CN100442905C - 用于群覆盖的智能天线波束赋形方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于群覆盖的智能天线波束赋形方法，预选并存储多种不同波束；根据群播用户的来波方向计算群播用户分布范围；根据群播用户分布范围选择存储的波束，实现波束赋形。本发明还可以根据计算出的计算群播用户分布范围，对赋形波束进行实时优化，以满足对各种不同的群用户空间分布的波束覆盖。本发明还公开了一种用于群覆盖的智能天线波束赋形装置，包括：波束存储单元，群播用户分布范围获取单元，波束赋形单元。利用本发明，可以使每个波束覆盖所有的群播用户，节约码道资源，降低不同用户之间的干扰。

Description

用于群覆盖的智能天线波束赋形方法及装置

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，具体涉及一种用于群覆盖的智能天线波束赋形方法及装置。

背景技术

近年来，智能天线技术已经成为移动通信中最具有吸引力的技术之一。智能天线采用空分多址(SDMA)技术，利用信号在传输方向上的差别，将同频率或同时隙、同码道的信号区分开来，最大限度地利用有限的信道资源。与无方向性天线相比较，其上、下行链路的天线增益大大提高，降低了发射功率电平，提高了信噪比，有效地克服了信道传输衰落的影响。同时，由于天线波瓣直接指向用户，减小了与本小区内其它用户之间，以及与相邻小区用户之间的干扰，而且也减少了移动通信信道的多径效应。CDMA(码分多址)***是个功率受限***，智能天线的应用达到了提高天线增益和减少***干扰两大目的，从而显著地扩大了***容量，提高了频谱利用率。

智能天线在本质上是利用多个天线单元空间的正交性，即空分多址复用功能，来提高***的容量和频谱利用率。智能天线的功能是由天线阵及与其相连接的基带数字信号处理部分共同完成的。智能天线需要解决的两个关键问题是辨识信号的方向和数字赋形的实现。智能天线的仰角方向辐射图形与每个天线元相同。在方位角的方向图由基带处理器控制，可同时产生多个波束，按照通信用户的分布，在360°的范围内任意赋形。

所谓波束赋形即根据测量以及估算参数，实现信号最优(次优)组合或者最优(次优)分配的过程。在传统波束赋形算法中，根据期望信号的来波角度计算来波在各天线单元上的相位差，赋形系数用来抵消各单元上的相位差使各单元上的来波信号同相叠加。对于传统波束赋形算法来说，对于固定方向的来波，其赋形***是固定的，因此其波束方向图的形状是固定的。

在数字集群通信***或具有群播业务特点的移动通信***中，基站给若干用户发送相同的下行数据，消息发送的覆盖范围可以是一个扇区(cell)，也可以是一个基站(BTS)或由若干个基站组成的既定区域(Area)甚至整个移动通信网。在这些***中，如果不用波束赋形，通过全向覆盖波束发射广播信息，则会对其他用户造成干扰。

传统的针对用户的波束赋形需要给每个用户分配一个码道，码道和波束一一对应，即每个码道只能用唯一的波束发射出去。对于群播业务来说，无疑造成了资源的浪费。而且由于群播用户的用户数及其空间分布都是不确定的，而传统波束赋形的波束宽度并不一定与用户空间分布的角度范围匹配，如果用户的分布范围大于赋形波束的宽度，就会有用户落在天线辐射电平较低的区域，影响该区域内用户的接收质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于群覆盖的智能天线波束赋形方法，以克服现有技术中使用传统波束赋形算法造成的资源浪费及对用户接收质量的影响，使赋形波束的宽度和用户的空间分布范围相适应，并且每个波束覆盖所有的群播用户，节约码道资源，降低不同用户间的干扰。

