專利名稱：無(wú)線信道的下行波束賦形方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及移動(dòng)通信，尤其涉及無(wú)線信道的下行波束賦形方法和裝置。
背景技術(shù)：
在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，智能天線技術(shù)的研究和應(yīng)用受到了越來(lái)越廣泛的重視。智能天線利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對(duì)準(zhǔn)用戶信號(hào)到達(dá)方向，旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向，以達(dá)到充分高效利用移動(dòng)用戶信號(hào)并抑制干擾信號(hào)的目的。利用智能天線可以使有用信號(hào)最大化而干擾信號(hào)最小化，從而極大地提高了系統(tǒng)的容量、擴(kuò)大了系統(tǒng)的覆蓋。智能天線在蜂窩移動(dòng)通信中的應(yīng)用主要有兩個(gè)方面的技術(shù)一個(gè)是上行信號(hào)的多天線接收處理技術(shù)，另一個(gè)是下行信號(hào)的波束賦形發(fā)送技術(shù)。智能天線的上行接收是對(duì)多天線接收信號(hào)直接進(jìn)行處理，而下行波束賦形是利用上行接收信號(hào)或下行終端接收信號(hào)的反饋來(lái)間接地確定基站下行發(fā)送信號(hào)的賦形參數(shù)。因此，智能天線下行波束賦形方案的實(shí)現(xiàn)有賴于移動(dòng)信道環(huán)境特性參數(shù)的時(shí)間不變或緩變性。
對(duì)于離基站較遠(yuǎn)的終端來(lái)說(shuō)，通常其信號(hào)空間傳播的角度擴(kuò)散較小，有明顯的信號(hào)波達(dá)的主要方向，波達(dá)方向隨時(shí)間是一個(gè)緩變量(相對(duì)于幀周期)。在這種情況下，通常的智能天線賦形算法可以有效可靠地實(shí)現(xiàn)下行波束賦形。
對(duì)于離基站較近且信號(hào)傳播環(huán)境較為復(fù)雜的終端來(lái)說(shuō)，其信號(hào)空間傳播的角度擴(kuò)散較大，沒(méi)有明顯的信號(hào)波達(dá)的主要方向，波達(dá)方向隨時(shí)間是一個(gè)快變量(相對(duì)于幀周期)。在這種情況下，通常的智能天線賦形算法不能夠有效可靠地實(shí)現(xiàn)下行波束賦形，甚至出現(xiàn)賦形不如不賦形的情況。
由于移動(dòng)通信信道的復(fù)雜時(shí)變特性，希望有一種智能天線的下行波束賦形方法和裝置能夠根據(jù)環(huán)境的特性來(lái)決定賦形。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種無(wú)線信道的下行波束賦形方法和裝置，用于具有多個(gè)天線與收發(fā)裝置的系統(tǒng)。
本發(fā)明的方法包括步驟一種無(wú)線信道的下行波束賦形方法，用于具有多個(gè)天線與收發(fā)裝置的系統(tǒng)，其特征在于所述方法包括步驟對(duì)所述多個(gè)天線進(jìn)行信道估計(jì)；根據(jù)所述多個(gè)天線的信道估計(jì)，進(jìn)行用戶空間參數(shù)估計(jì)；根據(jù)所述空間參數(shù)估計(jì)，進(jìn)行波束賦形權(quán)矢量估計(jì)，從至少兩種賦形波束參數(shù)中得到一種賦形波束參數(shù)；根據(jù)波束賦形權(quán)矢量估計(jì)，控制波束賦形。
較佳的，所述進(jìn)行用戶空間參數(shù)估計(jì)包括步驟進(jìn)行用戶空間相關(guān)矩陣估計(jì)；根據(jù)所述信道估計(jì)與相關(guān)矩陣估計(jì)，進(jìn)行空間功率方向譜估計(jì)；根據(jù)所述空間功率方向譜估計(jì)，進(jìn)行空間時(shí)間特性參數(shù)估計(jì)；
所述空間參數(shù)估計(jì)包括空間功率方向譜估計(jì)和空間時(shí)間特性參數(shù)估計(jì)。
較佳的，所述從至少兩種賦形波束中得到一種賦形波束包括根據(jù)空間時(shí)間特性參數(shù)從多級(jí)波束中選擇一種賦形波束，和根據(jù)空間時(shí)間特性參數(shù)設(shè)置波束優(yōu)化準(zhǔn)則得到一種賦形波束。
較佳的，所述空間時(shí)間特性參數(shù)估計(jì)包括來(lái)波方向角度變化范圍ΔDOA(k)；接收信號(hào)最大方向歸一化增益的取值范圍Gmin(k)；或者接收信號(hào)最大方向的波束寬度的取值范圍HPmax(k)；或者上述參數(shù)的組合。
