專利名稱：一種用于智能天線基站的寬波束形成的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及使用智能天線技術的移動通信系統(tǒng)中的寬波束形成的方法尤其適用于固定多波束和自適應波束智能天線系統(tǒng)中公用信道的接收和發(fā)射時的寬波束形成方法。
背景技術：
智能天線是近幾年來通信領域的一門炙手可熱的技術，在已被采納的第三代移動通信技術的三大標準中，我國大唐電信提交的具有自主知識產(chǎn)權的TD-SCDMA標準中，智能天線成為提高系統(tǒng)容量及覆蓋范圍的必選技術之一，同時在另外兩大主流標準WCDMA和CDMA2000中，協(xié)議為支持智能天線技術的應用提供了方便(如輔助導頻)，使智能天線成為可選的技術之一。業(yè)界對于未來第四代移動通信技術的研究表明，智能天線很可能成為4G中的必選內(nèi)容。
一般地，智能天線被分為三種類型固定多波束智能天線(波束切換)、靈活多波束智能天線(動態(tài)扇區(qū))以及自適應波束智能天線。在移動通信中，信道被分為兩種類型，即公用信道(如WCDMA標準中的公共導頻信道、同步信道(SCH)、公共控制信道(CCPCH)和隨機接入信道等)和專用信道(如專用物理控制信道DPCCH和專用物理數(shù)據(jù)信道DPDCH等)。在采用智能天線的基站中，針對用戶的專用信道根據(jù)用戶的物理位置和空間信道特性進行賦形，向一群(固定多波束)或單個用戶(自適應)進行定向接收和發(fā)射，而公用信道則面向扇區(qū)內(nèi)所有用戶進行接收和發(fā)射。對于公用信道，常用的發(fā)射和接收方法有方法1使用陣列天線進行專用信道接收和發(fā)射的同時使用附加的扇區(qū)天線和通道進行公用信道的接收和發(fā)射；方法2使用陣列天線進行專用信道的定向接收和發(fā)射的同時使用陣列通道中的其中一個通道進行公用信道的接收和發(fā)射；方法3使用陣列天線進行專用信道定向接收發(fā)射的同時通過給公用信道合適的陣列權矢量，使公用信道向全扇區(qū)發(fā)射和接收。前兩種方法使用單個通道進行公用信道的接收和發(fā)射，就會造成公用信道與專用信道的覆蓋半徑不等，而且方法1需要專門的通道，這增加了基站的成本且給安裝帶來不便。
中國專利公開號為1261989的名為無線電天線系統(tǒng)的專利中公開了一種基于上述方法3的同時形成正交窄波束和寬波束來進行專用信道和公用信道接收發(fā)射的技術，它通過Butler矩陣在射頻形成正交的窄波束用以接收和發(fā)射專用信道，同時在Butler矩陣波束端口通過給公用信道信息適當?shù)臋嗍噶?，使公用信道信號匯聚在陣列天線的其中一個陣元，而其它陣元上的公用信號為零，從而形成寬波束。這種基于將信號匯聚到某一天線陣元的寬波束形成方法，其存在的問題是1)若用于專用信道發(fā)射的窄波束在基帶形成，則勢必將寬波束信號集中到某一通道，造成功放發(fā)射功率的不平衡，限制了其在數(shù)字波束形成智能天線基站中的使用；2)由于寬波束信號匯聚于某一天線陣元，因此與上述方法1和方法2中的常規(guī)扇區(qū)天線類似，如圖5所示的，形成的寬波束扇區(qū)間的交疊區(qū)域較大，扇區(qū)間的導頻污染嚴重，處于切換區(qū)域的用戶數(shù)較多，在CDMA這樣干擾受限的系統(tǒng)中，不利于進一步提高基站的覆蓋半徑和容量；3)通過射頻形成正交窄波束，限制了一些基于陣元的自適應算法的實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于智能天線基站的寬波束形成的方法，通過使用多個通道進行公用信道的接