CN1381999A - 用于宽带无线通信系统的阵列发射方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于宽带无线通信系统的阵列发射方法及装置,该方法根据上行接收时对信道的角度和平均增益的估计并合理调整发射波束在各方向上的权值,在尽可能提高接收信噪比的同时保证移动台能够获得足够的时间分集增益;其装置包括上行多径分离模块、上行信道参数估计模块、下行权生成模块、下行数模转换器、下行发射模块,本发明适用于任何角度扩展的信道环境,且具有计算简单、易于实现的优点。

Description

用于宽带无线通信系统的阵列发射方法及装置

本发明涉及宽带无线通信系统，更具体地指一种用于宽带无线通信系统的阵列发射方法及装置。

智能天线技术通过改变阵列天线的权值实时调整天线方向图，增强在用户信号的方向上的增益，从而有效地提高无线通信系统中用户信号强度，降低相互之间的干扰，在覆盖范围、频谱利用率及容量等方面改善系统性能。通常无线通信系统中阵列天线是安装在基站的，而移动台只能有一根天线，因此在基站对发射信号进行波束形成是提高下行链路(基站到移动台)性能的有效方法。

所有波束形成技术都是在信道估计的基础上完成的。基站接收到经过信道传播的移动台信号时就可以从中提取信道响应完成上行波束形成，但下行波束形成在信号经过信道传播之前，此时被处理的信号中并不包含信道的信息。在时分双工的系统中可以认为上下行的信道响应是相同的而直接利用上行的估计结果。在频分双工系统中由于上下行工作在不同的频点上，上下行信道的瞬时响应是独立，不能直接把上行信道响应估计用于下行波束形成。但是此时信道中的一些慢变参数，例如波达方向和平均增益等仍然是相同的。可以利用上行阵列接收信号估计出的这些慢变信道参数来完成下行波束形成。常见的方法是估计出上行接收信号平均功率最大的方向(它反映了信道增益最强的方向)，调整下行发射权值使下行波束指向该方向。这种基于角度估计的方法具有计算简单、实现容易的优势，广泛用于智能天线系统中。

在宽带通信系统中，接收机能够分离出不同时间到达的多径信号，利用多径信号之间衰落独立的特性进行时间分集接收可以有效抑制衰落，使信号质量明显改善。在信道的角度扩展较小时(请见图1所示)，指向信道增益最强方向的波束同时覆盖了邻近的多径方向，可以在提高信噪比同时为移动台提供足够的分集增益。但当信道的角度扩展较大，多径之间的角度相差较大时，出现图2中的情况，波束指向最强增益方向，发射信号的能量集中在一径上，其它径的信号被波束抑制，这时虽然移动台接收信号的信噪比达到最大，但由于只接收了一径信号，移动台的衰落抑制能力下降。此时如果使天线方向图如图3所示在几个多径方向上形成峰值，则可以保证移动台获得较强时间分集增益，但由于将信号能量分散在几个方向上，可能导致移动台接收信噪比下降。因此，单独地提高基站发射信号的信噪比增益或分集增益都不是最好的办法，而最优发射权应该是在信噪比增益和时间分集增益之间的折衷。

为此，本发明的目的是针对上述问题，提出一种用于宽带无线通信系统的阵列发射方法及装置，以使基站对发射信号加权后，移动台接收的信噪比增益和分集增益达到最佳效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下的阵列发射方法：

该阵列发射方法根据上行接收时对各径信道的角度和平均增益的估计，选择出相关多径，并根据所选出的多径信道的增益和角度生成一组导向矢量，再对所生成的导向矢量加权求和并归一化得到发射波束在各个方向上的发射权，通过发射权来调整所要发射的信号幅度和相位，再经过数模转换后由发射天线发射出去。

该方法还进一步包括以下步骤：

a、对上行接收阵列信号进行多径分离，然后估计各径信道的增益和角度参数；

b、在所分离出的各径信道中选出平均增益最大的一径，称为最强径；

c、设定一个增益门限，选出所有与最强径的增益差小于此增益门限的多径；

d、再设定一个角度门限，将从步骤c中选出的所有多径的角度参数进行两两比较，如果某两径角度参数之差小于设定的角度门限，则去掉增益小的一径，最终选出的各径之间角度参数之差均大于设定的角度门限多径；

e、根据基站的天线阵列流型和经步骤d后所选出各径的角度生成一组导向矢量；

f、对这组导向矢量根据各径增益加权求和并归一化后得到发射权。

所述的增益门限的取值范围是-3～-8dB。

所述的角度门限在阵列波束3dB宽度至5dB宽度之间取值。

本发明的阵列发射装置包括上行多径分离模块、上行信道参数估计模块、下行权生成模块、乘法器、下行数模转换器、下行发射模块，上行接收数字信号经多径分离模块分解成多径信号，上行信道参数估计模块对各径信号的增益和角度参数进行估计，下行权生成模块利用各径信道参数形成下行发射权值，下行发射数字信号与下行发射权值经乘法器共轭相乘后分别经过数模转换器和下行发射模块后通过天线阵元发送到空间。