較佳的，所述空間時(shí)間特性參數(shù)估計(jì)包括計(jì)算來(lái)波方向角度變化范圍ΔDOA(k)和接收信號(hào)最大方向歸一化增益的取值范圍Gmin(k)，或者來(lái)波方向角度變化范圍ΔDOA(k)和接收信號(hào)最大方向的波束寬度的取值范圍HPmax(k)。
較佳的，所述進(jìn)行波束賦形權(quán)矢量估計(jì)的步驟包括根據(jù)空間時(shí)間特性參數(shù)ΔDOA(k)、Gmin(k)或HPmax(k)判斷是否滿足優(yōu)化條件，如果是，則設(shè)定優(yōu)化規(guī)則并按照優(yōu)化規(guī)則進(jìn)行波束優(yōu)化，獲得波束賦形權(quán)矢量；否則，按照傳統(tǒng)波束賦形方法獲得波束賦形權(quán)矢量。
較佳的，所述進(jìn)行波束賦形權(quán)矢量估計(jì)的步驟包括a)判斷ΔDOA(k)≥εDOA，如果成立，則執(zhí)行步驟b)，否則執(zhí)行步驟c)；b)，設(shè)置波束優(yōu)化準(zhǔn)則，使波束最大增益方向在ΔDOA(k)的中心方向DOA0(k)，半功率波瓣寬度逼近ΔDOA(k)；執(zhí)行步驟g)；c)，如果輸入的第二參數(shù)是Gmin(k)，則判斷Gmin(k)≤ϵG,]]>如果成立，則執(zhí)行步驟d)，否則執(zhí)行步驟e)；或者，如果輸入的第二參數(shù)是HPmax(k)，則判斷 如果成立，則執(zhí)行步驟d)，否則執(zhí)行步驟e)；
d)，設(shè)置波束優(yōu)化準(zhǔn)則，如果輸入的第二參數(shù)是Gmin(k)，則波束的最大增益方向在ΔDOA(k)的中心方向DOA0(k)，賦形增益逼近Gmin(k)，并且半功率波瓣寬度大于εDOA；或者，如果輸入的第二參數(shù)是HPmax(k)，波束最大增益方向在ΔDOA(k)的中心方向，使其半功率波瓣寬度逼近HPmax(k)；執(zhí)行步驟g)；e)，應(yīng)用傳統(tǒng)的波束賦形方法，使波束中心方向在DOA0(k)；g)，根據(jù)設(shè)置的波束優(yōu)化準(zhǔn)則優(yōu)化賦形波束，得到賦形權(quán)矢量；其中，εDOA、εG和εHP分別為參數(shù)ΔDOA(k)、Gmin(k)和HPmax(k)參數(shù)的門(mén)限。
較佳的，所述進(jìn)行波束賦形權(quán)矢量估計(jì)的步驟包括根據(jù)增益和半功率波瓣寬度范圍值設(shè)定波束等級(jí)，再根據(jù)空間時(shí)間特性參數(shù)ΔDOA(k)和Gmin(k)或者根據(jù)ΔDOA(k)和HPmax(k)選擇相應(yīng)的波束等級(jí)。
較佳的，所述進(jìn)行波束賦形權(quán)矢量估計(jì)的步驟包括h)，判斷ΔDOA(k)≥εDOA，2，如果成立，則選擇第三級(jí)波束，否則，執(zhí)行步驟j)；j)，判斷 或者Gmin(k)≤ϵG,2,]]>如果成立，則選擇第三級(jí)波束，否則，執(zhí)行步驟k)；k)，ΔDOA(k)≤εDOA，1，如果成立，則執(zhí)行步驟1)，否則，選擇第二級(jí)波束；l)，判斷 或者Gmin(k)≥ϵG,1,]]>如果成立，則選擇第一級(jí)波束，否則，選擇第二級(jí)波束。
其中εDOA，1、εDOA，2、εG，1、εG，2、εHP，1和εHP，2分別為ΔDOA(k)、Gmin(k)和HPmax(k)的第一級(jí)門(mén)限和第二級(jí)門(mén)限，第一級(jí)波束、第二級(jí)波束和第三級(jí)波束依據(jù)增益和半功率波瓣寬度劃分。
利用本發(fā)明，能夠根據(jù)環(huán)境的特性來(lái)決定天線的波束賦形，尤其是在復(fù)雜無(wú)線信道的情況下。


圖1所示為本發(fā)明的實(shí)施例的無(wú)線信道下行波束賦形的裝置的原理圖；圖2為本發(fā)明的實(shí)施例的無(wú)線信道下行波束賦形的方法的流程圖；圖3為本發(fā)明的實(shí)施例的波束優(yōu)化的子流程圖；圖4為本發(fā)明的實(shí)施例的波束選擇的子流程圖；圖5是本發(fā)明的實(shí)施例所用的8單元均勻圓形陣列的示意圖；圖6是利用本發(fā)明的實(shí)施例所用的8單元均勻圓形陣列獲得的優(yōu)化波束方向圖；圖7是本發(fā)明的實(shí)施例所用的8單元均勻圓形陣列所用的3級(jí)波束方向圖。
具體實(shí)施例方式
為了便于本領(lǐng)域一般技術(shù)人員實(shí)施與理解本發(fā)明，下面分別參照附圖通過(guò)實(shí)施例描述本發(fā)明的方法和裝置。
圖1所示為本發(fā)明的實(shí)施例的復(fù)雜無(wú)線信道下行波束賦形的裝置的原理圖。
包括如下各部分Ka個(gè)天線單元1-1-1-Ka。天線單元的輻射特性滿足小區(qū)覆蓋。例如全向小區(qū)的全向天線單元和覆蓋多扇區(qū)系統(tǒng)的扇區(qū)天線單元。在上行，天線單元接收空間電磁信號(hào)，包括本小區(qū)所有用戶的信號(hào)(包括數(shù)據(jù)和訓(xùn)練序列)和外小區(qū)的干擾信號(hào)以及空間的各種噪聲信號(hào)；在下行則發(fā)射各用戶下行信號(hào)，由于在各用戶在不同天線上的加權(quán)不同，對(duì)于不同用戶來(lái)說(shuō)，天線陣列系統(tǒng)具有不同的輻射特性。
