CN1145239C - 一种改进智能天线阵列覆盖范围的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种改进智能天线阵列覆盖范围的方法。设定W(n)的调整步长，初始值W₀(n)，最小方差初值ε₀，记数变量，门限值M和天线单元发射功率的最大值T(n)。然后进入循环反馈的对W(n)的调整过程，包括：A.产生计算W(n)的随机数计算W(n)；B.判断|w(n)|≤T(n)^1/2，不满足时返回A，满足时继续执行；C.计算最小方差ε，判断ε＜ε_o，满足时记录并保留本次计算的W(n)，用ε作为ε₀，和使记数变量置零，返回A，不满足时保留ε和使记数变量加1，继续执行；D.判断记数变量＞门限值M，满足时终止调整，获得W(n)结果，不满足时，返回A。每次返回A时，在计算W(n)时按调整步长作增加或减小。以最小方差原则逐步逼近地调整天线辐射参数，使天线阵列的实际覆盖范围逼近所需要求。

Description

一种改进智能天线阵列覆盖范围的方法

技术领域

本发明涉及一种应用于蜂窝移动通信系统的智能天线阵列技术，更确切地说是涉及一种可改进智能天线阵列覆盖范围的方法。

背景技术

在应用智能天线的蜂窝移动通信系统中，智能天线阵列一般装备在无线基站中，该智能天线阵列必须能用两种赋形波束发射和接收信号：一种是固定的赋形波束，另一种是动态的赋形波束。固定的赋形波束，如全向、带状、扇形波束赋形方式，主要用于发送如广播、寻呼等的全向信息；动态的赋形波束主要用于跟踪用户，将用户数据、信令等信息传送给特定的用户。

附图1示出一种蜂窝移动通信网小区分布示意结构。在蜂窝移动通信系统的工程设计中，通讯网的覆盖范围是设计中首先应考虑的问题，一般情况下将无线基站的智能天线阵列设计在小区的中心处，如图中黑点11所示，大多数的小区具有正圆形的覆盖范围，如图中正圆形12所示，同时，部分小区将要求具有不对称圆形的覆盖范围，如图中不对称圆形13所示，和具有条形的覆盖范围，如图中条形14所示。这些正圆形12、不对称圆形13及条形14相互重叠，以达到缝隙覆盖的效果。

众所周知，天线阵列的功率辐射图形是由构成天线阵列的天线单元的几何排列形状、各天线单元的特性以及每个天线单元辐射电平的相位、幅度等参数确定的。在设计一个天线阵列时，为保证设计的通用性，一般都是在比较理想的环境下进行的，该理想的环境包括自由空间、设备正常工作等。但当设计好的天线阵列工作在实际的蜂窝移动通信系统中时，由于天线阵列架设的地点不同、位置不同，受周围地物、地貌和建筑物的高度及其排列等因数的影响，天线阵列的实际功率覆盖范围必然发生变化。

附图2示出(可以是附图1的局部)，由于地形地貌等原因，移动通信网所需覆盖范围21(正圆形)与实际达到的覆盖范围22间的差异(图中23为小区中心)，实际达到的覆盖范围可以通过现场测量获得。由于每个小区都可能出现这样的差异，因此，如果不进行现场调整，则移动通信网的覆盖范围会变得很差。此外，就是当天线阵列中的个别天线单元(包括天线、馈线电缆和与其相关联的射频收发信机)不能正常工作或因网络的覆盖要求需要重新配置天线阵列时，也必须对天线阵列的覆盖范围进行实时调整，以满足新要求下的良好小区覆盖范围。

该调整的原则作法是：在对小区进行全向覆盖的固定波束赋形的基础上实现智能天线阵列对单个用户终端的动态波束赋形(动态定向辐射波束)。

              若用A(φ)……           (公式1)

表示希望得到的赋形波束的形状参数，即所需的覆盖范围，其中φ表示观察点的极坐标角度，A(φ)是相同距离下φ方向的辐射强度。设构成智能天线阵列的天线的根数为N，其中任一个天线单元n的位置参数为D(n)，其波束赋形参数为W(n)，其对方向角为φ的辐射功率P，即实际达到的覆盖范围表示为：

