CN1547333A - 一种用于智能天线基站的宽波束形成的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种用于智能天线基站的宽波束形成的方法，所述基站具有多个阵元天线，本方法包括以下步骤：形成与所述阵元天线数相等数目的固定的窄波束，这些窄波束位于一预定角度的扇区内并两两正交，并计算其权值；通过对所述多个窄波束拟合离线得到上下行链路公用信道宽波束的权值；将该上下行链路的公用信道宽波束权值配置给公用信道波束形成单元，在考虑阵列通道校正权值的基础上，将所述权向量与接收/发射的信号进行复数相乘，完成公用信道在所述扇区内的接收/发射。本发明方法减少了扇区之间的交叠区域，降低了扇区间的导频污染，同时处于切换区域的用户数减少，降低了由于切换引起的***开销，有助于提高***容量和改善服务质量。

Description

一种用于智能天线基站的宽波束形成的方法

技术领域

本发明涉及使用智能天线技术的移动通信***中的宽波束形成的方法尤其适用于固定多波束和自适应波束智能天线***中公用信道的接收和发射时的宽波束形成方法。

背景技术

智能天线是近几年来通信领域的一门炙手可热的技术，在已被采纳的第三代移动通信技术的三大标准中，我国大唐电信提交的具有自主知识产权的TD-SCDMA标准中，智能天线成为提高***容量及覆盖范围的必选技术之一，同时在另外两大主流标准WCDMA和CDMA2000中，协议为支持智能天线技术的应用提供了方便(如辅助导频)，使智能天线成为可选的技术之一。业界对于未来***移动通信技术的研究表明，智能天线很可能成为4G中的必选内容。

一般地，智能天线被分为三种类型：固定多波束智能天线(波束切换)、灵活多波束智能天线(动态扇区)以及自适应波束智能天线。在移动通信中，信道被分为两种类型，即公用信道(如WCDMA标准中的公共导频信道、同步信道(SCH)、公共控制信道(CCPCH)和随机接入信道等)和专用信道(如专用物理控制信道DPCCH和专用物理数据信道DPDCH等)。在采用智能天线的基站中，针对用户的专用信道根据用户的物理位置和空间信道特性进行赋形，向一群(固定多波束)或单个用户(自适应)进行定向接收和发射，而公用信道则面向扇区内所有用户进行接收和发射。对于公用信道，常用的发射和接收方法有：方法1：使用阵列天线进行专用信道接收和发射的同时使用附加的扇区天线和通道进行公用信道的接收和发射；方法2：使用阵列天线进行专用信道的定向接收和发射的同时使用阵列通道中的其中一个通道进行公用信道的接收和发射；方法3：使用阵列天线进行专用信道定向接收发射的同时通过给公用信道合适的阵列权矢量，使公用信道向全扇区发射和接收。前两种方法使用单个通道进行公用信道的接收和发射，就会造成公用信道与专用信道的覆盖半径不等，而且方法1需要专门的通道，这增加了基站的成本且给安装带来不便。

中国专利公开号为1261989的名为无线电天线***的专利中公开了一种基于上述方法3的同时形成正交窄波束和宽波束来进行专用信道和公用信道接收发射的技术，它通过Butler矩阵在射频形成正交的窄波束用以接收和发射专用信道，同时在Butler矩阵波束端口通过给公用信道信息适当的权矢量，使公用信道信号汇聚在阵列天线的其中一个阵元，而其它阵元上的公用信号为零，从而形成宽波束。这种基于将信号汇聚到某一天线阵元的宽波束形成方法，其存在的问题是：1)若用于专用信道发射的窄波束在基带形成，则势必将宽波束信号集中到某一通道，造成功放发射功率的不平衡，限制了其在数字波束形成智能天线基站中的使用；2)由于宽波束信号汇聚于某一天线阵元，因此与上述方法1和方法2中的常规扇区天线类似，如图5所示的，形成的宽波束扇区间的交叠区域较大，扇区间的导频污染严重，处于切换区域的用户数较多，在CDMA这样干扰受限的***中，不利于进一步提高基站的覆盖半径和容量；3)通过射频形成正交窄波束，限制了一些基于阵元的自适应算法的实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于智能天线基站的宽波束形成的方法，通过使用多个通道进行公用信道的接收和发射，形成宽波束的设计思想不是让信号汇聚于某一天线阵元，而是让相邻的正交窄波束在主瓣交界处同相叠加(相干合并)，阵列的所有通道都参与宽波束的形成，以便解决现有技术的方法1和方法2中专用信道和公用信道覆盖一致性问题，无需专门的附加通道，

