Способ формирования диаграммы направленности адаптивной антенной решетки базовой станции и устройство для его реализации (варианты) - RU2237379C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к способам приема и передачи радиосигнала с применением адаптивной антенной решетки в системах связи с кодовым разделением каналов и может использоваться в приемных устройствах базовых станций систем сотовой связи, которые формируют для каждого мобильного абонента диаграмму направленности как в обратном, так и в прямом каналах.

Применение адаптивной антенной решетки, известной в специальной литературе как "умная антенна", на базовых станциях системы сотовой связи с кодовым разделением каналов позволяет существенно улучшить качество связи, увеличить емкость системы связи и зону обслуживания каждой базовой станции. В связи с этим все стандарты систем связи 3-го поколения предусматривают использование адаптивной антенной решетки на базовых станциях.

Известны следующие основные подходы к формировании диаграммы направленности умной антенны в прямом канале.

В первом подходе вектор весовых коэффициентов элементов антенной решетки, полученный при приеме сигнала в обратном канале, используется при передаче сигнала в прямом канале. Этот подход описан в книге Joseph С. Liberti, Theodore S. Rappaport, "Smart Antennas for Wireless Communication, Prenice HallPTR", 1999 [1], в патентах США №№6031877 - "Apparatus and Method for Adaptive Beam Forming in an Antenna Array". Feb. 29, 2000 [2]; 6122260 - "Smart Antenna CDMA Wireless Communication System", Sep. 19. 2000 [3]. Рассматриваемый подход эффективен для систем связи с временным дуплексом (TDD). В этих системах прямой и обратный каналы разделены во времени и совпадают по частоте несущей. Поэтому направление распространения сигнала от мобильной станции к базовой, которое определяется по сигналу мобильной станции, совпадает с направлением распространения сигнала от базовой станции к мобильной. Однако для систем радиосвязи множественного доступа с кодовым разделением каналов с частотным дуплексом (FDD CDMA) применимость этого метода сомнительна, поскольку изменение несущей частоты может приводить к существенно различному характеру многолучевости в прямом и обратном каналах.

Во втором подходе на мобильной станции по обучающему сигналу формируется оценка параметров прямого канала, которая передается по обратному каналу на базовую станцию. По этой оценке на базовой станции выполняется настройка (коррекция) весовых коэффициентов умной антенны в прямом канале. Такой подход описан в статье Ayman F. Naguib, Arogyaswami Paulrai, Thomas Kalath "Capacity Improvement with Base-Station Antenna Arrays in Cellular CDMA", IEEE Trans. Veh. Technol, vol.43, № 3, pp.691-698, August 1994 [4]; в патенте США №5828658, Bjorn E. Ottersten, Craig H. Barratt, David M. Parish, Richard H. Roy, "Spectrally Efficient Higt Capacity Wireless Communication Systems with Spatio-Temporal Processing, Okt. 27, 1998 [5].

Недостатками этого подхода являются, во-первых, значительный объем данных, передаваемых по обратному каналу для обеспечения обратной связи, и, во-вторых, значительная инерционность обратной связи. Кроме того, использование обратной связи невозможно для некоторых стандартов сотовой связи, в том числе для 3GPP2 (S0002-A Physical Layer Standard for CDMA 2000 Spread Spectrum Systems, July, 2001) [6].

В третьем подходе определяется направление прихода наиболее сильной компоненты многолучевого сигнала мобильного пользователя [1]. Это направление рассматривается как основное направление распространения сигнала от базовой станции к мобильной. Комплексные коэффициенты элементов антенной решетки прямого канала выбираются таким образом, чтобы главный лепесток диаграммы направленности прямого канала был ориентирован в этом направлении. Ширина главного лепестка может определяться по угловому сектору сигнала.

Если оценке направления прихода сигнала посвящено большое число публикаций, то работы по оценке углового сектора практически отсутствуют. Одним из возможных подходов является косвенный метод, предложенный в патенте США №6108565, Shimon B. Scherzer, "Practical Space-Time Radio Method for CDMA Communication Capacity Enhancement", Aug. 22, 2000 [7]. В этом способе пространственно-временной обработки сигнала в прямом канале используют набор фиксированных диаграмм направленности и переход от одной диаграммы к другой. Ширина лепестка диаграммы направленности зависит от расстояния мобильных абонентов (станций) до базовой станции. Если мобильные станции находятся на близком расстоянии от базовой станции, то соответствующий им лепесток диаграммы направленности расширяется. Когда мобильные станции находятся на значительном расстоянии от базовой станции, то соответствующий им лепесток сужается.

Этот способ [7] является наиболее близким к предлагаемому решению в части формирования диаграммы направленности адаптивной антенной решетки.

Сущность способа [7] заключается в следующем.

Для каждого луча производят формирование весовых коэффициентов элементов антенной решетки, для чего периодически производят следующие операции

- демодулируют входной сигнал на элементах антенной решетки,

- производят быстрое преобразование Адамара демодулированного входного сигнала на элементах антенной решетки, формируя матрицу входного сигнала,

- выполняют перемножение матрицы входного сигнала на матрицу опорных сигналов,

- находят оценку угла прихода входного сигнала луча, анализируя результат перемножения матрицы входного сигнала на матрицу опорных сигналов,

- определяют текущее значение вектора весовых коэффициентов как вектор, соответствующий оценке угла прихода входного сигнала луча.

Текущие значения векторов весовых коэффициентов лучей являются выходными и определяют диаграмму направленности адаптивной антенной решетки.

Матрица опорных сигналов определяется сигналами, соответствующими заранее заданным дискретным гипотезам об угле прихода входного сигнала.

Оценка угла прихода входного сигнала θ определяет вектор весовых коэффициентов в соответствии с выражением

где

λ - длина волны, d - расстояние между элементами антенной решетки, N - число элементов антенной решетки.

Для реализации способа [7] используется устройство, состоящее из L блоков обработки сигнала луча, один из которых представлен на фиг.1, где обозначено:

1 - генератор опорного сигнала,

2.1-2.N - корреляторы,

3.1-2.N - блоки быстрого преобразования Адамара,

4 - блок перемножения матриц и анализа результатов перемножения,

5 - блок формирования вектора весовых коэффициентов антенной решетки в обратном канале,

6 - блок формирования вектора весовых коэффициентов антенной решетки в прямом канале.

Согласно описанию [7] устройство-прототип содержит L блоков обработки сигнала луча. Каждый из L блоков обработки сигнала луча (фиг.1) содержит N параллельных каналов, состоящих из последовательно соединенных корреляторов 2 и блоков быстрого преобразования Адамара 3, а также содержит генератор опорного сигнала 1, блок перемножения матриц и анализа результата перемножения 4, блок формирования вектора весовых коэффициентов антенной решетки в обратном канале 5 и блок формирования вектора весовых коэффициентов антенной решетки в прямом канале 6. Первые входы корреляторов 2.1-2.N являются сигнальными, а также входами устройства, вторые входы являются опорными и соединены с выходом генератора опорного сигнала 1. Выход каждого блока быстрого преобразования Адамара 3.1-3.N соединен с соответствующим входом блока перемножения матриц и анализа результата перемножения 4, выход которого соединен с входом блока формирования вектора весовых коэффициентов антенной решетки в обратном канале 5. Первый выход блока формирования вектора весовых коэффициентов антенной решетки в обратном канале 5 является выходом текущего вектора весовых коэффициентов обратного канала и первым выходом блока обработки сигнала луча устройства. Второй выход блока формирования вектора весовых коэффициентов антенной решетки в обратном канале 5 соединен с входом блока формирования вектора весовых коэффициентов антенной решетки в прямом канале 6. Выход блока формирования вектора весовых коэффициентов антенной решетки в прямом канале 6 является выходом текущего вектора весовых коэффициентов прямого канала и вторым выходом блока обработки сигнала луча устройства.

Работает устройство-прототип [7] следующим образом.

Согласно описанию прототипа [7] в каждом из L блоков обработки сигнала луча комплексный входной сигнал поступает на первые (сигнальные) входы корреляторов 2.1-2.N. На вторые (опорные) входы корреляторов 2.1-2.N с выхода генератора опорного сигнала 1 поступает опорная псевдослучайная последовательность ПСП. Состояние генератора опорного сигнала 1 соответствует значению временного положения сигнала луча в принимаемом многолучевом сигнале. Комплексные демодулированные сигналы с выходов корреляторов 2.1-2.N поступают на входы соответствующих блоков быстрого преобразования Адамара 3.1-3.N, где происходит разложение входного сигнала в базисе функций Адамара. Спектры входных сигналов с выходов блоков быстрого преобразования Адамара 3.1-3.N поступают на N входов блока перемножения матриц и анализа результата перемножения 4. В блоке 4 выполняется перемножение матрицы входного сигнала на матрицу опорных сигналов. Матрица входного сигнала формируется по спектрам входных сигналов. Матрица опорных сигналов определяется сигналами, соответствующими заранее заданным дискретным гипотезам о угле прихода входного сигнала луча. Кроме того, в блоке перемножения матриц и анализа результата перемножения 4 анализируется результат перемножения матрицы входного сигнала на матрицу опорных сигналов и находится оценка угла прихода входного сигнала луча. Оценка угла прихода входного сигнала луча с выхода блока перемножения матриц и анализа результата перемножения 4 поступает на вход блока формирования вектора весовых коэффициентов в обратном канале 5. Блок формирования вектора весовых коэффициентов в обратном канале 5 по оценке угла прихода входного сигнала луча формирует на своем первом выходе текущий вектор весовых коэффициентов луча обратного канала, который является первым выходным сигналом устройства.

Оценка угла прихода входного сигнала луча с выхода блока формирования вектора весовых коэффициентов в обратном канале 5 поступает на вход блока формирования вектора весовых коэффициентов в прямом канале 6. Блок формирования вектора весовых коэффициентов в прямом канале 6 по оценке угла прихода входного сигнала луча формирует на своем выходе текущий вектор весовых коэффициентов в прямом канале, который является вторым выходным сигналом устройства.

Ширина лепестка диаграммы направленности в прямом канале зависит от расстояния мобильных пользователей до базовой станции. Если мобильные станции находятся на близком расстоянии от базовой станции, то соответствующий им лепесток расширяется. Когда мобильные станции находятся на значительном расстоянии от базовой станции, то соответствующий им лепесток сужается.

Данный подход требует информации о расстоянии до мобильных станций и в силу косвенного характера оценки углового сектора не может иметь достаточную точность.

