способ обработки основной полосы частот на основе интеллектуальной антенны и подавления помех

Формула изобретения

1. Способ обработки основной полосы частот на основе интеллектуальной антенны и подавления помех, при этом антенный модуль, соответствующий фидер и когерентный радиочастотный приемопередатчик образуют линию связи, содержащий этапы: А) выполнение с помощью матрицы, которая относится к каждой последовательности обучения пользователей, оценки каналов для выходных сигналов дискретных данных с каждой линии связи соответственно, и затем получение отклика всех каналов, отличающийся тем, что дополнительно содержит этапы: В) вычисление распределения мощности распространения каждого канала в окне поиска, получение положения пиковой величины мощности каждого канала, осуществление настройки синхронизации для каналов, если все положения максимальной пиковой величины мощности указанных каналов не синхронизированы, и далее вычисление распределения полной мощности распространения каждого канала в окне поиска, С) определение положения текущей пиковой величины мощности в указанной полной мощности распространения и исключение из последующих определений положения максимальной пиковой величины мощности, D) с использованием алгоритма формирования луча интеллектуальной антенны и отклика каналов, полученного на этапе А), осуществление формирования луча для сигнала, полученного сжатием распределенного спектра и дескремблированием сигнала дискретных данных в положении текущей пиковой величины мощности с получением текущего демодулированного сигнала в положении текущей пиковой величины мощности, и добавления последнего демодулированного сигнала к текущему демодулированному сигналу, и далее получение восстановленного сигнала, Е) определения необходимости подавления помех для восстановленного сигнала, и, в случае необходимости, переход на этап F), в другом случае осуществление вывода восстановленного сигнала и окончание обработки, F) осуществление реконструкции данных для восстановленного сигнала и вычисление компонентов принимаемого сигнала каждого антенного модуля и G) вычитания компонентов принимаемого сигнала каждого антенного модуля из сигнала дискретных данных соответственно, и далее получение сигнала дискретных данных, смещенного к сигналу наиболее мощного в данный момент луча распространения, и далее возврат к выполнению этапа С).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что матрица, которая относится к каждой последовательности обучения пользователя, вычисляется и сохраняется заранее.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что этап С) дополнительно содержит сохранение положения максимальной пиковой величины мощности в памяти, обозначаемой power_point.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что настройка синхронизации на этапе В) содержит передачу параметра настройки синхронизации в передающий модуль этого пользователя с наиболее мощным лучом распространения не в одной точке с другим пользователем и без синхронизации с базовой станцией.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что определение на этапе Е) осуществляется путем определения удовлетворения отношения сигнал/шум заданным условиям, этап D) дополнительно содержит одновременное вычисление отношения сигнал/шум для восстановленного сигнала.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что определение удовлетворения отношения сигнал/шум заданным условиям содержит вычисление мощности пользователя для восстановленного сигнала, определение мощности, больше определенной величины поля, в качестве эффективной мощности, вычисление разности квадратов для всех сигналов с эффективной мощностью в соответствующей точке совокупной карты, определение восстановленного сигнала с неудовлетворительным низким отношением сигнал/шум, если их разница квадратов больше заданной величины, и восстановленного сигнала с удовлетворительным высоким отношением сигнал/шум, если их разница квадратов меньше заданной величины.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что определение на этапе Е) осуществляется путем определения достижения количества циклов подавления заданного числа.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что максимальное количество циклов подавления равно длине окна поиска.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что исключение из вычислений положения максимальной пиковой величины мощности содержит установление значения мощности в положении максимальной пиковой величины мощности на ноль.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что на этапе D) используют формулу

где C_q,k является кодом распределенного спектра k-го пользователя, pn_code(1) является кодом скремблирования, S_ca,k(d) является результатом подавления помех последнего раза, при этом начальное значение S_o,k(d)=0 и выходной сигнал S_ca+1,k(d) является символическим уровнем.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится в целом к способу подавления сигналов помехи, используемой в базовой станции беспроводной системы связи с интеллектуальной антенной, в частности к способу обработки основной полосы частот на основе интеллектуальной антенны и подавления помех.