$P\left(\mathrm{\φ}\right)=|\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}f(\mathrm{\φ},D\left(n\right))\×W\left(n\right){|}^2$ ……(公式2)

公式2中的f(φ，D(n))的函数形式与智能天线阵列的类型有关。

在地面移动通信系统中，通常仅需考虑平面上的二维覆盖，而按天线的排列来分，使用的天线阵列包括有线形阵列与环形阵列，圆形阵列是一种特殊的环形阵列(见中国专利97202038.1，“用于无线通信系统的环形智能天线阵”)。在具有蜂窝结构的移动通信系统中，为实现分扇区的覆盖，通常使用线形阵列，而为实现全向覆盖，则采用圆形阵列。本发明以圆阵列为例说明。

若为圆形阵列，则D(n)＝2×(n-1)×π/N；

f(φ，D(n))＝exp(j×2×r/λ×π×cos(Φ-D(n)))(求指数)。

其中r是圆形天线阵列的半径，λ是工作波长。图3中给出由8根天线构成的圆形天线阵列所形成的正圆形覆盖范围的全向波束赋形功率方向，图中所示数字1.0885、2.177、3.2654的平方表示功率。

采用最小方差算法，可使公式3中的方差ε最小：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{1}{K}\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}|P{\left({\mathrm{\φ}}_i\right)}^{1/2}-A\left({\mathrm{\φ}}_i\right){|}^2\×C\left(i\right)$ ……(公式3)

公式3中，K是采用逼近方法时的采样点的数目，C(i)是一个权重。如果对某些点的逼近要求高，就可以将C(i)设得高一些，相反则可将其设得小一些，在所有点的逼近要求一致时，一般将C(i)设计成1。

此外，考虑到每个天线单元的发射功率是受到限制的，用W(n)的幅值代表某个天线单元天线发射的功率，在设定的每个天线单元发射功率的最大值为T(n)时，其受限条件可表示为：

                     |W(n)|≤T(n)^1/2……(条件1)

显然，要在受限制的范围内求出每个天线单元发射功率的最优值，除非在特殊情况下可直接通过公式求解，一般只能通过选定且对待求的W(n)的精度进行穷举求解，而采用穷举求解方法的计算量是相当大的，且与天线单元的数目N成指数关系，虽然可通过逐步提高精度及减少求值范围的方法来减小计算量，但即使只求出次优值，其运算量仍然太大。

发明内容

本发明的目的是设计一种改进智能天线阵列覆盖范围的方法，可根据实际需要来调整构成天线阵列的天线单元的参数，使天线阵列达到所需的特定波束赋形，可在受限制的范围内快速求出每个天线单元发射功率的最优值、获得局部最佳效果。

本发明的目的是这样实现的：调整构成N天线阵列的每个天线单元n的波束赋形参数W(n)，其特征在于包括：

设定所要求解的W(n)的精度即调整步长；

为N天线阵列的每个天线单元n设定一组满足|w(n)|≤T(n)^1/2的W(n)的初始值W₀(n)，一组最小方差ε的初值ε₀，用于记录某一组W₀(n)对应的ε₀相对于W(n)的调整所需的最小次数的记数变量，记数变量初值为0，决定终止调整的门限值M和每个天线单元n发射功率幅度的最大值T(n)；

进入循环反馈的对W(n)的计算调整过程，包括以下步骤：

A.产生计算W(n)的随机数，计算W(n)；

B.判断|w(n)|≤T(n)^1/2，当不满足条件时，返回步骤A，并在计算W(n)时按调整步长作增加或减小，当满足条件时，执行步骤C；

C.计算最小方差ε，判断ε＜ε₀，当满足条件时，记录并保留本次调整计算的W(n)，并用新的ε作为ε₀，和使记数变量置零，返回步骤A，并在计算W(n)时按调整步长作增加或减小，当不满足条件时，保留原来的ε和使记数变量加1，继续执行步骤D；

