CN100417235C - 基于数字波束形成的智能天线实现方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种基于数字波束形成的智能天线实现方法，包括以下步骤：配置智能波束应用方式；配置波束权值；波束形成，常规基带处理；根据算法和测量参数，波束形成权值更新；一种基于数字波束的智能天线实现装置，包括：阵列分集天线、射频通道、波束形成单元、基带处理MODEM和波束控制器。本发明的方法和装置可实现业务平衡以提高网络容量和降低干扰，使得智能天线系统能够灵活配置并和常规基站兼容，有较好的性价比和扩展性。

Description

基于数字波束形成的智能天线实现方法和装置

技术领域

本发明涉及移动通信领域的智能天线技术。

背景技术

90年代以来，阵列处理技术引入移动通信领域，很快形成了一个新的研究热点-智能天线。智能天线在提高系统通信质量、缓解无线通信日益发展与频谱资源不足的矛盾、降低系统整体造价和改善系统管理等方面，都具有独特的优点。最初的智能天线技术主要用于雷达、声纳、军事抗干扰通信，用来完成空间滤波和定位等。近年来，随着移动通信的发展及对移动通信电波传播、组网技术、天线理论等方面的研究逐渐深入，现代数字信号处理技术发展迅速，智能天线技术因此用于具有复杂电波传播环境的移动通信。智能天线的实质是在不增加系统复杂度的情况下，可满足服务质量和网络扩容的需要。实际上它使通信资源不再局限于时间域(TDMA)、频率域(FDMA)或码域(CDMA)而拓展到了空间域，属于空分多址(SDMA)体制。

目前，关于智能天线的理论算法很多，有多种分类方法，从波束控制形式上可以分为预多波束和自适应波束两大类。预多波束基于波束切换。自适应波束基于波束自动调整。智能算法的复杂度、性能、可实现性、以及和常规系统兼容性等几个关键问题是智能天线技术急需待解决的问题。

在美国专利United States Patent6,236,866，“Adaptive antennapattern control for a multiple access communication system”中提出了自适应天线图案控制的思想。专利中论述了采用该方法对于CDMA通讯系统的优势，可以达到自动“小区呼吸”，没有论述具体实现方法。Metawave公司的SPOTLIGHT系统是在射频实现波束形成，没有基带波束形成配置灵活。国外一些学者提出一些智能天线算法。如：Least Squares De-spreadRespired Multitarget Array(LS-DRMTA)，Least Squares De-spreadRe-spread Multitarget Constabt Modulus AlogorithmArray(LS-DRMTCMA)，来自S.Rappaport，J.Liberti，“Smart Antennas for WirelessCommunications：IS-95 and Third Generation CDMA Applications”，还有Piolt Symol-Assisted Decision-Directed Coherent Adaptive ArrayDiversity for DS-CDMA Mobile Radio Reverse Link，来自IEICETRANS.FUNDANENTALS.1997.上述方法的一个困难是算法复杂度较高，为了满足算法的实时性、收敛性，导致基站成本过高，甚至在目前的器件水平下无法实现。这些算法中需要的附加信息如多径时延等需要改变基带处理器的结构和应用方式，同时，切换、无线资源控制和管理也需要更新。这些变化导致智能天线系统和非智能天线系统的结构不同，限制了使用的灵活性和兼容性。

发明内容

本发明提供一种基于数字波束形成的智能天线实现方法和装置。

一种基于数字波束形成的智能天线实现方法，包括以下步骤：

A)配置智能波束应用方式；

B)配置波束权值；

C)波束形成，常规基带处理；

D)小区业务量衡量及链路测试；

E)根据步骤D)的测量参数，更新波束权值。

上述智能波束应用方式有两种：以折中业务平衡、空域处理和分集技术为主的应用方式和以分集、业务平衡为主的应用方式。

本发明基于数字波束形成的智能天线实现方法，还包括有应用方式更新的步骤，根据上述步骤D)衡量的各小区业务量及链路评估参数来确定系统当前的应用方式是以折中业务平衡、空域处理和分集技术为主的应用方式还是以分集、业务平衡为主的应用方式，以便更好地改善系统性能。

一种基于数字波束形成的智能天线实现装置，包括：阵列分集天线、射频通道、上行波束形成单元和下行波束形成单元、基带处理MODEM和波束控制器；阵列分集天线代替天线完成小区/扇区的接收，阵列分集天线的每个阵元连接一个射频通道，完成射频到基带信号的转换；零中频基带信号进入上行波束形成单元完成数字波束形成，完成阵元域信号向波束域信号的转换；将波束域信号对应成常规的阵元信号，输入到基站基带MODEM的天线输入端，完成上行过程；下行过程从基带MODEM出来的用户信息，经过下行波束形成单元将信号映射到阵元域，再经过每个射频通道和阵列天线发射出去，完成下行过程；波束形成的参数由波束控制器经过业务平衡准则得到。