Уровень техники

В современных беспроводных системах связи, в частности в беспроводной системе связи CDMA (множественный доступ с кодовым разделением каналов), для повышения пропускной способности системы, чувствительности системы и обеспечения большей дальности связи при низкой мощности излучения обычно используют интеллектуальные антенны.

В патенте Китая под названием "Система беспроводной связи множественного доступа с временным уплотнением каналов, дуплексной синхронизацией, с кодовым разделением каналов с интеллектуальной антенной" (CN 97 1 04039.7) раскрыта структура базовой станции беспроводной системы связи с интеллектуальной антенной. Она содержит интеллектуальную антенну, состоящую из одного или множества антенных модулей, соответствующих радиочастотных фидерных кабелей и ряда когерентных радиочастотных приемопередатчиков. В соответствии с различным для каждого антенного модуля откликом на сигнал, приходящий с терминалов пользователей, процессор обработки основной полосы частот получает вектор пространственных характеристик и направление прихода сигнала (DOA); затем с помощью соответствующего алгоритма применяют формирование приемного луча антенны. При этом антенный модуль, соответствующий фидерный кабель и когерентный радиочастотный приемопередатчик в совокупности называют линией связи. С помощью использования весовых коэффициентов, полученных из формирования приемного луча к центру каждой линии связи для формирования передающего луча линии связи от центра, можно использовать все функциональные возможности интеллектуальной антенны в условиях симметричного распространения волн.

Главной частью современных беспроводных систем связи является мобильная связь. Поскольку мобильная связь работает в сложных и изменяющихся условиях (смотри ITU, предложение М1225), то следует учитывать сильное влияние изменяющегося во времени и многолучевого распространения волн. В указанном выше патенте и в других технических публикациях, относящихся к алгоритму формирования луча интеллектуальной антенны, делается вывод, что чем более сложен алгоритм, тем больше функциональные возможности. Однако в условиях мобильной связи формирование луча должно быть закончено в реальном времени, и время на выполнение алгоритма имеет уровень микросекунд. Вследствие ограничений, накладываемых современной микроэлектронной техникой, цифровая обработка сигналов или применение специальных интегральных схем не обеспечивает выполнение слишком сложной обработки в реальном времени в течение такого короткого периода времени. С учетом указанного выше противоречия, в условиях мобильной связи простой и осуществляемый в реальном времени алгоритм интеллектуальной антенны не может решить не только проблему многолучевого распространения, но также не может удовлетворительно решить проблему пропускной способности системы мобильной связи CDMA.

С другой стороны, для решения проблемы помех многолучевого распространения интенсивно исследуются технологии, такие как приемник Rake и совместное обнаружение или обнаружение множества пользователей для их использования в системе мобильной связи множественного доступа с кодовым разделением каналов. Однако приемник Rake или технологии обнаружения множества пользователей, указанные выше, нельзя непосредственно использовать в системе мобильной связи с интеллектуальной антенной. Основными причинами этого являются: техника обнаружения множества пользователей обрабатывает сигнал CDMA множества кодовых каналов, после оценки каналов и фильтрации совпадений все данные пользователей вычисляются с помощью матрицы инверсии, однако в технологии интеллектуальной антенны, где необходимо по отдельности формировать луч для каждого кодового канала, трудно использовать преимущество разновременности, обеспечиваемое многолучевым распространением радиоволн от пользователей; в технологии приемника Rake создают главный многолучевой компонент пользователя, однако это разрушает фазовое соотношение между антенными модулями антенной решетки, кроме того, ограничение, накладываемое принципом работы приемника Rake, согласно которому число пользователей равно коэффициенту разнесения сигнала по спектру, делает невозможным работу в условиях всех кодовых каналов.

Имеется технология двумерной интеллектуальной антенны, однако она находится в стадии исследований и ее алгоритм является недоработанным и сложным.

Существует другой способ, в котором выполняют обработку обнаружения множества пользователей после использования интеллектуальной антенны; однако после разделения каждого кодового канала необходимо разделять обработку для каждого кодового канала; в результате не только нельзя использовать полностью функцию обнаружения множества пользователей, но и значительно усложняется обработка сигналов в основной полосе частот.

