CN100397805C - 利用低复杂度天线阵列减少干扰 - Google Patents

Abstract

利用低复杂度天线阵列在通信装置中实现干扰减小。在至少一个实施例中，在装置工作期间以提高预定质量标准(例如SINR)的方式动态调节与低复杂度阵列中的天线单元相关的相位和幅度值。

Description

利用低复杂度天线阵列减少干扰

发明领域

一般来讲，本发明涉及通信***，更具体来讲，涉及其中所用的干扰减少技术。

发明背景

在蜂窝通信***中，通常采用多个无线基站向***内的移动用户提供通信服务。各个基站通常为与该基站相关的覆盖区或小区内的多个用户提供服务。为了允许多个用户共用一个基站，通常采用多址方案。一种越来越流行的多址技术是码分多址(CDMA)。在基于CDMA的***中，多个实质上正交的代码(通常采取伪随机噪声序列的形式)用来对***内的用户信号进行扩频调制。每个调制用户信号与其它和该基站相关的调制用户信号有重叠的频谱。但是，由于基本调制码是正交的，因此可通过利用适当代码执行相关操作来独立地对各个用户信号进行解调。

在至少一种基于CDMA的蜂窝标准中，***中的各基站维护连续传送预定导引序列的导引信道。这些导引信号则可由***中的用户用来执行例如信道估算、切换操作和/或其它功能。来自不同基站的导引信号有时通过各个基站之间的时间偏差来区分。因此，会知道具有特定时间偏差(例如与绝对时间基准相比)的导引信号来自相应的基站。可以理解，在实现CDMA的基于蜂窝的***内工作的通信装置通常将从各种不同源(例如其它基站等)接收重叠的通信信号。这些重叠信号表示***中的干扰并且会降低***性能。因此，这种干扰的任何减少都可能提高相应通信链路的质量或增加***的容量。因此，一般需要减少蜂窝通信***中干扰的方法和结构。

附图简介

图1是简化俯视图，说明能够利用本发明原理的蜂窝通信***；

图2是框图，说明根据本发明的一个实施例、能够实现减少的干扰的接收器***；

图3是框图，说明根据本发明的另一个实施例的接收器***；

图4是流程图，说明根据本发明的一个实施例、在通信装置中减少干扰的方法；以及

图5是时序图，说明与根据本发明的一个实施例的图4的方法相关的定时。

详细说明

在以下详细说明中，参照附图，附图以举例说明的方式表示可实施本发明的特定实施例。对这些实施例进行足够详细的说明，使本领域的技术人员能够实施本发明。应当理解，本发明的各种实施例虽然有所不同，但不一定是相互排斥的。例如，本文中结合一个实施例所述的特定功能、结构或特征可以在其它实施例内实现，只要不背离本发明的精神和范围。另外，应当理解，每个所公开的实施例中个别元件的位置或布置可以被修改，只要不背离本发明的精神和范围。因此，以下详细说明不应当作限制性的，本发明的范围仅由适当解释的所附权利要求书以及权利要求书涵盖的全部等效范围来限定。图中，相同的标号表示若干视图中相同或相似的功能性。

本发明涉及用于利用较低复杂度的天线配置来减少通信***中干扰的方法和结构。该方法和结构可用于例如移动通信单元(例如蜂窝电话等)中，从而减少潜在干扰信号的影响。在通信装置内提供两个或两个以上天线单元，其中至少一个具有可调加权值(例如大小和/或相位)。在***工作期间以增强预选的干扰相关质量标准(例如信号与干扰和噪声之比(SINR))的方式来修改可调单元的加权值。发明原理可在各种不同通信***和装置中实现，并且对于在实现CDMA技术的蜂窝式通信***中使用特别有益。

图1是简化俯视图，说明能够利用本发明原理的一种蜂窝通信***10。如图所示，蜂窝通信***10包括物理上分布在一个区域中的多个基站12、14。各基站12、14具有相应的覆盖区或小区16，基站12、14在其中为移动用户提供无线通信服务。本文所用的术语“正服务基站”表示当前正为特定用户提供通信服务的基站。例如，参照图1，基站14用作位于基站14的小区16内的移动用户18的正服务基站。移动用户18通常从***10内的多个基站12以及正服务基站14接收信号。如前面所述，在基于CDMA的***中，从各种基站所接收的信号可具有重叠频谱。可以理解，这些重叠信号会对***10内的通信质量产生负面影响。

