)射機(jī)是一個(gè)移動(dòng)終端而接收機(jī)是蜂窩傳輸網(wǎng)路的一個(gè)基站。
該蜂窩傳輸網(wǎng)路有利于使用SDMA傳輸。
估計(jì)的角擴(kuò)展最好與參考值比較使該發(fā)射機(jī)能有選擇地執(zhí)行SDMA傳輸。
在一個(gè)變型中，該數(shù)據(jù)有選擇地與參考值比較以使發(fā)射機(jī)能執(zhí)行SDMA傳輸。
本發(fā)明也提供一個(gè)接收機(jī)，包含適合于能夠估計(jì)在天線陣接收的信號(hào)角散布天線陣，該接收機(jī)包括提供表示僅僅與由該天線陣的每個(gè)天線振子接收的信號(hào)的幅度或者功率有關(guān)的變量的數(shù)據(jù)的裝置。
該接收機(jī)還有利地包括用于提供該角擴(kuò)展值的變換器裝置。
本發(fā)明的其它特性和優(yōu)點(diǎn)在閱讀作為非限制的例子和從附圖給出的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的下列描述變得清楚了，其中圖1是表示從發(fā)射機(jī)傳送到接收機(jī)的信號(hào)的角擴(kuò)展的圖；圖2是天線陣的平面圖；圖3表示在該天線陣的天線接收的一個(gè)分量的功率的角擴(kuò)展；圖4表示根據(jù)各種平均DOA的角擴(kuò)展、天線陣的天線振子對(duì)獲得的功率差的方差的平均；圖5表示SDMA網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基站和其中不能進(jìn)行SDMA傳輸?shù)囊粋€(gè)區(qū)域；圖6表示模擬可能性的結(jié)果，按照本發(fā)明使用第一計(jì)算方法計(jì)算出的角擴(kuò)展值比參考值高，這個(gè)可能性是角擴(kuò)展的函數(shù)。
圖7表示另外一個(gè)模擬該可能性的結(jié)果，使用第一計(jì)算方法計(jì)算出的角擴(kuò)展值比參考值高，這個(gè)可能性也是角擴(kuò)展的函數(shù)；圖8表示根據(jù)各種平均DOA的角擴(kuò)展天線陣的天線振子獲得的功率的方差的平均；圖9表示模擬該可能性的結(jié)果，使用按照本發(fā)明的第二計(jì)算方法計(jì)算出的角擴(kuò)展值比參考值高，這個(gè)可能性是角擴(kuò)展的函數(shù)；和圖10表示采用本發(fā)明的方法的接收機(jī)。
圖1在上面參照該現(xiàn)有技術(shù)描述了。
本發(fā)明建議利用由接收機(jī)天線陣接收的信號(hào)幅度或者功率的空間和瞬時(shí)變動(dòng)的統(tǒng)計(jì)屬性。該天線陣包含數(shù)量為M的天線，在此M至少等于2，例如M=12。該天線陣可以是一個(gè)三維的天線陣，但是為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，下列描述是指相等地間隔的天線的平面天線陣(二維)。
由發(fā)射機(jī)傳送的信號(hào)S(t)有一個(gè)波長(zhǎng)λ。該天線陣的每個(gè)天線接收被限制在角α內(nèi)的一組信號(hào)，正如在圖2表示的，該圖表示天線200至20M-1。
圖2表示在天線陣的天線200和天線20n之間的距離d0n(n位于0到M-1的范圍內(nèi))。參數(shù)θ0n是在該信號(hào)的平均DOA和垂直于連接天線200和20n的直線段之間的角。特別的值表示如下D00=0和θ00=0
以平均方向θ到達(dá)的該平均功率的角分布P(α)特征在于由圖3所示的參數(shù)α表示(rms表示″均方根″)。
因?yàn)槊總€(gè)變量α有一個(gè)(高斯)平均值零αrms=1α∫α2P2(α)dα]]>在實(shí)踐中，可以考慮對(duì)應(yīng)于N個(gè)離散的角度αi接收的離散數(shù)量N的分開(kāi)的分量。因此，可以確定在該天線陣的N個(gè)天線振子接收的信號(hào)的一般表達(dá)式xn(t)=Σi=1Ngi(t)s(t-τi)e2jπdOnλsin(θOn+αi)+bn(t)]]>對(duì)于n從0至M-1，在此gi(t)是分量Ⅰ的復(fù)數(shù)增益，τi是它的相對(duì)延遲和bn(t)是噪音分量。
已經(jīng)知道E[｜gi(t)｜2]=P(αi)因此以下考慮在每個(gè)天線振子接收的信號(hào)的幅度Xn=∫0T|xn(t)|2dt]]>對(duì)于n從0至M-1，或者更簡(jiǎn)單地，在每個(gè)天線振子接收的該信號(hào)的功率Xn2。