Сущность изобретения

Для обеспечения более высокой пропускной способности и более высоких характеристик системы мобильной связи CDMA необходимо найти более простой и выполняемый в реальном времени способ подавления помех, пригодный для использования в системе мобильной связи CDMA, основанный на интеллектуальной антенне.

Поэтому задачей изобретения является создание способа обработки основной полосы частот, основанного на интеллектуальной антенне и подавлении помех. За счет создания нового способа цифровой обработки сигналов система мобильной связи CDMA или другие беспроводные системы связи, использующие этот способ, могут использовать интеллектуальную антенну и одновременно решать проблему помех из-за многолучевого распространения волн.

Другой задачей изобретения является создание ряда новых способов цифровой обработки сигналов, которые можно использовать в системе мобильной связи CDMA или в другой беспроводной системе связи и которые позволяют решать различные проблемы помех из-за многолучевого распространения с одновременным использованием интеллектуальной антенны.

Способ обработки основной полосы частот, согласно изобретению, на основе интеллектуальной антенны и подавления помех, при этом антенный модуль, соответствующий фидер и когерентный радиочастотный приемопередатчик образуют линию связи, содержит этапы:

А) выполнение с помощью матрицы, которая относится к каждой последовательности обучения пользователей, оценки каналов для выходных сигналов дискретных данных с каждой линии связи соответственно, и затем получение отклика всех каналов; и дополнительно содержит этапы: В) вычисление распределения мощности распространения каждого канала в окне поиска, получение положения пиковой величины мощности каждого канала; осуществление настройки синхронизации для каналов, если все положения максимальной пиковой величины мощности указанных каналов не синхронизированы; и далее вычисление распределения полной мощности распространения каждого канала в окне поиска; С) определение положения текущей пиковой величины мощности в указанной полной мощности распространения и исключение из вычислений при последующих определениях положения максимальной пиковой величины мощности; D) с использованием алгоритма формирования луча интеллектуальной антенны и отклика каналов, полученного на этапе А, осуществление формирования луча для сигнала, полученного сжатием распределенного спектра и дескремблированием сигнала дискретных данных в положении текущей пиковой величины мощности с получением текущего демодулированного сигнала в положении текущей пиковой величины мощности, и последнего демодулированного сигнала к текущему демодулированному сигналу, и далее получение восстановленного сигнала; Е) определения необходимости подавления помех для восстановленного сигнала, и, в случае необходимости переход на этап F, в другом случае, осуществление вывода восстановленного сигнала и окончание обработки; F) осуществление реконструкции данных для восстановленного сигнала и вычисление компонентов принимаемого сигнала каждого антенного модуля; и G) вычитания компонентов принимаемого сигнала каждого антенного модуля из сигнала дискретных данных соответственно, и далее получение сигнала дискретных данных, смещенного к сигналу наиболее мощного в данный момент луча распространения, и далее возврат к выполнению этапа С.

Согласно изобретению матрица, которая относится к каждой последовательности обучения пользователя, вычисляется и сохраняется заранее.

Согласно изобретению этап С дополнительно содержит: сохранение положения максимальной пиковой величины мощности в памяти, обозначаемой power_point, и исключение из вычислений положения максимальной пиковой величины мощности содержит: установление значения мощности в положении максимальной пиковой величины мощности на ноль.

Согласно изобретению настройка синхронизации на этапе В содержит: передачу параметра настройки синхронизации в передающий модуль этого пользователя с наиболее мощным лучом распространения не в одной точке с другим пользователями и без синхронизации с базовой станцией.

Согласно изобретению определение на этапе Е осуществляется путем определения удовлетворения отношения сигнал/шум заданным условиям; этап D дополнительно содержит: одновременное вычисление отношения сигнал/шум для восстановленного сигнала. При этом определение удовлетворения отношения сигнал/шум заданным условиям содержит: вычисление мощности пользователя для восстановленного сигнала; определение мощности, больше определенной величины поля, в качестве эффективной мощности; вычисление разности квадратов для всех сигналов с эффективной мощностью в соответствующей точке совокупной карты; определение восстановленного сигнала с неудовлетворительным низким отношением сигнал/шум, если их разница квадратов больше заданной величины, и восстановленного сигнала с удовлетворительным высоким отношением сигнал/шум, если их разница квадратов меньше заданной величины.