К недостаткам способа [7] относится также то, что при воздействии мощных помех от других пользователей (высокоскоростных пользователей - пользователей с высокой скоростью передачи данных) полезный сигнал оказывается подавленным помехой, и вынести верное решение о направлении прихода и об угловой области полезною сигнала не представляется возможным.

Заявляемое техническое решение направлено на повышение эффективности подавления помех, обеспечение возможности работы в сложной помехово-сигнальной обстановке в присутствии мощных помех при произвольных (в том числе и больших) значениях углового сектора полезного сигнала и помех.

Для достижения такого результата предлагается два варианта способа формирования диаграммы направленности адаптивной антенной решетки в прямом канале и устройства для реализации этих способов.

В первый вариант способа формирования диаграммы направленности прямого канала адаптивной антенной решетки базовой станции, при котором общий пилот-сигнал передают с одного из элементов антенной решетки, а информационный сигнал каждому абоненту со всех элементов антенной решетки, заключающийся в том, что при приеме сигнала абонента формируют комплексные корреляционные отклики пилот-сигнала элементов антенной решетки, формируют комплексные весовые коэффициенты элементов адаптивной антенной решетки в обратном канале, для каждого из L различных направлений исследуемой угловой области формируют решающую функцию, определяют направление максимума решающей функции, формируют оценку среднего угла прихода сигнала, с учетом геометрии антенной решетки определяют фазовые коэффициенты элементов антенной решетки, используя сформированную оценку среднего угла прихода сигнала,

дополнительно введены следующие операции: перед формированием комплексных корреляционных откликов пилот-сигнала элементов антенной решетки для каждого абонента

- осуществляют поиск сигнала абонента, находя временные положения сигналов лучей,

- выбирают луч, сигнал которого максимален по мощности,

- формируют последовательность оценок угла прихода сигнала, при этом для формирования каждой оценки угла прихода сигнала после формирования комплексных корреляционных откликов пилот-сигнала элементов антенной решетки,

- для каждого из L различных направлений исследуемой угловой области формируют комплексные корреляционные отклики пилот-сигнала на выходе антенной решетки, суммируя произведения комплексных корреляционных откликов пилот-сигнала элементов антенной решетки на соответствующие им комплексные коэффициенты каждого направления,

- формируют модули комплексных корреляционных откликов пилот-сигнала на выходе антенной решетки для L различных направлений и определяют максимальный из них,

- формируют нормированные модули комплексных корреляционных откликов пилот-сигнала на выходе антенной решетки для L различных направлений, находя отношения модулей комплексных корреляционных откликов пилот-сигнала на выходе антенной решетки для L различных направлений к максимальному модулю,

после формирования комплексных весовых коэффициентов антенной решетки в обратном канале

- для каждого из L различных направлений исследуемой угловой области формируют значения диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале,

- определяют максимальное из сформированных значений диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале,

- формируют нормированные значения диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале для L различных направлений, находя отношения значений диаграммы направленности к максимальному значению,

- решающую функцию для каждого из L различных направлений исследуемой угловой области формируют, осуществляя взвешенное суммирование нормированного модуля комплексного корреляционного отклика пилот-сигнала на выходе антенной решетки и нормированного значения диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале,

- при определении направления максимума решающей функции получают оценку угла прихода сигнала как направление максимума решающей функции,

- последовательность сформированных оценок угла прихода сигнала группируют в блоки, каждый из которых содержит М оценок угла прихода сигнала,

- формируют последовательность векторов распределения оценок угла прихода сигнала блоков, при этом для каждого блока по М сформированным оценкам угла прихода сигнала блока формируют вектор распределения оценок угла прихода сигнала блока длиной L, каждый элемент которого соответствует одному из L направлений исследуемой угловой области и равен количеству оценок угла прихода сигнала данного направления,

- из последовательности векторов распределения оценок угла прихода сигнала блоков формируют последовательность усредненных векторов распределения оценок угла прихода сигнала, используя скользящее окно,

- для каждого усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала

- определяют оценки нижней и верхней границ угловой области сигнала,

- оценку среднего угла прихода формируют по полученным оценкам нижней и верхней границ угловой области сигнала,

после определения фазовых коэффициентов элементов антенной решетки

- формируют корреляционную матрицу сигналов элементов антенной решетки по найденным оценкам нижней и верхней границ угловой области сигнала,

-выполняют преобразование Холецкого сформированной корреляционной матрицы, получая нижнюю треугольную матрицу,

- определяют отношение амплитудных коэффициентов элементов антенной решетки к амплитудному коэффициенту элемента антенной решетки, с которого передают пилот-сигнал, используя полученную нижнюю треугольную матрицу и фазовые коэффициенты элементов антенной решетки,

- по найденному отношению с учетом числа элементов антенной решетки определяют нормировочный коэффициент,

- определяют амплитудные коэффициенты элементов антенной решетки, умножая нормировочный коэффициент на отношение амплитудных коэффициентов элементов антенной решетки к амплитудному коэффициенту элемента антенной решетки, с которого передают пилот-сигнал,

сформированные амплитудные и фазовые коэффициенты элементов антенной решетки используют для передачи информационного сигнала абоненту.

Оценку нижней и верхней границ угловой области сигнала производят, например, следующим образом:

- определяют максимальный элемент усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала,

- определяют нижний и верхний элементы как границы группы элементов усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала, при этом эта группа элементов включает максимальный элемент усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала, и элементы группы превышают порог, однако, по каждую сторону от максимального элемента допустимы одиночные непревышения порога, а также одно групповое непревышение порога из двух или трех рядом расположенных элементов,

- определяют сумму элементов усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала, расположенных ниже нижнего элемента, и сумму элементов усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала, расположенных выше верхнего элемента,

- формируют корректирующую поправку для нижнего элемента, зависящую от суммы элементов усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала, расположенных ниже нижнего элемента, и корректирующую поправку для верхнего элемента, зависящую от суммы элементов усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала, расположенных выше верхнего элемента,

- определяют поправочную величину для нижнего и верхнего элементов, зависящую от положения максимального элемента усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала,

- определяют оценку нижней границы угловой области сигнала как разность угловой координаты, соответствующей нижнему элементу, и суммы корректирующей поправки для нижнего элемента и поправочной величины,

- определяют оценку верхней границы угловой области сигнала как сумму угловой координаты, соответствующей верхнему элементу, корректирующей поправки для верхнего элемента и поправочной величины.

Оценка среднего угла прихода сигнала обычно формируется как полусумма оценок нижней и верхней границ угловой области сигнала.

Отношения амплитудных коэффициентов элементов антенной решетки к амплитудному коэффициенту элемента антенной решетки, с которого передают пилот-сигнал, могут быть равны между собой, и это отношение определяют как максимальную величину из интервала от 0 до 1, для которой отношение средних мощностей статистически некогерентного и статистически когерентного слагаемых модели информационного сигнала, полученного абонентом, не превышает заданную величину.

Во второй вариант способа формирования диаграммы направленности прямого канала адаптивной антенной решетки базовой станции, заключающийся в том, что при приеме сигнала абонента формируют комплексные корреляционные отклики пилот-сигнала элементов антенной решетки, формируют комплексные весовые коэффициенты элементов адаптивной антенной решетки в обратном канале, для каждого из L различных направлений исследуемой угловой области формируют решающую функцию, определяют направление максимума решающей функции, формируя оценку среднего угла прихода сигнала, с учетом геометрии антенной решетки определяют фазовые коэффициенты элементов антенной решетки, используя сформированную оценку среднего угла прихода сигнала,

дополнительно введены следующие операции: перед формированием комплексных корреляционных откликов пилот-сигнала элементов антенной решетки для каждого абонента,

- осуществляют поиск сигнала абонента, находя временные положения сигналов лучей,

- выбирают луч, сигнал которого максимален по мощности,

- оценку среднего угла прихода сигнала абонента формируют периодически, для чего после формирования комплексных корреляционных откликов пилот-сигнала элементов антенной решетки в обратном канале

- для каждого из L различных направлений исследуемой угловой области формируют комплексные корреляционные отклики пилот-сигнала на выходе антенной решетки, суммируя произведения комплексных корреляционных откликов пилот-сигнала элементов антенной решетки на соответствующие им комплексные коэффициенты каждого направления,

- формируют модули комплексных корреляционных откликов пилот-сигнала на выходе антенной решетки для L различных направлений,

- формируют суммарный корреляционный отклик пилот-сигнала на выходе антенной решетки, суммируя модули комплексных корреляционных откликов пилот-сигнала на выходе антенной решетки для L различных направлений, и определяют максимальный из них,

- формируют нормированные суммарные корреляционные отклики пилот-сигнала на выходе антенной решетки для L различных направлений, находя отношения суммарных корреляционных откликов пилот-сигнала на выходе антенной решетки для L различных направлений к максимальному суммарному корреляционному отклику,

после формирования комплексных весовых коэффициентов элементов антенной решетки в обратном канале

- для каждого из L различных направлений исследуемой угловой области формируют значения диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале,

- определяют максимальное из сформированных значений диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале,

- формируют нормированные значения диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале для L различных направлений, находя отношения значений диаграммы направленности к максимальному значению,

- решающую функцию для каждого из L различных направлений исследуемой угловой области формируют, осуществляя взвешенное суммирование нормированного суммарного корреляционного отклика пилот-сигнала на выходе антенной решетки и нормированного значения диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале,

после формирования среднего угла прихода сигнала и фазовых коэффициентов элементов антенной решетки

- устанавливают амплитудные коэффициенты элементов антенной решетки равными между собой, амплитудные и фазовые коэффициенты элементов антенной решетки используют для передачи сигнала абоненту.

При суммировании модулей комплексных корреляционных откликов пилот-сигнала на выходе антенной решетки для L различных направлений число слагаемых устанавливают постоянным либо выбирают адаптивно в зависимости от оценки частоты замираний сигнала.

