CN101291164B - 智能天线的波束赋形方法及基带信号处理器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能天线的波束赋形方法，包括步骤：获取各天线上下行通路状态；对上下行通路状态都正常的天线的上行数据进行计算，得到特征矢量；对所述特征矢量取共轭作为下行波束赋形系数。利用本发明，能够保证智能天线部分故障时，利用剩余天线进行下行波束赋形的优化和调整，提高下行赋形的准确性和赋形增益，并且能够降低对非赋形用户的干扰，保证网络的下行服务质量。同时，本发明还提供一种基带信号处理器。

Description

智能天线的波束赋形方法及基带信号处理器

技术领域

本发明涉及智能天线技术领域，特别是，提供一种智能天线的波束赋形方法，以及实现此方法的基带信号处理器。

背景技术

智能天线（SA）是移动通信***中抗多径衰落的关键技术，它使基站（NodeB）收发信机工作于选择性接收和发射状态，减少了多径衰落，其实质是空间域自适应滤波技术。智能天线通常被定义为一种安装于移动无线接入***基站侧的天线阵列，通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元，获取基站和用户设备（UE）之间各个链路的方向特性。

智能天线采用波束赋形技术提高空间滤波效果，波束赋形一定程度上还具有抗多径效果。波束赋形的基本原理是通过改变各天线单元的权重，在空间形成方向性波束，主波束对期望UE的信号进行跟踪，而在干扰UE方向形成零陷，这样就大大降低了***的干扰，提高了频率利用率。目前，在NodeB设备中的基带信号处理器中完成全部基带数字信号的处理功能，包括波束赋形算法。此基带信号处理器使用软件无线电的概念，主要工作是在单片机（MCU）、数字信号处理器（DSP）和可编程逻辑器件（FPGA或CPLD）等通用硬件平台上完成。

目前智能天线的波束赋形算法主要包括以下两种：

1）特征向量法（Eigenvalue Based Beamforming，EBB）

EBB算法的基本思路是：对于整个波束空间，找到使接收信号功率最大的赋形权矢量，通过对用户空间相关矩阵进行特征分解，找到最大特征值对应的特征向量即为权矢量。

可见，EBB算法是一种自适应的波束赋形算法，方向图没有固定的形状，随着信号及干扰而变化。其原则是使期望用户接收功率最大的同时，保证对其他用户干扰最小。

2）波束扫描法（Grid of Beam，GOB）

GOB算法是利用信道的空域参数，使NodeB实现下行指向性发射。GOB算法的基本思路是：将整个空间分为L个区域，并为每个区域设置一个初始角度；以各个区域的初始角度的方向向量为加权系数，计算接收信号功率，然后找到最大功率对应的区域，再将该区域的初始角度当作估计的到达角。利用上下行信道对称的特点，确定赋形角度。

可见，GOB算法是一种固定波束扫描方法，对于固定位置的用户，其波束指向是固定的，波束宽度也随着天线阵元数目而确定；当用户在小区移动时，它通过测量确定用户信号来波方向（DOA），然后根据信号来波方向选取预先设定的波束赋形系数进行加权，将方向图的主瓣对准用户方向，从而提高用户的信噪比。

两种算法相比，EBB得到的是全局最优解，而GOB得到的是局部最优解；在城区，无线传播环境很恶劣，EBB算法的优势更加明显。目前包括上述两种算法在内，波束赋形都是利用信道上下行对称的特点，基于上行天线计算得到的特征向量用于确定下行各天线的波束赋形系数。

由于智能天线阵元数较多，对天线上下行通路性能的检测和天线校准是运行维护的一项重要工作。但是，在实际网络运行中，不可避免会发生个别天线通路故障的情况，天线数目的减少会对下行波束赋形带来不良影响，特别是出现故障的天线通路上下行不对称的情况，采用目前基于上下行对称特性的天线赋形算法势必不够准确。

例如，现假设存在编号0-7对天线，由于某种原因导致编号0的上行通路损坏、编号为7的下行通路损坏。那么，按照现有的波束赋形算法，在上行处理时，会计算编号1-7的天线特征矢量；在下行波束赋形时，会利用上行编号1-7的天线特征矢量，但是由于编号7的下行故障，那么只能基于编号1-6天线进行下行波束赋形。可见，当出现这种情况时，上行是基于编号1-7共7根天线得出特征矢量的，而下行则仅基于编号1-6共6根天线进行波束赋形，不能满足波束赋形原理需要满足的上下行对称性的原则。