所述阵列天线是由2～4个阵元组成一个子阵，且两个子阵之间分集。

所述分集为空间分集或极化分集。

所述波束形成单元包括上行波束形成单元和下行波束形成单元。

所述上行波束形成单元包括两组乘加运算器。

所述下行波束形成单元包括四个复数乘法器和两个累加器。

本发明利用常规基带处理单元实现基于数字波束形成的智能天线的实现方法，可实现业务平衡以提高网络容量和降低干扰，使得智能天线系统能够灵活配置并和常规基站兼容，有较好的性价比和扩展性，在算法性能和算法实现性之间取得折中。具有系统结构简单，可实现性好，易于和现有系统平滑连接等特点。

附图说明

图1为本发明数字波束形成智能天线实现方法的流程图。

图2为本发明应用于WCDMA系统中的一种实施框图。

图3为本发明实施例采用的阵列结构图。

图4为本发明实施例采用的上行基带波束形成实施框图。

图5为本发明实施例采用的下行基带波束形成实施框图。

图6为本发明应用于WCDMA系统中的另一种实施框图；

具体实施方式

本发明基于数字波束形成智能天线实现方法的流程图如图1所示。

步骤101：开始；

步骤102：配置应用方式；

步骤103：配置波束权值；

步骤104：波束形成，常规基带处理；

步骤105：各小区业务量衡量；

步骤106：链路性能评估；

步骤107：根据算法和上述测量参数，更新波束权值；

步骤108：根据算法和测量参数，更新应用方式。

步骤102的配置应用方式有两种：以折中业务平衡、空域处理和分集技术为主的应用方式和以分集、业务平衡为主的应用方式。开始时，指定为其中一种。

步骤103的配置波束权值，刚开始为初始化固定权值，后由步骤107根据步骤105、106衡量的各小区业务量及链路评估参数依据各小区业务平衡准则进行权值更新，即通过改变小区的覆盖来实现业务平衡，波束权值根据波束所要求的方向和宽度确定。

步骤108根据步骤105、106衡量的各小区业务量及链路评估参数来确定系统当前的应用方式是以折中业务平衡、空域处理和分集技术为主的应用方式还是以分集、业务平衡为主的应用方式以便更好地改善系统性能。

本发明提供的实现方法具有如下特点：

1)灵活调节波束，改变扇区的覆盖形状，甚至可进一步改变整个小区的覆盖形状，从而平衡业务量，动态优化网络规划，提高网络容量；

2)利用预先生成的1～2个波束来覆盖整个扇区，也就是说一个扇区是由1～2个窄波束覆盖，由于窄波束的使用则可降低其他用户的干扰。

本发明采用的阵列结构如图3所示。使用3组2阵元直线阵+2阵元直线阵(两个天线阵直线距离7个波长以上)，子阵阵元间隔0.5波长。

图2为本发明应用于WCDMA系统中的一种实施框图(基带Modem以CSM5200为例说明)。由下列模块组成：阵元21、上行通道22，上行波束形成23，基带处理24，下行波束形成25，下行通道26，如图2所示。

此种应用方式对应6个扇区，每2个扇区共用4根天线，两个子阵在一个扇区形成4个窄波束，子阵(阵元2101、2102组成的、阵元2105、2106组成的、阵元2109、2110组成的)分别通过上行波束形成单元(231、233、235)各自形成2个窄波束(称这2个波束为主波束)，子阵(阵元2103、2104组成的、阵元2107、2108组成的、阵元2111、2112组成的)分别通过上行波束形成单元(232、234、236)也形成与主波束具有相同覆盖范围的2个窄波束(称这2个波束为辐波束)。上行时，阵元21接收射频信号，经过12个上行通道22得到IQ基带信号，再由6个2阵元的波束形成单元23共形成12个波束对应6个扇区，有6个主波束和6个辐波束，且主波束和辐波束的覆盖范围相同，主波束送入CSM5200的主天线输入，同主波束覆盖范围相同的辐波束送入CSM5200相对应的辐天线输入，进行其它基带信号处理；下行，将CSM5200主天线的输出送入主波束波束形成单元(251、253、255)，并将CSM5200辐天线的输出送入辐波束形成单元(252、254、256)，形成对应下行通道26的信号，再通过阵元21发射出去形成空间波束；波束处理器27将根据业务平衡准则调整波束指向和宽度，从而平衡业务量提高网络容量。

图2中的上行波束形成如图4所示。例如图2中的上行波束形成单元231包括图4的41、42两组乘加运算器，上行波束形成单元232包括图4的43、44两组乘加运算器。41运算器中包括411、412两个复数乘法器，其系数为w₀＝(w₀₀、w₀₁)，由外部输入，根据所需波束的指向和宽度确定，该系数即为波束权值，413为累加器。