Для решения поставленной задачи в первый вариант устройства формирования диаграммы направленности адаптивной антенной решетки базовой станции, содержащее N корреляторов, генератор опорного сигнала, блок оценки угла прихода сигнала, блок формирования вектора весовых коэффициентов антенной решетки в обратном канале и блок формирования вектора весовых коэффициентов антенной решетки в прямом канале, причем первые входы корреляторов являются сигнальными и соединены с входами устройства, вторые входы корреляторов являются опорными и соединены с опорным выходом генератора опорного сигнала,

дополнительно введены:

L блоков расчета решающей функции для различных направлений, каждый из которых содержит N-1 перемножителей, первый сумматор, блок вычисления модуля, блок комплексных коэффициентов направления и блок расчета дискретных значений диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале, а также введены блок поиска, блок управления, первый и второй блоки нормировки, второй сумматор, блок масштабирования, блок формирования вектора распределения оценок угла прихода сигнала, блок формирования усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала, блок анализа усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала, причем первый вход блока поиска соединен с первым входом устройства, второй вход блока поиска является управляемым и соединен с выходом блока управления, выход блока поиска является выходом решающей функции поиска и соединен с входом блока управления, вход генератора опорного сигнала является управляемым и соединен с выходом блока управления, обеспечивающего синхронную работу блоков устройства, первые входы N-1 перемножителей и первый вход первого сумматора являются первыми входами блока расчета решающей функции направления и соединены с выходами соответствующих им корреляторов, формирующих на этих выходах корреляционные отклики пилот-сигнала элементов антенной решетки, выходы перемножителей соединены с входами первого сумматора, начиная со второго по N, выход первого сумматора является выходом комплексного корреляционного отклика пилот-сигнала данного направления на выходе антенной решетки и соединен с входом блока вычисления модуля, выход которого является выходом модуля комплексного корреляционного отклика пилот-сигнала данного направления на выходе антенной решетки и первым выходом каждого блока расчета решающей функции направления и соединен с соответствующим входом первого блока нормировки, первый вход блока расчета дискретных значений диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале является вторым входом каждого блока расчета решающей функции направления и соединен с выходом блока формирования вектора весовых коэффициентов антенной решетки в обратном канале, формирующем на выходе весовые коэффициенты элементов антенной решетки в обратном канале, сигнальные входы блока формирования вектора весовых коэффициентов антенной решетки в обратном канале соединены с входами устройства, второй вход блока расчета дискретных значений диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале и вторые входы N-1 перемножителей объединены и соединены с выходом блока комплексных коэффициентов направления, который является выходом комплексных коэффициентов данного направления, выход блока расчета дискретных значений диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале, который является вторым выходом блока расчета решающей функции направления и выходом значения диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале данного направления, соединен с соответствующим входом второго блока нормировки, выход первого блока нормировки, который является выходом нормированных модулей комплексных корреляционных откликов пилот-сигнала на выходе антенной решетки всех L направлений, соединен с первым входом второго сумматора, выход второго блока нормировки является выходом нормированных значений диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале всех L направлений и соединен с входом блока масштабирования, выход блока масштабирования является выходом взвешенных нормированных значений диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале для L направлений и соединен со вторым входом второго сумматора, выход второго сумматора является выходом значений решающей функции для L направлений и соединен с входом блока оценки угла прихода сигнала, выход которого является выходом оценки среднего угла прихода сигнала и соединен с входом блока формирования вектора распределения оценок угла прихода сигнала, формирующем на выходе последовательность векторов распределения оценок угла прихода сигнала, выход блока формирования вектора распределения оценок угла прихода сигнала соединен с первым входом блока формирования усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала, второй вход которого является управляемым и соединен с выходом блока управления, выход блока формирования усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала является выходом последовательности усредненных векторов распределения оценок угла прихода сигнала и соединен с входом блока анализа вектора распределения оценок угла прихода сигнала, формирующем на своих выходах оценки верхней и нижней границы угловой области сигнала, выходы блока анализа вектора распределения оценок угла прихода сигнала соединены с соответствующими входами блока формирования вектора весовых коэффициентов антенной решетки в прямом канале, выходы блока формирования вектора весовых коэффициентов антенной решетки в прямом канале являются выходами амплитудных и фазовых коэффициентов элементов антенной решетки.

Для решения поставленной задачи во второй вариант устройства формирования диаграммы направленности адаптивной антенной решетки базовой станции, содержащее N корреляторов, генератор опорного сигнала, блок оценки угла прихода сигнала, блок формирования вектора весовых коэффициентов антенной решетки в обратном канале и блок формирования вектора весовых коэффициентов антенной решетки в прямом канале, причем первые входы корреляторов являются сигнальными и соединены с входами устройства, вторые входы корреляторов являются опорными и соединены с опорным выходом генератора опорного сигнала,

дополнительно введены:

L блоков расчета решающей функции для различных направлений, каждый из которых содержит N-1 перемножителей, первый сумматор, блок вычисления модуля, сумматор со сбросом, блок комплексных коэффициентов направления и блок расчета дискретных значений диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале, а также введены блок поиска, блок управления, первый и второй блоки нормировки, второй сумматор, блок масштабирования, причем первый вход блока поиска соединен с первым входом устройства, второй вход блока поиска является управляемым и соединен с выходом блока управления, выход блока поиска является выходом решающей функции поиска и соединен с входом блока управления, вход генератора опорного сигнала является управляемым и соединен с выходом блока управления, обеспечивающего синхронную работу блоков устройства, первые входы N-1 перемножителей и первый вход первого сумматора являются первыми входами блока расчета решающей функции направления и соединены с выходами соответствующих им корреляторов, формирующих на этих выходах корреляционные отклики пилот-сигнала элементов антенной решетки, выходы перемножителей соединены с входами первого сумматора, начиная со второго по N, выход первого сумматора является выходом комплексного корреляционного отклика пилот-сигнала данного направления на выходе антенной решетки и соединен с входом блока вычисления модуля, выход которого является выходом модуля комплексного корреляционного отклика пилот-сигнала данного направления на выходе антенной решетки и соединен с первым входом сумматора со сбросом, второй вход которого является входом сигнала сброса и соединен с выходом блока управления, выход сумматора со сбросом является выходом суммарного корреляционного отклика пилот-сигнала данного направления на выходе антенной решетки и первым выходом каждого блока расчета решающей функции направления и соединен с соответствующим входом первого блока нормировки, первый вход блока расчета дискретных значений диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале является вторым входом каждого блока расчета решающей функции направления и соединен с выходом блока формирования вектора весовых коэффициентов антенной решетки в обратном канале, формирующем на выходе весовые коэффициенты элементов антенной решетки в обратном канале, сигнальные входы блока формирования вектора весовых коэффициентов антенной решетки в обратном канале соединены с входами устройства, второй вход блока расчета дискретных значений диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале и вторые входы N-1 перемножителей объединены и соединены с выходом блока комплексных коэффициентов направления, который является выходом комплексных коэффициентов данного направления, выход блока расчета дискретных значений диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале, который является вторым выходом блока расчета решающей функции направления и выходом значения диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале данного направления, соединен с соответствующим входом второго блока нормировки, выход первого блока нормировки, который является выходом нормированных суммарных модулей комплексных корреляционных откликов пилот-сигнала на выходе антенной решетки всех L направлений, соединен с первым входом второго сумматора, выход второго блока нормировки является выходом нормированных значений диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале всех L направлений и соединен с входом блока масштабирования, выход блока масштабирования является выходом взвешенных нормированных значений диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале для L направлений и соединен со вторым входом второго сумматора, выход второго сумматора является выходом значений решающей функции для L направлений и соединен с входом блока оценки угла прихода сигнала, выход которого является выходом оценки среднего угла прихода сигнала и соединен с входом блока формирования вектора весовых коэффициентов антенной решетки в прямом канале, выходы блока формирования вектора весовых коэффициентов антенной решетки в прямом канале являются выходами амплитудных и фазовых коэффициентов элементов антенной решетки.

Графические материалы, представленные в материалах заявки:

Фиг.1 - блок-схема устройства прототипа [7].

Фиг.2 - иллюстрация формирования диаграммы направленности антенной решетки в прямом канале.

Фиг.3 - пример использования скользящего окна для получения усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала.

Фиг.4 - пример определения нижнего и верхнего элемента.

Фиг.5 - пример сильного завышения нижнего элемента под воздействием мощных помех.

Фиг.6 - пример порядка нумерации элементов антенной решетки.

Фиг.7 - блок-схема первого варианта предлагаемого устройства.

Фиг.8 - вариант выполнения блока формирования вектора распределения оценок угла прихода сигнала.

Фиг.9 - вариант выполнения блока формирования усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала.

Фиг.10 - вариант выполнения блока анализа вектора распределения оценок угла прихода сигнала.

Фиг.11 - вариант выполнения блока формирования вектора весовых коэффициентов антенной решетки прямого канала.

Фиг.12 - алгоритм работы узла формирования отношений амплитудных коэффициентов элементов антенной решетки.

Фиг.13 - блок-схема второго варианта предлагаемого устройства.

Фиг.14 - диаграмма направленности прямого канала,

μ=0.13.

Фиг.15 - диаграмма направленности прямого канала

μ=0.49.

Фиг.16 - диаграмма направленности прямого канала

μ=0.14.

Предлагаемый первый вариант способа формирования диаграммы направленности адаптивной антенной решетки базовой станции, при котором общий пилот-сигнал передают с одного из элементов антенной решетки, а информационный сигнал каждому абоненту со всех элементов антенной решетки, заключается в следующем:

для каждого абонента

- осуществляют поиск сигнала абонента, находя временные положения сигналов лучей;

- выбирают луч, сигнал которого максимален по мощности;

- формируют последовательность оценок угла прихода сигнала, причем для формирования каждой оценки угла прихода сигнала

- формируют комплексные корреляционные отклики пилот-сигнала элементов антенной решетки;

- для каждого из L различных направлений

исследуемой угловой области формируют комплексные корреляционные отклики пилот-сигнала на выходе антенной решетки, суммируя произведения комплексных корреляционных откликов пилот-сигнала элементов антенной решетки на соответствующие им комплексные коэффициенты каждого направления;

- формируют модули комплексных корреляционных откликов пилот-сигнала на выходе антенной решетки для L различных направлений и определяют максимальный из них;

- формируют нормированные модули комплексных корреляционных откликов пилот-сигнала на выходе антенной решетки для L различных направлений, находя отношения модулей комплексных корреляционных откликов пилот-сигнала на выходе антенной решетки для L различных направлений к максимальному модулю;

- формируют комплексные весовые коэффициенты элементов адаптивной антенной решетки в обратном канале при приеме сигнала абонента;

- для каждого из L различных направлений

исследуемой угловой области формируют значения диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале;

- определяют максимальное из сформированных значений диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале;

- формируют нормированные значения диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале для L различных направлений, находя отношения значений диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале к максимальному значению;

- для каждого из L различных направлений

исследуемой угловой области формируют решающую функцию, осуществляя взвешенное суммирование нормированного модуля комплексного корреляционного отклика пилот-сигнала на выходе антенной решетки и нормированного значения диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале;

- формируют оценку угла прихода сигнала как направление максимума решающей функции,

- последовательность сформированных оценок угла прихода сигнала группируют в блоки, каждый из которых содержит М оценок угла прихода сигнала;