和，Ka個(gè)收發(fā)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)2-1-2-Ka分別與天線單元連接。在時(shí)分雙工系統(tǒng)中，根據(jù)系統(tǒng)時(shí)鐘，天線在收發(fā)過(guò)程進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在不使用收發(fā)共用天線的系統(tǒng)則不需要此類收發(fā)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。
及，Ka個(gè)信道估計(jì)器3-1-3-Ka分別與K個(gè)收發(fā)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)連接。根據(jù)發(fā)送的訓(xùn)練序列，估計(jì)用戶的信道沖激響應(yīng)。本發(fā)明對(duì)信道估計(jì)器沒(méi)有限制。例如可以采用Steine估計(jì)器及其各種變化形式等。
相關(guān)運(yùn)算器4，其輸入端是所有信道估計(jì)器3的輸出端。對(duì)估計(jì)的用戶信道沖激響應(yīng)在空間域進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，輸出各用戶的空間相關(guān)矩陣；譜估計(jì)器5與相關(guān)運(yùn)算器4的輸出端連接。根據(jù)用戶的空間相關(guān)矩陣進(jìn)行來(lái)波的空間圖譜估計(jì)，該器件的輸出是若干空間特性參數(shù)。
參數(shù)估計(jì)器6接收來(lái)自譜估計(jì)器5的空間特性參數(shù)，根據(jù)估計(jì)的方向功率譜來(lái)進(jìn)行空間時(shí)間特性參數(shù)的估計(jì)。
波束優(yōu)化/選擇器7接收譜估計(jì)器輸出的用戶空間時(shí)間特性參數(shù)，并根據(jù)空間時(shí)間特性參數(shù)對(duì)賦形權(quán)矢量進(jìn)行下列處理1.波束優(yōu)化對(duì)賦形波束進(jìn)行優(yōu)化，使其能夠?qū)τ脩舻膩?lái)波信號(hào)達(dá)到最佳的接收；2.波束選擇在預(yù)先設(shè)置的一些權(quán)矢量中進(jìn)行選擇，使其能夠?qū)τ脩舻膩?lái)波信號(hào)達(dá)到最佳的接收。
這樣，波束優(yōu)化/選擇器6輸出各用戶波束賦形的權(quán)矢量。
波束賦形器8。對(duì)各用戶的發(fā)射信號(hào)進(jìn)行賦形并且將賦形后的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，經(jīng)過(guò)收發(fā)控制開(kāi)關(guān)饋入各天線單元。
本發(fā)明公開(kāi)的無(wú)線信道環(huán)境下行的波束賦形方法首先利用天線單元、收發(fā)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、信道估計(jì)器、相關(guān)運(yùn)算器和譜估計(jì)器獲取無(wú)線信道的空間時(shí)間特性；然后，波束優(yōu)化/選擇器和波束賦形器，根據(jù)前面獲取的無(wú)線信道的空間時(shí)間特性，采用與之相應(yīng)的賦形波束做下行賦形。
圖2為本發(fā)明的實(shí)施例的復(fù)雜無(wú)線信道下行波束賦形的方法的流程圖。
其中，步驟1，各天線信道估計(jì)各天線1-1，1-ka接收的信號(hào)e(i，ka)，ka＝1，…，Ka包括3部分，本小區(qū)的有用信號(hào)、外小區(qū)的干擾信號(hào)和噪聲，其中本小區(qū)的有用信號(hào)包括多用戶的發(fā)射數(shù)據(jù)和訓(xùn)練序列。信號(hào)經(jīng)過(guò)收發(fā)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)2到達(dá)信道估計(jì)器3，這里，i是幀的序號(hào)。
在信道估計(jì)器3中，利用接收的多用戶的訓(xùn)練序列部分進(jìn)行信道沖激響應(yīng)的估計(jì)。雖然以實(shí)施例描述了具體的方法，但本發(fā)明可以使用任何其它的信道估計(jì)的方式和方法。信道估計(jì)器輸出了估計(jì)的各天線上信道沖激響應(yīng) k＝1，…，K，ka＝1，…，Ka的歸一化形式h(i，k，ka)。K是第K個(gè)用戶。