图2是框图，说明根据本发明的一个实施例的接收器***20。下面将会更详细地说明，接收器***20能够在相应的通信装置内输出已经减少了干扰的接收信号。在至少一个应用中，在基于蜂窝的通信***内工作的移动通信装置内实现接收器***20。移动通信装置可包括例如蜂窝电话、寻呼机、具有无线收发信机功能性的膝上型计算机或个人数字助理(PDA)等等。如图所示，接收器***20包括：第一和第二天线单元22、24、可调增益单元26、可调相位单元28、组合器30、射频(RF)接收器32、基带处理器34以及增益和相位控制器36。第一和第二天线单元22、24可用于从周围环境接收射频(RF)通信信号。第一和第二天线单元22、24所接收的RF通信信号可包括例如来自多个不同基站的信号分量。可调增益单元26和可调相位单元28可用于以可控制方式分别改变与第一天线单元22相关的幅度和相位。组合器30组合第一和第二天线单元22、24的输出信号，并把组合信号传递到RF接收器32。

RF接收器32处理组合信号以产生基带通信信号。基带处理器34处理基带信号，以便提取与通信装置的用户相关的用户信息。基带处理器34还把从基带信号得到的信息传递到增益和相位控制器36。增益和相位控制器36利用来自基带处理器34的信息来产生用于可调增益和相位单元26、28的增益和相位控制信息。在***工作期间以降低接收器***20中干扰的方式动态调节由增益和相位控制器36所产生的增益和相位控制信息。在一个优选方法中，调节增益和相位控制信息，以便优化预选的干扰相关的质量标准(例如SINR)。这样，增益和相位控制器36可调节接收器***20的复合接收波束的位置以便有助于正服务基站，同时避免附近的其它基站(尤其是那些具有高功率的基站)。

如上所述，在RF接收器32中进行RF处理之前，在组合器30中组合第一和第二天线单元22、24的输出。这样，即使正在使用多个天线单元，在接收器***20中也只需要提供单一RF通道(例如一个中频(IF)部分、一个模数转换器等)。依靠传统的相控阵列原理来控制接收波束。各种各样不同的天线类型其中的任何一种都可用于天线单元22、24。对于手持式通信器中的应用，天线单元22、24最好是较不引人注目的较低价结构。可采用的一些天线类型包括例如微带连接天线、偶极天线、单极天线、介质天线、印刷天线、倒F天线、隙缝天线等等。在本发明的至少一个实施例中，两个(或两个以上)不同类型的天线单元被用于通信装置中。另外，对于不可调天线单元(例如第二单元24)，可采用比用于可调单元(例如第一单元22)的质量更好的天线单元，反之亦然。通信装置中的天线单元可具有相同或不同的极化。

应该理解，根据本发明，可使用两个以上天线单元，只要天线单元中至少一个具有可变幅度和/或相位以允许产生射束控制。例如，图3是框图，说明根据本发明的另一个实施例的接收器***40。如图所示，如前一个实施例中所述，***40包括第一和第二天线单元22、24。***40还包括一个或多个附加天线单元42，其中每个具有相应的可调增益单元44和可调相位单元46。在***工作期间，增益和相位控制器36把增益和相位控制信息传递到与各可调天线单元22、42相关的可调增益和相位单元。如上所述，在***工作期间以降低***40中干扰的方式动态调节由增益和相位控制器36所产生的增益和相位控制信息。可采用任何数量的可调天线单元。