Согласно изобретению определение на этапе Е осуществляется путем определения достижения количества циклов подавления заданного числа. При этом максимальное количество циклов подавления равно длине окна поиска.

Для изобретения существенно, что формирование луча каждого многолучевого распространения внутри длины окна поиска выполняют для каждого канала, полезные сигналы отбирают и аккумулируют; тем самым максимально используются преимущества разнесения в пространстве и разнесения во времени; таким образом, даже при сильных помехах многолучевого распространения и в условиях помех белого шума можно получать лучшие результаты. Объем вычислений в способе ограничен и может быть выполнен с помощью коммерческих микросхем, таких как процессор цифровой обработки сигналов (DSP) или вентильная матрица, программируемая пользователем (FPGA).

Способ, согласно изобретению, относится главным образом к беспроводным системам связи множественного доступа с кодовым разделением каналов, включая дуплексную связь с разделением по времени (TDD) и дуплексную связь с разделением по частоте (FDD).

Краткое описание чертежей

На чертежах изображено:

фиг.1 - структура базовой станции беспроводной связи с интеллектуальной антенной;

фиг.2 - блок-схема интеллектуальной антенны и способа подавления помех;

фиг.3 - графическая схема интеллектуальной антенны и способа подавления помех.

Варианты выполнения изобретения

Ниже приводится подробное описание изобретения с помощью вариантов выполнения и чертежей. Как показано на фиг.1, системами, относящимися к изобретению, являются мобильная система связи с интеллектуальной антенной и подавлением помех или беспроводная система связи, такая как беспроводная кольцевая системы связи для пользователей. На фиг.1 показана структура базовой станции системы. Она содержит в основном N идентичных антенных модулей 201А, 201В,..., 201i,..., 201N; N почти идентичных фидеров 202А, 202В,..., 202i,... 202N; N радиочастотных приемопередатчиков 203А, 203В,..., 203i,..., 203N и процессор 204 основной полосы частот. Все приемопередатчики 203 используют один и тот же осцилятор 208 для гарантии того, что каждый радиочастотный приемопередатчик работает когерентно. В каждом радиочастотном приемопередатчике имеется аналого-цифровой преобразователь (ADC) и цифроаналоговый преобразователь (DAC), так что все входные и выходные сигналы радиочастотного приемопередатчика 203 являются цифровыми сигналами; они соединены с процессором основной полосы частот с помощью высокоскоростной цифровой шины 209. На фиг.1 блок 100 является базовой станцией.

Изобретение относится только к подавлению помех принятого сигнала при обработке в основной полосе частот, показанной на фиг.1, без обсуждения обработки передаваемых сигналов. Использование интеллектуальной антенны и подавление помех выполняется в процессоре 204 основной полосы частот.

Предположим, что беспроводная система связи CDMA имеет К проектных каналов, система интеллектуальной антенны состоит из N антенных модулей, N фидеров и N радиочастотных приемопередатчиков, т.е. N линий связи. В каждой приемной линии связи после дискретизации с помощью аналого-цифрового преобразователя в радиочастотном приемопередатчике ее выходными цифровыми сигналами являются S ₁(n), S₂(n),..., S_i(n),..., S_N(n), где n означает n-ную микросхему. Если взять в качестве примера приемную линию связи i, то после дискретизации ее принятого сигнала с помощью аналого-цифрового преобразователя в радиочастотном приемопередатчике 203i его выходным цифровым сигналом является S_i(n), который является входным сигналом процессора 204 основной полосы частот. Процессор 204 основной полосы частот содержит модули 210А, 210В,..., 210i,... 210N оценки каналов, которые соответствуют N радиочастотным приемопередатчикам 203А, 203В,..., 203i,..., 203N соответственно, N линий связи, и модуль 211 подавления помех интеллектуальной антенны; выходные цифровые сигналы N линий связи S₁(n), S₂ (n),..., S₁(n),..., S_N(n) подаются в модуль 210А, 210В,..., 210i,..., 210N соответственно, а также они передаются в модуль 211 подавления помех интеллектуальной антенны; сигналы h₁, h₂,..., h₁,..., h₂ отклика каналов, которые соответствуют выходным сигналом модуля 210А, 210В,..., 210i,..., 210N соответственно, подаются в модуль 211 подавления помех интеллектуальной антенны; модуль 211 подавления помех интеллектуальной антенны выдает параметр S_s(K) синхронной настройки в передаточный модуль линии связи от центра и выдает результат S_ca+1,k (d) подавления помех в декодирующий модуль канала, где h₁=[h_i1 , h_i2,..., h_ik].