h~(i,k,ka)=[h~1(i,k,ka),h~2(i,k,ka),···,h~w(i,k,ka)]T---k=1,···,K,ka=1,···,Ka]]>(公式1)h(i,k,ka)=h~(i,k,ka)norm(h~(i,k,ka))]]>(公式2)其中，W是信道估計(jì)窗長(zhǎng)。
這里，用信道估計(jì)矩陣來(lái)表示用戶的信道估計(jì)信息。用戶k的信道估計(jì)矩陣表示如下 (公式3)步驟2，用戶空間相關(guān)矩陣估計(jì)在相關(guān)運(yùn)算器4，計(jì)算了各用戶的空間相關(guān)矩陣Rxx(i,k)=H(i,k)H·H(i,k)---k=1,···,K]]>(公式4)運(yùn)算(·)H表示矩陣的共扼轉(zhuǎn)置運(yùn)算。
以根據(jù)參數(shù)的具體數(shù)值進(jìn)行波束優(yōu)化或者選擇。
步驟3，空間功率方向譜估計(jì)根據(jù)用戶相干矩陣Rxx(i，k)的估計(jì)，可以得到每幀的來(lái)波方向功率圖譜， (公式5)其中，a()是陣列響應(yīng)矢量。
a()＝[a1()，a2()，…，aka()]T(公式6)步驟4，空間時(shí)間特性參數(shù)估計(jì)在參數(shù)估計(jì)器6中對(duì)信道的空間時(shí)間特性參數(shù)進(jìn)行了估計(jì)。本發(fā)明提出3個(gè)反映信道空間時(shí)間特性的參數(shù)，即來(lái)波角度的變化、來(lái)波功率譜圖最大增益的變化以及來(lái)波功率譜圖寬度的變化。這3個(gè)參數(shù)都可以反映信道的空間時(shí)間特性，可以根據(jù)參數(shù)的具體數(shù)值進(jìn)行波束優(yōu)化或者選擇。這3個(gè)參數(shù)都要根據(jù)用戶的來(lái)波方向功率譜圖來(lái)計(jì)算來(lái)波方向功率圖譜的最大增益值為 (公式7)
每幀的來(lái)波角度 (公式8)每幀的來(lái)波方向功率圖譜的半功率波束寬度 (公式9) (公式10)上面的過(guò)程是對(duì)當(dāng)前幀的處理，最終給出的特性參數(shù)是當(dāng)前幀的特性參數(shù)在若干幀內(nèi)的變化范圍，包括參數(shù)1)考察來(lái)波方向角度變化的范圍。
對(duì)各時(shí)隙估計(jì)的來(lái)波方向角度進(jìn)行考察，記錄短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的來(lái)波方向角度變化范圍ΔDOA(k)。假設(shè)DOA(k)＝{DOA(i，k)，DOA(i-1，k)，…，DOA(i-I+1，k)} (公式11-1)ΔDOA(k)＝max{DOA(k)}-min{DOA(k)} (公式11-2)來(lái)波角度的中心角DOA0(k)=max{DOA(k)}+min{DOA(k)}2]]>(公式11-3)參數(shù)2)考察最大增益的最小值。
對(duì)各時(shí)隙估計(jì)的來(lái)波方向功率圖譜進(jìn)行考察，得到接收信號(hào)最大方向歸一化增益的取值范圍Gmin(k)。
pmax(k)={pmax(i,k),pmax(i-1,k),···,pmax,(i-N+1,k)}]]>(公式12-1)Gmin(k)=min{pmax(k)}]]>(公式12-2)
參數(shù)3)考察波束寬度的最大值。
對(duì)各時(shí)隙估計(jì)的來(lái)波方向功率圖譜進(jìn)行考察，得到接收信號(hào)最大方向的波束寬度的取值范圍HPmax(k)。
(公式13-1) (公式13-2)譜估計(jì)器6輸出3個(gè)參數(shù)中的任意2個(gè)，即ΔDOA(k)和Gmin(k)或者ΔDOA(k)和HPmax(k)。根據(jù)參數(shù)確定匹配的波束賦形算法。
步驟5，波束賦形權(quán)矢量估計(jì)步驟4)給出了反映信道空間時(shí)間特性的參數(shù)，步驟5)根據(jù)步驟4)提供的參數(shù)進(jìn)行下行的波束賦形。波束賦形的權(quán)矢量可以根據(jù)參數(shù)優(yōu)化，也可以在預(yù)先設(shè)置的權(quán)矢量中進(jìn)行選擇。
在波束優(yōu)化/選擇器7中進(jìn)行波束賦形權(quán)矢量的估計(jì)或選擇，得到的權(quán)矢量在波束賦形器8中用于下行的波束賦形。本方面提出兩種波束賦形權(quán)矢量的計(jì)算方法。方法1是根據(jù)信道的空時(shí)特性實(shí)時(shí)的進(jìn)行波束優(yōu)化；方法2是根據(jù)信道的空時(shí)特性在預(yù)設(shè)的多級(jí)波束中進(jìn)行選擇。
