CN1866620B - 自适应调整智能天线波束宽度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应调整智能天线波束宽度的方法，包括：A、为基站的智能天线设置一个以上的下行波束宽度；B、确定用户设备相对于基站移动的角频率；C、根据确定的用户设备相对于基站移动的角频率，选择一个下行波束宽度进行下行波束赋形，满足所选择的下行波束宽度大于或等于所述用户设备相对于基站移动的角频率与智能天线波束方向调整时间间隔的乘积。本发明所述的方法能够根据用户设备相对于基站角频率动态地调整智能天线的下行波束宽度，从而有效的避免了在用户设备运动的角频率较大时，现有智能天线波束跟踪不上用户设备的问题。

Description

自适应调整智能天线波束宽度的方法 

技术领域

本发明涉及到时分双工-同步码分多址(TD-SCDMA)移动通信***的智能天线技术，特别涉及到自适应调整智能天线波束宽度的方法。 

背景技术

目前，TD-SCDMA***基站采用的智能天线可以生成两种波束，一种是全向波束，主要用于下行导频或广播信道，这种波束不需要根据用户当前的位置生成具有方向性的波束，如图1a所示；另一种是具有方向性的业务波束，主要用于与用户设备(UE)进行正常的业务通信，如图1b所示。 

在基站使用上述智能天线与不同的UE进行正常的业务通信时，基站将为每个UE分别生成不同的业务波束，这些业务波束将分别指向各自的UE，如图2所示。在通常情况下，现有TD-SCDMA***采用的智能天线对所有UE产生的业务波束宽度都是相同的。 

熟悉本领域的技术人员可以理解，通过采用如图2所示的、指向UE的业务波束能有效的降低无线通信***的干扰。如图3所示，在基站与用户UE_1进行通信时，它产生的业务波束将指向UE_1，这样，对***中的其他用户而言，例如UE_2和UE_3，由于这些用户相对于基站的位置偏离了UE_1业务波束的方向，它们所能接收到的干扰信号能量将会大大降低。因此，采用智能天线技术可以有效地减小相同小区以及相邻小区用户之间的干扰。此外，由于UE之间信号干扰的降低，***的容量就得到了相应的提高。 

在现有的采用智能天线的***中，为了能有效的降低干扰，通常设置业务波束的宽度足够小。例如，对于扇区天线采用的8阵元线形智能天线来讲，其业务波束的宽度的一半为7°左右。在这种情况下，当UE距离基站较近， 而且相对于基站沿切线方向快速运动时，也就是在UE相对于基站运动的角频率较大时，基站需要能够足够快地变换波束方向才能跟踪UE的运动。根据协议规定，TD-SCDMA***一个子帧的长度固定为5ms，即在5ms的时间内可以实现一次数据收发，另外，考虑到智能天线从对接收信号的基带处理到产生波束赋形因子，并在下行方向上应用的整个过程通常需要3～4个子帧的时间，即大约20ms左右，因此，TD-SCDMA***对波束方向的调整时间间隔通常将达到20ms，如果再为波束方向的调整留出足够的冗余时间，所述的波束方向调整时间间隔将达到40ms。在这种情况下，如果UE在距离基站50米以内的位置高速运动时，将导致智能天线的波束没法对准UE，从而发生掉话的情况。 

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种自适应调整智能天线波束宽度的方法，使得在UE相对于基站运动的角频率较大时，智能天线所生成的业务波束仍能对准UE，从而提高TD-SCDMA***的可靠性。 

本发明所述的自适应调整智能天线波束宽度的方法，包括以下步骤： 

A、为基站的智能天线设置一个以上的下行波束宽度； 

B、确定用户设备相对于基站移动的角频率； 

C、根据确定的用户设备相对于基站移动的角频率，选择一个下行波束宽度进行下行波束赋形，满足所选择的下行波束宽度大于或等于所述用户设备相对于基站移动的角频率与智能天线波束方向调整时间间隔的乘积。 