可见，对于出现部分天线故障的情况，如果采用现有波束赋形算法，会导致下行波束不能对准UE、被赋形UE的接收功率降低，并增加对其他UE的下行干扰的后果。

发明内容

有鉴于此，本发明提供智能天线的波束赋形方法和基带信号处理器，在部分天线出现故障时，保证下行波束赋形的准确性。

为此，本发明采用如下技术方案：

一种智能天线的波束赋形方法，包括步骤：获取各天线上下行通路状态；分别对各天线上下行通路状态作“与”操作，“与”操作有效的天线被确定为上下行通路状态都正常；对上下行通路状态都正常的天线的上行数据进行计算，依据最大功率准则、最大信噪比准则或最大信干比准则得到特征矢量；对所述特征矢量取共轭作为天线下行波束赋形系数。

上述方法还包括：按照下行波束赋形系数分配下行发送功率。

一种基带信号处理器，包括：天线校准模块：获取天线上下行通路状态；所述处理器还包括：上行处理模块：从所述天线校准模块获取天线上下行通路状态，分别对所述各天线上下行通路状态作“与”操作，“与”操作有效的天线被确定为上下行通路状态都正常的天线，对所述上下行通路状态都正常的天线所接收的上行数据进行计算，依据最大功率准则、最大信噪比准则或最大信干比准则得到特征矢量；下行处理模块：从所述上行处理模块获取所述特征矢量，对所述特征矢量取共轭，作为天线下行波束赋形系数。

所述下行处理模块，还用于依据所述下行波束赋形系数，分配下行发送功率。

一种智能天线的波束赋形方法，包括步骤：设置上行来波方向与天线阵列的响应矢量的对应关系；获取各天线上下行通路状态，分别对所述各天线上下行通路状态作“与”操作，“与”操作有效的天线被确定为上下行通路状态都正常的天线，依据最大功率准则、最大信噪比准则或最大信干比准则计算得到各上行通路正常天线的上行数据的特征矢量，并基于所述特征矢量依次与预设的天线阵列的响应矢量进行相关计算，得到所述天线阵列在各个来波方向上的接收增益；确定最大增益对应的最大来波方向，选择最大来波方向对应的响应矢量，对所述最大来波方向对应的响应矢量取共轭作为天线下行波束赋形系数。

所述上行来波方向与天线阵列的响应矢量的对应关系，是依据天线类型、天线数目、天线间距和天线工作频点计算得出的。

所述方法还包括：按照下行波束赋形系数分配下行发送功率。

一种基带信号处理器，包括：天线校准单元：用于获取天线上下行通路状态；所述处理器还包括：预置单元：预置有上行来波方向与天线阵列的响应矢量的对应关系；上行处理单元：从所述天线校准单元获取天线上下行通路状态，分别对所述各天线上下行通路状态作“与”操作，“与”操作有效的天线被确定为上下行通路状态都正常的天线，对上行通路状态正常的天线所接收的上行数据进行计算，依据最大功率准则、最大信噪比准则或最大信干比准则得到特征矢量；增益计算单元：利用所述预置单元提供的预设的天线阵列的响应矢量及上行处理单元提供的特征矢量进行相关计算，得到所述天线阵列在各个来波方向上的接收增益；下行处理单元：确定最大增益对应的最大来波方向，对最大来波方向对应的响应矢量取共轭，作为下行波束赋形系数。

所述下行处理单元，还用于依据所述下行波束赋形系数，分配下行发送功率。

对于上述技术方案的技术效果分析如下：

利用本发明提供的方法或基带信号处理器，能够保证智能天线部分故障时，利用剩余天线进行下行波束赋形的优化和调整，提高下行赋形的准确性和赋形增益。并且。能够降低对非赋形用户的干扰，保证网络的下行服务质量。

附图说明

图1为本发明实施例一流程图；

图2为本发明实施例一基带信号处理器示意图；

图3为本发明实施例二流程图；

图4为本发明实施例二扇区天线示意图；

图5为本发明实施例二基带信号处理器示意图。

具体实施方式

本发明针对天线部分故障时，提出的基于剩余可用天线实现准确的波束赋形的方法。下面结合附图，对本发明实施例作详细介绍。

如前已述，现有波束赋形算法主要包括EBB和GOB两种，而且各自特点不同。本发明正是基于现有这两种算法，从而提出适应部分天线故障情况下，也能保证准确进行波束赋形的方式。