本发明的另一个目的是提供一种用于群覆盖的智能天线波束赋形装置，以产生与群用户的空间分布范围相适应的波束，降低用户间干扰，提高***通信质量。

为此，本发明提供如下的技术方案：

一种用于群覆盖的智能天线波束赋形方法，包括步骤：

A、预选并存储多种不同波束；

B、根据群播用户的来波方向计算群播用户分布范围；

C、根据所述群播用户分布范围选择存储的波束，实现波束赋形。

所述方法还包括步骤：

优化能够对全空间以一定间隔进行赋形的不同波束作为预选波束。

可选地，采用穷举法，或者遗传算法优化不同波束，使其半功率波瓣宽度满足预定要求。

所述步骤A进一步包括：根据波束宽度设定所述存***束的级别。

所述步骤C包括：

C1、根据所述群播用户分布范围选择赋形波束级别并计算赋形波束角度；

C2、从存储的波束中选出与所述赋形波束级别和所述赋形波束角度最接近的波束。

一种用于群覆盖的智能天线波束赋形方法，包括步骤：

A′、根据群播用户的来波方向计算群播用户分布范围；

B′、根据所述群播用户分布范围计算赋形波束角度；

C′、根据所述赋形波束角度设定赋形权矢量初值；

D′、优化所述赋形权矢量初值，调整所述赋形波束的半功率波瓣宽度，

优选地，通过下述过程计算群播用户分布范围：

a)、估计所述群播用户的来波方向；

b)、计算所述群播用户的来波角度；

c)、根据所述来波角度确定所述群播用户分布范围。

优选地，所述计算所述群播用户的来波角度具体为：通过对每个群播用户的训练序列估计得到所述群播用户的来波角度。

优选地，所述根据所述来波角度确定所述群播用户分布范围具体为：

通过下式计算所述群播用户分布范围：

其中，max(Δ)表示相邻两用户角度差的最大值。

优选地，通过下式计算所述赋形波束角度：

其中，

函数round表示取最接近的整数；

为赋形矢量的指向精度；

(m＝1，…，M)为各用户的来波角度，并且

一种用于群覆盖的智能天线波束赋形装置，包括：

波束存储单元，用于存储不同级别且能够对全空间以一定间隔进行赋形的多组波束；

群播用户分布范围获取单元，用于根据群播用户的来波方向获取群播用户的分布范围；

波束赋形单元，分别耦合于所述波束存储单元和所述群播用户分布范围获取单元，用于根据所述群播用户分布范围获取单元的输出结果从所述波束存储单元中选出与所述群播用户的空间分布相匹配的波束。