收和發(fā)射，形成寬波束的設計思想不是讓信號匯聚于某一天線陣元，而是讓相鄰的正交窄波束在主瓣交界處同相疊加(相干合并)，陣列的所有通道都參與寬波束的形成，以便解決現(xiàn)有技術的方法1和方法2中專用信道和公用信道覆蓋一致性問題，無需專門的附加通道，本發(fā)明的技術方案如下一種用于智能天線基站的寬波束形成的方法，所述基站具有多個陣元天線，該每一陣元天線連接有一用于收發(fā)雙工、低噪聲放大的前端；該每一前端分別連接有一接收支路和一發(fā)射支路；所述接收支路進行下變頻、濾波、放大、A/D變換、成形濾波及通道校正等操作；所述發(fā)射支路進行通道校正、成形濾波、D/A變換、上變頻、濾波放大、功率放大等操作；所述基站還包括一公用信道處理單元以及一專用信道處理單元，用于對接收或發(fā)射的信號進行處理；所述處理包括以下步驟1) 形成與所述陣元天線數(shù)相等數(shù)目的固定的窄波束，這些窄波束位于一預定角度的扇區(qū)內(nèi)并兩兩正交，并計算其權值；2) 通過對所述多個窄波束擬合離線得到上下行鏈路公用信道寬波束的權值；3) 將該上下行鏈路的公用信道寬波束權值配置給公用信道波束形成單元，在考慮陣列通道校正權值的基礎上，將所述權向量與接收/發(fā)射的信號進行復數(shù)相乘，完成公用信道在所述扇區(qū)內(nèi)的接收/發(fā)射。
所述的方法，其中，所述步驟2)還包括以下步驟a)根據(jù)所述多個窄波束權值繪制窄波束方向圖，并計算相鄰兩個窄波束交界點的指向角；b)根據(jù)所述多個窄波束權值及波束交界點處的導向矢量，計算每一窄波束對其鄰近的交界點所述指向角方向入射信號的響應；c)根據(jù)該多個窄波束在相應交界點方向的響應構造一權向量矩陣，使相鄰窄波束在交界點處的同相合并，則寬波束權值等于該權向量矩陣與所述窄波束權值的矩陣乘積；d)在上述計算過程中考慮上、下行頻段的波長值不同，即可得到上、下行鏈路的公用信道寬波束權值。
所述的方法，其中，所述方法當使用單元Butler矩陣的固定多波束智能天線系統(tǒng)的射頻波束形成方案時，所述上、下行鏈路公用信道寬波束權值都等于所述權向量矩陣，并分別取各自頻段的波長值。
所述的方法，其中，所述扇區(qū)面積為120°，但不限于120°扇區(qū)。
本發(fā)明提供的一種用于智能天線基站的寬波束形成的方法，由于其采用利用現(xiàn)有的多個窄波束進行擬合從而形成一個覆蓋一定扇區(qū)的寬波束，從而陣列的所有通道都參與寬波束的形成，其產(chǎn)生了以下有益效果1)使用多個通道進行公用信道的接收和發(fā)射，專用信道和公用信道在上行接收靈敏度和下行發(fā)射功率方面基本一致，因而覆蓋半徑基本相同。
2)與傳統(tǒng)的120°扇區(qū)天線相比，扇區(qū)間的交疊區(qū)域大大減小，降低了扇區(qū)間的導頻污染，同時處于切換區(qū)域的用戶數(shù)減少，降低了由于切換引起的系統(tǒng)開銷，有助于提高系統(tǒng)容量和改善服務質(zhì)量。
3)既可以用于固定多波束的智能天線系統(tǒng)、也可以用于自適應波束的智能天線系統(tǒng)。
4)既可以用于純基帶數(shù)字波束形成的智能天線基站系統(tǒng)，也可以應用于具有Butler矩陣等射頻波束形成單元的基站系統(tǒng)中。
5)并不限于公用信道的接收和發(fā)射，根據(jù)系統(tǒng)的需要，也可以用于專用信道的接收和發(fā)射。