更準(zhǔn)確地講，本發(fā)明建議估計(jì)由發(fā)射機(jī)傳送的和由接收機(jī)從在至少給定的時(shí)間周期單獨(dú)觀察表示僅與由接收機(jī)的天線陣列的每個(gè)天線振子接收的信號(hào)的幅度或者功率有關(guān)的變量的數(shù)據(jù)中接收的信號(hào)的角擴(kuò)展。在實(shí)踐中，正如在下面描述的，在M天線振子上執(zhí)行次數(shù)為B的連續(xù)測(cè)量。
由天線振子接收的分量的功率的統(tǒng)計(jì)屬性直接地與角擴(kuò)展αrms的值有關(guān)。測(cè)量的功率的任何組合的特征在于一個(gè)統(tǒng)計(jì)模型，該統(tǒng)計(jì)模型可以被識(shí)別并且其后用于估計(jì)角擴(kuò)展。依據(jù)該估計(jì)的預(yù)期應(yīng)用，確定產(chǎn)生適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計(jì)模型的功率組合是可能的。
在下面，認(rèn)為高斯型的噪音具有不必相等的方差σn2。在特別的情況下(例如發(fā)送已知的學(xué)習(xí)順序)，噪音的作用或多或少可以完全地消除。在其它情況下，下面建議的解決辦法提供重要的性能，即使噪聲功率不能消除。例如，如果該方差對(duì)于所有的天線振子是相同的，建議的第一方法消除了該噪音的方差。
本發(fā)明的方法的各種實(shí)施例在下面描述。在所有這些實(shí)施例中，為了模擬的目的，假定該噪音是高斯噪聲，發(fā)送信道是雷利(Rayleig)信道，該分布角的功率分布圖是均勻的(P(α)是不變的)，N(多路徑數(shù))等于10并且天線陣是包含空間分開(kāi)一個(gè)距離d/λ=0.5的M=12天線振子的平面天線陣。在所有的模擬中，平均DOAθ是均勻分布在相對(duì)于該天線陣的法線從-60°擴(kuò)展到+60°的一個(gè)扇形中。
第一方法第一方法在于確定在包含多個(gè)天線振子的天線陣接收的該信號(hào)的角擴(kuò)展。該方法在于確定由該天線振子接收的該信號(hào)的幅度差別的方差的平均值，該差別是以成對(duì)的天線振子計(jì)算出的。
更準(zhǔn)確地講，所考慮的變量的組Zn定義如下對(duì)于N從0變至M-2,Zn=Xn-Xn+1這產(chǎn)生一組變量Zn，每個(gè)表示在以d/λ間隔的兩個(gè)天線接收的信號(hào)之間的功率(或者幅度)差別。對(duì)于離散的角度θ等于0°(對(duì)應(yīng)于面對(duì)該天線陣的發(fā)射機(jī))，±30°，和±60°，根據(jù)角擴(kuò)展上述差別的方差的平均VARz表示在圖4中。
對(duì)于每個(gè)值θ，從VARz確定單個(gè)值α是可能的。在這里建立一對(duì)一的關(guān)系。注意，對(duì)于范圍±30°中的角度θ，根據(jù)VARz的α值的低擴(kuò)展，它對(duì)應(yīng)于60°的覆蓋角。
在這里使用下列關(guān)系VARz=1BΣb=1BVARzb]]>其中VARzb=1M-1Σn=0M-2(Zn-b-Z-b)2]]>和Z-b=1M-1Σn=0M-2Zn,b]]>換言之，VARz是B方差的平均值，每個(gè)方差是從為分析b計(jì)算出的M-1個(gè)差Zn,b差估算的。
方法1的應(yīng)用方法1有利地應(yīng)用于指示計(jì)算出的角擴(kuò)展值(或者計(jì)算出的VARz值)比參考值αref(或者VARref)高的概率。這個(gè)概率直接地與獲得的估計(jì)準(zhǔn)確度有關(guān)。如果該估計(jì)低于閾值，理想情況下它等于0，或者如果該估計(jì)高于閾值，它等于1。這個(gè)概率在下面被稱為正確的檢測(cè)概率。
更準(zhǔn)確地講，在本發(fā)明應(yīng)用到SDMA傳輸網(wǎng)絡(luò)的情況下，為了引起基站注意必需知道由終端傳送的信號(hào)的角擴(kuò)展的值，正如圖5表示的。
該圖表示SDMA網(wǎng)絡(luò)(例如GSM或者CDMA類型的)的一個(gè)基站和不能在其中進(jìn)行SDMA傳輸?shù)囊粋€(gè)區(qū)域。