Когда S_i (n) попадает в модуль 210i оценки каналов с известной заранее последовательностью обучения (Пилот или Midamble), то выполняется оценка К каналов и получают импульсы h_ik откликов К каналов, где i обозначает антенный модуль i, a k обозначает канал k.

Специальная процедура обработки состоит в следующем. Предположим, что известной последовательностью обучения пользователя k является m_k, принятой из антенны i, последовательностью обучения является е_i, то справедлива формула (1)

где n является микросхемой n, w - длина окна поиска и n_oi - белый шум, принятый от антенны i. Формулу (1) можно записать в виде формулы (2)

тогда оценку канала можно выразить формулой (3)

где М является матрицей, которая соотносится только с последовательностью обучения каждого пользователя и может быть вычислена заранее; поскольку нет необходимости вычислять ее в реальном времени, то можно значительно увеличить скорость оценки каналов.

В соответствии с указанной выше процедурой можно вычислить отклики всех пользователей во всех каналах соответственно, подать результаты h_i,k на вход модуля 211 подавления помех интеллектуальной антенны; после дальнейшей обработки восстанавливаются сигналы всех пользователей.

На фиг.2 показан процесс подавления помех в модуле 211 подавления помех интеллектуальной антенны. Сначала отклик h_i,k канала, вычисленный с помощью модуля 210i оценки канала, подается в модуль 220 оценки мощности для оценки мощности; вычисляют распределение мощности главного и многолучевого распространения К пользователей (с К каналами) в окне поиска с помощью формулы (4)

Затем вычисляют точку максимальной пиковой мощности каждого пользователя; если наиболее мощный луч пользователя не находится в той же точке, что и наиболее мощный луч других пользователей, то это означает, что пользователь не синхронизуется с базовой станцией; базовая станция информирует пользователя в канале линии связи от центра выполнить настройку для поддержания синхронизации с другими пользователями; параметром настройки является указанный выше S_s(K).

И затем вычисляют распределение полной мощности главного и многолучевого распространения пользователя k в окне поиска в соответствии с формулой (5)

где m является точкой в окне поиска, мощность_abs подается в генератор 221 сигналов для генерирования сигнала; в то же время сигналы, переданные в генератор 221 сигналов, также имеют сигнал h₁, h₂,..., h_i,..., h_N (вектор) отклика каналов, выданный каждым модулем 201А, 201В,..., 201i,..., 201N соответственно, и выходные цифровые сигналы S ₁(n), S₂(n),..., S_i(n),..., S _N(n) N линий связи.

В генераторе 221 сигналов сначала вычисляется положение точки пиковой величины в мощность_abs и сохраняется в мощность_точка; в то же время устанавливают мощность_abs (мощность_точка) = 0, что необходимо для вычисления этой точки при выполнении следующего подавления помех; затем результат сжатия распределенного спектра всех сигналов в этой точке получают с помощью алгоритма интеллектуальной антенны в мощность_точка в соответствии с формулой (6)

где C_q,k является кодом распределенного спектра пользователя k, pn_code(l) является кодом скремблирования, S _ca,k(d) является результатом подавления помех последнего времени, при этом начальное значение S_0,k(d)=0 и выходной сигнал S_ca+1,k(d) является символическим уровнем. Очевидно, что поскольку пользователи не полностью синхронизованы и в системе имеются помехи от многолучевого распространения и белый шум, то S_ca+1,k(d) является сначала грубым результатом.

