專利名稱：用于寬帶無線通信系統(tǒng)的陣列發(fā)射方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及寬帶無線通信系統(tǒng)，更具體地指一種用于寬帶無線通信系統(tǒng)的陣列發(fā)射方法及裝置。
智能天線技術(shù)通過改變陣列天線的權(quán)值實(shí)時調(diào)整天線方向圖，增強(qiáng)在用戶信號的方向上的增益，從而有效地提高無線通信系統(tǒng)中用戶信號強(qiáng)度，降低相互之間的干擾，在覆蓋范圍、頻譜利用率及容量等方面改善系統(tǒng)性能。通常無線通信系統(tǒng)中陣列天線是安裝在基站的，而移動臺只能有一根天線，因此在基站對發(fā)射信號進(jìn)行波束形成是提高下行鏈路(基站到移動臺)性能的有效方法。
所有波束形成技術(shù)都是在信道估計(jì)的基礎(chǔ)上完成的?；窘邮盏浇?jīng)過信道傳播的移動臺信號時就可以從中提取信道響應(yīng)完成上行波束形成，但下行波束形成在信號經(jīng)過信道傳播之前，此時被處理的信號中并不包含信道的信息。在時分雙工的系統(tǒng)中可以認(rèn)為上下行的信道響應(yīng)是相同的而直接利用上行的估計(jì)結(jié)果。在頻分雙工系統(tǒng)中由于上下行工作在不同的頻點(diǎn)上，上下行信道的瞬時響應(yīng)是獨(dú)立，不能直接把上行信道響應(yīng)估計(jì)用于下行波束形成。但是此時信道中的一些慢變參數(shù)，例如波達(dá)方向和平均增益等仍然是相同的?？梢岳蒙闲嘘嚵薪邮招盘柟烙?jì)出的這些慢變信道參數(shù)來完成下行波束形成。常見的方法是估計(jì)出上行接收信號平均功率最大的方向(它反映了信道增益最強(qiáng)的方向)，調(diào)整下行發(fā)射權(quán)值使下行波束指向該方向。這種基于角度估計(jì)的方法具有計(jì)算簡單、實(shí)現(xiàn)容易的優(yōu)勢，廣泛用于智能天線系統(tǒng)中。
在寬帶通信系統(tǒng)中，接收機(jī)能夠分離出不同時間到達(dá)的多徑信號，利用多徑信號之間衰落獨(dú)立的特性進(jìn)行時間分集接收可以有效抑制衰落，使信號質(zhì)量明顯改善。在信道的角度擴(kuò)展較小時(請見

圖1所示)，指向信道增益最強(qiáng)方向的波束同時覆蓋了鄰近的多徑方向，可以在提高信噪比同時為移動臺提供足夠的分集增益。但當(dāng)信道的角度擴(kuò)展較大，多徑之間的角度相差較大時，出現(xiàn)圖2中的情況，波束指向最強(qiáng)增益方向，發(fā)射信號的能量集中在一徑上，其它徑的信號被波束抑制，這時雖然移動臺接收信號的信噪比達(dá)到最大，但由于只接收了一徑信號，移動臺的衰落抑制能力下降。此時如果使天線方向圖如圖3所示在幾個多徑方向上形成峰值，則可以保證移動臺獲得較強(qiáng)時間分集增益，但由于將信號能量分散在幾個方向上，可能導(dǎo)致移動臺接收信噪比下降。因此，單獨(dú)地提高基站發(fā)射信號的信噪比增益或分集增益都不是最好的辦法，而最優(yōu)發(fā)射權(quán)應(yīng)該是在信噪比增益和時間分集增益之間的折衷。
為此，本發(fā)明的目的是針對上述問題，提出一種用于寬帶無線通信系統(tǒng)的陣列發(fā)射方法及裝置，以使基站對發(fā)射信號加權(quán)后，移動臺接收的信噪比增益和分集增益達(dá)到最佳效果。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的陣列發(fā)射方法該陣列發(fā)射方法根據(jù)上行接收時對各徑信道的角度和平均增益的估計(jì)，選擇出相關(guān)多徑，并根據(jù)所選出的多徑信道的增益和角度生成一組導(dǎo)向矢量，再對所生成的導(dǎo)向矢量加權(quán)求和并歸一化得到發(fā)射波束在各個方向上的發(fā)射權(quán)，通過發(fā)射權(quán)來調(diào)整所要發(fā)射的信號幅度和相位，再經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后由發(fā)射天線發(fā)射出去。