本发明的技术方案如下：

一种用于智能天线基站的宽波束形成的方法，所述基站具有多个阵元天线，该每一阵元天线连接有一用于收发双工、低噪声放大的前端；该每一前端分别连接有一接收支路和一发射支路；所述接收支路进行下变频、滤波、放大、A/D变换、成形滤波及通道校正等操作；所述发射支路进行通道校正、成形滤波、D/A变换、上变频、滤波放大、功率放大等操作；所述基站还包括一公用信道处理单元以及一专用信道处理单元，用于对接收或发射的信号进行处理；所述处理包括以下步骤：

1) 形成与所述阵元天线数相等数目的固定的窄波束，这些窄波束位于一预定角度的扇区内并两两正交，并计算其权值；

2) 通过对所述多个窄波束拟合离线得到上下行链路公用信道宽波束的权值；

3) 将该上下行链路的公用信道宽波束权值配置给公用信道波束形成单元，在考虑阵列通道校正权值的基础上，将所述权向量与接收/发射的信号进行复数相乘，完成公用信道在所述扇区内的接收/发射。

所述的方法，其中，所述步骤2)还包括以下步骤：

a)根据所述多个窄波束权值绘制窄波束方向图，并计算相邻两个窄波束交界点的指向角；

b)根据所述多个窄波束权值及波束交界点处的导向矢量，计算每一窄波束对其邻近的交界点所述指向角方向入射信号的响应；

c)根据该多个窄波束在相应交界点方向的响应构造一权向量矩阵，使相邻窄波束在交界点处的同相合并，则宽波束权值等于该权向量矩阵与所述窄波束权值的矩阵乘积；

d)在上述计算过程中考虑上、下行频段的波长值不同，即可得到上、下行链路的公用信道宽波束权值。

所述的方法，其中，所述方法当使用单元Butler矩阵的固定多波束智能天线***的射频波束形成方案时，所述上、下行链路公用信道宽波束权值都等于所述权向量矩阵，并分别取各自频段的波长值。

所述的方法，其中，所述扇区面积为120°，但不限于120°扇区。

本发明提供的一种用于智能天线基站的宽波束形成的方法，由于其采用利用现有的多个窄波束进行拟合从而形成一个覆盖一定扇区的宽波束，从而阵列的所有通道都参与宽波束的形成，其产生了以下有益效果：

1)使用多个通道进行公用信道的接收和发射，专用信道和公用信道在上行接收灵敏度和下行发射功率方面基本一致，因而覆盖半径基本相同。

2)与传统的120°扇区天线相比，扇区间的交叠区域大大减小，降低了扇区间的导频污染，同时处于切换区域的用户数减少，降低了由于切换引起的***开销，有助于提高***容量和改善服务质量。

3)既可以用于固定多波束的智能天线***、也可以用于自适应波束的智能天线***。

4)既可以用于纯基带数字波束形成的智能天线基站***，也可以应用于具有Butler矩阵等射频波束形成单元的基站***中。

5)并不限于公用信道的接收和发射，根据***的需要，也可以用于专用信道的接收和发射。

附图说明

图1是本发明所述的宽波束形成方法的一种实现框图；

图2是本发明方法的直线阵的一般原理示意图；

图3本发明所述的算法所应用的正交窄波束、由此拟合的宽波束方向图以及算法中提到的窄波束交界点的示意图；

图4是使用本发明所形成的宽波束时蜂窝基站的覆盖示意图；

图5是使用常规扇区天线时小区的覆盖示意图；

图6是在射频形成正交窄波束时，本发明所述宽波束形成方法的实现框图。

具体实施方式

以下对本发明的较佳实施例加以详细描述。

如图1所示的，是本发明方法的宽波束形成的一个具体实现框图，在其上行方向阵列天线1-1～1-N接收的信号分别经过其前端2-1～2-N进行收发双工、低噪声放大，然后进入接收支路3-1～3-N进行下变频、滤波、放大、A/D变换、成形滤波及通道校正等操作后送入公用信道处理单元5及专用信道处理单元6；进入该公用信道处理单元5的上行数据在上行公用信道波束形成器5-1中与配置的上行链路公用信道宽波束权值W_OU进行加权处理，形成指向整个扇区的宽波束，再进入上行公用信道处理单元5-3中进行其它的常规信号处理；下行公用信道处理单元5-4中送来的下行方向公用信道数据在下行公用信道波束形成器5-2中与下行公用信道宽波束权值W_OD进行加权处理，再送往发射支路4-1～4-N中进行通道校正、成形滤波、D/A变换、上变频、滤波放大、功率放大等操作后，经所述前端2-1～2-N双工复用后通过所述阵列天线单元1-1～1-N辐射到空中，形成覆盖全扇区的下行宽波束；公用信道通讯处理器5-5用于完成公用信道宽波束权值的配置、本单元的监控以及与***的通信等功能。专用信道处理单元6中的信号处理流程随固定多波束和自适应波束而不同，不在本发明的叙述之列。