所述的上行信道参数估计模块的个数与多径个数相同；

所述的下行发射模块的数量与天线阵元的数量相同。

由于发明的用于宽带无线通信系统的阵列发射方法根据上行接收时对各径信道的角度和平均增益的估计，选择出相关多径，并根据所选出的多径信道的增益和角度生成一组导向矢量，再对所生成的导向矢量加权求和并归一化得到发射波束在各个方向上的发射权，通过发射权来调整所要发射的信号幅度和相位，再经过数模转换后由发射天线发射出去。因此，本发明发射方法以及依该方法所产生的装置适用于任何角度扩展的信道环境，能兼顾地提高基站发射信号的信噪比增益和分集增益，在角度扩展较大时性能比最强径方法提高1.5dB，该方法及装置在大角度扩展环境中性能明显优于目前仅选择信道增益最强方向的方法和相应的装置，且具有计算简单、易于实现的优点。

下面结合附图和实施例，对本发明的方法和装置作一详细地说明：

图1-图3分别为基站与移动台之间所形成的不同角度的信道发射波束示意图。

图4为本发明的发射装置结构原理示意图。

假设信道有M个分离的多径，则上行基站接收到的信号可以表示为 $x\left(t\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{h}_m(t-{\mathrm{\τ}}_m)s(t-{\mathrm{\τ}}_m)\stackrel{-}{a}\left({\mathrm{\θ}}_m\right)+i\left(t\right)+n\left(t\right)---\left(1\right)$

其中s(t)是用户发射信号，h_m(t)为第m径信道响应。通常每一径信号都是由许多时延相差很小的信号叠加而成的，h_m(t)是一个高斯随机过程，可以定义它的标准偏差

为信道的平均增益，由于平均增益是时间的慢变函数，可以用一段时间内信道增益的均值进行估计，并假设在分析时间内是不变的。

是阵列天线的阵列流型，它由阵列天线的阵元个数和放置位置决定。

为第l径方向的阵列响应。i(t)为系统中其它用户造成的同信道干扰，n(t)为白噪声。

在宽带系统中，如果各多径之间的时延差大于信号带宽的倒数，则接收机可以将不同时延的信号分离出来，采用信道估计技术可以分别得到各径的平均增益

和角度θ_m，则下行权可以根据这些参数和已知的阵列流型生成。

因此，本发明用于宽带无线通信系统的阵列发射方法根据上行接收时对各径信道的角度和平均增益的估计，选择出相关多径，并根据所选出的多径信道的增益和角度生成一组导向矢量，再对所生成的导向矢量加权求和并归一化得到发射波束在各个方向上的发射权，通过发射权来调整所要发射的信号幅度和相位，再经过数模转换后由发射天线发射出去。

本发明的上述阵列发射方法进一步包括以下步骤：

a、对上行接收阵列信号进行多径分离，然后估计各径信道的增益和角度参数；

b、在所分离出的各径信道中选出平均增益最大的一径，称为最强径；

c、设定一个增益门限，选出所有与最强径的增益差小于此增益门限的多径；

d、再设定一个角度门限，将从步骤c中选出的所有多径的角度参数进行两两比较，如果某两径角度参数之差小于设定的角度门限，则去掉增益小的一径，最终选出的各径之间角度参数之差大于设定的角度门限的多径；

e、根据基站的天线阵列流型和经步骤d后所选出各径的角度生成一组导向矢量；

f、对这组导向矢量根据各径增益加权求和并归一化后得到发射权。

所述的增益门限的取值范围是-3～-8dB。

所述的角度门限在阵列波束3dB宽度至5dB宽度之间取值。

请参阅图4所示，本发明的阵列发射装置包括上行多径分离模块101、上行信道参数估计模块102、下行权生成模块103、下行数模转换器104、下行发射模块105、乘法器106，上行接收的数字信号经多径分离模块101分解成多径信号，上行信道参数估计模块102对各径信号的增益和角度参数进行估计，下行权生成模块103利用各径信道参数形成下行发射权值，下行发射数字信号与下行发射权值经乘法器106共轭相乘后分别经过数模转换器104和下行发射模块105后进行数模转换并通过天线阵元发送到空间。

所述的上行信道参数估计模块102的个数与多径个数相同；

所述的下行发射模块105的数量与天线阵元的数量相同。

如信道参数估计模块102包含了102_1、102_2、…102_m个单元；下行数模转换器104包含了104_1、104_2、…104_n个单元；下行发射模块105_1、105_2…105_n个单元，其中n天线阵元数量。

在图4中，来自期望用户的上行接收阵列信号经过多径分离模块101生成M径多径信号分别送入信道估计模块102_1～102_m中估计各径的角度θ_m和平均增益 。估计结果送入下行权生成模块103，生成下行发射阵列权值共轭后与下行发射数字信号Di经乘法器106相乘调整其幅度和相位，生成的n路阵列信号分别经过天线阵列各通道的数模转换器104和发射模块105产生下行发射模拟信号。

其中，下行权生成模块103利用上行各多径信道的方向和平均增益估计结果生成权值，对下行信号进行加权发射，下行权生成模块是本发明发射装置的关键模块，该模块的处理过程描述如下：