步骤B所述用户设备相对于基站移动的角频率为用户设备相对于基站移动速率的切向分量与该用户设备到基站的距离的商。 

步骤B所述用户设备相对于基站移动的角频率为用户设备在本小区内可能移动的最大速率与该用户设备到基站的距离的商。 

本发明所述可能移动的最大速率为用户设备在其所处环境中能够移动的最大速率。 

本发明所述方法进一步包括：对基站智能天线不同宽度的波束的赋形因子进行编组，使每个赋形因子组对应一种波束宽度； 

步骤C所述下行波束赋形为：根据所选择的下行波束宽度使用对应的赋形因子组进行下行波束赋形。 

本发明所述的自适应调整智能天线波束宽度的方法，还可以包括以下步骤： 

a、为基站的智能天线设置一个以上的下行波束宽度； 

b、采用如下公式计算得到切换距离： 

$R_i=\frac{V\×T}{\mathrm{\θi}},i=1~N-1$

其中，N为所设置的波束宽度的总数，θi为所述波束宽度从小到大依次排列的第i个波束宽度，R_i为所述切换距离从大到小依次排列的第i个切换距离，V为用户设备可能移动的最大速率，T为基站进行波束方向调整的时间间隔； 

并将确定的所述切换距离从大到小依次排列；将所述小区覆盖的区域划分为大于最大切换距离的波束宽度区域、小于或等于最小切换距离的波束宽度区域以及在相邻切换距离之间的若干波束宽度区域，其中，每个波束宽度区域与一个设置的波束宽度对应，且距离基站越远的波束宽度区域对应的波束宽度越窄； 

c、确定用户设备距离基站的实际距离，将确定的实际距离与所述切换距离进行比较，若所述实际距离大于所述最大的切换距离，则所述用户设备位于大于最大切换距离的波束宽度区域；若所述实际距离小于或等于所述最小的切换距离，则所述用户设备位于小于或等于最小切换距离的波束宽度区域；若所述实际距离在两个相邻切换距离之间，则所述用户设备位于由这两个切换距离确定的波束宽度区域，并选择与该用户设备所处波束宽度区域对应的波束宽度进行下行波束赋形。 

本发明所述方法进一步包括：对基站智能天线不同宽度的波束的赋形因子进行编组，使每个赋形因子组对应一种波束宽度； 

步骤c所述下行波束赋形为：根据所选择的下行波束宽度使用对应的赋形因子组进行下行波束赋形。 

本发明所述方法进一步包括：在相邻的波束宽度区域之间设置过渡区； 

当用户设备从一个波束宽度区域移动到过渡区时，基站使用的下行波束宽度保持不变，当用户再从过渡区移动到另一个波束宽度区域时，基站使用所述移动到的波束宽度区域对应的波束宽度进行下行波束赋形。 

由此可以看出，本发明所述的方法能够根据UE相对于基站角频率动态地调整智能天线的下行波束宽度，从而有效的避免了在UE运动的角频率较大时，现有智能天线波束跟踪不上UE的问题。 

另外，采用本发明所述的自适应波束宽度调整方法虽然对在宽波束区UE生成的波束较宽，但由于该区域距离基站较近，因此需要的发射功率较小，对其他UE的干扰也小，那么最终对整个TD-SCDMA网络的干扰及容量的影响也很小。 

图1a为智能天线生成的全向波束； 

图1b为智能天线生成的具有方向性的业务波束； 

图2为智能天线为不同用户生成的业务波束； 

附图说明

图3为某个UE的业务波束与本小区其他UE的位置关系示意图； 

图4a为本发明一个优选实施例所述的宽波束示意图； 

图4b为本发明一个优选实施例所述的窄波束示意图； 

图5为本发明另一个优选实施例所述的波束宽度切换过渡区示意图； 

图6为本发明又一个优选实施例所述的波束宽度区域示意图。 

具体实施方式

为使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。 

为了解决在UE移动的角频率较大时，下行波束无法跟踪用户的问题，期望基站可以根据UE相对于基站移动角频率ω的大小自适应调整智能天线的下行波束宽度，即在UE移动的角频率ω较大时，采用宽度较宽的下行波束发送数据，而在UE移动的角频率ω较小时，采用宽度较窄的下行波束发送数据。因此，本发明所述方法主要包括以下步骤： 