如图6所示的，是本发明所述的宽波束实现方法在使用4单元Butler矩阵的固定多波束智能天线***中的应用实例，其公用信道处理流程与图1所示的基带波束形成处理流程完全一致，不同之处在于配置给上下行波束形成器5-1和5-2的上下行链路公用信道宽波束权值都由窄波束在相应交界点方向的响应构造的权向量矩阵W｀给出，以下详细加以说明。

具体地，本发明的用于智能天线基站中公用信道宽波束的实现方法，包括以下步骤(本实施例以4阵元天线为例，但本发明方法不限于4阵元的阵列天线)：

1)首先形成4个，即与天线阵元数相等个数的，固定的窄波束B1～B4，这4个固定的窄波束两两正交，其权值记为W_B(W_B为4×4矩阵)。在固定多波束的智能天线基站中，W_B其实就是形成专用信道窄波束用的权值；在自适应波束智能天线中，W_B只用来离线计算宽波束权值。

2)通过对4个窄波束拟合离线得到上、下行链路公用信道宽波束的权值，分别记为下行链路公用信道宽波束权值W_OD和上行链路公用信道宽波束权值W_OU。

e)根据步骤1)所述的权值W_B绘制窄波束方向图，并计算B1和B2两个波束交界点的指向角

B2和B3两个波束交界点的指向角

B3和B4两个波束交界点的指向角

f)根据所述权值W_B及波束交界点处的导向矢量，计算B1波束对

方向入射信号的响应y₁₂，B2波束对 方向入射信号的响应y₂₁、y₂₂，B3波束对 方向入射信号的响应y₃₁、y₃₃，B4波束对 方向入射信号的相应y₄₃；

g)根据该4个窄波束在相应交界点方向的响应构造1×4的权向量W′，使相邻波束在交界点处的同相合并，则宽波束权值W_O＝W′W_B；在上述计算过程中考虑上下行频段的波长值，即可得到上下行链路的公用信道宽波束权值W_OD和W_OU。当使用4单元Butler矩阵的固定多波束智能天线***的射频波束形成方案时，如图6所示的，所述上下行链路公用信道宽波束权值W_OD和W_OU等于所述权向量矩阵W′，并分别取各自频段的波长值；

3)将步骤2)所述的上下行链路的公用信道宽波束权值W_OD和W_OU配置给公用信道波束形成单元，在考虑阵列通道校正权值的基础上，权向量与接收和发射的信号进行复数相乘，从而完成公用信道在扇区内的接收和发射。

如图2所示的本发明方法的直线阵的基本原理图，其由N个阵元组成的一维直线阵天线，信号s(t)以θ角入射到天线阵，阵列输出可以表示为：

              X(t)＝a(θ)s(t)+N(t)                ①

其中：

X(t)：天线阵输出；

s(t)：入射信号；

N(t)：加性噪声矢量；

a(θ)：信号s(t)的导向矢量且

$a\left(\mathrm{\θ}\right)=\left[\begin{array}{c}1\\ \exp (-j2\mathrm{\π}*\frac{d}{\mathrm{\λ}}\sin \mathrm{\θ})\\ \exp (-j2\mathrm{\π}*2*\frac{d}{\mathrm{\λ}}\sin \mathrm{\θ})\\ \·\·\·\·\·\·\\ \exp (-j2\mathrm{\π}(N-1)\frac{d}{\mathrm{\λ}}\sin \mathrm{\θ})\end{array}\right]----\left(2\right)$

这里

d：相邻阵元之间的间距；

λ：工作波长，一般d＝λ/2；

θ.：入射波与阵面法线方向的夹角；

.：波束指向角；

N：阵元个数；

与某个指向角θ_k匹配的波束权值可以表示为：

$w_{\mathrm{kn}}=\exp [j*(n-1)*\frac{d}{\mathrm{\λ}}*2\mathrm{\π}*\sin \left({\mathrm{\θ}}_k\right)]----\left(3\right)$

其中n＝1、2、…N为阵元序号，k为波束序号，其余参数同上。

以N＝4即4阵元的直线阵为例，首先设计4个可以覆盖120°扇区的正交窄波束，这4个窄波束依次用B1、B2、B3、B4表示，其指向角分别用θ₁、θ₂、θ₃、θ₄表示，若将公式③中的θ_k分别按其指向角取值、N取值为4即可得到这4个窄波束对应的权值：

$W_B=\left[\begin{array}{c}{W}_{B1}\\ W_{B2}\\ W_{B3}\\ W_{B4}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}1& w_{12}& w_{13}& w_{14}\\ 1& w_{22}& w_{23}& w_{24}\\ 1& w_{32}& w_{33}& w_{34}\\ 1& w_{42}& w_{43}& w_{44}\end{array}\right]----\left(4\right)$