D.判断记数变量＞门限值M，满足条件时，终止调整过程，获得一组W(n)及ε结果，不满足条件时，返回步骤A，并在计算W(n)时按调整步长作增加或减小。

本发明的改进智能天线阵列覆盖范围的方法，实际上是一种基带数字信号处理方法，是针对使用智能天线阵列的无线基站对小区作全向覆盖的固定波束赋形时，可有效改进智能天线阵列覆盖范围的方法。通过调整天线阵列中每个天线单元的参数来改变智能天线阵列覆盖区域的大小及形状，使之在最小方差的原则下获得与要求相吻合的局部最佳效果。

本发明的方法是根据移动通信网工程设计所需的有关覆盖区域大小、形状的参数和实际实现的小区覆盖的差别，以最小方差原则采用逐步逼近的办法来调整天线辐射参数，使天线阵列的实际覆盖范围在局部最优的条件下逼近所需要求。

本发明方法的一种应用场合是在智能天线阵列的安装现场，通过调节天线阵列中每个天线单元的参数，来改变智能天线阵列覆盖区域的大小及形状，使之在最小方差的原则下获得与期望的赋形波束形状极为逼近的全向辐射赋形波束，具有与要求相吻合的局部最佳结果。本发明方法的另一种应用场合是当组成智能天线阵列中的部分天线单元由于工作不正常而被关闭时，可以立即调整其它正常工作的天线单元的天线辐射参数，立即恢复对小区的全向覆盖。

附图说明

图1是蜂窝移动通信网小区分布结构示意图

图2是需要的小区覆盖与实际的小区覆盖间存在差异的示意图

图3是8天线阵列正圆形覆盖全向波束赋形功率方向示意图

图4是以固定步长快速改进天线阵列波束赋形范围的流程框图

图5是以可变步长快速改进天线阵列波束赋形范围的流程框图

图6是在有终止条件时，以可变步长快速改进天线阵列波束赋形范围的流程框图

图7、图8分别是在有一个天线单元不工作时的8天线阵列正圆形覆盖全向波束赋形调整前、后的功率方向示意图

图9、图10分别是在有两个天线单元不工作时的8天线阵列正圆形覆盖全向波束赋形调整前、后的功率方向示意图

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步说明本发明的技术。

图1至图3的说明前已述及不再赘述。

结合参见图4、图5、图6，本发明的方法是一种在受限制的范围内快速求出天线阵列中任一天线n的波束赋形参数最优值W(n)、以获得局部最佳效果的方法。大致包括以下五个步骤：

步骤一.设定所要求解的W(n)的精度，也即整个求解过程中W(n)的调整步长，对应不同的调整对象可以有两种调整步长的设定方式：一种是分别设定复数W(n)的实部与虚部，变化步进；另一种是分别设定W(n)的幅度和相位，变化步进。

设第U次调整后的W(n)为W^U(n)，在采用第一种调整方法时，是将W^U(n)表示为复数：W^U(n)＝I^U(n)+j×Q^U(n)，其下一次调整后的W^U+1(n)可表示为： $W^{U+1}\left(n\right)=W^U\left(n\right)+\mathrm{\Δ}{W}^U\left(n\right)$

$=I^U\left(n\right)+{(-1)}^{L_I^U}\mathrm{\Δ}{I}^U\left(n\right)+j\×[Q^U\left(n\right)+{(-1)}^{L_Q^U}\mathrm{\Δ}{Q}^U\left(n\right)]$ ……(公式4)

其中，ΔI^U(n)、ΔQ^U(n)分别是实部I^U(n)和虚部Q^U(n)的调整步长， 分别决定实部I^U(n)和虚部Q^U(n)的调整方向，它们的取值将在步骤三中通过随机判断的方法来决定。

在采用第二种调整方法时，是将W^U(n)表示为幅度与相位： $W^U\left(n\right)=A^U\left(n\right)e^{j{\mathrm{\φ}}^U\left(n\right)},$ 则其下一次调整后的W^U+1(n)由下式可得：

$W^{U+1}\left(n\right)=W^U\left(n\right)\×\mathrm{\Δ}{W}^U\left(n\right)$

$=A^u\left(n\right)\×\mathrm{\Δ}{A}^u{\left(n\right)}^{(-1)L_A^U}\×e^{j*[{\mathrm{\φ}}^U\left(n\right)+(-1)L_{\mathrm{\φ}}^U\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}^U\left(n\right)]}$ ……(公式5)