A、为基站的智能天线设置一个以上的下行波束宽度； 

在本步骤所设置的多个下行波束宽度可以根据TD-SCDMA***实际采用的智能天线参数确定。 

B、确定UE相对于基站移动的角频率ω； 

C、根据确定的UE相对于基站移动的角频率ω，选择一个下行波束宽度进行下行波束赋形。 

为了使基站生成的波束能够覆盖UE，该UE需要的波束宽度、智能天线波束方向调整的时间间隔以及UE相对于基站移动的角频率需要满足以下要求：智能天线生成的波束宽度要大于或等于UE相对于基站移动角频率ω与调整时间间隔T之积。 

由于在实际的应用中，UE的移动速度及方向是变化的，并且基站很难获知UE的移动速度参数，因此，基站无法预先获知UE移动的角频率，从而导致在实际的波束宽度调整过程中，基站很难实现根据UE移动角频率对智能天线的波束宽度进行调整。 

考虑到UE相对于基站移动的角频率为该UE相对于基站移动速率的切向分量与该UE到基站的距离的商。为了进一步简化计算，可以用UE在小 区内可能移动的最大速率来代替上述UE相对于基站移动速率的切向分量。因此，如果已知UE到基站的距离L以及UE在小区内可能移动的最大速率V，就可以计算得到该UE相对于基站移动的最大角频率ωm， ${\mathrm{\ω}}_m=\frac{V}{L}$ 。其中，UE可能移动的最大速率V可以根据基站的周边环境，例如，基站周边的道路限速等等条件来确定。此时，根据UE到基站的距离动态调整智能天线波束宽度的方法将等效于根据UE相对于基站移动的角频率来调整智能天线的波束宽度的方法，并且前者更加简单易行。 

在本发明的一个优选实施例中，设置智能天线具有宽和窄两种波束宽度，如图4a及图4b所示，其中，这两种波束的具体宽度可以根据TD-SCDMA***实际采用的智能天线参数确定。同时，预先设定一个UE与基站之间的距离R作为宽、窄波束之间进行切换的距离，称为切换距离。在本实施例中，所述的切换距离R是保证基站使用窄波束仍能有效跟踪UE移动方向的UE距基站的最小距离，R可以根据窄波束的波束宽度θ1、UE可能移动的最大速率V，以及基站进行波束方向调整的时间间隔T(通常约20～40ms)来确定，其计算公式为 $R=\frac{V\&times;T}{\mathrm{\&theta;}1}$ 。因此，在UE到基站的距离L大于R时，有 $L>\frac{V\&times;T}{\mathrm{\&theta;}1},$  经过推导得到此时满足 $\mathrm{\&omega;}\&times;T=\frac{V}{L}\&times;T<\mathrm{\&theta;}1$ ，故此时窄波束可以覆盖UE。由此可以看出，在上述实施例中以UE到基站的距离与切换距离之间的关系作为波束宽度调整的判断条件与上述根据UE角频率进行波束宽度调整在原理上是一致的。 

对TD-SCDMA***来讲，一个小区内的所有用户是上行同步的，基站将通过控制每个用户发送业务数据的发送时间提前量T_adv使本小区内每个用户的上行数据同时到达基站，因此，基站可以根据每个UE的发送时间提前量T_adv计算出每个UE到基站的距离L，其计算公式为：L＝T_adv×C，其中，C为光速。 

在确定了UE到基站的距离之后，基站就可以根据确定的距离L与切换 距离R的大小进行波束宽度切换了。所述波束宽度切换的具体方法为：当UE到基站的距离L小于或等于R时，基站使用宽波束发送数据；而当UE到基站的距离L大于R时，基站使用窄波束发送数据。 