- формируют последовательность векторов распределения оценок угла прихода сигнала блоков, при этом для каждого блока по М сформированным оценкам угла прихода сигнала блока формируют вектор распределения оценок угла прихода сигнала блока длиной L, каждый элемент которого соответствует одному из L направлений исследуемой угловой области и равен количеству оценок угла прихода сигнала данного направления,

- из последовательности векторов распределения оценок угла прихода сигнала блоков формируют последовательность усредненных векторов распределения оценок угла прихода сигнала, используя скользящее окно,

- для каждого усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала

- определяют оценки нижней и верхней границ угловой области сигнала,

- формируют оценку среднего угла прихода по полученным оценкам нижней и верхней границ угловой области сигнала,

- с учетом геометрии антенной решетки определяют фазовые коэффициенты элементов антенной решетки, используя сформированную оценку среднего угла прихода сигнала,

- формируют корреляционную матрицу сигналов элементов антенной решетки по найденным оценкам нижней и верхней границ угловой области сигнала,

- выполняют преобразование Холецкого сформированной корреляционной матрицы, получая нижнюю треугольную матрицу,

- определяют отношение амплитудных коэффициентов элементов антенной решетки к амплитудному коэффициенту элемента антенной решетки, с которого передают пилот-сигнал, используя полученную нижнюю треугольную матрицу и фазовые коэффициенты элементов антенной решетки,

- по найденному отношению с учетом числа элементов антенной решетки определяют нормировочный коэффициент,

- определяют амплитудные коэффициенты элементов антенной решетки, умножая нормировочный коэффициент на отношение амплитудных коэффициентов элементов антенной решетки к амплитудному коэффициенту элемента антенной решетки, с которого передают пилот-сигнал,

сформированные амплитудные и фазовые коэффициенты элементов антенной решетки используют для передачи информационного сигнала абоненту.

Оценку нижней и верхней границ угловой области сигнала производят, например, следующим образом:

- определяют максимальный элемент усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала,

- определяют нижний и верхний элементы как границы группы элементов усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала, при этом эта группа элементов включает максимальный элемент усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала, и элементы группы превышают порог, однако, по каждую сторону от максимального элемента допустимы одиночные непревышения порога, а также одно групповое непревышение порога из двух или трех рядом расположенных элементов,

- определяют сумму элементов усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала, расположенных ниже нижнего элемента, и сумму элементов усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала, расположенных выше верхнего элемента,

- формируют корректирующую поправку для нижнего элемента, зависящую от суммы элементов усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала, расположенных ниже нижнего элемента, и корректирующую поправку для верхнего элемента, зависящую от суммы элементов усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала, расположенных выше верхнего элемента,

- определяют поправочную величину для нижнего и верхнего элементов, зависящую от положения максимального элемента усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала,

- определяют оценку нижней границы угловой области сигнала как разность угловой координаты, соответствующей нижнему элементу, и суммы корректирующей поправки для нижнего элемента и поправочной величины,

- определяют оценку верхней границы угловой области сигнала как сумму угловой координаты, соответствующей верхнему элементу, корректирующей поправки для верхнего элемента и поправочной величины.

Оценка среднего угла прихода сигнала формируют как полусумму оценок нижней и верхней границ угловой области сигнала.

Отношения амплитудных коэффициентов элементов антенной решетки к амплитудному коэффициенту элемента антенной решетки, с которого передают пилот-сигнал, могут быть равны между собой, и это отношение определяют как максимальную величину из интервала от 0 до 1, для которой отношение средних мощностей статистически некогерентного и статистически когерентного слагаемых модели информационного сигнала, полученного абонентом, не превышает заданную величину.

Предлагаемый алгоритм формирования диаграммы направленности прямого канала по первому варианту состоит из двух этапов.

Первый этап заключается в оценке угловых границ области полезного сигнала. Эта оценка осуществляется по сигналу мобильного абонента, принимаемому базовой станцией.

На втором этапе по вынесенным на первом этапе оценкам границ угловой области полезного сигнала осуществляют непосредственное формирование диаграммы направленности прямого канала (присвоение необходимых величин комплексным весовым коэффициентам элементов антенной решетки, см. фиг.2).

Первый этап алгоритма формирования диаграммы направленности в прямом канале (оценка угловых границ области полезного сигнала) включает использование вектора весовых коэффициентов антенной решетки обратного канала w_ир и заключается в следующем.

Для каждого из L различных направлений

исследуемой угловой области:

- формируют модуль "короткого" комплексного корреляционного отклика пилот-сигнала на выходе антенной решетки

где

- комплексные коэффициенты каждого направления, - комплексные корреляционные отклики пилот-сигнала на выходах корреляторов элементов антенной решетки, N - число элементов антенной решетки.

- Величину модуля комплексного корреляционного отклика пилот-сигнала на выходе антенной решетки (2) нормируют:

- Формируют дискретные значения диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале для тех же направлений

где w_ир- вектор комплексных весовых коэффициентов элементов адаптивной антенной решетки в обратном канале при приеме сигнала абонента, полученный при адаптации антенной решетки в обратном канале и учитывающий подавление мощных сопутствующих помех, (·)^H- операция эрмитова сопряжения.

- Величину (4) нормируют:

- Формируют решающую функцию, равную взвешенной сумме нормированного модуля комплексного корреляционного отклика пилот-сигнала на выходе антенной решетки (3) и нормированного значения диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале (5)

где α - весовой коэффициент.

- Определяют оценку угла прихода сигнала короткого измерения как направление (угловое положение) максимума решающей функции (6)

Вышеописанные операции повторяют М раз, т.е. производят М оценок угла прихода сигнала ("коротких" измерений). Последовательность сформированных оценок угла прихода сигнала группируют в блоки, каждый из которых содержит М оценок угла прихода сигнала.

По М сформированным оценкам угла прихода сигнала (7) каждого блока формируют вектор распределения оценок угла прихода сигнала блока длиной L, каждый элемент которого соответствует одному из L направлений и равен количеству оценок угла прихода сигнала данного направления, формируя, таким образом, последовательность векторов распределения оценок угла прихода сигнала блоков. Физический смысл вектора распределения оценок угла прихода сигнала блоков соответствует понятию гистограммы "коротких" оценок угла прихода сигнала.

Из последовательности векторов распределения оценок угла прихода сигнала блоков формируют последовательность усредненных векторов распределения оценок угла прихода сигнала с использованием скользящего окна. Усредненный вектор распределения оценок угла прихода сигнала по физическому смыслу соответствует усредненной гистограмме оценок угла прихода сигнала

Далее по тексту используется термин - усредненная гистограмма оценок угла прихода сигнала, который эквивалентен термину - усредненный вектор распределения оценок угла прихода сигнала.

Для получения стабильной по форме усредненной гистограммы число "коротких" измерений выбирают достаточно большим. С другой стороны, для учета возможно быстро меняющейся помехово-сигнальной ситуации необходимо совместить большое время анализа, требуемое для формирования стабильной усредненной гистограммы, с необходимостью относительно короткого временного интервала между вынесением решения об оценке нижней и верхней границ угловой области сигнала. Данный компромисс обеспечивают путем использования скользящего окна, принцип организации которого иллюстрируется на фиг.3. Таким образом, решение об оценках нижней и верхней границ области сигнала выносят через М "коротких" измерений, а усредненную гистограмму формируют по nМ "коротким" измерениям.

Решение об оценке нижней и верхней границ угловой области сигнала выносят на основе анализа усредненной гистограммы оценок угла прихода сигнала

(усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала). Анализ производят, например, следующим образом.

- Определяют положение максимума усредненной гистограммы

- Определяют нижнюю

и верхнюю угловые координаты пересечения порогового уровня β·Z_mах на усредненной гистограмме (нижний и верхний элементы), как показано на фиг.4. В качестве величин принимают крайнее нижнее (крайнее верхнее) значения θ, для которых Z(θ)>βZ_max. При этом для угловой области сигнала допускают одиночные непревышения порога (фиг.4). Допускают также по каждую сторону от θ_max наличие одной группы из двух или трех рядом расположенных дискретных значений угла, для которых значения гистограммы не превышают пороговый уровень (фиг.4).

- Вычисляют вероятности попадания угла прихода в области

и

Учет данных вероятностей важен в случае наличия мощных помех, когда под их воздействием происходит некоторое перераспределение положений оценок угла прихода с угловой области сигнала в угловую область помехи (см. фиг.5). Поэтому для компенсации потерь угловой области сигнала формируют корректирующую поправку θc₁, зависящую от P₁, - для

и корректирующую поправку θc₂, зависящую от Р₂, - для

- Рассчитывают корректирующие поправки θα₁, θα₂ для

и как функции, зависящие от величины θ_max, причем величины θα₁, θα₂отличны от нуля лишь для значений θ_max, близких к 90°, и могут быть равны между собой. Корректирующие поправки вводят для компенсации возможного занижения размера оценки угловой области сигнала.

- Окончательно оценки нижней и верхней границ угловой области сигнала

и формируют с учетом полученных величин следующим образом

На втором этапе предлагаемого алгоритма по оценкам нижней и верхней границ угловой области сигнала

формируют оценки среднего угла прихода и углового сектора сигнала

Заметим, что нумерация элементов антенной решетки может быть произвольной. Для удобства нумерацию будем начинать с элемента, излучающего пилот-сигнал, например, как показано на фиг.6.

Информационный сигнал передают через все элементы антенной решетки, а общий пилот-сигнал - через один (первый) элемент антенной решетки базовой станции. Причем этот элемент рекомендуется выбирать в середине антенной решетки, как показано на фиг.6. Такой выбор обусловлен необходимостью относительно более высокой корреляцией сигнала этого элемента с сигналами других элементов антенной решетки и, как следствие, более высокой степенью фазовой когерентностью между сигналами информационного и пилот-каналов на мобильной станции.

Комплексные весовые коэффициенты

прямого канала элементов антенной решетки формируют следующим образом.

- Фазовые коэффициенты

элементов антенной решетки определяют за счет оценки среднего угла прихода и геометрии антенной решетки. Например, при N=4 и порядке нумерации элементов эквидистантной антенной решетки, как на фиг.6, фазовые коэффициенты равны

где λ - длина волны принимаемого сигнала, d - расстояние между соседними элементами антенной решетки базовой станции.

Фазу первого элемента полагаем равной нулю, этот элемент служит началом отсчета.

- По оценкам нижней и верхней границ угловой области сигнала

формируют корреляционную матрицу сигналов элементов антенной решетки К

где с учетом порядка нумерации (см. фиг.6)

Q - число путей прихода сигнала, например Q=500.

