CN101321008A - 下行波束赋形发射方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种下行波束赋形发射方法及装置。其中，该下行波束赋形发射方法包括以下步骤：S202，获取处理周期时间段内的智能天线上行空域信道的多个估计值；S204，根据上行空域信道的多个估计值获取上行空域信道的变化量；S206，根据上行空域信道的变化量选择波束宽度；以及S208，以所选择的波束宽度进行下行波束赋形发射。通过本发明，可以更有效地保障接收端信号的质量。

Description

下行波束赋形发射方法及装置

技术领域

本发明涉及通信领域，更具体地涉及一种下行波束赋形发射方法及装置。

背景技术

智能天线源自军用天线阵列。通过对阵列中各天线的输入输出信号进行合理加权，智能天线可以实现信号的波束赋形接收和波束赋形发送，减少不同信号之间的干扰，提高接收端的信干比，降低发送端的发射功率。智能天线波束赋形的算法有很多，基本可归结为通过对接收信号传播的空域信道进行估计来获得此信号的波束赋形接收权值和波束赋形发送权值。

智能天线在民用无线通信***中正受到越来越多的重视。在第三代移动通信的三大标准中，宽带码分多址(WCDMA)、码分多址(CDMA)2000将智能天线作为备选技术，而时分同步码分多址(TD-SCDMA)则将其作为了必选技术。由于时分双工和5ms子帧结构的特点，TD-SCDMA的上下行信道在一个子帧内具有互易性，配置有智能天线的基站通过对终端上行信号空域信道的估计，例如波达方向(Direction of Arrival，简称DOA)的估计，可以获得对终端进行上行信号波束赋形接收的权值和下行信号波束赋形发送的权值，即采用上行信号空间方向的估计值作为上行信号波束赋形接收方向和下行信号波束赋形发送方向的依据。

智能天线波束赋形的波束宽度，通常以“3dB波束宽度”来定义。例如，M根天线组成的等距线阵，其3dB波束宽度为：

$B=\mathrm{\μ}\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{Md}}---\left(1\right)$

其中，B是波束带宽，单位为弧度(rad)，λ是信号载波波长，d是相邻天线的间距，一般设为λ/2，μ是属于^[1，2]之间的常数，一般取1.5。公式(1)中的波束宽度是此等距线阵的最小3dB波束宽度，也就是此等距线阵波束的最小分辨率。在此基础上，如果对阵列中各天线再作合适的加权，还可以获得更大3dB波束宽度的波束赋形。针对某种智能天线，例如8天线的等距线阵，通过算法搜索，可以获得产生多种特定3dB波束宽度的权值，将这些权值应用到此智能天线上后，就可以获得相应3dB波束宽度的波束赋形了。在通常的智能天线的实现和应用中，波束赋形的波束宽度就是公式(1)中的3dB波束宽度。

在无线通信***，特别是移动通信***(例如TD-SCDMA)中，无线环境中的噪声、干扰信号、信号自身的多径效应、以及终端移动引起的信号衰落变化和多普勒频移等，都可能引起基站对接收信号空域信道估计出现偏差，出现估计值波动很大的现象。如果估计出现偏差，将会直接导致波束赋形接收和发送方向的错误。如果估计值波动很大，则表示空域信道变化也很快，由于基站对上行信号空域信道的估计所获得的下行信号赋形发送权值，要经过一段时延后才能应用于下行波束赋形发送，很可能这时候信号的空域信道已经发生较大变化了，所以也可能导致波束赋形发送方向的错误。在这些情况下，波束赋形不但不能提高相应信号接收端的增益，还会对其他信号的接收端带来干扰。

发明内容

鉴于以上所述的一个或多个问题，本发明提供了一种下行波束赋形发射方法及装置。

根据本发明的下行波束赋形发射方法，包括以下步骤：S202，获取处理周期时间段内的智能天线上行空域信道的多个估计值；S204，根据上行空域信道的多个估计值获取上行空域信道的变化量；S206，根据上行空域信道的变化量选择波束宽度；以及S208，以所选择的波束宽度进行下行波束赋形发射。