方法1)采用與移動(dòng)信道空間時(shí)間特性相匹配的波束進(jìn)行下行賦形發(fā)送?？疾靵?lái)波方向角度變化、最大增益值取值或波束寬度取值，都是為了得到一種賦形波束，使其能夠適應(yīng)波束方向的可能變化。和傳統(tǒng)的只有一種固定的賦形波束的方案相比，這種方案可以更好的適應(yīng)復(fù)雜時(shí)變信道。根據(jù)所得到的空間特性參數(shù)，優(yōu)化符合其參數(shù)的扇區(qū)波束。要求波束的寬度能夠覆蓋來(lái)波角度的變化和波束寬度的變化；波束的增益接近來(lái)波最大增益值的變化范圍的中值。方法1根據(jù)空間時(shí)間特性參數(shù)ΔDOA(k)、Gmin(k)或HPmax(k)判斷是否滿足優(yōu)化條件，也就是判斷是否是沒(méi)有明顯的信號(hào)波達(dá)的主要方向，波達(dá)方向隨時(shí)間是一個(gè)快變量的復(fù)雜信道。如果是，則設(shè)定優(yōu)化規(guī)則并按照優(yōu)化規(guī)則進(jìn)行波束優(yōu)化，獲得波束賦形權(quán)矢量；否則，按照傳統(tǒng)波束賦形方法獲得波束賦形權(quán)矢量。
圖3給出了方法1的具體流程，敘述如下步驟511)，判斷ΔDOA(k)≥εDOA，如果成立，則執(zhí)行步驟512)，否則執(zhí)行步驟514)；其中，εDOA是ΔDOA的門(mén)限值；步驟512)，設(shè)置波束優(yōu)化準(zhǔn)則，使波束最大增益方向在ΔDOA(k)的中心方向DOA0(k)，半功率波瓣寬度逼近ΔDOA(k)；步驟513)，波束優(yōu)化器根據(jù)步驟設(shè)置的波束優(yōu)化準(zhǔn)則優(yōu)化賦形波束，得到賦形權(quán)矢量；步驟514)，第2個(gè)特性參數(shù)Gmin(k)或者HPmax(k)的值，如果輸入的第二參數(shù)是Gmin(k)，則判斷Gmin(k)≤ϵG;]]>如果輸入的第二參數(shù)是HPmax(k)，則判斷 如果成立，則執(zhí)行步驟515)，否則執(zhí)行步驟516)；其中εG是Gmin(k)的門(mén)限值，εHP是HPmax(k)的門(mén)限值；步驟515)，設(shè)置波束優(yōu)化準(zhǔn)則，如果輸入的第二參數(shù)是Gmin(k)，則波束的最大增益方向在ΔDOA(k)的中心方向DOA0(k)，賦形增益逼近Gmin(k)，并且半功率波瓣寬度大于εDOA；如果輸入的第二參數(shù)是HPmax(K)，波束最大增益方向在ΔDOA(k)的中心方向，使其半功率波瓣寬度逼近HPmax(k)。執(zhí)行步驟513)；步驟516)，應(yīng)用傳統(tǒng)的波束賦形方法，使波束中心方向在DOA0(k)。
方法2)按相應(yīng)的空間特性參數(shù)選擇對(duì)應(yīng)級(jí)別的多級(jí)波束。
方法2)是根據(jù)增益和半功率波瓣寬度范圍值設(shè)定波束等級(jí)，再根據(jù)空間時(shí)間特性參數(shù)ΔDOA(k)和Gmin(k)或者根據(jù)ΔDOA(k)和HPmax(k)選擇相應(yīng)的波束等級(jí)。為了簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)，我們可以只設(shè)定若干個(gè)等級(jí)的賦形波束(比如，3個(gè)級(jí)別的賦形波束)。和傳統(tǒng)的只有一種固定的賦形波束的方案相比，多個(gè)波束的賦形方案可以在更好的適應(yīng)復(fù)雜時(shí)變信道的同時(shí)保持相對(duì)的簡(jiǎn)單性。
多級(jí)波束的優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)不同覆蓋范圍和增益為準(zhǔn)則，考慮到波束寬度和增益的制約關(guān)系，要求多級(jí)波束的半功率波瓣寬度依次遞增，對(duì)每級(jí)波束都要對(duì)其波束寬度和增益做限制。在第n級(jí)波束，要求波束寬度的范圍是[HPmin(n)，HPmax(n)]，增益的范圍是[Gmin(n)，Gmax(n)]，在此限制上優(yōu)化多級(jí)波束。例如我們對(duì)3級(jí)波束提出了如表1所示的技術(shù)指標(biāo)。
表1 3級(jí)波束的技術(shù)指標(biāo)

波束的選擇準(zhǔn)則就是要把可能的各方向的來(lái)波包含在賦形波束之內(nèi)。通過(guò)信道的空間時(shí)間特性參數(shù)，建立特性參數(shù)與相應(yīng)波束之間的關(guān)系。在特性參數(shù)和相應(yīng)的波束之間建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，按照對(duì)應(yīng)關(guān)系選擇賦形波束。假設(shè)賦形波束為N級(jí)，則對(duì)每個(gè)特性參數(shù)，需要設(shè)置N-1個(gè)門(mén)限將特性參數(shù)分成N個(gè)區(qū)間，和N級(jí)波束一一對(duì)應(yīng)。如果通過(guò)考察多個(gè)特性參數(shù)來(lái)確定賦形波束，則賦形波束以所有特性參數(shù)對(duì)應(yīng)波束中最寬波束作為賦形波束。
