專利名稱：用于群播業(yè)務(wù)系統(tǒng)的下行波束賦形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及移動(dòng)通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于群播業(yè)務(wù)系統(tǒng)的下行波束賦形方法。
背景技術(shù)：
近年來，智能天線技術(shù)已經(jīng)成為移動(dòng)通信中最具有吸引力的技術(shù)之一。智能天線采用空分多址(SDMA)技術(shù)，利用信號(hào)在傳輸方向上的差別，將同頻率或同時(shí)隙、同碼道的信號(hào)區(qū)分開來，最大限度地利用有限的信道資源。與無方向性天線相比較，其上、下行鏈路的天線增益大大提高，降低了發(fā)射功率電平，提高了信噪比，有效地克服了信道傳輸衰落的影響。同時(shí)，由于天線波瓣直接指向用戶，減小了與本小區(qū)內(nèi)其它用戶之間，以及與相鄰小區(qū)用戶之間的干擾，而且也減少了移動(dòng)通信信道的多徑效應(yīng)。CDMA(碼分多址)系統(tǒng)是個(gè)功率受限系統(tǒng)，智能天線的應(yīng)用達(dá)到了提高天線增益和減少系統(tǒng)干擾兩大目的，從而顯著地?cái)U(kuò)大了系統(tǒng)容量，提高了頻譜利用率。
智能天線在本質(zhì)上是利用多個(gè)天線單元空間的正交性，即空分多址復(fù)用功能，來提高系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。智能天線的功能是由天線陣及與其相連接的基帶數(shù)字信號(hào)處理部分共同完成的。智能天線需要解決的兩個(gè)關(guān)鍵問題是辨識(shí)信號(hào)的方向和數(shù)字賦形的實(shí)現(xiàn)。智能天線的仰角方向輻射圖形與每個(gè)天線元相同。在方位角的方向圖由基帶處理器控制，可同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)波束，按照通信用戶的分布，在360°的范圍內(nèi)任意賦形。
所謂波束賦形即根據(jù)測(cè)量以及估算參數(shù)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)最優(yōu)(次優(yōu))組合或者最優(yōu)(次優(yōu))分配的過程。在傳統(tǒng)波束賦形算法中，根據(jù)期望信號(hào)的來波角度計(jì)算來波在各天線單元上的相位差，賦形系數(shù)用來抵消各單元上的相位差使各單元上的來波信號(hào)同相疊加。對(duì)于傳統(tǒng)波束賦形算法來說，對(duì)于固定方向的來波，其賦形系統(tǒng)是固定的，因此其波束方向圖的形狀是固定的。
在數(shù)字集群通信系統(tǒng)或具有群播業(yè)務(wù)特點(diǎn)的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，基站給若干用戶發(fā)送相同的下行數(shù)據(jù)，消息發(fā)送的覆蓋范圍可以是一個(gè)扇區(qū)(cell)，也可以是一個(gè)基站(BTS)或由若干個(gè)基站組成的既定區(qū)域(Area)甚至整個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)。在這些系統(tǒng)中，如果不用波束賦形，通過全向覆蓋波束發(fā)射廣播信息，則會(huì)對(duì)其他用戶造成干擾。
傳統(tǒng)的針對(duì)用戶的波束賦形需要給每個(gè)用戶分配一個(gè)碼道，碼道和波束一一對(duì)應(yīng)，即每個(gè)碼道只能用唯一的波束發(fā)射出去。對(duì)于群播業(yè)務(wù)來說，無疑造成了資源的浪費(fèi)。而且由于群播用戶的用戶數(shù)及其空間分布都是不確定的，而傳統(tǒng)波束賦形的波束寬度并不一定與用戶空間分布的角度范圍匹配，如果用戶的分布范圍大于賦形波束的寬度，就會(huì)有用戶落在天線輻射電平較低的區(qū)域，影響該區(qū)域內(nèi)用戶的接收質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于群播業(yè)務(wù)系統(tǒng)的下行波束賦形方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中使用傳統(tǒng)波束賦形算法造成的資源浪費(fèi)，節(jié)約碼道資源，同時(shí)達(dá)到賦形效果。
為此，本發(fā)明提供如下的技術(shù)方案一種用于群播業(yè)務(wù)系統(tǒng)的下行波束賦形方法，所述方法包括步驟A、估計(jì)系統(tǒng)內(nèi)群播用戶的空間特征參數(shù)；B、根據(jù)所述群播用戶的空間特征參數(shù)及使用的智能天線的性能指標(biāo)對(duì)群內(nèi)用戶分組；C、確定每組用戶的下行波束賦形權(quán)系數(shù)，實(shí)現(xiàn)波束賦形。
所述步驟A包括
A1、所述智能天線根據(jù)群內(nèi)各用戶的上行信號(hào)估計(jì)該用戶的空間功率譜；A2、根據(jù)所述空間功率譜獲取該用戶的空間特征參數(shù)。
所述步驟A1包括A11、根據(jù)智能天線接收的多用戶的訓(xùn)練序列進(jìn)行信道沖激響應(yīng)估計(jì)；A12、根據(jù)信道沖激響應(yīng)估計(jì)結(jié)果計(jì)算各用戶的空間功率譜。