根据本发明的下行波束赋形发射装置，包括：估计值获取单元，用于获取处理周期时间段内的智能天线上行空域信道的多个估计值；变化量获取单元，用于根据上行空域信道的多个估计值获取上行空域信道的变化量；波束宽度选择单元，用于根据上行空域信道的变化量选择波束宽度；以及波束赋形发射单元，用于以所选择的波束宽度进行下行波束赋形发射。

本发明通过充分利用和挖掘智能天线对接收信号空域信道估计中的信息，作出对信号传输环境质量的判断，自适应地调节信号波束赋形发送的波束宽度，使得智能天线在复杂多变的环境下可以更有效地保障接收端信号的质量。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的下行波束赋形发射装置的框图；以及

图2是根据本发明实施例的下行波束赋形发射方法的流程图。

具体实施方式

在本发明中，通过根据空域信道估计(例如DOA估计)的变化情况，判断信号无线环境的质量，自适应地调整波束宽度，来保证波束赋形的准确性和有效性，从而提高在复杂变化环境下的通信质量。

为了减小波束赋形方向错误对信号接收端的影响，可以采取两种方法：一是预测出波束赋形发送时刻的信号准确方向，以此来修正波束赋形发送的方向，但是在环境变化复杂的情况下，预测也很难能保证准确性。二是将波束赋形发送的波束宽度增大，以此来覆盖更大的范围，即接收端可以在更大的范围里以更大的概率接收到发射端发送的信号，以减小因波束赋形发送方向错误导致接收信号质量突变式的恶化。虽然波束宽度增大会将一定的发送功率分散到更大的覆盖范围内，并会降低赋形增益，但是相对于完全偏离接收端方向的错误波束赋形来说，增大波束宽度的方法能更稳妥地保证复杂环境下的通信质量，并能为通信质量的恢复创造条件。另外，虽然某个信号的波束变宽有可能对周围其他信号的接收端产生一定的干扰，但是由于波束变宽，信号功率发散，加上本发明中波束宽度能够自适应的调整，所以可以有效地控制干扰。为了尽量保证目标信号的赋形增益和控制对其他信号的干扰，本发明中对信号波束宽度的增大设定了严格的触发条件，通过合理的算法来判断和确定增大波束宽度的必要时机，类似地，对于通信质量已恢复的情况，算法会自适应地减小波束宽度。

在本发明中，在智能天线启动工作后，基站连续存储智能天线对终端上行信号空域信道的估计值(例如上行信号的DOA估计)，每隔时间T₁提取出存储器里最近时间段T₂内的数据序列，对此序列运用下文中所述的算法，求解出一个可衡量估计值波动大小和快慢的判断值，然后，将此值与一组预先设定、从小到大排列的门限序列进行比较，确定其存在于哪个门限之中，再根据此门限选择对应的波束宽度。

其中，门限越大，对应的波束宽度越宽，因为判断值越大，表明信号空域信道变化越厉害，基站对上行信号的空域信道估计越可能出现偏差，而根据上行信号空域信道估计获得的下行波束赋形发送权值，在经过一段时延后应用于下行波束赋形发送，也越可能是错误的，所以，下行波束赋形的波束宽度应该设置的更大些。

最小门限对应智能天线的最小3dB波束宽度，即具有最小分辨率波束的3dB波束宽度，而最大门限对应智能天线支持的最大波束宽度。下行波束赋形的波束宽度将周期性的根据下述算法的判断值进行调整，而下行波束赋形发送的方向仍然参考上行估计的方向，不作预测修正。