图4是流程图，说明一种根据本发明的一个实施例、用于降低通信装置中干扰的方法。该方法可结合例如图2的接收器***20来实施。结合图5的时序图来说明该方法，图5的时序图说明数字***内的多个连续处理周期(即分别从(n-1)T、nT和(n+1)T开始的周期)。周期时间T可根据例如当前多普勒速率(即移动速度)来优化，这个速率在***正常工作期间可实时改变。参照图4，首先提供通信装置，其中包括第一和第二天线单元(框50)。第一天线单元具有可调加权值(幅度和/或相位)。第一和第二天线单元的输出在组合器中被组合。在处理周期开始时(例如在图5的nT)，预定加权值w(可能是复数)被应用于第一天线单元并保持τ秒(框52)。正如将要更详细说明的那样，这个预定加权值将允许对多个所关注基站其中每一个与通信装置的每一个天线单元之间的信道来估算信道响应。在至少一种方法中，预定加权值将把第一天线单元的幅度设置为零，在持续时间τ从***中有效地消除第一天线单元。但是，也可使用其它预定加权值。相同的预定加权值可在各连续周期中应用于第一天线单元，或者在连续周期中可应用不同的预定加权值。

在当前处理周期的持续时间τ中(参见图5)，为每个所关注基站估算第一和第二天线单元的组合信道响应(框54)。组合信道响应是第一和第二天线单元在组合器中组合之后的响应。利用从某个特定基站接收的导频音来估算该基站的组合信道响应。利用所接收的导频音估算信道响应的方法是已知的。可通过各种不同方式来选择所关注基站。如果足够的资源是可用的，则***中的全部基站可被视为所关注基站。在另一种方法中，***中的N个最高功率基站(即在通信装置中具有最强接收信号的基站)被选作所关注基站(其中N为正整数)。最高功率基站的列表通常保存在通信装置中，用于执行切换操作。在又一种方法中，具有超过预定门限等级的所检测功率等级的全部基站用作所关注基站。在又一个方法中，考虑来自不同基站的N个最强路径，从而定义所关注基站。本领域的技术人员很清楚，也可采用用于识别所关注基站的其它技术。

在已经估算了组合信道响应之后，对所关注基站计算与各个天线单元相关的信道响应(框56)。在至少一种方法中，通过求解两个未知数的两个方程，与前一个处理周期(例如图5中从(n-1)T到nT的周期)相关的信息被用来计算与当前处理周期(例如图5中从nT到(n+1)T的周期)的各个天线单元相关的信道响应。下面两个矢量方程分别描述在时间[nT，nT+τ]和[(n-1)T+τ，nT)组合信道响应和单独天线信道响应之间的关系：

$\left\{\begin{array}{cc}{h}_k\left(t\right)=\tilde{W}{C}_k\left(t\right)& t\∈[\mathrm{nT},\mathrm{nT}+\mathrm{\τ}]\\ h_k\left(t\right)=W_{(n-1)T}{C}_k\left(t\right)& t\∈[(n-1)T+\mathrm{\τ},\mathrm{nT})\end{array}\right.$

其中h_k(t)为在时间t与基站k(其中k＝0对应于正服务基站)相关的组合信道响应，可利用众所周知的估算技术连续估算和跟踪。C_k(t)是在时间t从基站k到各个天线的矩阵信道响应。矩阵C_k(t)的元素{C_k(t)}_ij表示在第i个天线单元上第j个路径的信道响应。下标j通常不大于相应分离多径接收器中的分支的最大数量。矢量W_(n-1)T＝(w，1)是前一个时间周期[(n-1)T+τ，nT)中的天线增益。矢量

表示采用预定加权值w的天线的矢量增益，其中在时间t＝nT应用预定加权值w并在周期[nT，nT+τ]中保持。以上已经(对各个所关注基站k)估算了时间[T，nT+τ]的组合信道响应h_k(t)。前一时段[(n-1)T，nT]的h_k(t)和W的值是已知的。用于[(n-1)T+τ，nT]时间周期的矢量W包含在时间(n-1)T+τ(参见图5)产生的、不是预定加权值的新加权值。在(n-1)T时段结束时的各个信道(C_k(t))与在时段nT开始时相等，而组合信道响应(h_k(t))则因不同的加权矢量(与W_(n-1)T相对的

)而不同。为了确定与各个天线单元相关的信道响应，在t＝nT对两个未知数求解两个矢量方程；即，各个天线单元的信道响应C_k(nT)。对各个所关注基站的各个路径进行这个操作。可对采用三个或三个以上天线单元的***执行类似的解决方案。