圖1是本發(fā)明所述的寬波束形成方法的一種實現(xiàn)框圖；圖2是本發(fā)明方法的直線陣的一般原理示意圖；圖3本發(fā)明所述的算法所應用的正交窄波束、由此擬合的寬波束方向圖以及算法中提到的窄波束交界點的示意圖；圖4是使用本發(fā)明所形成的寬波束時蜂窩基站的覆蓋示意圖；圖5是使用常規(guī)扇區(qū)天線時小區(qū)的覆蓋示意圖；圖6是在射頻形成正交窄波束時，本發(fā)明所述寬波束形成方法的實現(xiàn)框圖。
具體實施例方式
以下對本發(fā)明的較佳實施例加以詳細描述。
如圖1所示的，是本發(fā)明方法的寬波束形成的一個具體實現(xiàn)框圖，在其上行方向陣列天線1-1～1-N接收的信號分別經(jīng)過其前端2-1～2-N進行收發(fā)雙工、低噪聲放大，然后進入接收支路3-1～3-N進行下變頻、濾波、放大、A/D變換、成形濾波及通道校正等操作后送入公用信道處理單元5及專用信道處理單元6；進入該公用信道處理單元5的上行數(shù)據(jù)在上行公用信道波束形成器5-1中與配置的上行鏈路公用信道寬波束權值WOU進行加權處理，形成指向整個扇區(qū)的寬波束，再進入上行公用信道處理單元5-3中進行其它的常規(guī)信號處理；下行公用信道處理單元5-4中送來的下行方向公用信道數(shù)據(jù)在下行公用信道波束形成器5-2中與下行公用信道寬波束權值WOD進行加權處理，再送往發(fā)射支路4-1～4-N中進行通道校正、成形濾波、D/A變換、上變頻、濾波放大、功率放大等操作后，經(jīng)所述前端2-1～2-N雙工復用后通過所述陣列天線單元1-1～1-N輻射到空中，形成覆蓋全扇區(qū)的下行寬波束；公用信道通訊處理器5-5用于完成公用信道寬波束權值的配置、本單元的監(jiān)控以及與系統(tǒng)的通信等功能。專用信道處理單元6中的信號處理流程隨固定多波束和自適應波束而不同，不在本發(fā)明的敘述之列。
如圖6所示的，是本發(fā)明所述的寬波束實現(xiàn)方法在使用4單元Butler矩陣的固定多波束智能天線系統(tǒng)中的應用實例，其公用信道處理流程與圖1所示的基帶波束形成處理流程完全一致，不同之處在于配置給上下行波束形成器5-1和5-2的上下行鏈路公用信道寬波束權值都由窄波束在相應交界點方向的響應構造的權向量矩陣W｀給出，以下詳細加以說明。
具體地，本發(fā)明的用于智能天線基站中公用信道寬波束的實現(xiàn)方法，包括以下步驟(本實施例以4陣元天線為例，但本發(fā)明方法不限于4陣元的陣列天線)1)首先形成4個，即與天線陣元數(shù)相等個數(shù)的，固定的窄波束B1～B4，這4個固定的窄波束兩兩正交，其權值記為WB(WB為4×4矩陣)。在固定多波束的智能天線基站中，WB其實就是形成專用信道窄波束用的權值；在自適應波束智能天線中，WB只用來離線計算寬波束權值。
2)通過對4個窄波束擬合離線得到上、下行鏈路公用信道寬波束的權值，分別記為下行鏈路公用信道寬波束權值WOD和上行鏈路公用信道寬波束權值WOU。
e)根據(jù)步驟1)所述的權值WB繪制窄波束方向圖，并計算B1和B2兩個波束交界點的指向角 B2和B3兩個波束交界點的指向角 B3和B4兩個波束交界點的指向角 f)根據(jù)所述權值WB及波束交界點處的導向矢量，計算B1波束對 方向入射信號的響應y12，B2波束對 方向入射信號的響應y21、y22，B3波束對 方向入射信號的響應y31、y33，B4波束對 方向入射信號的相應y43；g)根據(jù)該4個窄波束在相應交界點方向的響應構造1×4的權向量W′，使相鄰波束在交界點處的同相合并，則寬波束權值WO＝W′WB；在上述計算過程中考慮上下行頻段的波長值，即可得到上下行鏈路的公用信道寬波束權值WOD和WOU。當使用4單元Butler矩陣的固定多波束智能天線系統(tǒng)的射頻波束形成方案時，如圖6所示的，所述上下行鏈路公用信道寬波束權值WOD和WOU等于所述權向量矩陣W′，并分別取各自頻段的波長值；