該方法還進(jìn)一步包括以下步驟a、對上行接收陣列信號進(jìn)行多徑分離，然后估計(jì)各徑信道的增益和角度參數(shù)；b、在所分離出的各徑信道中選出平均增益最大的一徑，稱為最強(qiáng)徑；c、設(shè)定一個增益門限，選出所有與最強(qiáng)徑的增益差小于此增益門限的多徑；d、再設(shè)定一個角度門限，將從步驟c中選出的所有多徑的角度參數(shù)進(jìn)行兩兩比較，如果某兩徑角度參數(shù)之差小于設(shè)定的角度門限，則去掉增益小的一徑，最終選出的各徑之間角度參數(shù)之差均大于設(shè)定的角度門限多徑；e、根據(jù)基站的天線陣列流型和經(jīng)步驟d后所選出各徑的角度生成一組導(dǎo)向矢量；f、對這組導(dǎo)向矢量根據(jù)各徑增益加權(quán)求和并歸一化后得到發(fā)射權(quán)。
所述的增益門限的取值范圍是-3～-8dB。
所述的角度門限在陣列波束3dB寬度至5dB寬度之間取值。
本發(fā)明的陣列發(fā)射裝置包括上行多徑分離模塊、上行信道參數(shù)估計(jì)模塊、下行權(quán)生成模塊、乘法器、下行數(shù)模轉(zhuǎn)換器、下行發(fā)射模塊，上行接收數(shù)字信號經(jīng)多徑分離模塊分解成多徑信號，上行信道參數(shù)估計(jì)模塊對各徑信號的增益和角度參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，下行權(quán)生成模塊利用各徑信道參數(shù)形成下行發(fā)射權(quán)值，下行發(fā)射數(shù)字信號與下行發(fā)射權(quán)值經(jīng)乘法器共軛相乘后分別經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器和下行發(fā)射模塊后通過天線陣元發(fā)送到空間。
所述的上行信道參數(shù)估計(jì)模塊的個數(shù)與多徑個數(shù)相同；所述的下行發(fā)射模塊的數(shù)量與天線陣元的數(shù)量相同。
由于發(fā)明的用于寬帶無線通信系統(tǒng)的陣列發(fā)射方法根據(jù)上行接收時對各徑信道的角度和平均增益的估計(jì)，選擇出相關(guān)多徑，并根據(jù)所選出的多徑信道的增益和角度生成一組導(dǎo)向矢量，再對所生成的導(dǎo)向矢量加權(quán)求和并歸一化得到發(fā)射波束在各個方向上的發(fā)射權(quán)，通過發(fā)射權(quán)來調(diào)整所要發(fā)射的信號幅度和相位，再經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后由發(fā)射天線發(fā)射出去。因此，本發(fā)明發(fā)射方法以及依該方法所產(chǎn)生的裝置適用于任何角度擴(kuò)展的信道環(huán)境，能兼顧地提高基站發(fā)射信號的信噪比增益和分集增益，在角度擴(kuò)展較大時性能比最強(qiáng)徑方法提高1.5dB，該方法及裝置在大角度擴(kuò)展環(huán)境中性能明顯優(yōu)于目前僅選擇信道增益最強(qiáng)方向的方法和相應(yīng)的裝置，且具有計(jì)算簡單、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的方法和裝置作一詳細(xì)地說明圖1-圖3分別為基站與移動臺之間所形成的不同角度的信道發(fā)射波束示意圖。
圖4為本發(fā)明的發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)原理示意圖。
假設(shè)信道有M個分離的多徑，則上行基站接收到的信號可以表示為x(t)=Σm=1Mhm(t-τm)s(t-τm)a-(θm)+i(t)+n(t)---(1)]]>其中s(t)是用戶發(fā)射信號，hm(t)為第m徑信道響應(yīng)。通常每一徑信號都是由許多時延相差很小的信號疊加而成的，hm(t)是一個高斯隨機(jī)過程，可以定義它的標(biāo)準(zhǔn)偏差 為信道的平均增益，由于平均增益是時間的慢變函數(shù)，可以用一段時間內(nèi)信道增益的均值進(jìn)行估計(jì)，并假設(shè)在分析時間內(nèi)是不變的。 是陣列天線的陣列流型，它由陣列天線的陣元個數(shù)和放置位置決定。 為第l徑方向的陣列響應(yīng)。i(t)為系統(tǒng)中其它用戶造成的同信道干擾，n(t)為白噪聲。