下面参考附图，详细说明本发明的具体实施方式。

参考图1，说明根据本发明实施例的下行波束赋形发射装置。如图1所示，该下行波束赋形发射装置包括：估计值获取单元102，用于获取处理周期时间段内的智能天线上行空域信道的多个估计值；变化量获取单元104，用于根据上行空域信道的多个估计值获取上行空域信道的变化量；波束宽度选择单元106，用于根据上行空域信道的变化量选择波束宽度；以及波束赋形发射单元108，用于以所选择的波束宽度进行下行波束赋形发射。

其中，波束宽度选择单元106包括：门限区域判断单元1062，用于通过将上行空域信道的变化量与一组预先设定好的门限值进行比较，来判断上行空域信道的变化量所在的门限区域；波束宽度确定单元1064，用于根据上行空域信道的变化量所在的门限区域选择波束宽度。

其中，变化量获取单元通过下式之一来获取上行空域信道的变化量： $\stackrel{\‾}{\mathrm{Var}}=\frac{1}{N-2}\sqrt{\underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{({\stackrel{\‾}{d}}_i-\stackrel{\‾}{\mathrm{Avr}})}^2},$ 其中，d_i＝d_i+1-d_i，i＝1，2，…，N-1， $\stackrel{\‾}{\mathrm{Avr}}=\frac{1}{N-1}\underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{d}}_i,$

$\stackrel{\stackrel{\‾}{\‾}}{\mathrm{Avr}}=\frac{1}{N-1}\underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\stackrel{\‾}{\‾}}{d}}_i,$ 其中， ${\stackrel{\stackrel{\‾}{\‾}}{d}}_i=|d_{i+1}-d_i|,$ i＝1，2，…，N-1、 $\mathrm{Var}=\frac{1}{N-1}\sqrt{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(d_i-\mathrm{Avr})}^2},$ 其中， $\mathrm{Avr}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i.$

其中，预先设定好的门限值的个数与智能天线的可用波束宽度有关。根据本发明实施例的下行波束赋形发射装置可以用于时分同步码分多址移动通信***。在这种情况下，特定时间段的长度是5ms的整倍数。预先设定好的门限值中的最小门限值对应的波束宽度为智能天线的最小3dB波束宽度，即具有最小分辨率波束的3dB波束宽度。预先设定好的门限值中的最大门限值对应的波束宽度为智能天线支持的最大波束宽度。

参考图2，说明根据本发明实施例的下行波束赋形发射方法。如图2所示，该下行波束赋形发射方法包括以下步骤：

S202，智能天线启动工作后，基站连续存储智能天线上行空域信道的估计值，每隔T₁提取出最近存储时间段T₂内的数据序列，例如，D＝[d₁，d₂，...d_N]，N由T₂决定。

S204，利用以下方法求得一个判断值，用于选择相应的波束宽度：

方法一，求出步骤S202获取的序列的差值序列D＝[d₁，d₂，...d_N-1]，其中，d_i＝d_i+1-d_i，i＝1，2，…，N-1，然后求出此差值序列的方差，作为判断值 $\stackrel{\‾}{\mathrm{Var}}=\frac{1}{N-2}\sqrt{\underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{({\stackrel{\‾}{d}}_i-\stackrel{\‾}{\mathrm{Avr}})}^2},$ 其中， $\stackrel{\‾}{\mathrm{Avr}}=\frac{1}{N-1}\underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{d}}_i$ 是差值序列的均值。

方法二，求出步骤S202获取的序列的绝对差值序列 $\stackrel{\stackrel{\‾}{\‾}}{D}=[{\stackrel{\stackrel{\‾}{\‾}}{d}}_1,{\stackrel{\stackrel{\‾}{\‾}}{d}}_2,...{\stackrel{\stackrel{\‾}{\‾}}{d}}_{N-1}],$ 其中， ${\stackrel{\stackrel{\‾}{\‾}}{d}}_i=|d_{i+1}-d_i|,$ i＝1，2，…，N-1，然后求出此绝对差值序列的均值作为判断值 $\stackrel{\stackrel{\‾}{\‾}}{\mathrm{Av}}r=\frac{1}{N-1}\underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\stackrel{\‾}{\‾}}{d}}_i.$