其中，ΔA^U(n)，Δφ^U(n)是幅度A^U(n)和相位φ^U(n)的调整步长，

分别决定幅度A^U(n)和相位φ^U(n)的调整方向，它们的取值将在步骤三中通过随机判断的方法来决定。

步骤二.设定一组满足受限条件1：|W(n)|≤T(n)^1/2的W(n)的初始值W₀(n)，W₀(n)的数目与天线阵列中天线单元的数目N有关。对于天线阵列中被关闭的天线单元，其对应的W₀(n)为零，且在以后的步骤中不再对其作调整。初值W₀(n)的选取对于整个算法的收敛速度及最后的结果有一定的影响，因此如果事先知道W(n)的大致范围，最好对应选择一组合适的初始值W₀(n)，同时也有利于提高结果的精度。

然后设定最小方差ε的初值ε₀，为了更快地从初始状态进入循环反馈的调整阶段，一般将初值ε₀设得较大。将记数变量(count)设为0，其中的count用于记录某一组W₀(n)对应的ε₀相对于W(n)的调整所需的最小次数，M是要求的门限值，以决定何时终止调整输出结果，显然M越大所取得结果的可信度越高。上述设定初始值分别见图4、图5、图6中的步骤框401、501、601，包括W₀(n)、M、调整步长(step)、最小方差ε的初值ε₀、第n天线发射功率的最大值T(n)、记数变量(count)，图5、图6所示框501、601与图4所示框401的不同之处在于框501、601还包括设置最小调整步长min step，这是由采用可变步长作调整时所要求的。

步骤三.参照步骤一的过程和根据公式4或5生成新的W(n)，即调整W(n)，每次会产生一组随机数，根据随机数的大小决定W(n)的变化方向，如果调整后的W(n)超过条件1(|W(n)|≤T(n)^1/2)的限制，就增加或减小对应的W(n)，增加或减小量由调整步长(step)决定。此时由于不知道正确的变化趋势，还是应取相同的增、减机率。步骤三的操作可参见图4、图5、图6中的框402、403、502、503、602、603。

步骤四.在调整后的W(n)没有超过条件1的限制后，根据公式3计算新的最小方差ε，如果ε＜ε₀，则记录并保留这次的W(n)，并用新的ε代替原来的ε₀，ε₀＝ε，同时使记数变量置零(count＝0)，其操作可见图4、图5、图6中的框404、405、406、504、505、506、604、605、606；但对于图6所示的以ε＜ε’为调整终止条件的情况下，还需在判断ε＜ε₀前先判断ε＜ε’，在ε大于ε’时再执行ε＜ε₀，如图6中框612所示；如果ε≥ε₀，则保留原来的ε并使记数变量加1(count+1)，其操作可见图4、图5、图6中的框407、507、607；在判断出ε≥ε₀并执行完框407、507、607后，每次都要检查记数变量count，是否超过事先设定的门限值M，其操作可见图4、图5、图6中的框408、508、608。

步骤五.在计算出ε≥ε₀，且记数变量count小于事先设定的门限值M时，均返回步骤三，即执行图4、图5、图6中的框402、502、602，重新产生一组随机数，改变W(n+1)，如果改变完一组W(n)，则重新从W(1)开始。如此反复执行，直到在框408、508、608中检查出记数变量超过事先设定的门限值时为止(count＞M)，整个调整过程终止，这时所记录的W(n)就是一组局部最优解，ε₀即为与之对应的最小方差ε，并将记数变量置零(count＝0)。其操作可见图4、图5、图6中的框409、509、609。

通过上述步骤求出的值只是一个局部最优解，但其计算量已小得多，可较快地求出一组解。如果对本次所求出的值不满意，还可反复进行，求出若干组解，从中挑出ε最小的一组解，当然，在重复进行时，需修改所设定的W(n)的初值W₀(n)。