图2中的下行波束形成单元如图5所示。例如图2中的下行波束形成单元251包括图5的乘法运算器51中的511、512、513、514四个复数乘法器和图5的加法运算器53中的531、532累加器，乘法运算器51中的系数w₀＝(w₀₀、w₀₁)、w₁＝(w₁₀、w₁₁)由外部输入，根据所需波束的指向和宽度确定，其系数的确定方法同上。

图2中的波束控制27完成上、下行波束赋形控制。波束赋形可以根据业务量平衡、人为设定、高层反馈、空时算法等进行控制。

波束形成231…233由于在基带完成，因此有非常灵活的应用方式。不同应用方式对应不同的应用环境。图2为一种典型应用方式。这种方式的优点是折中业务平衡、空域处理和分集技术。

图6所示本发明应用于WCDMA系统中的另外一种实施框图(基带Modem以CSM5200为例说明)。上行以分集、业务平衡为主。

此种应用方式对应3个扇区，上行时，阵元61接收射频信号，经过12个上行通道62得到IQ基带信号，再由6个2阵元的波束形成单元63共形成6个波束对应3个扇区，有3个主波束和3个辐波束，且主波束和辐波束的覆盖范围相同，主波束送入CSM5200的主天线输入，同主波束覆盖范围相同的辐波束送入CSM5200相对应的辐天线输入，进行其他基带信号处理；下行，将CSM5200主天线的输出送入主波束形成单元(651、653、655)，并将CSM5200辐天线的输出送入辐波束形成单元(652、654、656)，形成对应下行通道66的信号，再通过阵元61发射出去形成空间波束；波束处理器67将根据估计的业务量大小调整波束指向和宽度，从而平衡业务量提高网络容量。

本发明提供的实现装置具有如下特点：

1)易实现且系统配置灵活。于本发明充分考虑了移动通信系统的特点，因此具有系统结构简单，可实现性好，易于和现有系统平滑连接，基站可根据需要配置成智能通信基站、常规基站或二者的混合体。

2)兼容性好。本发明提供的方法较好地兼容了常规系统的分集技术和时域处理的优点，从空域滤波处理、时域处理和分集处理三个方面共同提高系统处理增益。

3)性价比好。由于本方法最大限度的应用了现有处理技术和设备，较好的兼顾成本、性能，因而具有广泛的应用前景。

Claims (8)

1. 一种基于数字波束形成的智能天线实现方法，包括以下步骤；

A)配置智能波束应用方式为：以折中业务平衡、空域处理和分集技术为主的应用方式或以分集、业务平衡为主的应用方式；

B)配置波束权值；

C)波束形成，常规基带处理；

D)小区业务量衡量及链路测试；

E)根据步骤D)的测量参数，更新波束权值。

2. 如权利要求1所述的基于数字波束形成的智能天线实现方法，其特征在于还包括有应用方式更新的步骤，根据步骤D)衡量的各小区业务量及链路评估参数来确定系统当前的应用方式是以折中业务平衡、空域处理和分集技术为主的应用方式还是以分集、业务平衡为主的应用方式，以便更好地改善系统性能。

3. 一种基于数字波束形成的智能天线实现装置，其特征在于包括：阵列分集天线、射频通道、上行波束形成单元和下行波束形成单元、基带处理MODEM和波束控制器；阵列分集天线代替天线完成小区/扇区的接收，阵列分集天线的每个阵元连接一个射频通道，完成射频到基带信号的转换；零中频基带信号进入上行波束形成单元完成数字波束形成，完成阵元域信号向波束域信号的转换；将波束域信号对应成常规的阵元信号，输入到基站基带MODEM的天线输入端，完成上行过程；下行过程从基带MODEM出来的用户信息，经过下行波束形成单元将信号映射到阵元域，再经过每个射频通道和阵列天线发射出去，完成下行过程；波束形成的参数由波束控制器经过业务平衡准则得到。

4. 如权利要求3所述的基于数字波束形成的智能天线实现装置，其特征在于：所述阵列天线是由2～4个阵元组成一个子阵，且两个子阵之间分集。

5. 如权利要求4所述的基于数字波束形成的智能天线实现装置，其特征在于：所述分集为空间分集或极化分集。

6. 如权利要求3所述的基于数字波束形成的智能天线实现装置，其特征在于：所述波束形成单元包括上行波束形成单元和下行波束形成单元。

7. 如权利要求6所述的基于数字波束形成的智能天线实现装置，其特征在于：所述上行波束形成单元包括两组乘加运算器。

8. 如权利要求6所述的基于数字波束形成的智能天线实现装置，其特征在于：所述下行波束形成单元包括四个复数乘法器和两个累加器。

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