- Выполняют преобразование Холецкого корреляционной матрицы сигналов элементов антенной решетки К (14)

В результате формируют нижнюю треугольную матрицу, как описано, например, в (Дж.Голуб, Ч.Ван Лоун. Матричные вычисления. /М.: Мир, 1999, стр. 134 [8], Р.Хорн, Ч.Джонсон. Матричный анализ /М.: Мир, 1989, стр. 141 [9]).

При этом используют усовершенствование, важное для случая очень плохо обусловленной (вырожденной) матрицы К. Сущность усовершенствования заключается в том, что если в процедуре Холецкого на главной диагонали матрицы G появляется элемент, равный нулю (или очень малый), - это имеет место как раз для вырожденных матриц К - то все остальные элементы матрицы G полагают равными нулю. Это усовершенствование позволяет применять преобразование Холецкого при произвольных значениях оценок угла прихода и угловой сектора сигнала (12), в том числе при

когда использование стандартного преобразования Холецкого невозможно.

- Выбирается значение малого параметра γ. Например,

- Элементы матрицы G(16) и фазовые коэффициенты

определяют функцию ƒ(μ), представляющую отношение средних мощностей статистически некогерентного и статистически когерентного слагаемых модели информационного сигнала, полученного абонентом. Например, для четырехэлементной антенной решетки

Определяют максимальную величину (из интервала от 0 до 1, для которой выполняется неравенство

Неравенство (19) можно решать, например, численным методом, вычисляя значение функции ƒ(μ) (18) для различных μ=1; 0.99; 0,98,..., пока условие (19) не будет выполнено. Первое значение μ, для которого неравенство (19) выполняется, считают окончательным.

- Полученную величину μ используют для определения амплитудных коэффициентов антенной решетки. При этом учитывают, что отношения амплитудных коэффициентов элементов антенной решетки к амплитудному коэффициенту элемента антенной решетки, с которого передают пилот-сигнал, равны между собой. Тогда амплитудные коэффициенты антенной решетки

где k - нормировочный коэффициент, полученный, например, из условия

При N=4

Таким образом, сформированные комплексные весовые коэффициенты элементов антенной решетки используют для передачи информационного сигнала абоненту.

Для реализации описанного способа используют устройство, представленное на фиг.7, где обозначено:

1 - генератор опорного сигнала,

2.1-2.N - корреляторы,

5 - блок формирования вектора весовых коэффициентов антенной решетки в обратном канале,

6 - блок формирования вектора весовых коэффициентов антенной решетки в прямом канале,

7.1-7.L - блоки расчета решающей функции направления,

8.2-8.N - перемножители,

9 - первый сумматор,

10 - блок вычисления модуля,

11 - блок комплексных коэффициентов направления,

12 - блок расчета дискретных значений диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале,

13 - блок поиска,

14 - блок управления,

15 - первый блок нормировки,

16 - второй сумматор,

17 - блок масштабирования,

18 - второй блок нормировки,

19 - блок оценки угла прихода сигнала,

20 - блок формирования вектора распределения оценок угла прихода сигнала,

21 - блок формирования усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала,

22 - блок анализа усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала.

Предлагаемое устройство содержит N корреляторов 2.1-2.N, L блоков расчета решающей функции направлений 7.1-7.L, первые входы которых являются входами корреляционных откликов пилот-сигнала элементов антенной решетки и соединены с выходами соответствующих корреляторов 2.1-2.N, блок поиска 13, блок управления 14, блок формирования вектора весовых коэффициентов антенной решетки в обратном канале 5, последовательно соединенные первый блок нормировки 15, второй сумматор 16, блок оценки прихода сигнала 19, блок формирования вектора распределения оценок угла прихода сигнала 20, блок формирования усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала 21, блок анализа усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала 22, выходы верхней и нижней границы угловой области сигнала которого соединены с соответствующими входами блока формирования вектора весовых коэффициентов антенной решетки в прямом канале 6, а также блок масштабирования 17 и второй блок нормировки 18. Первые входы корреляторов 2.1-2.N являются сигнальными и объединены с входами устройства. Вторые входы корреляторов 2.1-2.N являются опорными и соединены с опорным выходом генератора опорного сигнала 1. Вход генератора опорного сигнала 1 является управляемым и соединен с выходом блока управления 14, обеспечивающего синхронную работу блоков устройства. Первый вход блока поиска 13 соединен с первым входом устройства, второй вход блока поиска 13 является управляемым и соединен с выходом блока управления 14. Выход блока поиска 13 является выходом решающей функции поиска и соединен с входом блока управления 14. Каждый блок расчета решающей функции направления 7.1-7.L содержит N-1 перемножителей 8.2-8.N, первый сумматор 9, блок вычисления модуля 10, блок комплексных коэффициентов направления 11 и блок расчета дискретных значений диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале 12. Первые входы перемножителей 8.2-8.N и первый вход первого сумматора 9 соединены с выходами корреляционных откликов пилот-сигнала корреляторов 2.2-2.N, выходы перемножителей 8.2-8.N соединены с входами сумматора 9, начиная со второго и до N. Выход сумматора 9 является выходом комплексного корреляционного отклика пилот-сигнала данного направления на выходе антенной решетки и соединен с входом блока вычисления модуля 10. Выход блока вычисления модуля 10, который является выходом модуля комплексного корреляционного отклика пилот-сигнала данного направления на выходе антенной решетки и первым выходом каждого блока расчета решающей функции направления 7.1-7.L и соединен с соответствующим входом первого блока нормировки 15.

Первый вход блока расчета дискретных значений диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале 12 является вторым входом каждого блока расчета решающей функции направления 7.1-7.L и соединен с выходом блока формирования вектора весовых коэффициентов антенной решетки в обратном канале 5, формирующем на своем выходе весовые коэффициенты элементов антенной решетки в обратном канале, сигнальные входы блока формирования вектора весовых коэффициентов антенной решетки в обратном канале 5 соединены с входом устройства. Второй вход блока расчета дискретных значений диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале 12 и вторые входы перемножителей 8.2-8.N объединены и соединены с выходом блока комплексных коэффициентов направления 11, который является выходом комплексных коэффициентов для данного направления.

Выход блока расчета дискретных значений диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале 12, который является вторым выходом блока расчета решающей функции направления 7.1-7.L и выходом значений диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале, соединен с соответствующим входом второго блока нормировки 18.

Выход первого блока нормировки 15, который является выходом нормированных модулей комплексных корреляционных откликов пилот-сигнала на выходе антенной решетки всех L направлений, соединен с первым входом второго сумматора 16, выход второго блока нормировки 18 является выходом нормированных значений диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале всех L направлений и соединен с первым входом блока масштабирования 17, выход блока масштабирования 17 является выходом взвешенных нормированных значений диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале для L направлений и соединен со вторым входом второго сумматора 16, выход второго сумматора 16 является выходом значений решающей функции для L направлений и соединен с входом блока оценки угла прихода сигнала 19, выход которого является выходом оценки среднего угла прихода сигнала и соединен с входом блока формирования вектора распределения оценок угла прихода сигнала 20, формирующем на выходе последовательность векторов распределения оценок угла прихода сигнала (гистограмм оценок угла прихода сигнала). Выход блока формирования вектора распределения оценок угла прихода сигнала 20 соединен с входом блока формирования усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала 21, второй вход которого является управляемым и соединен с выходом блока управления 14. Выход блока формирования вектора распределения оценок угла прихода сигнала 20 является выходом последовательности усредненных векторов распределения оценок угла прихода сигнала (усредненных гистограмм оценок угла прихода сигнала) и соединен с входом блока анализа усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала 22. Выходы блока анализа усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала 22, формирующего верхнюю и нижнюю границы угловой области сигнала, соединены с соответствующими входами блока формирования весовых коэффициентов антенной решетки в прямом канале 6. Выход блока формирования весовых коэффициентов антенной решетки в прямом канале 6 является выходом амплитудных и фазовых коэффициентов элементов антенной решетки.

Комплексный многолучевый сигнал с выходов N элементов антенной решетки поступает на первые (сигнальные) входы корреляторов 2.1-2.N и входы блока формирования весовых коэффициентов в обратном канале 5.

Одновременно комплексный многолучевый сигнал с первого элемента антенной решетки поступает на вход блока поиска 13. Блок поиска 13 по пилот-сигналу формирует решающую функцию поиска сигналов лучей в дискретных временных позициях. Эта информация с блока поиска 13 поступает в блок управления 14, который сравнивает полученные значения решающей функции поиска с порогом и по превышению порога определяет временные положения сигналов лучей. В блоке управления 14 полученные значения решающей функции для обнаруженных сигналов лучей сравнивают между собой и определяют временное положение сигнала луча с максимальным значением решающей функции (максимальной мощностью).

По сигналу управления, поступающему с выхода блока управления 14, опорный сигнал, соответствующий сигналу луча максимальной мощности, подают с выхода генератора опорного сигнала 1 на вторые входы корреляторов 2.1-2.N.

В корреляторах 2.1-2.N формируют комплексные корреляционные отклики пилот-сигнала элементов антенной решетки

на коротких временных интервалах длиной, например, J чипов. Чип - это длительность одного временного элементарного интервала сигнала.

Корреляционные отклики пилот-сигнала элементов антенной решетки поступают на первые входы L блоков расчета решающей функции направления 7.1-7.L, а именно на первый вход сумматора 9 и на первые входы соответствующих (комплексных) перемножителей 8.2-8.N. Число L блоков расчета решающей функции направления 7.1-7.L равно числу различных направлений исследуемой угловой области.

В блоке формирования вектора весовых коэффициентов обратного канала 5 формируют комплексные весовые коэффициенты элементов адаптивной антенной решетки в обратном канале при приеме сигнала абонента, например в соответствии с одним из алгоритмов, предложенным в книгах Р.А.Монзинго, Т.У.Милер. Адаптивные антенные решетки. /М.: Радио и связь, 1986, стр. 77-90 [10], А.А.Пистолькорс, О.С.Литвинов. Введение в теорию адаптивных антенн. М.: Наука, 1991 [11]. Эти коэффициенты подаются на вторые входы блоков расчета решающей функции направления 7.1-7.L, а именно на первые входы блоков расчета 12.

В блоке комплексных коэффициентов направления θ_i 11 имеются комплексные коэффициенты

для i-го направления, Эти коэффициенты рассчитаны, например, согласно алгоритму, описанному в [1] на стр.86-88. Комплексные коэффициенты направления подаются на вторые входы соответствующих (комплексных) перемножителей 8.2-8.N и на вторые входы блока расчета 12.