在寬帶系統(tǒng)中，如果各多徑之間的時延差大于信號帶寬的倒數(shù)，則接收機(jī)可以將不同時延的信號分離出來，采用信道估計(jì)技術(shù)可以分別得到各徑的平均增益 和角度θm，則下行權(quán)可以根據(jù)這些參數(shù)和已知的陣列流型生成。
因此，本發(fā)明用于寬帶無線通信系統(tǒng)的陣列發(fā)射方法根據(jù)上行接收時對各徑信道的角度和平均增益的估計(jì)，選擇出相關(guān)多徑，并根據(jù)所選出的多徑信道的增益和角度生成一組導(dǎo)向矢量，再對所生成的導(dǎo)向矢量加權(quán)求和并歸一化得到發(fā)射波束在各個方向上的發(fā)射權(quán)，通過發(fā)射權(quán)來調(diào)整所要發(fā)射的信號幅度和相位，再經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后由發(fā)射天線發(fā)射出去。
本發(fā)明的上述陣列發(fā)射方法進(jìn)一步包括以下步驟a、對上行接收陣列信號進(jìn)行多徑分離，然后估計(jì)各徑信道的增益和角度參數(shù)；b、在所分離出的各徑信道中選出平均增益最大的一徑，稱為最強(qiáng)徑；c、設(shè)定一個增益門限，選出所有與最強(qiáng)徑的增益差小于此增益門限的多徑；d、再設(shè)定一個角度門限，將從步驟c中選出的所有多徑的角度參數(shù)進(jìn)行兩兩比較，如果某兩徑角度參數(shù)之差小于設(shè)定的角度門限，則去掉增益小的一徑，最終選出的各徑之間角度參數(shù)之差大于設(shè)定的角度門限的多徑；e、根據(jù)基站的天線陣列流型和經(jīng)步驟d后所選出各徑的角度生成一組導(dǎo)向矢量；f、對這組導(dǎo)向矢量根據(jù)各徑增益加權(quán)求和并歸一化后得到發(fā)射權(quán)。
所述的增益門限的取值范圍是-3～-8dB。
所述的角度門限在陣列波束3dB寬度至5dB寬度之間取值。
請參閱圖4所示，本發(fā)明的陣列發(fā)射裝置包括上行多徑分離模塊101、上行信道參數(shù)估計(jì)模塊102、下行權(quán)生成模塊103、下行數(shù)模轉(zhuǎn)換器104、下行發(fā)射模塊105、乘法器106，上行接收的數(shù)字信號經(jīng)多徑分離模塊101分解成多徑信號，上行信道參數(shù)估計(jì)模塊102對各徑信號的增益和角度參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，下行權(quán)生成模塊103利用各徑信道參數(shù)形成下行發(fā)射權(quán)值，下行發(fā)射數(shù)字信號與下行發(fā)射權(quán)值經(jīng)乘法器106共軛相乘后分別經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器104和下行發(fā)射模塊105后進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換并通過天線陣元發(fā)送到空間。
所述的上行信道參數(shù)估計(jì)模塊102的個數(shù)與多徑個數(shù)相同；所述的下行發(fā)射模塊105的數(shù)量與天線陣元的數(shù)量相同。
如信道參數(shù)估計(jì)模塊102包含了102_1、102_2、…102_m個單元；下行數(shù)模轉(zhuǎn)換器104包含了104_1、104_2、…104_n個單元；下行發(fā)射模塊105_1、105_2…105_n個單元，其中n天線陣元數(shù)量。