为了防止频繁的波束宽度的切换，在本发明另一个优选实施例中，在所述切换距离附近设置了一个如图5所示的过渡区，过渡区的内环半径R1，外环半径R2，且令R1≤R＜R2。在内环半径R1内部的区域称为宽波束区，在外环半径R2外部的区域称为窄波束区，在R1和R2之间的区域称为过渡区。 

当UE移动离开宽波束区，进入过渡区时，即UE到基站的距离大于R11而小于R2时，基站生成的对准该UE的波束将保持宽波束不变，直到UE离开过渡区到达窄波束区，即UE到基站的距离大于R2后，基站才将对准该UE的下行波束切换成窄波束。反之，在UE离开窄波束区，进入到过渡区时，即UE到基站的距离小于R2而大于R1时，基站将保持窄波束不变，直到UE进入宽波束区时，即UE到基站的距离小于R1时，才将该UE的下行波束换成宽波束。由此可以看出，当UE在宽波束区、窄波束区的边缘以及过渡区内移动时，将不会带来波束宽度的改变，从而可以有效的避免波束宽度的频繁切换。 

为了适应更复杂的环境，还可以根据智能天线的情况设置多种宽度的波束，并根据所设置的波束宽度确定在所述波束宽度之间切换的切换距离，再根据确定的切换距离将小区覆盖的区域按照距离基站的远近划分成一个以上的波束宽度区域，其中，每个波束宽度区域与一个设置的波束宽度对应，保证距离基站越远的波束宽度区域对应的波束宽度越窄；并在确定UE到基站的实际距离后，将确定的实际距离与所述切换距离进行比较，确定UE所在的波束宽度区域，再选择对应的波束宽度进行下行波束赋形。 

具体来讲，确定所述切换距离的方法与上述设置切换距离R的方法基本相同，所述计算采用如下公式： 

$R_i=\frac{V\&times;T}{\mathrm{\&theta;i}},i=1~N-1$

其中，N为所设置的波束宽度的个数，θ_i为所述波束宽度从小到大依次排列后的第i个波束宽度，R_i为所述切换距离从大到小依次排列后的第i个切换距离，V为用户设备可能移动的最大速率，T为基站进行波束方向调整的时间间隔。 

上述计算得到的N-1个切换距离从大到小依次为R₁、R₂、......、R_N-1。这N-1个切换距离将本小区覆盖的范围划分为N个区域，称为波束宽度区域，并且每个波束宽度区域分别与一个设置的波束宽度对应。如图6所示，距离基站大于R₁的区域为波束宽度区域1，与最窄的波束宽度θ₁相对应；距离基站小于或等于R₁、大于R₂的区域为波束宽度区域2，与波束宽度次窄的θ₂ 相对应；......；距离基站小于或等于R_N-1的区域为波束宽度区域N，与最宽的波束宽度θ_N相对应。 

在基站通过每个UE发送业务数据的发送时间提前量T_adv计算出每个UE距离基站的实际距离后，就可以将每个UE实际距离与所述切换距离进行比较，从而确定每个UE所在的波束宽度区域。例如，经过计算得到一个UE到基站的实际距离L，当L＞R₁时，可以确定该UE位于波束宽度区域1，应当使用波束宽度θ₁进行下行波束赋形；当R_j+1＜L≤R_j，j＝1～N-2，则可以确定该UE位于波束宽度区域j＋1，应当使用波束宽度θ_j+1进行下行波束赋形；而当L≤R_N-1时，可以确定该UE位于波束宽度区域N，应当使用波束宽度θ_N 进行下行波束赋形。 

同样，为了避免频繁的波束宽度切换，在具有多个波束宽度的情况下，也可以在相邻的波束宽度区域之间设置过渡区，保证当用户设备从一个波束宽度区域移动到过渡区时，基站使用的下行波束宽度保持不变，而当用户再从过渡区移动到另一个波束宽度区域时，基站使用所述移动到的波束宽度区域对应的波束宽度进行下行波束赋形。 