При этом согласно [1] комплексный коэффициент α₁(θ_i)=1, поэтому число перемножителей, используемых в блоке расчета решающей функции направления 7, равно N-1.

В каждом перемножителе 8.2-8.N реализуют операцию перемножения соответствующих комплексных корреляционных откликов пилот-сигнала элементов антенной решетки и комплексных коэффициентов

каждого направления.

Выходные сигналы перемножителей 8.2-8.N и комплексные корреляционные отклики пилот-сигнала первого элемента антенной решетки с выхода первого коррелятора 2.1 поступают на входы сумматора 9, где производится их суммирование. Сигнал на выходе сумматора 9 соответствует комплексному корреляционному отклику пилот-сигнала направления θ_i на выходе антенной решетки.

Этот сигнал подается на вход блока вычисления модуля 10, где вычисляется корень квадратный из суммы квадратов реальной и мнимой части сигнала. Выходной сигнал блока вычисления модуля 10 равен модулю комплексного корреляционного отклика пилот-сигнала направления θ_i на выходе антенной решетки. С выхода блока вычисления модуля 10 этот сигнал поступает на соответствующий вход первого блока нормировки 15. В блоке нормировки 15 для L различных направлений определяют максимальный модуль комплексного корреляционного отклика пилот-сигнала на выходе антенной решетки путем сравнения модулей комплексных корреляционных откликов пилот-сигнала различных направлений на выходе антенной решетки Z(θ_i) друг с другом и формируют нормированные модули комплексных корреляционных откликов пилот-сигнала на выходе антенной решетки для L различных направлений. Нормировка выполняется путем нахождения отношения модулей комплексных корреляционных откликов пилот-сигнала на выходе антенной решетки для L различных направлений к максимальному модулю. Полученные нормированные сигналы для L различных направлений поступают на первые входы сумматора 16.

В блоке расчета дискретных значений диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале 12 для каждого из L различных направлений

исследуемой угловой области формируют значения диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале, например, согласно алгоритму, описанному в [1] на стр. 86-88. Эти значения передают на входы блока нормировки 18. В блоке нормировки 18 для L различных направлений определяют максимальное значение диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале путем сравнения значений диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале для различных направлений друг с другом и формируют нормированное значение диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале для L различных направлений. Нормировка выполняется путем нахождения отношения значений диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале для L различных направлений к максимальному значению. Полученные нормированные значения диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале для L различных направлений поступают на вход блока масштабирования 17. В блоке масштабирования 17 формируют взвешенные нормированные значения диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале для L различных направлений путем умножения нормированных значений диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале для L различных направлений на весовой коэффициент α. Сформированные значения подают на второй вход сумматора 16. На выходе сумматора 16 для L различных направлений исследуемой угловой области формируют решающую функцию, осуществляя суммирование нормированных модулей комплексных корреляционных откликов пилот-сигнала на выходе антенной решетки и взвешенных нормированных значений диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале. Значения решающей функции поступает в блок оценки угла прихода сигнала 19, в котором определяют максимальное значение решающей функции путем сравнения между собой значений решающей функции для L различных направлений исследуемой угловой области. Оценка угла прихода сигнала в обратном канале, сформированная на коротком временном интервале, определяется по положению максимума решающей функции.

Оценки

угла прихода сигнала в обратном канале поступают на вход блока формирования вектора распределения оценок угла прихода сигнала 20. В блоке формирования вектора распределения оценок угла прихода сигнала 20 последовательность сформированных на коротких временных интервалах оценок угла прихода сигнала группируют в блоки, каждый из которых содержит М оценок угла прихода сигнала.

Вариант выполнения блока формирования вектора распределения оценок угла прихода сигнала 20 приведен на фиг.8. Блок формирования вектора распределения оценок угла прихода сигнала 20 работает следующим образом.

Последовательность сформированных оценок угла прихода сигнала поступает на L параллельных узлов сравнения с порогом 24.1–24.L. Каждый порог соответствует одному из L направлений. Если оценка угла прихода сигнала больше i-го порога и меньше (i+1)-го порога, то в результате работы логических элементов "НЕ" 25.1–25.L и элементов "И" 26.2–26.L значение i-го счетчика 27 увеличивается на единицу, а значения остальных счетчиков не меняется. Окончательное значение i-го счетчика 27 определяет число оценок, соответствующих i-му углу прихода сигнала. Первый счетчик 27 подсчитывает число оценок угла прихода сигнала, больших нуля и меньших ближайшего к нулю значения исследуемого направления прихода сигнала.

Счетчик 29 мультиплексора 28 формирует два сигнала с периодом, равным интервалу поступления на вход блока М оценок угла прихода и сдвинутых на один период тактовых импульсов относительно друг друга. По первому сигналу значения М счетчиков 27.1–27.L, определяющих число оценок соответствующих углов прихода сигнала, перезаписываются через мультиплексор 28 в ОЗУ 31. По второму сигналу все счетчики 27 устанавливаются в нулевое состояние. Частоту тактовых импульсов счетчика 29 задает генератор тактовых импульсов 30.

Таким образом, по М оценкам угла прихода сигнала формируют вектор распределения оценок угла прихода сигнала длиной L, каждый элемент которого соответствует одному из L направлений и равно количеству оценок угла прихода сигнала данного направления.

Последовательность векторов распределения оценок угла прихода сигнала с выхода блока 20 поступают на вход блока формирования усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала 21, вариант выполнения которого приведен на фиг.9. Работает блок формирования усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала 21 следующим образом.

В процессе работы по управляющему сигналу элементы текущего вектора распределения оценок угла прихода сигнала с входа блока 21 записываются в ОЗУ1 35.1. При поступлении на вход блока элементов следующего вектора распределения оценок угла прихода сигнала по управляющему сигналу значения текущего вектора распределения оценок угла прихода сигнала перезаписываются из ОЗУ1 35.1 в ОЗУ2 35.2, а значения следующего вектора распределения оценок угла прихода сигнала с входа блока записываются в ОЗУ1 35.1. Каждый раз при поступлении на вход блока 21 элементов очередного вектора распределения оценок угла прихода сигнала по управляющему сигналу происходит аналогичная последовательная перезапись элементов вектора распределения оценок угла прихода сигнала из одного ОЗУ 35 в другое.

После перезаписи элементов вектора распределения оценок угла прихода сигнала из одного ОЗУ 35 в другое выполняется параллельное считывание элементов вектора распределения оценок угла прихода сигнала из всех ОЗУ 35 на вход узла суммирования 32, в котором выполняется суммирование этих векторов. Результаты суммирования, деленные на nМ в узле деления 33, записываются в ОЗУ 34 (n - число векторов распределения оценок угла прихода сигнала, используемых при усреднении, М - число оценок углов прихода, используемых при формировании вектора распределения оценок угла прихода сигнала). С выхода ОЗУ 34 элементы усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала поступают на выход блока 21 и поступают для анализа в блок анализа усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала 22.

Вариант выполнения блока анализа усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала приведен на фиг.10.

Работает блок следующим образом.

Входные элементы усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала записывают в ОЗУ 36. Затем эти элементы считывают в узлы определения верхнего 37, нижнего 38 и максимального элемента 39 вектора распределения оценок угла прихода сигнала, в узел вычисления корректирующих величин 42.

В узле определения максимального элемента 39 выбирают максимальный элемент усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала, который поступает в узел определения верхнего элемента 37, узел определения нижнего элемента 38 и в узел вычисления корректирующих величин 42. В узле определения верхнего элемента 37 усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала определяют верхний элемент как верхнюю границу группы элементов усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала, превышающих заданный порог. При этом для этой группы элементов, расположенных выше максимального элемента, допустимы одиночные непревышения порога, а также одно групповое непревышение порога из двух или трех рядом расположенных элементов. В узле определения нижнего элемента 38 аналогично определяют нижний элемент усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала.

На входы узла вычисления корректирующих величин 42 поступают значения верхнего, нижнего и максимального элементов вектора распределения оценок угла прихода сигнала. В узле вычисления корректирующих величин 42 определяют сумму элементов усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала, расположенных ниже нижнего элемента, и сумму элементов усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала, расположенных выше верхнего элемента. Формируют корректирующую поправку для нижнего элемента, зависящую от суммы элементов усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала, расположенных ниже нижнего элемента, и корректирующую поправку для верхнего элемента, зависящую от суммы элементов усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала, расположенных выше верхнего элемента. Определяют поправочную величину для нижнего и верхнего элементов в зависимости от положения максимального элемента. Корректирующую поправку для верхнего элемента и поправочную величину подают в узел оценки верхней границы 40. Корректирующую поправку для нижнего элемента и поправочную величину подают в узел оценки нижней границы 41.

В узле оценки нижней границы 41 определяют скорректированную оценку нижней границы угловой области сигнала как разность нижнего элемента и суммы корректирующей поправки для нижнего элемента и поправочной величины.

В узле оценки верхней границы 40 определяют скорректированную оценку верхней границы угловой области сигнала как сумму верхнего элемента, корректирующей поправки для верхнего элемента и поправочной величины.

Оценки верхней и нижней границы угловой области сигнала с выхода блока анализа усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала 22 подают на входы блока формирования весовых коэффициентов антенной решетки в прямом канале 6.

Вариант выполнения блока формирования весовых коэффициентов антенной решетки в прямом канале 6 представлен на фиг.11.

Работает блок формирования весовых коэффициентов антенной решетки в прямом канале 6 следующим образом.

Скорректированные оценки нижней и верхней границ угловой области сигнала являются выходными сигналами блока анализа усредненного вектора распределения оценок угла прихода сигнала 22 и подаются на вход блока определения весовых коэффициентов антенной решетки прямого канала 6, а именно на входы узла формирования корреляционной матрицы 43 и узла формирования оценки среднего угла прихода 44. Функциональная схема блока определения весовых коэффициентов антенной решетки в прямом канале 6 может быть реализована на современных микропроцессорах цифровой обработки сигналов (DSP), например TMS 320Cxx, Motorola 56xxx, Intel и т.п.