方法三，对步骤S202获取的序列求方差，作为判断值 $\mathrm{Var}=\frac{1}{N-1}\sqrt{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(d_i-\mathrm{Avr})}^2},$ 其中， $\mathrm{Avr}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i$ 是原始序列的均值。

S206，将步骤S204中获得的判断值与一组预先设定好的门限值进行比较，确定判断值处于哪两个门限值内(S2062)，然后根据判断值所处门限区域选择相应的波束宽度(S2064)。

S208，以步骤S206获取的波束宽度进行下行波束赋形发射。

其中，步骤S204中得出的判断值都可以表征空域信道的变化，其值的范围与空域信道的估计值有关。假设空域信道估计是DOA估计，那么对于线阵形式的智能天线，其估计的DOA范围是

判断值的单位也是弧度，其值大小代表DOA估计的变化情况。

其中，门限序列的取值个数与基站智能天线的可用波束宽度的个数相关，门限序列的取值大小与基站智能天线的可用波束宽度的大小相关。假如通过算法搜索，基站智能天线获得可支持5种(B₁、B₂、B₃、B₄、B₅)波束宽度的波束赋形权值，且B₁＜B₂＜B₃＜B₄＜B₅，那么门限序列可以设置为4个值的序列[h₁，h₂，h₃，h₄]，其中h₁＝B₁，h₂＝B₂，h₃＝B₃，h₄＝B₄。假设空域信道估计变化的判断值为c，则当c≤h₁时波束宽度取B₁，h₁＜c≤h₂时波束宽度取B₂，h₂＜c≤h₃时波束宽度取B₃，h₃＜c≤h₄时波束宽度取B₄，c＞h₄时波束宽度取B₅。假如基站智能天线有更多可用的波束宽度，则门限序列可类似地设置为更多的值，当然，也可采取其他的门限设置方法以及门限和波束宽度的对应方法。

其中，上述方法中的各项参数(例如步骤S202中的调整周期T₁，处理周期T₂)可以根据实际***实现、无线环境的变化以及步骤S204中所用方法的不同而变化。对于TD-SCDMA，其最小帧结构时间为5ms，即5ms时间内基站智能天线可以获得一个空域信道的估计值，所以应设置T₁和T₂为5ms的整数倍，例如，T₁＝5ms，T₂＝1000ms，此时N＝200。

综上所述，本发明通过充分利用和挖掘智能天线对接收信号空域信道估计中的信息，作出对信号传输环境质量的判断，自适应地调节信号波束赋形发送的波束宽度，使得智能天线在复杂多变的环境下可以更有效地保障接收端信号的质量。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (12)

1.一种下行波束赋形发射方法，其特征在于，包括以下步骤：

S202，获取处理周期时间段内的智能天线上行空域信道的多个估计值；

S204，根据所述上行空域信道的多个估计值获取所述上行空域信道的变化量；

S206，根据所述上行空域信道的变化量选择波束宽度；以及

S208，以所选择的波束宽度进行下行波束赋形发射。

2.根据权利要求1所述的下行波束赋形发射方法，其特征在于，所述步骤S206包括以下步骤：

S2062，通过将所述上行空域信道的变化量与一组预先设定好的门限值进行比较，来判断所述上行空域信道的变化量所在的门限区域；

S2064，根据所述上行空域信道的变化量所在的门限区域选择所述波束宽度。

3.根据权利要求2所述的下行波束赋形发射方法，其特征在于，

通过下式之一获取所述上行空域信道的变化量：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{Var}}=\frac{1}{N-2}\sqrt{\underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{({\stackrel{\‾}{d}}_i-\stackrel{\‾}{\mathrm{Avr}})}^2},$ 其中，d_i＝d_i+1-d_i，i＝1，2，…，N-1，