假设上行搜索到M个多径，它们的角度和增益已由上行信道估计模块给出。

那么，

下行权生成模块103首先从中选出平均增益最大的一径；

设定一个增益门限，选出所有与最强径增益差小于此门限的多径；

设定一个角度门限，两两比较选出所有与最强径增益差小于增益门限的多径的参数，如果某两径角度差小于角度门限，则去掉增益小的一径。最终得到s条多径，参数记为[θ₁，

]，[θ₂， ]，…，[θ_s，

]，其中各径之间增益差小于增益门限，而角度差则大于角度门限。

在已知天线阵列流型的情况后，根据选出各径的角度生成一组导向矢量：，以各径增益加权求和：

再归一化后输出 ${\stackrel{-}{w}}_{\mathrm{out}}=\stackrel{-}{w}/{\left|\right|\stackrel{-}{w}\left|\right|}_2$ 。

下行权生成模块103所生成的权将下行发射能量按增益比例分配到选出的各径方向上。

需要说明的是采用本发明的方法和装置的优点是能够为移动台提供较好的分集增益。但发射能量分散会使移动台接收信号的信噪比有所下降，因此决定一径是否参与下行波束形成是在分集增益和信噪比之间的均衡，如果某径的增益较低，发射信号沿此径到达移动台的能量也随之降低，由此造成的信噪比损矢就可能抵消它对分集的贡献，这样的多径就不适于参与下行波束形成。因此在下行权生成模块中设置增益门限去掉增益小(与最强径增益差大于门限)的多径。由权生成模块完成的操作可见信道估计模块并不需要给出信道增益的绝对值，其估计值只要能够正确反映各径信道增益的相对关系就可以了。另外，通常智能天线阵元数不会很多，波束总是有一定的宽度的，移动台可以收到波束覆盖内的多径信号，所以在下行权生成模块中设置角度门限，去掉角度相差小于门限的较弱径。因而，经过分析与仿真表明增益门限设为-3～-8dB、角度门限设为阵列波束的3dB至5dB宽度为宜。

在WCDMA系统中，本发明方法经过仿真的结果表明，当信道角度扩展小于15°时，与选择最强径方法的性能相同；当角度扩展大于15°时，在相同误码率条件下，用本发明的方法所需的发射信号功率比选择强径方法低1.5db。

综上所述，本发明中的下行权生成方法对信道环境的变化有很好的适应性。对于小角度扩展信道，所有多径集中在一个很小角度或在某个方向上的增益很强时，本发明形成的下行发射波束与选择最强径方法相同，为移动台提供最大的信噪比。当角度扩展较大时，存在增益相当、而与角度相差很大的多径，本发明形成的下行发射波束将信号能量按比例分散在几个较强的多径方向上，为移动台提供较好的分集增益。此时系统性能明显优于目前选择最强径方法。

Claims (6)

1、一种用于宽带无线通信系统的阵列发射方法，其特征在于：该阵列发射方法根据上行接收时对各径信道的角度和平均增益的估计，选择出相关多径，并根据所选出的多径信道的增益和角度生成一组导向矢量，再对所生成的导向矢量加权求和并归一化得到发射波束在各个方向上的发射权，通过发射权来调整所要发射的信号幅度和相位，再经过数模转换后由发射天线发射出去。

2、如权利要求1所述的用于宽带无线通信系统的阵列发射方法，其特征在于，该方法进一步包括以下步骤：

a、对上行接收阵列信号进行多径分离，然后估计各径信道的增益和角度参数；

b、在所分离出的各径信道中选出平均增益最大的一径，称为最强径；

c、设定一个增益门限，选出所有与最强径的增益差小于此增益门限的多径；

d、再设定一个角度门限，将从步骤c中选出的所有多径的角度参数进行两两比较，如果某两径角度参数之差小于设定的角度门限，则去掉增益小的一径，最终选出的各径之间角度参数之差均大于设定的角度门限多径；

e、根据基站的天线阵列流型和经步骤d后所选出各径的角度生成一组导向矢量；

f、对这组导向矢量根据各径增益加权求和并归一化后得到发射权。

3、根据权利要求2所述的阵列发射方法，其特征在于：所述的增益门限的取值范围是-3～-8dB。

4、根据权利要求2所述的阵列发射方法，其特征在于：所述的角度门限在阵列波束3dB宽度至5dB宽度之间取值。

5、一种用于宽带无线通信系统的阵列发射装置，其特征在于：该发射装置包括上行多径分离模块、上行信道参数估计模块、下行权生成模块、乘法器、下行数模转换器、下行发射模块，上行接收数字信号经多径分离模块分解成多径信号，上行信道参数估计模块对各径信号的增益和角度参数进行估计，下行权生成模块利用各径信道参数形成下行发射权值，下行发射数字信号与下行发射权值经乘法器共轭相乘后分别经过数模转换器和下行发射模块后通过天线阵元发送到空间。

6、根据权利要求5所述的用于宽带无线通信系统的阵列发射装置，其特征在于：

所述的上行信道参数估计模块的个数与多径个数相同；

所述的下行发射模块的数量与天线阵元的数量相同。

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