3)將步驟2)所述的上下行鏈路的公用信道寬波束權值WOD和WOU配置給公用信道波束形成單元，在考慮陣列通道校正權值的基礎上，權向量與接收和發(fā)射的信號進行復數(shù)相乘，從而完成公用信道在扇區(qū)內(nèi)的接收和發(fā)射。
如圖2所示的本發(fā)明方法的直線陣的基本原理圖，其由N個陣元組成的一維直線陣天線，信號s(t)以θ角入射到天線陣，陣列輸出可以表示為X(t)＝a(θ)s(t)+N(t)①其中X(t)天線陣輸出；s(t)入射信號；N(t)加性噪聲矢量；a(θ)信號s(t)的導向矢量且a(θ)=1exp(-j2π*dλsinθ)exp(-j2π*2*dλsinθ)······exp(-j2π(N-1)dλsinθ)----(2)]]>這里d相鄰陣元之間的間距；λ工作波長，一般d＝λ/2；θ.入射波與陣面法線方向的夾角；.波束指向角；N陣元個數(shù)；與某個指向角θk匹配的波束權值可以表示為wkn=exp[j*(n-1)*dλ*2π*sin(θk)]----(3)]]>其中n＝1、2、…N為陣元序號，k為波束序號，其余參數(shù)同上。
以N＝4即4陣元的直線陣為例，首先設計4個可以覆蓋120°扇區(qū)的正交窄波束，這4個窄波束依次用B1、B2、B3、B4表示，其指向角分別用θ1、θ2、θ3、θ4表示，若將公式③中的θk分別按其指向角取值、N取值為4即可得到這4個窄波束對應的權值WB=WB1WB2WB3WB4=1w12w13w141w22w23w241w32w33w341w42w43w44----(4)]]>加權求和后的波束域信號可以表示為YB＝WBX ⑤令θ在-180°～180°之間變化，并忽略噪聲的影響，則可以分別畫出對應的4個窄波束的方向圖，如圖3和圖4所示，圖中忽略了后瓣，并記B1和B2兩個波束交界點的指向角為 B2和B3兩個波束交界點的指向角為 B3和B4兩個波束交界點的指向角為 本發(fā)明的設計思想是利用現(xiàn)有的4個窄波束進行擬合從而形成一個覆蓋120°扇區(qū)的寬波束，波束擬合的原則為使4個波束的主瓣同時在交界點處同相疊加(相干合并)即B1和B2兩個波束在 處同相疊加、B2和B3兩個波束在 處同相疊加、B3和B4兩個波束在 處同相疊加，這實質(zhì)上是一個等增益相干合并的過程。如圖4所示，利用3個120°扇區(qū)的寬波束可以覆蓋全部一個蜂窩，其覆蓋效果相比于如圖5所示的常規(guī)3個單天線波束覆蓋，減少了扇區(qū)之間的交疊區(qū)域，降低了扇區(qū)間的導頻污染，同時處于切換區(qū)域的用戶數(shù)減少，降低了由于切換引起的系統(tǒng)開銷，有助于提高系統(tǒng)容量和改善服務質(zhì)量。
若第n個波束在第k個交界處的響應記為ynk，則B1波束對 方向入射信號的響應為
B2波束對 方向入射信號的響應分別為 B3波束對 方向入射信號的響應分別為 B4波束對 方向入射信號的響應為 以4個窄波束中其中1個波束為基準，這里不妨以B3波束為基準，構造權向量W′，W′WB使得4個窄波束在波束交界處全部同相疊加，則該權向量W′＝[exp(j(31-21+22-12))，exp(j(31-21))，1，exp(j(33-43))]記寬波束權值為W0＝[wO1，wO2，wO3，wO4]，而WO＝W′WB⑥公式⑥即為本發(fā)明中使用波束擬合方式得到的寬波束權值計算公式，但不是唯一的表達形式，選取不同波束作為基準，W′的取值有所差異，但基于本發(fā)明的寬波束都將一致。在實際使用中，需要分別考慮上下行工作頻點的波長值即可求得所述上下行鏈路的公用信道寬波束權值WOU和WOD。以上沒有考慮陣列通道的幅相誤差，若記陣列通道的校正權值為WC＝diag(Wc1，Wc2，Wc3，Wc4)(即陣列通道幅相誤差的倒數(shù))，進行波束加權時則只需將⑥式得到的寬波束權值WO與校正權值WO相乘即可WOC＝WOWC⑦對于使用Butler矩陣等射頻波束形成的智能天線系統(tǒng)，寬波束權值由下式?jīng)Q定WO＝W′＝[exp(j(31-21+22-12))，exp(j(31-21))，1，exp(j(33-43))] ⑧