S_ca+1,k(d) подают в модуль 224 оценки отношения сигнал/шум и в модуль 222 реконструкции сигналов. Задачей модуля 224 оценки отношения сигнал/шум является оценка отношения сигнал/шум каждого пользователя; сигнал, созданный генератором 221 сигналов, является дескремблированным, сжатым из состояния расширенного спектра и демодулированным сигналом; в настоящее время имеется множество способов оценки отношения сигнал/шум каждого пользователя, один из них заключается в следующем: для пользователя k вычисляют сначала его мощность по формуле (7)

Если мощность больше, чем определенная величина поля, то она принимается за эффективную мощность; для всех сигналов с эффективной мощностью вычисляют разницу их квадратов в соответствующей точке совокупной карты; если разница квадратов больше заданной величины, то отношение сигнал/шум этого пользователя относительно мало и его S_ca+1,k(d) является не достоверным, так что необходимо подавление помех; и наоборот, если разница квадратов меньше заданной величины, то отношение сигнал/шум этого пользователя является относительно большим и значение его S_ca+1,k (d) является достоверным, так что нет необходимости в подавлении помех. Целью использования модуля отношения сигнал/шум является упрощение вычисления подавления помех, поскольку нет необходимости в подавлении помех для достоверных сигналов.

Модуль 222 реконструкции сигналов использует S_ca+1,k(d) для реконструкции исходного сигнала, что выполняется на уровне микросхемы с помощью формулы (8)

Затем вычисляют компоненты К пользователей на N антеннах с помощью формулы

Результаты реконструкции N антенн подают в модуль 223 подавления помех для подавления помех по формуле (10)

На фиг.2 используется функция модуля 225 принятия решения для определения, когда необходимо остановить подавление помех на основе двух условий принятия решения: (1) отношение сигнал/шум всех сигналов больше заданной величины поля, (2) число циклов подавления помех достигло заданного числа, которое меньше или равно длине окна поиска, и внутри этого диапазона число циклов определяется производительностью обработки процессора обработки цифровых сигналов, микросхемой вентильной матрицы, программируемой пользователем (FPGA) и т.д. Если удовлетворяется одно из условий, то процедура обработки способа подавления помех интеллектуальной антенны заканчивается и выдается восстановленный сигнал S _ca+1,k(d).

На фиг.3 показаны в качестве примера 8 антенн (N=8) для пояснения процедуры обработки способа подавления помех для интеллектуальной антенны.

На стадии 301 вычисляют оценочную мощность каналов с помощью модуля 220 оценки мощности; на стадиях 303 и 304 выполняют поиск максимального значения мощности с помощью модуля 221 генератора сигналов, вычисляют разницу и устанавливают величину на 0, сжимают распределенный спектр в точке образования разницы и выполняют формирование луча, затем направляют результат в одно и то же время в модуль 225 определения отношения сигнал/шум и в модуль 222 реконструкции сигналов (через модуль 225 принятия решения); на стадии 302 передают величину S_s(k) настройки синхронизации; на стадии 308 реконструируют сигнал и вычисляют его компоненты на этих 8 антеннах; на стадии 309 вычитают компоненты реконструированных данных на 8 антеннах из принятых данных, сохраняют результат в принятых данных, затем повторно выполняют стадии 303 - 309. Когда на стадии 305 будет с помощью модуля 224 определения отношения сигнал/шум установлено, что величина отношения сигнал/шум, и на стадии 306 с помощью модуля 225 принятия решения будет установлено, что число циклов или отношение сигнал/шум всех пользователей удовлетворяют заданным условиям, то подавление помех заканчивают и на стадии 307 выдают восстановленный сигнал.

Изобретение главным образом относится к беспроводной системе связи CDMA, включая беспроводную систему связи CDMA дуплексной связи с разделением во времени (TDD) и дуплексной связи с разделением по частоте (FDD). Любой инженер, который работает в области разработки беспроводной системы связи, знает принципы работы интеллектуальной антенны и обработки цифровых сигналов, может использовать способ, согласно изобретению, для создания высококачественной системы с интеллектуальной антенной, которую можно с большим успехом использовать в различных системах мобильной связи или в беспроводной системе кольцевой связи пользователей.