如果对结果仍不满意，则可采用可变步长、提高精度的方法来改进前述算法，即如图5、图6中所示，在步骤501、601设定初始值时，设定最小调整步长min_step，在初始调整时用一个较大的步长来调整参数W(n)，且在框510、610，当count超过事先设定的门限值M但步进step仍未达到最小调整步长min_step时，不终止前述的计算过程，而是执行框511、611，减小调整步长，并用减小后的步长来改变W(n)，重新计算方差ε等，只有在count超过事先设定的门限值M且步进step达到最小调整步长min_step(step＝min_step)时，才停止计算输出结果，得到一组W(n)和相应的方差ε。在相同的精度条件下，图5、图6所示的可变步长的算法可在一定程度上提高运算速度。

图6所示的是在具体作系统设计时，系统对方差ε有明确的要求，表示为ε＜ε’，ε’是一个设定的门限阈值，这时需对执行的终止条件作相应的变化，即在框605前增加一个执行框612，在判断出ε＜ε’时则终止流程。实施时也可以ε＜ε’为终止条件，但采用固定步长(如图4中所示)快速改进天线阵列波束赋形范围的算法。

参见图7、图8，用两图例对比说明本发明的一种应用效果，以图3所示的8单元天线圆阵列为例(本发明的方法适用于对任意的特定形状的天线阵列进行动态实时地波束赋形，此处仅以圆形阵列为例)。当组成天线阵列的某天线单元(包括天线、馈线电缆和与其连接的射频收发信机等有关部件)出现故障时，无线基站必须将出现故障的天线单元关闭，此时，天线阵列的辐射图形将大大恶化。如图7中所示的一个天线单元不工作的情况，辐射图形从比较理想的正圆形变为不规则的图形71，小区覆盖立即恶化。当发生以上情况时，使用本发明的方法，无线基站将立即获得其余工作天线单元的参数并进行调整，改变对各个正常工作的天线单元馈电的幅度和相位，而获得了图8中图形81所示的覆盖效果。基本恢复了接近圆形的小区覆盖。

参见图9、图10，用两图例对比说明本发明的另一种应用效果，仍以图3所示的8单元天线圆阵列为例。如图8中所示的有两个相隔π/4的天线单元不工作的情况，辐射图形从比较理想的正圆形变为不规则的图形91，小区覆盖更加恶化。当发生以上情况时，使用本发明的方法，无线基站将立即获得其余工作天线单元的参数并进行调整，改变对各个正常工作的天线单元馈电的幅度和相位，而获得了图10中图形101所示的覆盖效果，恢复的小区覆盖显然更接近圆形。

必须说明的是：当天线阵列中的部分天线单元停止工作后，如不增加能正常工作的天线单元的最大辐射功率，整个覆盖区域的半径肯定将减少，如图7、图9中所示，导致小区间的重叠覆盖区域减少(可参考图1)，则可能出现不能通信的盲区，如在图7、图9所示的实例中，在同等距离下的辐射功率电平将降低3-5dB，造成覆盖半径减少为10％-20％。因而，必须增加部分天线单元的辐射功率，或者通过邻近小区的“呼吸“功能来克服此问题。

本发明的改进天线阵列覆盖范围的方法，是一种调整天线阵列参数的过程，可快速求得天线的波束赋形参数W(n)，获得局部最佳效果。

Claims (8)

1.一种改进智能天线阵列覆盖范围的方法，调整构成N天线阵列的每个天线单元n的波束赋形参数W(n)，其特征在于包括：

设定所要求解的W(n)的精度即调整步长；

为N天线阵列的每个天线单元n设定一组满足|w(n)|≤T(n)^1/2的W(n)的初始值W₀(n)，一组最小方差ε的初值ε₀，用于记录某一组W₀(n)对应的ε₀相对于W(n)的调整所需的最小次数的记数变量，记数变量初值为0，决定终止调整的门限值M和每个天线单元n发射功率幅度的最大值T(n)；

进入循环反馈的对W(n)的计算调整过程，包括以下步骤：

A.产生计算W(n)的随机数，计算W(n)；

B.判断|w(n)|≤T(n)^1/2，当不满足条件时，返回步骤A，并在计算W(n)时按调整步长作增加或减小，当满足条件时，执行步骤C；

C.计算最小方差ε，判断ε＜ε₀，当满足条件时，记录并保留本次调整计算的W(n)，并用新的ε作为ε₀，和使记数变量置零，返回步骤A，并在计算W(n)时按调整步长作增加或减小，当不满足条件时，保留原来的ε和使记数变量加1，继续执行步骤D；