优选地，所述装置还包括：

波束优化单元，耦合于所述波束存储单元，用于对需要存储的多组波束进行优化，使各波束的半功率波瓣宽度满足预定要求，半功率角度外的增益为预定值。

所述群播用户分布范围获取单元包括：

来波方向估计单元，用于估计该群播内所有用户的来波方向；

来波角度计算单元，耦合于所述来波方向估计单元，用于根据所述来波方向估计单元的估计结果计算该群播内所有用户的来波角度；

分布范围确定单元，耦合于所述来波角度计算单元，用于根据所述来波角度计算单元的输出结果确定群播用户分布范围。

所述波束赋形单元包括：

波束级别选择单元，用于根据所述群播用户分布范围确定赋形波束的级别；

波束方向选择单元，用于根据所述群播用户分布范围确定赋形波束的方向；

赋形波束输出单元，分别耦合于所述波束级别选择单元和所述波束方向选择单元，用于根据确定的赋形波束的级别和方向从所述波束存储单元中选出对应的波束。

一种用于群覆盖的智能天线波束赋形装置，包括：

群播用户分布范围获取单元，用于根据群播用户的来波方向获取群播用户分布范围；

波束方向选择单元，耦合于所述群播用户分布范围获取单元，用于根据所述群播用户分布范围获取赋形波束角度；

赋形权矢量设置单元，耦合于所述波束方向选择单元，用于根据所述赋形波束角度设定赋形权矢量初值；

波束优化单元，耦合于所述赋形权矢量设置单元，用于对赋形权矢量初值进行优化，使优化后的波束的半功率波瓣宽度满足预定要求，半功率角度外的增益为预定值。

由以上本发明提供的技术方案可以看出，本发明通过估计群播用户的来波方向并计算用户的分布范围，根据计算结果计算赋形波束的角度。然后根据赋形波束的角度从预先存储的、不同等级的波束中选出与群播用户空间分布范围最接近的波束，实现波束赋形；或者根据计算出的赋形波束角度对赋形波束进行实时优化，从而得到能够覆盖群内所有用户的波束。由于每个波束对应一个码道，因此大大节约了码道资源；而且该赋形波束与群播用户的空间分布范围相匹配，有效地降低了对其他用户的干扰。

附图说明

图1是本发明方法的第一实施例实现流程图；

图2是八单元均匀圆阵示意图；

图3是预存储的三个级别的赋形波束方向示意图；

图4是选出的赋形波束示意图；

图5是本发明方法的第二实施例实现流程图；

图6是本发明装置的第一实施例结构框图；

图7是本发明装置的第二实施例结构框图；

图8是本发明装置的第三实施例结构框图。

具体实施方式

本发明的核心在于在具有群播业务的移动通信***中，根据群播用户的空间分布范围选择合适的波束进行覆盖。首先优化不同的波束作为预选波束存储在***中，对这些波束设定不同的级别，然后估计群播用户的来波方向并计算用户的分布范围，根据计算结果选择赋形波束的级别并计算赋形波束的角度。

本技术领域人员知道，智能天线采用两个以上的单天线阵元组成天线阵，每个阵元接收到的信号经过射频处理后用适当的权值进行加权求和，可以达到定向接收的效果，一个权矢量对应着一定的波束方向图。加权的实质是一种空间滤波，智能天线也可以认为是一种SDMA(空分多址)技术。在SDMA中通过天线阵列接收信号，并通过数字信号处理进行数字波束赋形，也就是通过调整天线阵列所接收信号的相位和幅度使所需信号得到加强，而使其他干扰信号得以削弱，最终使所需信号的信噪比最大。

智能天线一般分为两种。一种是预多波束智能天线，即预先设定一些指向不同方向的波束权值，在通信过程中选择接收信号比较好的那些波束权值加权结果进行后续处理。另一种是自适应智能天线，这种天线的权值不需要预先设置，而是根据信号空间分布特性的变化而按一定准则不断更新权值，权值的幅度和相位都可以自由更新，当算法收敛时这种方法能充分利用期望用户信号和干扰信号的空间特性使接收到的信号的信干噪比达到最大。

本发明即针对群播用户的分布特点，通过估计群播用户的来波方向并计算用户分布范围，计算赋形波束的角度，根据计算结果对波束赋形，从而形成与群播用户的空间分布范围相适应的波束。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

参照图1所示本发明方法的第一实施例的实现流程，包括以下步骤：

步骤101：预选并存储多种不同波束，这些波束能够对全空间以一定的间隔进行赋形。

为了得到能够满足不同群覆盖的波束，可以先对各种不同的波束进行优化，优化的准则是使其半功率波瓣宽度满足一定的要求，比如波束宽度为50°、120°和360°，使其半功率角度外的增益尽量低，比如，副瓣电平不高于-15dB。

在对不同波束进行优化时，根据***实际需要，可以采用穷举法，或者遗传算法等。

为了方便对波束的选取，还可以按照波束宽度存***束的级别。这样，某一级别的波束就对应一组能够对全空间以一定间隔进行赋形的波束，也就是说对应一组宽度相同、指向不同的波束。