В узле формирования оценки среднего угла прихода 44 по оценкам нижней и верхней границ угловой области сигнала формируется оценка среднего угла прихода как полусумма оценок нижней и верхней границ угловой области сигнала

то есть , и подается на вход узла формирования фазовых коэффициентов элементов антенной решетки 46. Фазовые коэффициенты элементов антенной решетки определяются по оценке среднего угла прихода и с учетом геометрии антенной решетки. Например, при N=4 и порядке нумерации элементов эквидистантной антенной решетки как, например, на фиг.6, фазовые коэффициенты элементов антенной решетки равны

Рассчитанные фазовые коэффициенты элементов антенной решетки подаются на первый вход узла формирования отношений амплитудных коэффициентов элементов антенной решетки 47 и на выход блока формирования весовых коэффициентов антенной решетки в прямом канале 6.

В узле формирования корреляционной матрицы 43 по оценкам нижней и верхней границ угловой области сигнала

вычисляются элементы корреляционной матрицы К в соответствии с формулой (14).

Элементы корреляционной матрицы поступают на вход узла преобразования Холецкого 45, где, используя алгоритм, предложенный, например, в [8] и [9], формируется нижняя треугольная матрица, элементы которой подаются на первый вход узла формирования отношений амплитудных коэффициентов элементов антенной решетки 47. В этом узле 47 может быть реализован алгоритм обработки, представленный на диаграмме фиг.12.

Предложенный алгоритм формирования отношений амплитудных коэффициентов элементов антенной решетки включает следующую последовательность операций. На первом этапе отношению амплитудных коэффициентов элементов антенной решетки к амплитудному коэффициенту элемента антенной решетки, с которого передается пилот-сигнал, μ присваивается значение, равное единице. Используя фазовые коэффициенты элементов антенной решетки, элементы нижней треугольной матрицы и заданное значение μ, вычисляется отношение ƒ(μ) средних мощностей статистически некогерентного и статистически когерентного слагаемых модели информационного сигнала, полученного абонентом. Заранее выбирается значение малого параметра γ (например, γ=0,01-0,05) и сравнивается со значением ƒ(μ). Если ƒ (μ)≤γ, процедура заканчивается, и значение μ=1 считается окончательным. В противном случае вычисляется значение функции f(μ) для различных μ=1; 0,99; 0,98,..., которое сравнивается с параметром γ. Процедура продолжается до тех пор, пока условие ƒ(μ)≤γ не будет выполнено. Значение μ, для которого это неравенство выполняется, считается окончательным и является выходным сигналом узла формирования отношений амплитудных коэффициентов элементов антенной решетки 47. Этот сигнал поступает на вход узла формирования нормировочных коэффициентов 48 и на первый вход узла формирования амплитудных коэффициентов элементов антенной решетки 49. В узле формирования нормировочных коэффициентов 48 формируется нормировочный коэффициент k, зависящий от полученной величины μ и от числа элементов антенной решетки. Значение нормировочного коэффициента k поступает на второйвход узла формирования амплитудных коэффициентов антенной решетки 49, где по полученной величине μ и нормировочному коэффициенту k определяются амплитудные весовые коэффициенты, например, следующим образом

w₁=k, w₂=...=w_N=μk

Амплитудные весовые коэффициенты наряду с фазовыми коэффициентами являются выходными сигналами блока формирования весовых коэффициентов антенной решетки прямого канала 6.

Полученные амплитудные и фазовые коэффициенты элементов антенной решетки используют для передачи информационного сигнала абоненту в прямом канале.

Блок управления 14 с описанными в материалах заявки функциональными назначениями и связями является типичным и может быть реализован на современных микропроцессорах цифровой обработки сигналов (DSP), например TMS 320Cxx, Motorola 56xxx, Intel и т.п.

Блок поиска 13 в предлагаемом устройстве является стандартным блоком и может быть выполнен так, как показано в книге Журавлева В.И. "Поиск и синхронизация в широкополосных системах", М., Радио и связь, 1986, стр. 24 [12].

На фиг.14, 15, 16 представлены диаграммы направленности прямого канала для различных угловых областей сигнала, построенные в соответствии с изложенным способом.

Второй вариант способа формирования диаграммы направленности адаптивной антенной решетки базовой станции заключается в следующем:

для каждого абонента

- осуществляют поиск сигнала абонента, находя временные положения сигналов лучей;

- выбирают луч, сигнал которого максимален по мощности;

- периодически формируют оценку среднего угла прихода сигнала абонента, для чего

- формируют комплексные корреляционные отклики пилот-сигнала элементов антенной решетки, для каждого из L различных направлений

исследуемой угловой области формируют комплексные корреляционные отклики пилот-сигнала на выходе антенной решетки, суммируя произведения комплексных корреляционных откликов пилот-сигнала элементов антенной решетки на соответствующие им комплексные коэффициенты каждого направления,

- формируют модули комплексных корреляционных откликов пилот-сигнала на выходе антенной решетки для L различных направлений,

- формируют суммарный корреляционный отклик пилот-сигнала на выходе антенной решетки, суммируя модули комплексных корреляционных откликов пилот-сигнала на выходе антенной решетки для L различных направлений, и определяют максимальный из них,

- формируют нормированные суммарные корреляционные отклики пилот-сигнала на выходе антенной решетки для L различных направлений, находя отношения суммарных корреляционных откликов пилот-сигнала на выходе антенной решетки для L различных направлений к максимальному суммарному корреляционному отклику,

- формируют комплексные весовые коэффициенты элементов адаптивной антенной решетки в обратном канале при приеме сигнала абонента,

- для каждого из L различных направлений

исследуемой угловой области формируют значения диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале,

- определяют максимальное из сформированных значений диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале,

- формируют нормированные значения диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале для L различных направлений, находя отношения значений диаграммы направленности к максимальному значению, для каждого из L различных направлений

исследуемой угловой области формируют решающую функцию, осуществляя взвешенное суммирование нормированного суммарного корреляционного отклика пилот-сигнала на выходе антенной решетки и нормированного значения диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале,

- определяют направление максимума решающей функции, формируя оценку среднего угла прихода сигнала,

- с учетом геометрии антенной решетки определяют фазовые коэффициенты элементов антенной решетки, используя сформированную оценку среднего угла прихода,

- устанавливают амплитудные коэффициенты элементов антенной решетки равными между собой,

амплитудные и фазовые коэффициенты элементов антенной решетки используют для передачи сигнала абоненту.

При суммировании модулей комплексных корреляционных откликов пилот-сигнала на выходе антенной решетки для L различных направлений число слагаемых устанавливают постоянным либо выбирают адаптивно в зависимости от оценки частоты замираний сигнала.

В соответствии с данным алгоритмом формирование диаграммы направленности в прямом канале осуществляется по сигналу обратного канала.

Процедура формирования диаграммы направленности умной антенны в прямом канале состоит в следующем.

Из обнаруженных на базовой станции временных лучей сигнала абонента выбирается максимальный по мощности сигнал луча.

На первом этапе выносится оценка среднего угла прихода сигнала максимального по мощности луча.

На втором этапе формируется диаграмма направленности адаптивной антенной решетки в прямом канале, максимум которой установлен по направлению оценки среднего угла прихода сигнала. При этом комплексные весовые коэффициенты могут принимать значения

где

- оценка среднего угла прихода сигнала в обратном канале.

Алгоритм определения направления прихода сигнала мобильной станции

основан на использовании вектора весовых коэффициентов обратного канала, а также результатов накопления пилот-сигнала и заключается в следующем.

Для каждого из L различных направлений

исследуемой угловой области:

- формируется М комплексных корреляционных откликов пилот-сигнала на выходе антенной решетки

где

- комплексные корреляционные отклики пилот-сигнала на выходе корреляторов элементов антенной решетки по J чипов каждый,

- Выполняется некогерентное накопление М модулей комплексных корреляционных откликов (23)

При суммировании модулей комплексных корреляционных откликов пилот-сигнала на выходе антенной решетки число слагаемых устанавливают постоянным либо выбирают адаптивно в зависимости от частоты фединга сигнала таким образом, чтобы полная длительность некогерентного накопления составила несколько периодов фединга. В противном случае из-за глубоких замираний полезного сигнала возможна ошибка в оценке угла прихода.

- Величина (24) нормируется

- Формируются дискретные значения диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале

где w_ир - вектор весовых коэффициентов элементов адаптивной антенной решетки в обратном канале, полученный с учетом наличия мощных сопутствующих помех при приеме сигнала абонента, (·)^Н - операция эрмитова сопряжения.

- Величина (26) нормируется

- Формируется решающая функция как взвешенная сумма функций (25) и (27)

где α - весовой коэффициент.

- Искомая оценка

среднего угла прихода сигнала мобильной станции определяется по положению максимума решающей функции (28)

Для реализации такого способа используется устройство, представленное на фиг.13, где обозначено:

1 - генератор опорного сигнала,

2.1–2.N - корреляторы,

5 - блок формирования вектора весовых коэффициентов антенной решетки в обратном канале,

6 - блок формирования вектора весовых коэффициентов антенной решетки в прямом канале,

7.1–7.L - блок расчета решающей функции направления,

8.1-8.N - перемножители,

9 - первый сумматор,

10 - блок вычисления модуля,

11 - блок комплексного коэффициента направления,

12 - блок расчета дискретных значений диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале,

13 - блок поиска,

14 - блок управления,

15 - первый блок нормировки,

16 - второй сумматор,

17 - блок масштабирования,

18 - второй блок нормировки,

19 - блок оценки угла прихода сигнала,

23 - сумматор со сбросом.

Предлагаемое устройство содержит N корреляторов 2.1-2.N, L блоков расчета решающей функции для различных направлений 7.1-7.L, первые входы которых являются входами корреляционных откликов пилот-сигнала элементов антенной решетки и соединены с выходами соответствующих корреляторов 2.1-2.N, блок поиска 13, блок управления 14, блок формирования вектора весовых коэффициентов антенной решетки в обратном канале 5, последовательно соединенные первый блок нормировки 15, второй сумматор 16, блок оценки прихода сигнала 19, блок формирования вектора весовых коэффициентов антенной решетки в прямом канале 6, а также блок масштабирования 17 и второй блок нормировки 18. Первые входы корреляторов 2.1-2.N являются сигнальными и объединены с входами устройства. Вторые входы корреляторов 2.1-2.N являются опорными и соединены с опорным выходом генератора опорного сигнала 1. Вход генератора опорного сигнала 1 является управляемым и соединен с выходом блока управления 14, обеспечивающего синхронную работу блоков устройства. Первый вход блока поиска 13 соединен с входом устройства, второй вход блока поиска 13 является управляемым и соединен с выходом блока управления 14. Выход блока поиска 13 является выходом решающей функции поиска и соединен с входом блока управления 14. Каждый блок расчета решающей функции направления 7.1-7.L содержит N-1 перемножителей 8.2-8.N, первый сумматор 9, блок вычисления модуля 10, блок комплексных коэффициентов направления 11 и блок расчета дискретных значений диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале 12, сумматор со сбросом 23. Первые входы перемножителей 8.2-8.N и первый вход первого сумматора 9 соединены с выходами корреляционных откликов пилот-сигнала корреляторов 2.1-2.N, выходы перемножителей 8.2-8.N соединены с входами сумматора 9, начиная со второго и до N. Выход сумматора 9 является выходом комплексного корреляционного отклика пилот-сигнала направления на выходе антенной решетки и соединен с входом блока вычисления модуля 10. Выход блока вычисления модуля 10, который является выходом модуля комплексного корреляционного отклика пилот-сигнала направления на выходе антенной решетки, соединен с первым входом сумматора со сбросом 23, второй вход которого является входом сигнала сброса и соединен с выходом блока управления 14. Выход сумматора со сбросом 23 является выходом суммарного корреляционного отклика пилот-сигнала на выходе антенной решетки и первым выходом каждого блока расчета решающей функции направления 7.1-7.L и соединен с соответствующим входом первого блока нормировки 15.