D.判断记数变量＞门限值M，满足条件时，终止调整过程，获得一组W(n)及ε结果，不满足条件时，返回步骤A，并在计算W(n)时按调整步长作增加或减小。

2.根据权利要求1所述的一种改进智能天线阵列覆盖范围的方法，其特征在于：所述的调整步长是固定的。

3.根据权利要求1所述的一种改进智能天线阵列覆盖范围的方法，其特征在于：所述的调整步长是可变的；当调整步长为可变时，在设定初始值时还包括设定一最小调整步长，并在记数变量大于门限值M且调整步长还不等于最小调整步长时继续减小调整步长并进入循环反馈的对W(n)的计算调整过程。

4.根据权利要求1所述的一种改进智能天线阵列覆盖范围的方法，其特征在于：所述的终止调整还包括预先设定一门限阈值ε’，并以ε＜ε’为调整过程终止的条件。

5.根据权利要求1所述的一种改进智能天线阵列覆盖范围的方法，其特征在于：所述的设定一组W(n)的初始值W₀(n)的个数与构成N天线阵列的天线单元数目有关。

6.根据权利要求1所述的一种改进智能天线阵列覆盖范围的方法，其特征在于：所述的在设定一组W(n)的初始值W₀(n)时，天线阵列中被关闭天线的初始值W₀(n)为零，并不再对其W(n)作后续的循环反馈的调整。

7.根据权利要求1所述的一种改进智能天线阵列覆盖范围的方法，其特征在于：所述的计算最小方差ε是按公式 $\mathrm{\ϵ}=\frac{1}{K}\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}|P{\left({\mathrm{\φ}}_i\right)}^{1/2}-A\left({\mathrm{\φ}}_i\right){|}^2\×C\left(i\right)$ 进行的；其中P(φ_i)是当天线单元的波束赋形参数为W(n)、在方向角φ上的辐射功率值，与天线阵列的类型有关；A(φ_i)是希望得到的赋形波束的形状参数，是在观察点极坐标角度为方向角φ、相同距离下φ方向的辐射强度，所述的K是采用逼近方法时的采样点的数目，所述的C(i)是一个权重。

8.根据权利要求1或2或3或4或5或6或7或8所述的一种改进智能天线阵列覆盖范围的方法，其特征在于：所述的设定所要求解的W(n)的精度即调整步长，包括分别设定复数W(n)的实部I(n)与虚部Q(n)的变化步进或者分别设定极坐标值W(n)的幅度A(n)与相位Φ(n)的变化步进；在采用实部I(n)与虚部Q(n)的变化步进时，计算第U次调整后的新的W(n)是采用公式

$W^{U+1}\left(n\right)=W^U\left(n\right)+\mathrm{\Δ}{W}^U\left(n\right)=I^U\left(n\right)+{(-1)}^{L_I^U}\mathrm{\Δ}{I}^U\left(n\right)+j\×[Q^U\left(n\right)+{(-1)}^{L_Q^U}\mathrm{\Δ}{Q}^U\left(n\right)],$

ΔI^U(n)、ΔQ^U(n)分别是实部I^U(n)和虚部Q^U(n)的调整步长，

分别决定实部I^U(n)和虚部Q^U(n)的调整方向，它们的取值由调整过程中产生的随机数决定；在采用极坐标值的幅度A(n)与相位Φ(n)的变化步进时，计算第U次调整后的新的W(n)是采用公式 $W^{U+1}\left(n\right)=W^U\left(n\right)\×\mathrm{\Δ}{W}^U\left(n\right)=A^u\left(n\right)\×\mathrm{\Δ}{A}^u{\left(n\right)}^{(-1)L_A^U}\×e^{j*[{\mathrm{\φ}}^U\left(n\right)+(-1)L_{\mathrm{\φ}}^U\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}^U\left(n\right)]},$ ΔAU(n)，Δφ^U(n)是幅度A^U(n)和相位φ^U(n)的调整步长， 分别决定幅度A^U(n)和相位φ^U(n)的调整方向，它们的取值由调整过程中产生的随机数决定；U是第U次调整，U+1是其下一次调整。

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