步骤102：根据群播用户的来波方向计算群播用户分布范围。

首先估计该群播组内所有用户的来波方向，计算各用户的来波角度，然后根据计算出的来波角度确定群播用户的分布范围。

可以根据该群播组内各用户的信道冲激响应来估计用户的来波方向，也可以根据不同天线接收的同一用户信号来估计用户的来波方向。

假设群播组内的用户数为M，则各用户的来波角度为

m＝1，…，M，记且有

用户的来波角度可以通过对每个用户的训练序列的估计得到。

记Δ(K)为相邻两个用户的来波角度差，即

则群播用户分布范围为：

步骤103：根据群播用户分布范围选择存储的波束，实现波束赋形。

首先，假设存储的各级别波束的宽度为BW_n，n＝1，…，N，且BW₀＝0°，根据上面计算的群播用户分布范围

和存储的各级别波束宽度BW_n，选择满足下列条件的波束级别n₀：

然后，在该级别的一组波束中选出与所需的赋形波束角度最接近的波束。

可以通过下式计算赋形波束的角度：

其中，

为赋形矢量的指向精度，即同一级别内存储的相邻波束的角度差，例如每隔1°存储一个赋形波束，则其值为1°。在实际应用中，可以根据***处理能力或者期望的精度确定，该值越小则精度越高。

函数round表示取最接近的整数，即对估计出的赋形波束角度进行量化，也就是说将估计出的来波角度量化到存储的预设权矢量的指向上。

例如：估计出的来波角度

而赋形权矢量的指向精度为5°，则

于是，赋形权矢量为

这样，即可从预存储的多个不同级别的波束组中选出与群播用户的空间分布范围相适应的赋形波束。

由于每个波束对应一个码道，而本发明中选出的赋形波束能够覆盖所有的群播用户，因此节约了码道资源；而且该赋形波束与群播用户的空间分布范围相匹配，降低了对其他用户的干扰。

下面举例详细说明本发明对用于群覆盖的波束赋形的处理过程。

参照图2所示八单元均匀圆阵示意图：

针对由全向天线单元构成的八单元均匀环形阵列进行波束赋形，环形阵半径为0.6个波长。

假设群播组内有4个用户，并且在全空间均匀分布。

首先，对波束优化和预存储：

预存储的3个级别波束的赋形方向如图3所示，其中，第1个级别波束S1的宽度为35°，第2个级别波束S2的宽度为80°，第3个级别波束S3的宽度为360°，即全向波束。这3个级别波束在各个方向的赋形权系数存储在***中，记为

，n＝1，…，3

为空间方位角的离散值，间隔为1°。

然后，估计群播用户的来波方向并计算用户分布范围：

估计的4个用户的来波角度分别为159°、123°、114°、132°，则

计算得到用户分布范围

第三步，选择赋形波束的级别和计算赋形波束的角度：

根据

选择第2级波束，赋形方向为：

取出对应该等级及方向的赋形权矢量为：

最终的赋形波束如图4所示。

上述将波束预存是为了计算上的简化，在实际应用中，也可以根据计算结果预设赋形波束，然后对其进行实时优化，得到与群播用户空间分布范围相适应的赋形波束。

参照图5所示本发明方法的第二实施例的流程图，包括以下步骤：

步骤501：根据群播用户的来波方向计算群播用户分布范围。

首先估计该群播组内所有用户的来波方向，计算各用户的来波角度，然后根据计算出的来波角度确定群播用户的分布范围。

可以根据该群播组内各用户的信道冲激响应来估计用户的来波方向，也可以根据不同天线接收的同一用户信号来估计用户的来波方向。

假设群播组内的用户数为M，则各用户的来波角度为

m＝1，…，M，记

且有

用户的来波角度可以通过对每个用户的训练序列的估计得到。

记Δ(K)为相邻两个用户的来波角度差，即

则群播用户分布范围为：

步骤502：根据群播用户分布范围计算赋形波束角度。

可以通过公式(4)计算赋形波束的角度：

其中，

为赋形矢量的指向精度，在实际应用中，可以根据***处理能力或者期望的精度确定，该值越小则精度越高；

函数round表示取最接近的整数，即对估计出的赋形波束角度

进行量化，也就是说将估计出的来波角度量化到存储的预设权矢量的指向上。

步骤503：根据赋形波束角度设定赋形权矢量初值；

步骤504：优化设定的赋形权矢量初值，得到与群播用户分布范围相匹配的赋形波束，使得到的赋形波束的半功率波瓣宽度满足一定的要求，半功率角度外的增益尽量低，达到期望的值。优化方法可以有多种，比如穷举法、遗传算法等。