基站11覆蓋一個(gè)小區(qū)50，該小區(qū)理想情況下是一個(gè)圓形的小區(qū)。利用終端101至105例如移動(dòng)終端的SDMA傳輸預(yù)先假定基站11能夠在終端101至終端105的方向形成波瓣。在這里波瓣的該構(gòu)造形成四個(gè)扇形51至54并且在那些扇形使用的傳輸資源可以是相同的(用于CDMA傳輸?shù)南嗤妮d頻和相同擴(kuò)展碼或者用于TDMA傳輸?shù)南嗤瑫r(shí)間間隔分配)。例如，終端101可以使用與終端104相同的傳輸信道，因?yàn)樗鼈兪窃诓煌纳刃?。在圍繞基站11的區(qū)域55中，不能進(jìn)行SDMA傳輸，因?yàn)樵谶@個(gè)區(qū)域角擴(kuò)展太高因?yàn)榛?1的發(fā)送天線的副瓣，沒(méi)有另外一個(gè)分享相同資源的終端接收不是供該終端使用的數(shù)據(jù)，則不能傳送數(shù)據(jù)到在區(qū)域55內(nèi)部的一個(gè)終端。在這種情形下出現(xiàn)了在呼叫之間的相互干擾。
因此重要的是檢測(cè)一個(gè)終端是在該區(qū)域55內(nèi)部或者是在其外部。為此目的，本發(fā)明建議例如使用由方法1獲得的角擴(kuò)展的值作為一個(gè)終端是在或者不在該地區(qū)11中的標(biāo)準(zhǔn)。如果獲得的α值是低于參考值αref，則有關(guān)的終端被認(rèn)為是在區(qū)域11外部，并且如果α值高于參考值αref，則有關(guān)的終端被認(rèn)為是在區(qū)域11內(nèi)部。因此αref的值對(duì)應(yīng)于由緊挨著該區(qū)域11邊界的終端傳送的信號(hào)角擴(kuò)展。
因?yàn)樗甘玖擞糜诖_定角擴(kuò)展的該方法的適當(dāng)性，角擴(kuò)展值正確檢測(cè)概率的上述概念正確地對(duì)應(yīng)于此標(biāo)準(zhǔn)。
例如，圖6表示對(duì)于參考值αref等于7，根據(jù)角擴(kuò)展(使用方法1獲得的)的正確檢測(cè)概率Pbd的模擬，它大致對(duì)應(yīng)于等于0.3的VARz(參見(jiàn)圖4)。
分別表示的三特性60,61,62對(duì)應(yīng)于B=3,B=10和B=30。注意，該斜率以及性能隨處理的測(cè)量樣值B的數(shù)量而增加。
方法1的不同的應(yīng)用方法1的一種不同的應(yīng)用在于不是比較B方差的平均值與參考值，而是根據(jù)VARzb(對(duì)于兩個(gè)相鄰的天線振子獲得的功率差別的方差)使用B差別判定采取多數(shù)表決。每一個(gè)值VARzb與相同的參考值比較，在每個(gè)b比較以后，進(jìn)行多數(shù)表決以確定該響應(yīng)為″是″的比較數(shù)量是否大于該響應(yīng)為″否″的比較數(shù)量。圖7的特性用這種方式構(gòu)成，Pbd為正確的檢測(cè)概率。
對(duì)于B=3,B=10和B=30，分別地獲得特性70,71和72。特性71和72一致，它指示對(duì)于B大于10準(zhǔn)確度沒(méi)有進(jìn)一步改善。除此以外，性能可與方法1的第一應(yīng)用的性能匹敵。
方法2建議的第二方法也是以表示與由每個(gè)天線振子接收的信號(hào)的幅度有關(guān)的變量的觀察數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。然而，該數(shù)據(jù)不是值VARz，正如在方法1那樣，而是由每個(gè)天線振子接收的信號(hào)的幅度(或者功率)的方差的平均值VARx。因此在方法2中，由兩個(gè)天線振子接收的信號(hào)的幅度沒(méi)有減少。
更準(zhǔn)確地講VARxb=1MΣn=0M-1(Xn,b-X-b)2]]>且X-b=1MΣn=0M-1Xn,b]]>
b值在范圍1至B(B次連續(xù)的測(cè)量)內(nèi)。VARx是方差VARzb的平均值。
圖8表示根據(jù)各個(gè)平均DOAθ的角擴(kuò)展α在天線陣的天線振子獲得的功率的方差的平均值VARx。
在這里，在VARx和α之間也存在一對(duì)一的關(guān)系和在范圍±30°中對(duì)角度θ的估計(jì)的低擴(kuò)展。
方法2的應(yīng)用正如在方法1的第一應(yīng)用中那樣，例如在SDMA網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)那闆r下，比較計(jì)算出的方差的平均與參考值VARref或者αref以確定正確的檢測(cè)概率Pbd是有益的。
圖9表示作為對(duì)于B分析計(jì)算出的角擴(kuò)展α的函數(shù)的概率Pbd,B等于3,10或者30。使用的參考值是αref=7，它對(duì)應(yīng)于VARref=0.75。注意，隨著B(niǎo)增加該性能改善了。
實(shí)際的實(shí)施本發(fā)明也提供采用上面描述的方法的接收機(jī)。圖10表示一種這樣的接收機(jī)。