加权求和后的波束域信号可以表示为：

             Y_B＝W_BX                           ⑤

令θ在-180°～180°之间变化，并忽略噪声的影响，则可以分别画出对应的4个窄波束的方向图，如图3和图4所示，图中忽略了后瓣，并记B1和B2两个波束交界点的指向角为

B2和B3两个波束交界点的指向角为

B3和B4两个波束交界点的指向角为

本发明的设计思想是：利用现有的4个窄波束进行拟合从而形成一个覆盖120°扇区的宽波束，波束拟合的原则为：使4个波束的主瓣同时在交界点处同相叠加(相干合并)即B1和B2两个波束在 处同相叠加、B2和B3两个波束在

处同相叠加、B3和B4两个波束在 处同相叠加，这实质上是一个等增益相干合并的过程。如图4所示，利用3个120°扇区的宽波束可以覆盖全部一个蜂窝，其覆盖效果相比于如图5所示的常规3个单天线波束覆盖，减少了扇区之间的交叠区域，降低了扇区间的导频污染，同时处于切换区域的用户数减少，降低了由于切换引起的***开销，有助于提高***容量和改善服务质量。

若第n个波束在第k个交界处的响应记为y_nk，则：

B1波束对 方向入射信号的响应为：

B2波束对 方向入射信号的响应分别为：

B3波束对

方向入射信号的响应分别为：

B4波束对 方向入射信号的响应为：

以4个窄波束中其中1个波束为基准，这里不妨以B3波束为基准，构造权向量W′，W′W_B使得4个窄波束在波束交界处全部同相叠加，则该权向量：

W′＝[exp(j(₃₁-₂₁+₂₂-₁₂))，exp(j(₃₁-₂₁))，1，exp(j(₃₃-₄₃))]

记宽波束权值为W₀＝[w_O1，w_O2，w_O3，w_O4]，而：

              W_O＝W′W_B                   ⑥

公式⑥即为本发明中使用波束拟合方式得到的宽波束权值计算公式，但不是唯一的表达形式，选取不同波束作为基准，W′的取值有所差异，但基于本发明的宽波束都将一致。在实际使用中，需要分别考虑上下行工作频点的波长值即可求得所述上下行链路的公用信道宽波束权值W_OU和W_OD。以上没有考虑阵列通道的幅相误差，若记阵列通道的校正权值为W_C＝diag(W_c1，W_c2，W_c3，W_c4)(即阵列通道幅相误差的倒数)，进行波束加权时则只需将⑥式得到的宽波束权值W_O与校正权值W_O相乘即可：

             W_OC＝W_OW_C                     ⑦

对于使用Butler矩阵等射频波束形成的智能天线***，宽波束权值由下式决定：

W_O＝W′＝[exp(j(₃₁-₂₁+₂₂-₁₂))，exp(j(₃₁-₂₁))，1，exp(j(₃₃-₄₃))]  ⑧

Claims (3)

1、一种用于智能天线基站的宽波束形成的方法，所述基站具有多个阵元天线，该每一阵元天线连接有一用于收发双工、低噪声放大的前端；该每一前端分别连接有一接收支路和一发射支路；所述接收支路进行下变频、滤波、放大、A/D变换、成形滤波及通道校正操作；所述发射支路进行通道校正、成形滤波、D/A变换、上变频、滤波放大、功率放大操作；所述基站还包括一公用信道处理单元以及一专用信道处理单元，用于对接收或接收的信号进行处理；所述处理包括以下步骤：

1)形成与所述阵元天线数相等数目的固定的窄波束，这些窄波束位于一预定角度的扇区内并两两正交，并计算其权值；

2)通过对所述多个窄波束拟合离线得到上下行链路公用信道宽波束的权值；

3)将该上下行链路的公用信道宽波束权值配置给公用信道波束形成单元，在考虑阵列通道校正权值的基础上，将所述权向量与接收/发射的信号进行复数相乘，完成公用信道在所述扇区内的接收/发射。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2)还包括以下步骤：

a)根据所述多个窄波束权值绘制窄波束方向图，并计算相邻两个窄波束交界点的指向角；

b)根据所述多个窄波束权值及波束交界点处的导向矢量，计算每一窄波束对其邻近的交界点所述指向角方向入射信号的响应；

c)根据该多个窄波束在相应交界点方向的响应构造一权向量矩阵，使相邻窄波束在交界点处的同相合并，则宽波束权值等于该权向量矩阵与所述窄波束权值的矩阵乘积；

d)在上述计算过程中考虑上、下行频段的波长值不同，即可得到上、下行链路的公用信道宽波束权值。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法当使用单元Butler矩阵的固定多波束智能天线***的射频波束形成方案时，所述上、下行链路公用信道宽波束权值都等于所述权向量矩阵，并分别取各自频段的波长值。

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