为了实现上述用于群覆盖的波束赋形，本发明还提供了一种实现该方法的装置。

参照图6所示本发明装置的第一实施例结构框图：

本发明装置包括：波束存储单元61、群播用户分布范围获取单元62和波束赋形单元63。

波束存储单元61存储不同级别且能够对全空间以一定间隔进行赋形的多组波束。

群播用户分布范围获取单元62根据群播用户的来波方向获取群播用户的分布范围。首先由来波方向估计单元621估计该群播内所有用户的来波方向，然后由连接于来波方向估计单元621的来波角度计算单元622根据来波方向估计单元的估计结果计算该群播内所有用户的来波角度，然后再由连接于来波角度计算单元622的分布范围确定单元623根据来波角度计算单元的输出结果确定群播用户分布范围。

波束赋形单元63分别与波束存储单元61和群播用户分布范围计算单元62相连，用于根据群播用户分布范围计算单元的输出结果从波束存储单元中选出与群播用户的空间分布相匹配的波束。

波束赋形单元63包括：波束级别选择单元631、波束方向选择单元632和赋形波束输出单元633。由波束级别选择单元631根据群播用户分布范围确定赋形波束的级别，由波束方向选择单元632根据群播用户分布范围确定赋形波束的方向；然后由赋形波束输出单元633根据确定的赋形波束的级别和方向从波束存储单元中选出对应的波束，并将其赋形权矢量输出。

图7是本发明装置的第二实施例结构框图：

首先由波束优化单元64对需要存储的多组波束进行优化，使各波束的半功率波瓣宽度满足预定要求，半功率角度外的增益为预定值；将优化后的波束存储到波束存储单元61中。由群播用户分布范围获取单元62根据群播用户的来波方向获取群播用户的分布范围。由波束赋形单元63根据群播用户分布范围计算单元的输出结果从波束存储单元中选出与群播用户的空间分布相匹配的波束。

参照图8，图8是本发明装置的第三实施例的结构框图：

该装置包括：群播用户分布范围获取单元62、波束方向选择单元632、赋形权矢量设置单元65和波束优化单元64。

群播用户分布范围获取单元62根据群播用户的来波方向获取群播用户分布范围，然后由波束方向选择单元632根据群播用户分布范围获取赋形波束角度，由赋形权矢量设置单元65根据赋形波束角度设定赋形权矢量初值，由波束优化单元64对由赋形权矢量初值赋形的波束进行实时优化，使优化后的波束的半功率波瓣宽度满足预定要求，半功率角度外的增益为预定值。

虽然通过实施例描绘了本发明，本领域普通技术人员知道，本发明有许多变形和变化而不脱离本发明的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本发明的精神。

Claims (15)