首先介绍本发明实施例一：

EBB方法原理是基于上下行信道的对称性，通过上行信道估计、利用空间矩阵特性，获得下行波束赋形系数。天线校准是两个方向分别进行的，如果收发两个方向天线故障的状态一致，则基于上行剩余的有效天线计算得到的特征矢量可以全部用于下行相对应的有效天线上进行赋形系数计算，上下行对称性可以尽量保证赋形效果。但是，正如前面分析，对于收发两个方向天线故障不一致的情况，例如上行可用天线数目大于下行天线数目的情况，会出现下行发送仅使用部分上行信息的情况，不能够满足波束赋形的上下行对称的要求。

本发明实施例一正是针对这种天线上下行故障不对称的情况，对现有EBB算法进行改进，提供一种波束赋形的方法。

概括而言，实施例一中波束赋形方法是这样实现的：在计算上行特征矢量时，同时考虑天线的上行状态和下行状态，也就是仅对上下行都正常的天线利用EBB计算特征矢量；相应地，在确定下行波束赋形系数时，依据的上行特征矢量自然能够满足上下行都正常的条件，不会造成由于上下行信息不对称而造成赋形不准确的问题。

参见图1，为实施例一流程图。

实施例一包括：

步骤101：获取各天线的上行通路状态x_i和下行通路状态y_i，其中i代表天线编号、x表示上行、y表示下行；

步骤102：将天线上行通路状态x_i和天线下行通路状态y_i作“与（and）”操作，得到输出z_i；

即：z_i=x_i^y_i

那么，z_i表示x_i和y_i都有效的情况，也就是天线上下行通路状态都正常；而对于某一方向有故障的天线，其z_i=0。

步骤103：对z_i有效的天线上的上行数据进行计算，得到此天线对应的特征矢量w_i；

其中，计算特征矢量可采用最大功率准则、最大信噪比准则或最大信干比准则，这些准则都是对信号空间协方差矩阵特征值的分解。

不同之处在于，最大功率准则时采用UE信号协方差矩阵；最大信噪比准则是采用UE信号协方差矩阵和噪声协方差矩阵；而最大信干比准则是采用UE信号协方差矩阵和干扰协方差矩阵。

步骤104：对有效的w_i取共轭得到r_i，作为下行波束赋形系数；

由于在下行发送数据时仅在下行通路状态正常的天线上进行，而且，步骤104利用的w_i是基于上下行通路状态都正常的天线上实现的，那么，只会在上下行两个方向都有效的天线上进行下行数据的发送。这样，上行计算特征矢量与下行计算赋形系数所基于的天线是完全对称的，满足波束赋形所要求的上下行信道对称的要求。

在计算下行发送功率时，采用对多天线的发送总功率作归一化处理的方式，保证发送功率分配在上下行两方向都有效的天线上。对于波束赋形系数r_i=0的天线，不进行功率分配。

还以编号0-7对天线为例，仍假设编号0的上行有故障，而编号7的下行有故障。那么，采用本实施例上述步骤即可解决现有方法存在的信息不对称的问题。原因在于，在进行上行特征矢量计算时，是基于上下行都正常的天线进行的，自然将编号0和编号7的排除在外，也就是计算编号1-6的天线的数据的特征矢量；而在下行波束赋形系数确定时，利用的也是编号1-6天线的特征矢量，有效解决了现有技术中存在的上下行信息不对称的问题。

正如前面已经介绍，执行波束赋形的实体是NodeB设备中的基带信号处理器。参见图2，为实施例一基带信号处理器的结构示意图。

从图2可知，实施例一提供的基带信号处理器包括天线校准模块201、上行处理模块202和下行处理模块203。

天线校准模块201主要负责监控各天线上下行通路状态，并且将监测的情况告知上行处理模块202以及下行处理模块203。

上行处理模块202负责对各天线的上行数据进行处理，主要是指计算出有效天线的特征矢量。正如前面对波束赋形方法的介绍，上行处理模块202对天线校准模块201提供的各天线的上行通路状态和下行通路状态首先进行“与”操作，然后仅对经“与”操作有效的天线进行特征矢量的计算。这里，计算特征矢量仍可以采用如前已述的最大功率准则、最大信噪比准则或最大信干比准则。