同樣以3級(jí)波束作為例子，對(duì)于輸入的特性參數(shù)ΔDOA(k)、Gmin(k)和HPmax(k)，因?yàn)镹＝3，所以設(shè)定門(mén)限εDOA，1、εDOA，2、εG，1、εG，2、εHP，1和εHP，2，(其中εDOA，1＜εDOA，2，εG，1＞εG，2，εHP，1＜εHP，2)以特性參數(shù)ΔDOA(k)和Gmin(k)為參考，波束選擇如表2所示，波束中心方向在ΔDOA(k)的中心方向。以特性參數(shù)ΔDOA(k)和HPmax(k)為參考，波束選擇如表3所示，波束中心方向在ΔDOA(k)的中心方向。
表2 3級(jí)波束選擇準(zhǔn)則1 表3 3級(jí)波束選擇準(zhǔn)則2 波束選擇的子流程圖如圖4所示，敘述如下步驟521)，判斷ΔDOA(k)≥εDOA，2，如果成立，則選擇第三級(jí)波束，否則，執(zhí)行步驟522)；
步驟522)，判斷 或者Gmin(k)≤ϵG,2,]]>如果成立，則選擇第三級(jí)波束，否則，執(zhí)行步驟523)；步驟523)，ΔDOA(k)≤εDOA，1，如果成立，則執(zhí)行步驟524)，否則，選擇第二級(jí)波束；步驟524)，判斷 或者Gmin(k)≥ϵG,1,]]>如果成立，則選擇第一級(jí)波束，否則，選擇第二級(jí)波束。
為了容易理解本發(fā)明，通過(guò)一個(gè)具體實(shí)施例描述，這是基于3GPPTDD系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。
天線陣列是由8個(gè)全向輻射單元組成的均勻環(huán)形陣列。環(huán)形陣列半徑是載波波長(zhǎng)的0.6倍。仿真4個(gè)用戶的情況，每個(gè)用戶占用一個(gè)CDMA碼道，擴(kuò)頻系數(shù)Q＝16，采用16位midamble碼作為訓(xùn)練序列，信道估計(jì)是經(jīng)過(guò)門(mén)限處理的Steine估計(jì)器；信道環(huán)境采用3GPP case2信道，即3條等功率多徑，3條徑角度分布為[-50°，50°]均勻分布。
我們給出對(duì)第一個(gè)用戶的處理，取10子幀的參數(shù)做處理，用戶1的中心角度為180°，其他3個(gè)用戶角度隨機(jī)分布。
根據(jù)上行接收的midamble訓(xùn)練序列進(jìn)行信道估計(jì)、相關(guān)運(yùn)算和譜估計(jì)，得到10個(gè)子幀的空時(shí)特性參數(shù)，特性參數(shù)如表4所示。
在3個(gè)參數(shù)中選擇ΔDOA(1)和HPmax(k)作為考察參數(shù)，兩個(gè)參數(shù)的值分別為77°和108°，此外來(lái)波方向的中心角度 作為賦形中心方向給出。
表4 空間時(shí)間特性參數(shù)變化

在分析考察移動(dòng)信道空間時(shí)間特性的基礎(chǔ)上，采用與移動(dòng)信道空間時(shí)間特性相匹配的波束進(jìn)行下行賦形。一種選擇是方法1)按相應(yīng)的空間特性參數(shù)優(yōu)化最佳的賦形波束；一種選擇是方法1)按相應(yīng)的空間特性參數(shù)選擇對(duì)應(yīng)級(jí)別的多級(jí)波束。
方法1，按相應(yīng)的空間時(shí)間特性參數(shù)優(yōu)化最佳的賦形波束設(shè)定的空間時(shí)間特性參數(shù)門(mén)限如表5所示，據(jù)所設(shè)定的門(mén)限和波束優(yōu)化子流程(圖3)，因?yàn)棣OA(1)＞εDOA，因此需要優(yōu)化一個(gè)半功率波瓣寬度同ΔDOA(1)逼近的波束，以覆蓋所有可能的來(lái)波方向。
表5 波束優(yōu)化門(mén)限參數(shù)表

圖6給出了優(yōu)化的結(jié)果，該波束的陣列功率增益大約為5dB，3dB波束寬度大約是78°，和來(lái)波方向的變化范圍基本符合。表6給出了該波束的賦形參數(shù)。
表6 優(yōu)化波束的賦形參數(shù)

方法2，按相應(yīng)的空間特性參數(shù)選擇對(duì)應(yīng)級(jí)別的多級(jí)波束具體方案為賦形波束分為三個(gè)等級(jí)。各級(jí)波束的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1，其中，根據(jù)第1級(jí)波束即為傳統(tǒng)的波束賦形器的波束，第3級(jí)波束是各單元等幅同相饋電的波束，第二級(jí)波束是根據(jù)所要求的技術(shù)指標(biāo)優(yōu)化的波束。3級(jí)波束的波束方向圖如圖7所示。在空間形成了很好的依次展寬的賦形波束。其中第2級(jí)波束增益大約4.7dB，波束寬度85°。
表7設(shè)定了3級(jí)波束選擇的門(mén)限設(shè)定，根據(jù)表2、3所設(shè)定的波束選擇的準(zhǔn)則以及表7所設(shè)定的波束選擇的門(mén)限參數(shù)，根據(jù)表7和圖4所示的波束選擇的流程，可知例子中提供的信道空間時(shí)間特性參數(shù)對(duì)應(yīng)的是3級(jí)波束的第2級(jí)。和波束優(yōu)化的結(jié)果相比，3級(jí)波束提供的波束寬度比來(lái)波角度的變化略寬一些。表8給出了3級(jí)波束的賦形參數(shù)。
