[发明专利]基于多天线的联合DOA估计和波束形成的多径信号接收方法

说明书

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，具体涉及联合信号到达角（Direction of Arrival，DOA）估计和波束形成（Beamforming）技术在多载波系统接收多径信号时的一种应用领域。

技术背景

在无线正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）通信系统中，实际的通信环境为多径环境，发射信号的电波会经过不同路径到达接收端，多个路径中的传播时延和衰落均为随机的，接收端所接收的信号为多个路径信号的叠加。多径传播会引起OFDM信号在时域上发生时域波形的扩展、在频域上产生频率选择性衰落。同时，节点之间的相对移动，导致了多普勒频偏的发生，这些因素都会影响OFDM信号的正确接收，导致接收端的接收性能下降。在移动多径环境下提高通信系统性能是当前研究的热点，如何在接收端尽可能地消除多径效应的影响则是问题的关键。目前存在的方案大致分为两类：其一是在无线OFDM通信系统中使用信道纠错码、自适应调制和信道均衡技术；其中，信道均衡技术是在发送时在OFDM符号中插入特定导频，接收端利用插入的特定导频对信号进行均衡；信道纠错技术和信道均衡技术增加了信道开销，且无法完全消除频率选择性衰落对传输可靠性的影响；自适应调制技术在信道状况恶化时会选择抗干扰能力更强的调制方式，也会降低信道利用率；其二是基于多天线的分集接收技术，由于同一信号经过多径传播可能产生的不相关性，利用不同空间位置处的多天线同时去接收一个发射信号，然后合成或选取一个强信号，但这种技术无法从根本上消除多径效应所带来的影响。本发明能够很好地解决上面的问题。

发明内容

发明目的是通过联合应用信号到达角（DOA）估计和波束形成技术，对接收的多径信号进行处理，从根本上消除多径效应的影响，提高OFDM通信系统的接收性能。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：本发明提供一种基于多天线的联合DOA估计和波束形成的多径信号接收方法，该方法是利用多径信号中各个路径信号携带的空间信息不同的特性，联合应用DOA估计和波束形成技术，将接收的多径信号进行处理，在空间角度上来区分各个路径信号，分离多径信号并提取出主径信号，消除多径效应的影响，从而提高OFDM通信系统的传输性能。

多径信号接收方案包括如下：能够估计出各个路径信号的到达角、能够有效地对各个路径信号进行波束形成、有效地分离多径信号、有效地提取主径信号。本发明引入联合应用信号到达角（DOA）估计和波束形成技术，所提出的方案能从根本上解决多径效应的影响，且方法简单，容易实现，在目前所有公开报道的方案中，接收性能是最优的。

在单发多收OFDM通信系统中，本发明提出的基于多天线的联合DOA估计和波束形成的多径信号接收方法的OFDM接收机系统框图如图2所示，主要的工作模块由天线阵列、DOA估计、波束形成器以及OFDM解调模块构成；其中DOA估计和波束形成器是多径信号接收方案的核心。本发明提出了如下技术方案：利用多径信号中各个路径信号携带的空间信息不同的特性，接收端对接收信号进行DOA估计；由于多径信号的相干性，将天线阵列划分为若干子阵，计算出各个子阵接收信号的相关矩阵，并求得多个子阵相关矩阵的平均值，即为去相干后的信号相关矩阵R_X；将信号相关矩阵R_X进行特征值分解，根据得到的小特征值对应的特征向量计算信号的空间谱，空间谱中的谱峰对应各个路径信号的空间到达角θ₁,θ₂,...,θ_K；在得到路径信号的空间到达角θ₁,θ₂,...,θ_K的基础上，对各个空间角的路径信号分别进行波束形成，分别得到各个路径信号，将多径信号分离；在得到的多个路径信号中，利用OFDM解调的符号同步，将同步点最小（路径时延最小）的路径信号选取出来，即最强主径信号y_max(t)；将最强主径信号y_max(t)作为波束形成器的输出信号；对输出信号y_max(t)进行OFDM解调，包括去循环前缀（CP）、串并变换、FFT和逆映射，最后进行解码。

由于多径信号的相干性，将在接收端对接收信号进行去相干处理，即将天线阵列划分为若干子阵，计算出各个子阵接收信号的相关矩阵，并求得多个子阵相关矩阵的平均值，得到去相干后的信号相关矩阵R_X，将N根天线阵列划分成由m根天线组成的子阵列，子阵列数即为L＝N-m+1，每个子阵列的输出信号矢量Xl(t)分别为：