在圖4中，來自期望用戶的上行接收陣列信號經(jīng)過多徑分離模塊101生成M徑多徑信號分別送入信道估計(jì)模塊102_1～102_m中估計(jì)各徑的角度θm和平均增益 。估計(jì)結(jié)果送入下行權(quán)生成模塊103，生成下行發(fā)射陣列權(quán)值共軛后與下行發(fā)射數(shù)字信號Di經(jīng)乘法器106相乘調(diào)整其幅度和相位，生成的n路陣列信號分別經(jīng)過天線陣列各通道的數(shù)模轉(zhuǎn)換器104和發(fā)射模塊105產(chǎn)生下行發(fā)射模擬信號。
其中，下行權(quán)生成模塊103利用上行各多徑信道的方向和平均增益估計(jì)結(jié)果生成權(quán)值，對下行信號進(jìn)行加權(quán)發(fā)射，下行權(quán)生成模塊是本發(fā)明發(fā)射裝置的關(guān)鍵模塊，該模塊的處理過程描述如下假設(shè)上行搜索到M個多徑，它們的角度和增益已由上行信道估計(jì)模塊給出。
那么，下行權(quán)生成模塊103首先從中選出平均增益最大的一徑；設(shè)定一個增益門限，選出所有與最強(qiáng)徑增益差小于此門限的多徑；設(shè)定一個角度門限，兩兩比較選出所有與最強(qiáng)徑增益差小于增益門限的多徑的參數(shù)，如果某兩徑角度差小于角度門限，則去掉增益小的一徑。最終得到s條多徑，參數(shù)記為[θ1， ]，[θ2， ]，…，[θs， ]，其中各徑之間增益差小于增益門限，而角度差則大于角度門限。
在已知天線陣列流型的情況后，根據(jù)選出各徑的角度生成一組導(dǎo)向矢量 ，以各徑增益加權(quán)求和 再歸一化后輸出w-out=w-/||w-||2]]>。
下行權(quán)生成模塊103所生成的權(quán)將下行發(fā)射能量按增益比例分配到選出的各徑方向上。
需要說明的是采用本發(fā)明的方法和裝置的優(yōu)點(diǎn)是能夠?yàn)橐苿优_提供較好的分集增益。但發(fā)射能量分散會使移動臺接收信號的信噪比有所下降，因此決定一徑是否參與下行波束形成是在分集增益和信噪比之間的均衡，如果某徑的增益較低，發(fā)射信號沿此徑到達(dá)移動臺的能量也隨之降低，由此造成的信噪比損矢就可能抵消它對分集的貢獻(xiàn)，這樣的多徑就不適于參與下行波束形成。因此在下行權(quán)生成模塊中設(shè)置增益門限去掉增益小(與最強(qiáng)徑增益差大于門限)的多徑。由權(quán)生成模塊完成的操作可見信道估計(jì)模塊并不需要給出信道增益的絕對值，其估計(jì)值只要能夠正確反映各徑信道增益的相對關(guān)系就可以了。另外，通常智能天線陣元數(shù)不會很多，波束總是有一定的寬度的，移動臺可以收到波束覆蓋內(nèi)的多徑信號，所以在下行權(quán)生成模塊中設(shè)置角度門限，去掉角度相差小于門限的較弱徑。因而，經(jīng)過分析與仿真表明增益門限設(shè)為-3～-8dB、角度門限設(shè)為陣列波束的3dB至5dB寬度為宜。
在WCDMA系統(tǒng)中，本發(fā)明方法經(jīng)過仿真的結(jié)果表明，當(dāng)信道角度擴(kuò)展小于15°時，與選擇最強(qiáng)徑方法的性能相同；當(dāng)角度擴(kuò)展大于15°時，在相同誤碼率條件下，用本發(fā)明的方法所需的發(fā)射信號功率比選擇強(qiáng)徑方法低1.5db。
綜上所述，本發(fā)明中的下行權(quán)生成方法對信道環(huán)境的變化有很好的適應(yīng)性。對于小角度擴(kuò)展信道，所有多徑集中在一個很小角度或在某個方向上的增益很強(qiáng)時，本發(fā)明形成的下行發(fā)射波束與選擇最強(qiáng)徑方法相同，為移動臺提供最大的信噪比。當(dāng)角度擴(kuò)展較大時，存在增益相當(dāng)、而與角度相差很大的多徑，本發(fā)明形成的下行發(fā)射波束將信號能量按比例分散在幾個較強(qiáng)的多徑方向上，為移動臺提供較好的分集增益。此時系統(tǒng)性能明顯優(yōu)于目前選擇最強(qiáng)徑方法。
權(quán)利要求
1.一種用于寬帶無線通信系統(tǒng)的陣列發(fā)射方法，其特征在于該陣列發(fā)射方法根據(jù)上行接收時對各徑信道的角度和平均增益的估計(jì)，選擇出相關(guān)多徑，并根據(jù)所選出的多徑信道的增益和角度生成一組導(dǎo)向矢量，再對所生成的導(dǎo)向矢量加權(quán)求和并歸一化得到發(fā)射波束在各個方向上的發(fā)射權(quán)，通過發(fā)射權(quán)來調(diào)整所要發(fā)射的信號幅度和相位，再經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后由發(fā)射天線發(fā)射出去。