表7 3級(jí)波束選擇門(mén)限參數(shù)表

表8 三級(jí)波束的賦形參數(shù)

雖然上述舉例只講到了設(shè)定3級(jí)波束的情況，但是根據(jù)需要，也可以設(shè)定2級(jí)或4級(jí)等多級(jí)波束。其原理相同，在此不累述。
雖然通過(guò)實(shí)施例描繪了本發(fā)明，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員知道，本發(fā)明有許多變形和變化而不脫離本發(fā)明的精神，因此，希望所附的權(quán)利要求包括這些變形和變化而不脫離本發(fā)明的精神。
權(quán)利要求
1.一種無(wú)線信道的下行波束賦形方法，用于具有多個(gè)天線與收發(fā)裝置的系統(tǒng)，其特征在于所述方法包括步驟對(duì)所述多個(gè)天線進(jìn)行信道估計(jì)；根據(jù)所述多個(gè)天線的信道估計(jì)，進(jìn)行用戶空間參數(shù)估計(jì)；根據(jù)所述空間參數(shù)估計(jì)，進(jìn)行波束賦形權(quán)矢量估計(jì)，從至少兩種賦形波束中得到一種賦形波束；根據(jù)波束賦形權(quán)矢量估計(jì)，控制波束賦形。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述進(jìn)行用戶空間參數(shù)估計(jì)包括步驟進(jìn)行用戶空間相關(guān)矩陣估計(jì)；根據(jù)所述信道估計(jì)與相關(guān)矩陣估計(jì)，進(jìn)行空間功率方向譜估計(jì)；根據(jù)所述空間功率方向譜估計(jì)，進(jìn)行空間時(shí)間特性參數(shù)估計(jì)；所述空間參數(shù)估計(jì)包括空間功率方向譜估計(jì)和空間時(shí)間特性參數(shù)估計(jì)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述從至少兩種賦形波束中得到一種賦形波束包括根據(jù)空間時(shí)間特性參數(shù)從多級(jí)波束中選擇一種賦形波束，和根據(jù)空間時(shí)間特性參數(shù)設(shè)置波束優(yōu)化準(zhǔn)則得到一種賦形波束。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述空間時(shí)間特性參數(shù)估計(jì)包括計(jì)算來(lái)波方向角度變化范圍ΔDOA(k)；接收信號(hào)最大方向歸一化增益的取值范圍Gmin(k)；或者接收信號(hào)最大方向的波束寬度的取值范圍HPmax(k)；或者上述參數(shù)的組合。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述空間時(shí)間特性參數(shù)估計(jì)包括計(jì)算來(lái)波方向角度變化范圍ΔDOA(k)和接收信號(hào)最大方向歸一化增益的取值范圍Gmin(k)，或者來(lái)波方向角度變化范圍ΔDOA(k)和接收信號(hào)最大方向的波束寬度的取值范圍HPmax(k)。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述進(jìn)行波束賦形權(quán)矢量估計(jì)的步驟包括根據(jù)空間時(shí)間特性參數(shù)ΔDOA(k)、Gmin(k)或HPmax(k)判斷是否滿足優(yōu)化條件，如果是，則設(shè)定優(yōu)化規(guī)則并按照優(yōu)化規(guī)則進(jìn)行波束優(yōu)化，獲得波束賦形權(quán)矢量；否則，按照傳統(tǒng)波束賦形方法獲得波束賦形權(quán)矢量。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述進(jìn)行波束賦形權(quán)矢量估計(jì)的步驟包括a)判斷ΔDOA(k)≥εDOA，如果成立，則執(zhí)行步驟b)，否則執(zhí)行步驟c)；b)，設(shè)置波束優(yōu)化準(zhǔn)則，使波束最大增益方向在ΔDOA(k)的中心方向DOA0(k)，半功率波瓣寬度逼近ΔDOA(k)；執(zhí)行步驟g)；c)，如果輸入的第二參數(shù)是Gmin(k)，則判斷Gmin(k)≤ϵG,]]>如果成立，則執(zhí)行步驟d)，否則執(zhí)行步驟e)；或者，如果輸入的第二參數(shù)是HPmax(k)，則判斷 如果成立，則執(zhí)行步驟d)，否則執(zhí)行步驟e)；d)，設(shè)置波束優(yōu)化準(zhǔn)則，如果輸入的第二參數(shù)是Gmin(k)，則波束的最大增益方向在ΔDOA(k)的中心方向DOA0(k)，賦形增益逼近Gmin(k)，并且半功率波瓣寬度大于εDOA；或者，如果輸入的第二參數(shù)是HPmax(k)，波束最大增益方向在ΔDOA(k)的中心方向，使其半功率波瓣寬度逼近HPmax(k)；執(zhí)行步驟g)；e)，應(yīng)用傳統(tǒng)的波束賦形方法，使波束中心方向在DOA0(k)；g)，根據(jù)設(shè)置的波束優(yōu)化準(zhǔn)則優(yōu)化賦形波束，得到賦形權(quán)矢量；其中，εDOA、εG和εHP分別為參數(shù)ΔDOA(k)、Gmin(k)和HPmax(k)的門(mén)限。