对于智能天线来讲，下行波束宽度的改变可以通过对智能天线阵中每个天线单元输入不同的相位和幅度来实现，即仅仅简单的改变其赋形因子就可 以改变智能天线生成的波束宽度。因此，在实际操作过程中，可以对智能天线不同宽度的波束的赋形因子进行编组，每个赋形因子组对应一种波束宽度，然后将新的赋形因子组下发给下行波束赋形的执行单元，下行波束赋形的执行单元将根据当前的波束宽度选择对应波束宽度的赋形因子组进行下行波束赋形。 

由此可以看出，本发明所述的方法能够根据UE到基站的距离自适应调整下行波束宽度，从而有效的避免了在UE运动的角频率较大时，现有智能天线波束跟踪不上UE的问题。另外，采用本发明所述的自适应波束宽度调整方法虽然对在宽波束区UE生成的波束较宽，但由于该区域距离基站较近，因此需要的发射功率较小，因此，对其他UE的干扰很小，那么最终对整个TD-SCDMA网络的干扰及容量的影响也很小。 

Claims (8)

1.一种自适应调整智能天线波束宽度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、为基站的智能天线设置一个以上的下行波束宽度；

B、确定用户设备相对于基站移动的角频率；

C、根据确定的用户设备相对于基站移动的角频率，选择一个下行波束宽度进行下行波束赋形，满足所选择的下行波束宽度大于或等于所述用户设备相对于基站移动的角频率与智能天线波束方向调整时间间隔的乘积。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤B所述用户设备相对于基站移动的角频率为用户设备在本小区内可能移动的最大速率与该用户设备到基站的距离的商。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述可能移动的最大速率为用户设备在其所处环境中能够移动的最大速率。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：对基站智能天线不同宽度的波束的赋形因子进行编组，使每个赋形因子组对应一种波束宽度；

步骤C所述下行波束赋形为：根据所选择的下行波束宽度使用对应的赋形因子组进行下行波束赋形。

5.一种自适应调整智能天线波束宽度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、为基站的智能天线设置一个以上的下行波束宽度；

b、采用如下公式计算得到切换距离：

$R_i=\frac{V\&times;T}{\mathrm{\&theta;i}},i=1~N-1$

其中，N为所设置的波束宽度的总数，θ_i为所述波束宽度从小到大依次排列的第i个波束宽度，R_i为所述切换距离从大到小依次排列的第i个切换距离，V为用户设备可能移动的最大速率，T为基站进行波束方向调整的时间间隔；

并将确定的所述切换距离从大到小依次排列；将所述小区覆盖的区域划分为大于最大切换距离的波束宽度区域、小于或等于最小切换距离的波束宽度区域以及在相邻切换距离之间的若干波束宽度区域，其中，每个波束宽度区域与一个设置的波束宽度对应，且距离基站越远的波束宽度区域对应的波束宽度越窄；

c、确定用户设备距离基站的实际距离，将确定的实际距离与所述切换距离进行比较，若所述实际距离大于所述最大的切换距离，则所述用户设备位于大于最大切换距离的波束宽度区域；若所述实际距离小于或等于所述最小的切换距离，则所述用户设备位于小于或等于最小切换距离的波束宽度区域；若所述实际距离在两个相邻切换距离之间，则所述用户设备位于由这两个切换距离确定的波束宽度区域，并选择与该用户设备所处波束宽度区域对应的波束宽度进行下行波束赋形。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述可能移动的最大速率为用户设备在其所处环境中能够移动的最大速率。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：对基站智能天线不同宽度的波束的赋形因子进行编组，使每个赋形因子组对应一种波束宽度；

步骤c所述下行波束赋形为：根据所选择的下行波束宽度使用对应的赋形因子组进行下行波束赋形。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：在相邻的波束宽度区域之间设置过渡区；

当用户设备从一个波束宽度区域移动到过渡区时，基站使用的下行波束宽度保持不变，当用户再从过渡区移动到另一个波束宽度区域时，基站使用所述移动到的波束宽度区域对应的波束宽度进行下行波束赋形。

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