權利要求
1.一種用于智能天線基站的寬波束形成的方法，所述基站具有多個陣元天線，該每一陣元天線連接有一用于收發(fā)雙工、低噪聲放大的前端；該每一前端分別連接有一接收支路和一發(fā)射支路；所述接收支路進行下變頻、濾波、放大、A/D變換、成形濾波及通道校正操作；所述發(fā)射支路進行通道校正、成形濾波、D/A變換、上變頻、濾波放大、功率放大操作；所述基站還包括一公用信道處理單元以及一專用信道處理單元，用于對接收或接收的信號進行處理；所述處理包括以下步驟1)形成與所述陣元天線數(shù)相等數(shù)目的固定的窄波束，這些窄波束位于一預定角度的扇區(qū)內(nèi)并兩兩正交，并計算其權值；2)通過對所述多個窄波束擬合離線得到上下行鏈路公用信道寬波束的權值；3)將該上下行鏈路的公用信道寬波束權值配置給公用信道波束形成單元，在考慮陣列通道校正權值的基礎上，將所述權向量與接收/發(fā)射的信號進行復數(shù)相乘，完成公用信道在所述扇區(qū)內(nèi)的接收/發(fā)射。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟2)還包括以下步驟a)根據(jù)所述多個窄波束權值繪制窄波束方向圖，并計算相鄰兩個窄波束交界點的指向角；b)根據(jù)所述多個窄波束權值及波束交界點處的導向矢量，計算每一窄波束對其鄰近的交界點所述指向角方向入射信號的響應；c)根據(jù)該多個窄波束在相應交界點方向的響應構造一權向量矩陣，使相鄰窄波束在交界點處的同相合并，則寬波束權值等于該權向量矩陣與所述窄波束權值的矩陣乘積；d)在上述計算過程中考慮上、下行頻段的波長值不同，即可得到上、下行鏈路的公用信道寬波束權值。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法當使用單元Butler矩陣的固定多波束智能天線系統(tǒng)的射頻波束形成方案時，所述上、下行鏈路公用信道寬波束權值都等于所述權向量矩陣，并分別取各自頻段的波長值。
全文摘要
本發(fā)明的一種用于智能天線基站的寬波束形成的方法，所述基站具有多個陣元天線，本方法包括以下步驟形成與所述陣元天線數(shù)相等數(shù)目的固定的窄波束，這些窄波束位于一預定角度的扇區(qū)內(nèi)并兩兩正交，并計算其權值；通過對所述多個窄波束擬合離線得到上下行鏈路公用信道寬波束的權值；將該上下行鏈路的公用信道寬波束權值配置給公用信道波束形成單元，在考慮陣列通道校正權值的基礎上，將所述權向量與接收/發(fā)射的信號進行復數(shù)相乘，完成公用信道在所述扇區(qū)內(nèi)的接收/發(fā)射。本發(fā)明方法減少了扇區(qū)之間的交疊區(qū)域，降低了扇區(qū)間的導頻污染，同時處于切換區(qū)域的用戶數(shù)減少，降低了由于切換引起的系統(tǒng)開銷，有助于提高系統(tǒng)容量和改善服務質(zhì)量。
文檔編號H04B7/04GK1547333SQ200310112369
公開日2004年11月17日 申請日期2003年11月28日 優(yōu)先權日2003年11月28日
發(fā)明者康鳳岐 申請人:中興通訊股份有限公司