利用众所周知的估算技术，估算在天线上各个所关注基站的发射功率(P_k)、正服务基站的导引信号功率(P_d)以及白噪声方差矢量σ＝(σ₁，σ₂)(框58)。然后计算第一天线单元的新加权值，使预定质量标准最大(框60)。在一个实施例中，信号与干扰和噪声之比(SINR)用作质量标准。在这个实施例中，确定新加权值，使以下等式最大：

$\mathrm{SINR}=\frac{P_d{|\left({\mathrm{WC}}_0\right)*{\left({\mathrm{WC}}_0\right)}^H|}^2}{\frac{1}{\mathrm{SF}}{P}_{0}G({\left({\mathrm{WC}}_0\right)}^H*\left({\mathrm{WC}}_0\right)-\mathrm{diag}({\left({\mathrm{WC}}_0\right)}^H*\left({\mathrm{WC}}_0\right)))+\frac{1}{\mathrm{SF}}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{k}G({\left({\mathrm{WC}}_0\right)}^H*\left({\mathrm{WC}}_1\right))+\frac{1}{\mathrm{SF}}\left({\mathrm{WC}}_0\right){\left({\mathrm{WC}}_0\right)}^H\left(\left({\mathrm{\σW}}^T\right){\left({\mathrm{\σW}}^T\right)}^H\right)}$

其中SF是导引信号扩频因子，操作G(A)返回矩阵A的元素的绝对平方的总和，X^H是矩阵X的共轭转置，以及X^T是矩阵X的正规转置。应该理解，上式的分母中的最后一项与信道中的白高斯噪声有关，在一些情况下可被忽略。其它可采用的质量标准包括例如导引信号的均方差(MSE)、分离多径接收器的输出的误码率(BER)等等。在一种方法中，从预定加权值的有限集中选择新加权值。通过使用可能的加权值的有限集，能够降低整个***复杂度。

在已经确定新加权值w之后，加权值在当前处理周期的剩余时间(即下一个T-τ秒，如图5所示)被应用于第一天线单元(框62)。然后，对后续处理周期重复上述过程(框64)。这样，通信装置的接收波束被连续调节，以便在通信装置中获得降低的干扰电平。上述方法可经过修改，以便用于具有两个以上天线单元的***(例如图3的接收器***40)中。

虽然结合一些实施例对本发明进行了说明，但应当理解，只要没有背离本发明的精神和范围，可以进行各种修改和变更，正如本领域的技术人员所理解的那样。这类修改和变更被视为包含在本发明以及所附权利要求书的范围之内。

Claims (23)

1.一种在通信装置中减少干扰的方法，所述通信装置具有第一和第二天线单元以及组合所述第一和第二天线单元的输出的组合器，所述第一天线单元具有可调加权值，所述方法包括：

对于多个所关注基站中的每一个，确定所述第一和第二天线单元的单独信道响应；以及

根据所述单独信道响应来确定优化干扰相关质量标准的所述第一天线单元的加权值；

其中确定单独信道响应包括：

把预定加权值应用于所述第一天线单元；

在应用所述预定加权值的同时，估算所关注的第一基站与所述组合器的输出之间的信道的组合信道响应；以及

利用所述估算的组合信道响应来计算所述所关注的第一基站与所述第一天线单元之间的信道的单独信道响应。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述通信装置包括两个以上天线单元，其中所述组合器组合所述两个以上天线单元的输出。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

计算单独信道响应包括确定先前应用于所述第一天线单元的加权值，以及利用所述先前应用的加权值来计算所述单独信道响应。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述加权值是具有幅度相关分量和相位相关分量的复加权值。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述干扰相关质量标准包括信号与干扰和噪声之比。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述干扰相关质量标准包括误码率。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述干扰相关质量标准包括均方差。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