Первый вход блока расчета дискретных значений диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале 12 является вторым входом каждого блока расчета решающей функции направления 7.1-7.L и соединен с выходом блока формирования вектора весовых коэффициентов антенной решетки в обратном канале 5, формирующем на своем выходе весовые коэффициенты элементов антенной решетки в обратном канале. Сигнальные входы блока формирования вектора весовых коэффициентов антенной решетки в обратном канале 5 соединены с входом устройства. Второй вход блока расчета дискретных значений диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале 12 и вторые входы перемножителей 8.2–8.N объединены и соединены с выходом блока комплексных коэффициентов направления 11, который является выходом комплексных коэффициентов для данного направления.

Выход блока расчета дискретных значений диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале 12, который является вторым выходом блока расчета решающей функции направления 7.1-7.L и выходом значений диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале, соединен с соответствующим входом второго блока нормировки 18.

Выход первого блока нормировки 15, который является выходом нормированных модулей решающей функции всех L направлений, соединен с первым входом второго сумматора 16, выход второго блока нормировки 18 является выходом нормированных значений диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале всех L направлений и соединен с входом блока масштабирования 17. Выход блока масштабирования 17 является выходом взвешенных нормированных значений диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале для L направлений и соединен с вторым входом второго сумматора 16. Выход второго сумматора 16 является выходом значений решающей функции для L направлений и соединен с входом блока оценки угла прихода сигнала 19, выход которого является выходом оценки среднего угла прихода сигнала и соединен с входом блока формирования весовых коэффициентов антенной решетки в прямом канале 6. Выход блока формирования весовых коэффициентов антенной решетки в прямом канале 6 является выходом амплитудных и фазовых коэффициентов элементов антенной решетки.

Комплексный многолучевый сигнал с выходов N элементов антенной решетки поступает на первые (сигнальные) входы корреляторов 2.1-2.N и входы блока формирования весовых коэффициентов в обратном канале 5.

Одновременно комплексный многолучевый сигнал с первого элемента антенной решетки поступает на вход блока поиска 13. Блок поиска 13 формирует решающую функцию поиска сигналов лучей в дискретных временных позициях. Эта информация с блока поиска 13 поступает в блок управления 14, который сравнивает полученные значения решающей функции с порогом и по превышению порога определяет временные положения сигналов лучей. В блоке управления 14 полученные значения решающей функции для обнаруженных сигналов лучей сравнивают между собой и определяют временное положение сигнала луча с максимальным значением решающей функции.

По сигналу управления, поступающему с выхода блока управления 14, опорный сигнал, соответствующий сигналу луча максимальной мощности, подают с выхода генератора опорного сигнала 1 на вторые входы корреляторов 2.1-2.N.

В корреляторах 2.1-2.N формируют комплексные корреляционные отклики пилот-сигнала элементов антенной решетки

на временных интервалах длиной, например, J чипов. Чип - это длительность одного временного элементарного интервала сигнала.

Корреляционные отклики пилот-сигнала элементов антенной решетки поступают на первые входы L блоков расчета решающей функции 7.1-7.L, а именно на первый вход сумматора 9 и на первые входы (комплексных) соответствующих перемножителей 8.2-8.N. Число L блоков расчета решающей функции 7.1-7.L равно числу рассматриваемых направлений исследуемой угловой области.

В блоке формирования вектора весовых коэффициентов в обратном канале 5 формируют комплексные весовые коэффициенты элементов адаптивной антенной решетки в обратном канале при приеме сигнала абонента в соответствии с одним из алгоритмов, предложенных, например, в [10] на стр. 77-90. Эти коэффициенты подаются на вторые входы блоков расчета решающей функции 7.1-7.L, а именно на первые входы блоков расчета дискретных значений диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале 12.

В блоке комплексных коэффициентов направления θ_i 11 имеются комплексные коэффициенты

для i-го направления, Эти коэффициенты рассчитаны, например, согласно алгоритму из [1] стр. 86-88. Комплексные коэффициенты направления подаются на вторые входы соответствующих (комплексных) перемножителей 8,2-8,N и на вторые входы блока расчета 12.

При этом согласно [1] комплексный коэффициент a₁(θ_i)=1, поэтому число перемножителей, используемых в блоке расчета решающей функции направления 7, равно N-1.

В каждом перемножителе 8.2-8.N реализуют операцию перемножения соответствующих комплексных корреляционных откликов пилот-сигнала элементов антенной решетки и комплексных коэффициентов

каждого направления.

Выходные сигналы перемножителей 8.2-8.N и комплексные корреляционные отклики пилот-сигнала первого элемента антенной решетки с выхода первого коррелятора 2.1 поступают на входы сумматора 9, где производится их суммирование. Сигнал на выходе сумматора 9 соответствует комплексному корреляционному отклику пилот-сигнала на выходе антенной решетки для направления θ_i.

Этот сигнал подается на вход блока вычисления модуля 10, где вычисляется корень квадратный из суммы квадратов реальной и мнимой части сигнала. Выходной сигнал блока вычисления модуля 10 равен модулю комплексного корреляционного отклика пилот-сигнала на выходе антенной решетки для направления θ_i. С выхода блока вычисления модуля 10 этот сигнал поступает на первый вход сумматора со сбросом 23, на второй вход которого подается сигнал управления (сброса) с блока управления 14.

По сигналу управления (сброса) в сумматоре со сбросом 23 выполняется некогерентное накопление (суммирование) модулей М комплексных корреляционных откликов пилот-сигнала на выходе антенной решетки для направления θ_i.

Число некогерентных слагаемых М устанавливают постоянным либо выбирают адаптивно в зависимости от частоты фединга сигнала таким образом, чтобы полная длительность некогерентного накопления составила несколько периодов фединга.

Сигнал на выходе сумматора со сбросом 23 каждого блока расчета решающей функции направления 7.1-7.L представляет собой суммарный корреляционный отклик пилот-сигнала на выходе антенной решетки Z(θ_i) направления θ_i и поступает на соответствующий вход блока нормировки 15. В блоке нормировки 15 для L различных направлений определяют максимальный суммарный корреляционный отклик пилот-сигнала на выходе антенной решетки путем сравнения суммарных корреляционных откликов пилот-сигнала на выходе антенной решетки Z(θ_i) различных направлений и формируют нормированные суммарные корреляционные отклики пилот-сигнала на выходе антенной решетки для L различных направлений. Нормировка выполняется путем нахождения отношений суммарных корреляционных откликов пилот-сигнала на выходе антенной решетки для L различных направлений к максимальному суммарному корреляционному отклику. Полученные нормированные сигналы для L различных направлений поступают на первые входы сумматора 16.

В блоках расчета 12 для каждого из L различных направлений

исследуемой угловой области формируют значения диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале в соответствии, например, с [1], которые передают на входы блока нормировки 18.

В блоке нормировки 18 для L различных направлений определяют максимальное значение диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале путем сравнения значений диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале различных направлений друг с другом и формируют нормированные значение диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале для L различных направлений. Нормировка выполняется путем нахождения отношения значений диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале для L различных направлений к максимальному значению. Полученные нормированные значения диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале для L различных направлений поступают на вход блока масштабирования 17. Блок масштабирования 17 формирует взвешенные значения нормированной диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале для L различных направлений путем умножения значений нормированной диаграммы направленности на весовой коэффициент α, которые поступают на второй вход сумматора 16. На выходе сумматора 16 для L различных направлений

исследуемой угловой области формируют решающую функцию, осуществляя суммирование нормированных суммарных корреляционных откликов пилот-сигнала на выходе антенной решетки и взвешенных значений диаграммы направленности антенной решетки в обратном канале. Сигнал решающей функции поступает в блок оценки угла прихода сигнала 19, в котором определяют максимальное значение решающей функции путем сравнения значений решающей функции для L различных направлений исследуемой угловой области между собой. Искомая оценка среднего угла прихода сигнала в обратном канале определяется по положению направления максимума решающей функции.

Оценка

среднего угла прихода сигнала в обратном канале поступает на вход блока формирования вектора весовых коэффициентов антенной решетки в прямом канале 6, в котором, например, согласно алгоритму из [1] определяют фазовые коэффициенты элементов антенной решетки, используя сформированную оценку среднего угла прихода с учетом геометрии антенной решетки. Амплитудные коэффициенты элементов антенной решетки устанавливают равными между собой. В конечном итоге вектор комплексных весовых коэффициентов антенной решетки прямого канала, например, для полуволновой эквидистантной антенной решетки имеет вид

где

- оценка среднего угла прихода сигнала в обратном канале.

Полученные комплексные весовые коэффициенты элементов антенной решетки используют для передачи сигнала абоненту в прямом канале.

Реферат

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к способам приема и передачи радиосигнала с применением адаптивной антенной решетки в системах связи с кодовым разделением каналов. Техническим результатом является повышение эффективности работы в сложной помехово-сигнальной обстановке в присутствии мощных помех при произвольных значениях углового сектора полезного сигнала и помех. Для достижения такого результата для каждой мобильной станции (МС) базовая станция (БС) в соответствии с выбранным критерием формирует диаграмму направленности в обратном канале и диаграмму направленности в прямом канале. Формирование диаграммы направленности в прямом канале осуществляется по сигналу обратного канала. Формирование диаграммы направленности в прямом канале основано на оценке среднего угла прихода сигнала и его углового сектора или на оценке только среднего угла прихода сигнала. При вынесении решения об угловой области полезного сигнала предлагается решающая функция, в которой реализовано подавление мощных помех. 4 н. и 4 з.п. ф-лы, 16 ил.

Формула