8.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述進(jìn)行波束賦形權(quán)矢量估計(jì)的步驟包括根據(jù)增益和半功率波瓣寬度范圍值設(shè)定波束等級(jí)，再根據(jù)空間時(shí)間特性參數(shù)ΔDOA(k)和Gmin(k)或者根據(jù)ΔDOA(k)和HPmax(k)選擇相應(yīng)的波束等級(jí)。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述進(jìn)行波束賦形權(quán)矢量估計(jì)的步驟包括h)，判斷ΔDOA(k)≥εDOA，2，如果成立，則選擇第三級(jí)波束，否則，執(zhí)行步驟j)；j)，判斷 或者Gmin(k)≤ϵG,2,]]>如果成立，則選擇第三級(jí)波束，否則，執(zhí)行步驟k)；k)，ΔDOA(K)≤εDOA，1，如果成立，則執(zhí)行步驟1)，否則，選擇第二級(jí)波束；l)，判斷 或者Gmin(k)≥ϵG,1,]]>如果成立，則選擇第一級(jí)波束，否則，選擇第二級(jí)波束。其中εDOA，1、εDOA，2、εG，1、εG，2、εHP，1和εHP，2分別為ΔDOA(k)、Gmin(k)和HPmax(k)參數(shù)的第一級(jí)門(mén)限和第二級(jí)門(mén)限，第一級(jí)波束、第二級(jí)波束和第三級(jí)波束依據(jù)增益和半功率波瓣寬度劃分。
10.一種無(wú)線信道的下行波束賦形裝置，包括多個(gè)收發(fā)信道估計(jì)裝置，用于輸出多個(gè)收發(fā)信道估計(jì)；相關(guān)裝置，用于對(duì)所述多個(gè)收發(fā)信道估計(jì)進(jìn)行相關(guān)；信道參數(shù)估計(jì)裝置，用于根據(jù)相關(guān)結(jié)果，獲得信道參數(shù)估計(jì)；波束賦形裝置，用于根據(jù)信道參數(shù)估計(jì)，對(duì)波束賦形；其特征在于，所述多個(gè)收發(fā)信道估計(jì)裝置包括多個(gè)天線；多個(gè)收發(fā)開(kāi)關(guān)，耦合到所述多個(gè)天線和波束賦形裝置；多個(gè)信道估計(jì)器，耦合到多個(gè)收發(fā)開(kāi)關(guān)和相關(guān)裝置；所述信道參數(shù)估計(jì)裝置，包括相互耦合的譜估計(jì)器和參數(shù)估計(jì)器。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，所述波束賦形裝置包括波束優(yōu)化器，用于根據(jù)信道參數(shù)估計(jì)進(jìn)行波束優(yōu)化；和/或波束選擇器，用于根據(jù)信道參數(shù)估計(jì)在預(yù)定波束中選擇波束。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種無(wú)線信道的下行波束賦形方法和裝置。該方法包括步驟對(duì)所述多個(gè)天線進(jìn)行信道估計(jì)；根據(jù)所述多個(gè)天線的信道估計(jì)，進(jìn)行用戶空間參數(shù)估計(jì)；根據(jù)所述空間參數(shù)估計(jì)，進(jìn)行波束賦形權(quán)矢量估計(jì)；根據(jù)波束賦形權(quán)矢量估計(jì)，控制波束賦形。裝置包括多個(gè)收發(fā)信道估計(jì)裝置，用于輸出多個(gè)收發(fā)信道估計(jì)；相關(guān)裝置，用于對(duì)所述多個(gè)收發(fā)信道估計(jì)進(jìn)行相關(guān)；信道參數(shù)估計(jì)裝置，用于根據(jù)相關(guān)結(jié)果，獲得信道參數(shù)估計(jì)；波束賦形裝置，用于根據(jù)信道參數(shù)估計(jì)，對(duì)波束賦形。利用本發(fā)明，能夠根據(jù)環(huán)境的特性來(lái)決定天線的波束賦形。
文檔編號(hào)H04B7/26GK1658526SQ200410004360
公開(kāi)日2005年8月24日 申請(qǐng)日期2004年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月17日
發(fā)明者楊貴亮, 孫長(zhǎng)果, 王映民 申請(qǐng)人:大唐移動(dòng)通信設(shè)備有限公司