下行处理模块203负责计算下行波束赋形系数，它是依据天线校准模块201提供的天线下行通路状态以及上行处理模块202提供的特征矢量进行计算的。由于上行处理模块202已经保证计算的特征矢量是基于上下行都正常的天线进行的，那么，利用上行特征矢量获得的下行波束赋形系数自然也满足上下行通路都正常。

下行处理模块203在分配下行发送功率时，仅在波束赋形系数不为0的天线上进行，保证仅在上下行通路都正常的天线上发送数据，满足上下行对称的波束赋形的要求。

利用实施例一提供的方法或基带信号处理器，能够保证智能天线部分故障时，利用剩余天线进行下行波束赋形的优化和调整，提高下行赋形的准确性和赋形增益，并且能够降低对非赋形用户的干扰，保证网络的下行服务质量。

下面介绍本发明实施例二：

GOB算法原理是预先计算出若干固定方向波束的多天线的赋形系数、并存储在列表中，然后根据一定准则计算出信号主径的来波方向，从列表中搜索出来波方向的赋形系数。

概括而言，实施例二中波束赋形方法是这样实现的：采用所有上行有效天线的接收数据进行计算来波角度AOA，基于AOA查询预先设置的响应矢量列表，进而获取赋形系数，采用所有下行有效的天线进行下行波束赋形。

参见图3，为实施例二流程图。

实施例二包括：

步骤301：根据天线参数，设置上行来波方向与天线阵列的响应矢量的对应关系；

其中，天线参数包括天线类型、天线数目、天线间距以及天线工作频点等。可将各来波方向与天线阵列的响应矢量的对应关系存储于一个列表中，以便后续查找使用。

请参见图4，为扇区天线示意图。以8天线的扇区天线阵列为例，根据图中天线单元的排列以及坐标定义，各个来波方向的阵列响应矢量可以表示为：

其中：

k=2π/λ；λ=c/f

为来波方向角度；n=0,…,7是天线编号；λ为波长；f为工作频率；d为两个相邻天线单元的间距。

步骤302：获取各天线的上行通路状态和下行通路状态；

步骤303：对所有上行方向有效的天线接收的数据进行计算，生成各天线对应的特征矢量对于上行故障的天线，所对应的特征矢量为0；

其中，计算特征矢量的方法和实施例一中的步骤103中的类似，在此不再赘述。

步骤304：将特征矢量依次与预置的天线阵列的响应矢量进行相关计算，获得天线阵列在各个方向的接收增益值，取增益值最大者所对应的来波方向

即为最大来波方向；

增益值具体计算公式如下，即将各个方向的天线阵列的响应矢量依次与特征矢量进行向量的点积运算，计算出各个方向的来波增益值：

$\mathrm{Gain}\left(j\right)={\left|\underset{k=1}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}({\stackrel{\→}{a}}_j\·{\stackrel{\→}{w}}^T)\right|}^2$

其中

是特征矢量；是天线阵列的响应矢量；j是各个来波方向角度；k=1，..8是天线阵列的天线单元数目；Gain是计算得到的增益值。

步骤305：通过预置的上行来波方向与响应矢量的对应关系，查找到步骤304确定的最大来波方向所对应的响应矢量，再对响应矢量取共轭，作为最终确定的下行波束赋形系数；下行发送故障的天线所对应的赋形系数为0。

在分配下行发送功率时，采用对多天线的发送总功率作归一化处理的方式，保证发送功率分配在下行方向有效的天线上，对发送方向有故障的天线对应的波束赋形系数设置为0。

参见图5，为实施例二基带信号处理器的结构示意图。

从图5可知，实施例二提供的基带信号处理器包括预置单元501、天线校准单元502、上行处理单元503、增益计算单元504和下行处理单元505。

预置单元501，主要负责设置并保存来波方向与天线阵列的响应矢量的对应关系，此种对应关系是根据天线参数确定的，这些参数包括天线类型、天线数目、天线间距以及天线工作频点等。