1、一种用于群覆盖的智能天线波束赋形方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

A、预选并存储多种不同波束；

B、根据群播用户的来波方向计算群播用户分布范围；

C、根据所述群播用户分布范围选择存储的波束，实现波束赋形。

2、根据权利要求1所述的用于群覆盖的波束赋形方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：

优化能够对全空间以一定间隔进行赋形的不同波束作为预选波束。

3、根据权利要求2所述的用于群覆盖的波束赋形方法，其特征在于，采用穷举法，或者遗传算法优化不同波束，使其半功率波瓣宽度满足预定要求。

4、根据权利要求1所述的用于群覆盖的波束赋形方法，其特征在于，所述步骤A进一步包括：

根据波束宽度设定所述存***束的级别。

5、根据权利要求4所述的用于群覆盖的波束赋形方法，其特征在于，所述步骤C包括：

C1、根据所述群播用户分布范围选择赋形波束级别并计算赋形波束角度；

C2、从存储的波束中选出与所述赋形波束级别和所述赋形波束角度最接近的波束。

6、一种用于群覆盖的智能天线波束赋形方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

A′、根据群播用户的来波方向计算群播用户分布范围；

B′、根据所述群播用户分布范围计算赋形波束角度；

C′、根据所述赋形波束角度设定赋形权矢量初值；

D′、优化所述赋形权矢量初值，调整所述赋形波束的半功率波瓣宽度，得到与所述群播用户分布范围相匹配的赋形波束。

7、根据权利要求1至6任一项所述的用于群覆盖的波束赋形方法，其特征在于，通过下述过程计算群播用户分布范围：

a)、估计所述群播用户的来波方向；

b)、计算所述群播用户的来波角度；

c)、根据所述来波角度确定所述群播用户分布范围。

8、根据权利要求7所述的用于群覆盖的波束赋形方法，其特征在于，所述步骤b)具体为：通过对每个群播用户的训练序列估计得到所述群播用户的来波角度。

9、根据权利要求7所述的用于群覆盖的波束赋形方法，其特征在于，所述步骤c)具体为：

通过下式计算所述群播用户分布范围：

其中，max(Δ)表示相邻两用户角度差的最大值。

10、根据权利要求5或6所述的用于群覆盖的波束赋形方法，其特征在于，通过下式计算所述赋形波束角度：

其中，

函数round表示取最接近的整数；

为赋形矢量的指向精度；

为各用户的来波角度，并且

11、一种用于群覆盖的智能天线波束赋形装置，其特征在于，包括：

波束存储单元，用于存储不同级别且能够对全空间以一定间隔进行赋形的多组波束；

群播用户分布范围获取单元，用于根据群播用户的来波方向获取群播用户的分布范围；

波束赋形单元，分别耦合于所述波束存储单元和所述群播用户分布范围获取单元，用于根据所述群播用户分布范围获取单元的输出结果从所述波束存储单元中选出与所述群播用户的空间分布相匹配的波束。

12、根据权利要求11所述的用于群覆盖的智能天线波束赋形装置，其特征在于，所述装置还包括：

波束优化单元，耦合于所述波束存储单元，用于对需要存储的多组波束进行优化，使各波束的半功率波瓣宽度满足预定要求，半功率角度外的增益为预定值。

13、根据权利要求11所述的用于群覆盖的智能天线波束赋形装置，其特征在于，所述群播用户分布范围获取单元包括：

来波方向估计单元，用于估计该群播内所有用户的来波方向；

来波角度计算单元，耦合于所述来波方向估计单元，用于根据所述来波方向估计单元的估计结果计算该群播内所有用户的来波角度；

分布范围确定单元，耦合于所述来波角度计算单元，用于根据所述来波角度计算单元的输出结果确定群播用户分布范围。

14、根据权利要求11所述的用于群覆盖的智能天线波束赋形装置，其特征在于，所述波束赋形单元包括：

波束级别选择单元，用于根据所述群播用户分布范围确定赋形波束的级别；

波束方向选择单元，用于根据所述群播用户分布范围确定赋形波束的方向；

赋形波束输出单元，分别耦合于所述波束级别选择单元和所述波束方向选择单元，用于根据确定的赋形波束的级别和方向从所述波束存储单元中选出对应的波束。

15、一种用于群覆盖的智能天线波束赋形装置，其特征在于，包括：

群播用户分布范围获取单元，用于根据群播用户的来波方向获取群播用户分布范围；

波束方向选择单元，耦合于所述群播用户分布范围获取单元，用于根据所述群播用户分布范围获取赋形波束角度；

赋形权矢量设置单元，耦合于所述波束方向选择单元，用于根据所述赋形波束角度设定赋形权矢量初值；

波束优化单元，耦合于所述赋形权矢量设置单元，用于对赋形权矢量初值进行优化，使优化后的波束的半功率波瓣宽度满足预定要求，半功率角度外的增益为预定值。

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