2.如權(quán)利要求1所述的用于寬帶無線通信系統(tǒng)的陣列發(fā)射方法，其特征在于，該方法進(jìn)一步包括以下步驟a、對上行接收陣列信號進(jìn)行多徑分離，然后估計(jì)各徑信道的增益和角度參數(shù)；b、在所分離出的各徑信道中選出平均增益最大的一徑，稱為最強(qiáng)徑；c、設(shè)定一個增益門限，選出所有與最強(qiáng)徑的增益差小于此增益門限的多徑；d、再設(shè)定一個角度門限，將從步驟c中選出的所有多徑的角度參數(shù)進(jìn)行兩兩比較，如果某兩徑角度參數(shù)之差小于設(shè)定的角度門限，則去掉增益小的一徑，最終選出的各徑之間角度參數(shù)之差均大于設(shè)定的角度門限多徑；e、根據(jù)基站的天線陣列流型和經(jīng)步驟d后所選出各徑的角度生成一組導(dǎo)向矢量；f、對這組導(dǎo)向矢量根據(jù)各徑增益加權(quán)求和并歸一化后得到發(fā)射權(quán)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的陣列發(fā)射方法，其特征在于所述的增益門限的取值范圍是-3～-8dB。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的陣列發(fā)射方法，其特征在于所述的角度門限在陣列波束3dB寬度至5dB寬度之間取值。
5.一種用于寬帶無線通信系統(tǒng)的陣列發(fā)射裝置，其特征在于該發(fā)射裝置包括上行多徑分離模塊、上行信道參數(shù)估計(jì)模塊、下行權(quán)生成模塊、乘法器、下行數(shù)模轉(zhuǎn)換器、下行發(fā)射模塊，上行接收數(shù)字信號經(jīng)多徑分離模塊分解成多徑信號，上行信道參數(shù)估計(jì)模塊對各徑信號的增益和角度參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，下行權(quán)生成模塊利用各徑信道參數(shù)形成下行發(fā)射權(quán)值，下行發(fā)射數(shù)字信號與下行發(fā)射權(quán)值經(jīng)乘法器共軛相乘后分別經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器和下行發(fā)射模塊后通過天線陣元發(fā)送到空間。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于寬帶無線通信系統(tǒng)的陣列發(fā)射裝置，其特征在于所述的上行信道參數(shù)估計(jì)模塊的個數(shù)與多徑個數(shù)相同；所述的下行發(fā)射模塊的數(shù)量與天線陣元的數(shù)量相同。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于寬帶無線通信系統(tǒng)的陣列發(fā)射方法及裝置,該方法根據(jù)上行接收時對信道的角度和平均增益的估計(jì)并合理調(diào)整發(fā)射波束在各方向上的權(quán)值,在盡可能提高接收信噪比的同時保證移動臺能夠獲得足夠的時間分集增益;其裝置包括上行多徑分離模塊、上行信道參數(shù)估計(jì)模塊、下行權(quán)生成模塊、下行數(shù)模轉(zhuǎn)換器、下行發(fā)射模塊,本發(fā)明適用于任何角度擴(kuò)展的信道環(huán)境,且具有計(jì)算簡單、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H04B7/06GK1381999SQ0111266
公開日2002年11月27日 申請日期2001年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月18日
發(fā)明者張勁林 申請人:華為技術(shù)有限公司