天线校准单元502，负责检测各天线上下行的通路状态，并将校准后天线状态结果告知上行处理单元503和下行处理单元505；

上行处理单元503，接收天线上行数据；并且，依据天线校准单元502告知的天线校准结果，对上行有效的天线所接收的数据进行计算，获取各天线上行的特征矢量，并将计算得到的特征矢量发送给增益计算单元504；

增益计算单元504，从上行处理单元503获取特征矢量，并从预置单元501获取响应矢量，将特征矢量与响应矢量进行相关计算，得到各方向的来波增益值；

下行处理单元505，从增益计算单元504获取各天线各方向增益值，依据增益值大小，对最大增益值对应的响应矢量取共轭作为下行波束赋形系数。

同时，下行处理单元505还负责根据确定的下行波束赋形系数，分配功率以及下行数据的发送；对于赋形系数为0的天线，不分配功率并且不发送数据。

利用实施例二提供的方法或基带信号处理器，能够保证智能天线部分故障时，利用剩余天线进行下行波束赋形的优化和调整，提高下行赋形的准确性和赋形增益，并且能够降低对非赋形用户的干扰，保证网络的下行服务质量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种智能天线的波束赋形方法，其特征在于，包括：

获取各天线上下行通路状态；

分别对所述各天线上下行通路状态作“与”操作，“与”操作有效的天线被确定为上下行通路状态都正常；

对上下行通路状态都正常的天线的上行数据进行计算，依据最大功率准则、最大信噪比准则或最大信干比准则得到特征矢量；

对所述特征矢量取共轭作为天线下行波束赋形系数。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，还包括：

按照下行波束赋形系数分配下行发送功率。

3.一种基带信号处理器，包括：

天线校准模块：获取天线上下行通路状态；

其特征在于，还包括：

上行处理模块：从所述天线校准模块获取天线上下行通路状态，分别对所述天线上下行通路状态作“与”操作，“与”操作有效的天线被确定为上下行通路状态都正常的天线，对所述上下行通路状态都正常的天线所接收的上行数据进行计算，依据最大功率准则、最大信噪比准则或最大信干比准则得到特征矢量；

下行处理模块：从所述上行处理模块获取所述特征矢量，对所述特征矢量取共轭，作为天线下行波束赋形系数。

4.根据权利要求3所述处理器，其特征在于，

所述下行处理模块，还用于依据所述下行波束赋形系数，分配下行发送功率。

5.一种智能天线的波束赋形方法，其特征在于，包括：

设置上行来波方向与天线阵列的响应矢量的对应关系；

获取各天线上下行通路状态，分别对所述各天线上下行通路状态作“与”操作，“与”操作有效的天线被确定为上下行通路状态都正常的天线，依据最大功率准则、最大信噪比准则或最大信干比准则计算得到各上下行通路正常天线的上行数据的特征矢量，并基于所述特征矢量依次与预设的天线阵列的响应矢量进行相关计算，得到所述天线阵列在各个来波方向上的接收增益；

确定最大增益对应的最大来波方向，选择最大来波方向对应的响应矢量，对所述最大来波方向对应的响应矢量取共轭作为天线下行波束赋形系数。

6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，

所述上行来波方向与天线阵列的响应矢量的对应关系，是依据天线类型、天线数目、天线间距和天线工作频点计算得出的。

7.根据权利要求5或6所述方法，其特征在于，还包括：

按照下行波束赋形系数分配下行发送功率。

8.一种基带信号处理器，包括：

天线校准单元：用于获取天线上下行通路状态；

其特征在于，还包括：

预置单元：预置有上行来波方向与天线阵列的响应矢量的对应关系；

上行处理单元：从所述天线校准单元获取天线上下行通路状态，分别对所述天线上下行通路状态作“与”操作，“与”操作有效的天线被确定为上下行通路状态都正常的天线，对上下行通路状态正常的天线所接收的上行数据进行计算，依据最大功率准则、最大信噪比准则或最大信干比准则得到特征矢量；

增益计算单元：利用所述预置单元提供的预设的天线阵列的响应矢量及上行处理单元提供的特征矢量进行相关计算，得到所述天线阵列在各个来波方向上的接收增益；

下行处理单元：确定最大增益对应的最大来波方向，对最大来波方向对应的响应矢量取共轭，作为下行波束赋形系数。

9.根据权利要求8所述处理器，其特征在于，

所述下行处理单元，还用于依据所述下行波束赋形系数，分配下行发送功率。

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