确定加权值包括从可能的加权值的预定集中选择加权值。

9.一种在通信装置中降低干扰的方法，包括：

提供具有第一和第二天线单元的通信装置，所述第一天线单元具有可调加权值；

在当前时间周期中把预定加权值应用于所述第一天线单元；

对于所关注的第一基站，在应用所述预定加权值的同时，估算所述第一和第二天线单元的组合信道响应；

利用所述组合信道响应来计算在所述当前时间周期中、所述第一和第二天线单元中每一个与所述所关注的第一基站之间的信道的单独信道响应；

利用所述单独信道响应来确定在所述当前时间周期中、提高干扰相关质量标准的所述第一天线单元的新加权值；以及

在所述当前时间周期中把所述新加权值应用于所述第一天线单元。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于包括：

在确定所述新加权值之前，对于多个所关注基站中的每一个，重复估算组合信道响应以及计算单独信道响应。

11.如权利要求9所述的方法，其特征在于：

计算单独信道响应包括利用来自前一时间周期的天线加权值信息。

12.如权利要求9所述的方法，其特征在于：

计算单独信道响应包括利用来自前一时间周期的组合信道响应信息。

13.如权利要求9所述的方法，其特征在于：

计算单独信道响应包括求解M个未知数的M个方程，其中M为大于1的整数。

14.如权利要求9所述的方法，其特征在于：

计算单独信道响应包括对C₁(t＝nT)求解以下方程组：

$\left\{\begin{array}{cc}{h}_1\left(t\right)=\tilde{W}{C}_1\left(t\right)& t\∈[\mathrm{nT},\mathrm{nT}+\mathrm{\τ}]\\ h_1\left(t\right)=W_{(n-1)T}{C}_1\left(t\right)& t\∈[\left(n-1\right)T+\mathrm{\τ},\mathrm{nT}]\end{array}\right.$

其中h₁(t)为在时间t对于所关注的第一基站估算的组合信道响应，W_(n-1)T是前一个周期[(n-1)T+τ，nT)中所计算的天线单元的矢量增益，C₁(t)是在时间t对于各个天线单元的所关注的第一基站的矩阵信道响应，以及

是采用预定加权值的天线的矢量增益。

15.如权利要求9所述的方法，其特征在于：

所述干扰相关质量标准包括信号与干扰和噪声之比。

16.如权利要求9所述的方法，其特征在于还包括：

对于后续时间周期，重复应用预定加权值，估算组合信道响应，计算单独信道响应，确定新加权值，以及应用所述新加权值。

17.一种通信装置，包括：

第一和第二天线单元，所述第一天线单元具有可调加权值；

组合器，组合所述第一和第二天线单元的输出以产生组合信号；以及

控制器，控制所述第一天线单元的所述可调加权值，所述控制器包括：

第一单元，对于多个所关注基站中的每一个，确定所述第一和第二天线单元的单独信道响应；以及

第二单元，利用所述单独信道响应来确定优化干扰相关质量标准的所述第一天线单元的加权值；

其中所述单独信道响应按以下过程确定：

把预定加权值应用于所述第一天线单元；

在应用所述预定加权值的同时，估算所关注的第一基站与所述组合器的输出之间的信道的组合信道响应；以及

利用所述估算的组合信道响应来计算所述所关注的第一基站与所述第一天线单元之间的信道的单独信道响应。

18.如权利要求17所述的通信装置，其特征在于包括：

至少一个附加天线单元，其中所述组合器组合所述第一天线单元、所述第二天线单元以及所述至少一个附加天线单元的输出，从而产生一个组合信号，以及其中所述第一单元对于各个所关注基站确定所述第一天线单元、所述第二天线单元以及所述至少一个附加天线单元的单独信道响应。

19.如权利要求17所述的通信装置，其特征在于：

所述控制器反复更新所述第一天线单元的所述加权值。

20.如权利要求19所述的通信装置，其特征在于：

所述控制器按照取决于与所述通信装置相关的多普勒速率的时间间隔来更新所述第一天线单元的所述加权值。

21.如权利要求17所述的通信装置，其特征在于：

所述干扰相关质量标准包括信号与干扰和噪声之比。

22.如权利要求17所述的通信装置，其特征在于：

所述第一单元定期把预定加权值应用于所述第一天线单元，以用于确定所述单独信道响应。

23.如权利要求17所述的通信装置，其特征在于：

所述第一单元利用对于各个所关注基站的所述第一和第二天线单元的组合信道响应确定所述第一和第二天线单元的所述单独信道响应。

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