$\stackrel{\‾}{\mathrm{Avr}}=\frac{1}{N-1}\underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{d}}_i$ 、

$\stackrel{\stackrel{\‾}{\‾}}{\mathrm{Avr}}=\frac{1}{N-1}\underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\stackrel{\‾}{\‾}}{d}}_i,$ 其中， ${\stackrel{\stackrel{\‾}{\‾}}{d}}_i=|d_{i+1}-d_i|,$ i=1，2，...，N-1、

$\mathrm{Var}=\frac{1}{N-1}\sqrt{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(d_i-\mathrm{Avr})}^2},$ 其中， $\mathrm{Avr}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i.$

4.根据权利要求3所述的下行波束赋形发射方法，其特征在于，所述预先设定好的门限值的个数与所述智能天线的可用波束宽度有关。

5.根据权利要求4所述的下行波束赋形发射方法，其特征在于，所述处理周期时间段的长度是5ms的整倍数。

6.根据权利要求5所述的下行波束赋形发射方法，其特征在于，所述预先设定好的门限值中的最小门限值对应的波束宽度为智能天线的最小3dB波束宽度，所述预先设定好的门限值中的最大门限值对应的波束宽度为所述智能天线支持的最大波束宽度。

7.一种下行波束赋形发射装置，其特征在于，包括：

估计值获取单元，用于获取处理周期时间段内的智能天线上行空域信道的多个估计值；

变化量获取单元，用于根据所述上行空域信道的多个估计值获取所述上行空域信道的变化量；

波束宽度选择单元，用于根据所述上行空域信道的变化量选择波束宽度；以及

波束赋形发射单元，用于以所选择的波束宽度进行下行波束赋形发射。

8.根据权利要求7所述的下行波束赋形发射装置，其特征在于，所述波束宽度选择单元包括：

门限区域判断单元，用于通过将所述上行空域信道的变化量与一组预先设定好的门限值进行比较，来判断所述上行空域信道的变化量所在的门限区域；

波束宽度确定单元，用于根据将所述上行空域信道的变化量所在的门限区域选择所述波束宽度。

9.根据权利要求8所述的下行波束赋形发射装置，其特征在于，

所述变化量获取单元通过下式之一获取所述上行空域信道的

变化量： $\stackrel{\‾}{\mathrm{Var}}=\frac{1}{N-2}\sqrt{\underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{({\stackrel{\‾}{d}}_i-\stackrel{\‾}{\mathrm{Avr}})}^2},$ 其中，d_i＝d_i+1-d_i，i＝1，2，…，N-1，

$\stackrel{\‾}{\mathrm{Avr}}=\frac{1}{N-1}\underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{d}}_i$ 、

$\stackrel{\stackrel{\‾}{\‾}}{\mathrm{Avr}}=\frac{1}{N-1}\underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\stackrel{\‾}{\‾}}{d}}_i,$ 其中， ${\stackrel{\stackrel{\‾}{\‾}}{d}}_i=|d_{i+1}-d_i|,$ i＝1，2，…，N-1、

$\mathrm{Var}=\frac{1}{N-1}\sqrt{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(d_i-\mathrm{Avr})}^2},$ 其中， $\mathrm{Avr}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i.$

10.根据权利要求9所述的下行波束赋形发射装置，其特征在于，所述预先设定好的门限值的个数与所述智能天线的可用波束宽度有关。

11.根据权利要求10所述的下行波束赋形发射装置，其特征在于，所述处理周期时间段的长度是5ms的整倍数。

12.根据权利要求11所述的下行波束赋形发射装置，其特征在于，所述预先设定好的门限值中的最小门限值对应的波束宽度为智能天线的最小3dB波束宽度，所述预先设定好的门限值中的最大门限值对应的波束宽度为所述智能天线支持的最大波束宽度。

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