一個(gè)天線陣100包含多個(gè)天線振子200至20M-1。每個(gè)天線振子連接到處理裝置101，提供表示僅僅與由天線陣100的每個(gè)天線振子接收的信號(hào)的幅度或者功率有關(guān)的變量的數(shù)據(jù)(例如VARz或者VARx，取決于使用的方法)。然后該數(shù)據(jù)饋送給變換器裝置102，提供角擴(kuò)展α的值。在CDMA傳輸情況下處理裝置101分開(kāi)這些信道。
在次要的級(jí)別，和正如預(yù)先指示的，值VARz(VARx)或者α的值可以在比較器裝置103中與閾值VARref或者αref比較，提供指示是否得到VARz(或者VARx)＜VARref，或者α＜αref條件的比較信號(hào)COMP。
這樣的比較器裝置在應(yīng)用到SDMA接收機(jī)中是特別地有益的。
本發(fā)明不僅僅應(yīng)用于估計(jì)由接收機(jī)接收的信號(hào)的角擴(kuò)展，而且特別應(yīng)用到蜂窩網(wǎng)絡(luò)的基站無(wú)論它為GSM,CDMA或者其它類型，以便能夠重新使用傳輸資源(SDMA)。
權(quán)利要求
1．一種估計(jì)由發(fā)射機(jī)發(fā)送和由接收機(jī)接收的信號(hào)的角擴(kuò)展(α)的方法，所述方法在于通過(guò)至少在一個(gè)給定的時(shí)間期間觀察代表僅僅與由接收機(jī)天線陣(100)的每個(gè)天線振子(200至20M-1)接收的信號(hào)幅度或者功率有關(guān)的一個(gè)變量的數(shù)據(jù)(VARz,VARx)只估計(jì)所述角擴(kuò)展(α)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述數(shù)據(jù)是由所述天線振子接收的信號(hào)幅度差的方差的平均值，所述差值是取成對(duì)的所述天線振子計(jì)算出的。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述數(shù)據(jù)是由每個(gè)天線振子接收的信號(hào)幅度的方差的平均值。
4．根據(jù)權(quán)利要求1或者權(quán)利要求2的方法，其特征在于所述發(fā)射機(jī)是一個(gè)移動(dòng)終端和所述接收機(jī)是蜂窩傳輸網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基站。
5．根據(jù)權(quán)利要求4的方法，所述蜂窩傳輸網(wǎng)絡(luò)使用SDMA傳輸。
6．根據(jù)權(quán)利要求1到5的任何一個(gè)權(quán)利要求的方法，其特征在于所述估計(jì)的角擴(kuò)展(α)有選擇地與一個(gè)參考值(αref)比較，以使發(fā)射機(jī)能進(jìn)行SDMA傳輸。
7．根據(jù)權(quán)利要求1到5的任何一個(gè)權(quán)利要求方法，其特征在于所述數(shù)據(jù)(VARz,VARx)有選擇地地與參考值(VARref)比較，以便能夠由所述發(fā)射機(jī)進(jìn)行SDMA傳輸。
8．一種接收機(jī)，包含適合于估計(jì)在所述天線陣接收的信號(hào)的角度擴(kuò)散的一個(gè)天線陣(100)，其特征在于它包括提供表示僅僅與由所述天線陣的每個(gè)天線振子接收的信號(hào)幅度或者功率有關(guān)的一個(gè)變量的數(shù)據(jù)(VARz,VARx)的裝置(101)。
9．根據(jù)權(quán)利要求8的接收機(jī)，其特征在于它還包括變換器裝置(102)，用于提供所述角擴(kuò)展(α)的所述值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種估計(jì)由發(fā)射機(jī)傳送的和由接收機(jī)接收的信號(hào)的角擴(kuò)展的方法。本發(fā)明的方法在于通過(guò)至少在一個(gè)給定的時(shí)間期間觀察代表僅僅與由接收機(jī)天線陣(100)的每個(gè)天線振子(20
文檔編號(hào)G01R29/08GK1231086SQ98800960
公開(kāi)日1999年10月6日 申請(qǐng)日期1998年7月13日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月11日
發(fā)明者伊利·貝賈尼, 讓－弗朗西斯·布凱爾, 文多·庫(kù)瑪 申請(qǐng)人:阿爾卡塔爾公司