可選地，利用Bartlett譜估計(jì)方法或者Capon譜估計(jì)方法計(jì)算各用戶的空間功率譜。
所述群播用戶的空間特征參數(shù)包括來波角度、半功率波瓣寬度中心角。
所述步驟B具體為B1、獲取智能天線的賦形波束寬度；B2、按用戶來波角度確定每組包含的群播用戶，使每組用戶的來波角度集合小于或等于所述智能天線的賦形波束寬度。
所述步驟C包括C1、確定每組用戶的來波方向，并將其設(shè)定為該組內(nèi)所有用戶來波方向的中心方向；C2、根據(jù)所述每組用戶的來波方向?qū)γ拷M用戶的下行波束賦形。
可選地，所述步驟C2具體為在預(yù)設(shè)的權(quán)矢量中選擇與所述每組用戶的來波方向最近的賦形權(quán)矢量為該組用戶下行波束賦形。
可選地，所述步驟C2具體包括根據(jù)所述每組用戶的來波方向設(shè)定賦形權(quán)矢量初值；對(duì)所述賦形權(quán)矢量初值進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化，使賦形波束與該組用戶的空間分布范圍相匹配。
優(yōu)選地，所述步驟C還包括設(shè)定最大波束個(gè)數(shù)；
當(dāng)所述群內(nèi)用戶的分組個(gè)數(shù)大于所述最大波束個(gè)數(shù)時(shí)，選擇全向發(fā)送波束。
由以上本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明針對(duì)群播業(yè)務(wù)特點(diǎn)，通過在具有群播業(yè)務(wù)的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，對(duì)群播用戶的空間特征參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，根據(jù)群內(nèi)用戶的空間特征參數(shù)和智能天線的性能指標(biāo)對(duì)群內(nèi)用戶分組，每個(gè)組用一個(gè)碼道進(jìn)行賦形發(fā)送，從而有效地節(jié)約了碼道資源，同時(shí)達(dá)到了較好的賦形效果。


圖1是本發(fā)明方法的實(shí)現(xiàn)流程圖；圖2是本發(fā)明方法中對(duì)群播用戶的分組流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的核心在于在具有群播業(yè)務(wù)的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，對(duì)群播用戶的空間特征參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，根據(jù)群內(nèi)用戶的空間特征參數(shù)和智能天線的性能指標(biāo)群內(nèi)用戶分組，每個(gè)組用一個(gè)碼道進(jìn)行賦形發(fā)送，從而避免使用太多的碼道資源。
本技術(shù)領(lǐng)域人員知道，智能天線采用兩個(gè)以上的單天線陣元組成天線陣，每個(gè)陣元接收到的信號(hào)經(jīng)過射頻處理后用適當(dāng)?shù)臋?quán)值進(jìn)行加權(quán)求和，可以達(dá)到定向接收的效果，一個(gè)權(quán)矢量對(duì)應(yīng)著一定的波束方向圖。加權(quán)的實(shí)質(zhì)是一種空間濾波，智能天線也可以認(rèn)為是一種SDMA(空分多址)技術(shù)。在SDMA中通過天線陣列接收信號(hào)，并通過數(shù)字信號(hào)處理進(jìn)行數(shù)字波束賦形，也就是通過調(diào)整天線陣列所接收信號(hào)的相位和幅度使所需信號(hào)得到加強(qiáng)，而使其他干擾信號(hào)得以削弱，最終使所需信號(hào)的信噪比最大。
智能天線一般分為兩種。一種是預(yù)多波束智能天線，即預(yù)先設(shè)定一些指向不同方向的波束權(quán)值，在通信過程中選擇接收信號(hào)比較好的那些波束權(quán)值加權(quán)結(jié)果進(jìn)行后續(xù)處理。另一種是自適應(yīng)智能天線，這種天線的權(quán)值不需要預(yù)先設(shè)置，而是根據(jù)信號(hào)空間分布特性的變化而按一定準(zhǔn)則不斷更新權(quán)值，權(quán)值的幅度和相位都可以自由更新，當(dāng)算法收斂時(shí)這種方法能充分利用期望用戶信號(hào)和干擾信號(hào)的空間特性使接收到的信號(hào)的信干噪比達(dá)到最大。
由于一個(gè)波束可以覆蓋一個(gè)特定的角度范圍，如果群播業(yè)務(wù)的兩個(gè)用戶的空間間隔在一個(gè)波束寬度范圍內(nèi)，那么就可以用一個(gè)賦形波束同時(shí)覆蓋這兩個(gè)用戶。正是基于這種特點(diǎn)，本發(fā)明根據(jù)群內(nèi)用戶的空間特征參數(shù)和智能天線的性能指標(biāo)對(duì)群內(nèi)用戶分組，對(duì)每組用戶通過一個(gè)碼道進(jìn)行賦形發(fā)送，從而減少群播用戶對(duì)碼道資源的占用。
為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
參照?qǐng)D1，圖1是本發(fā)明方法的實(shí)現(xiàn)流程圖，包括以下步驟步驟101估計(jì)系統(tǒng)內(nèi)群播用戶的空間特征參數(shù)，比如，來波角度、半功率波瓣寬度中心角等。
首先，由智能天線根據(jù)群內(nèi)各用戶的上行信號(hào)估計(jì)該用戶的空間功率譜；然后，根據(jù)空間功率譜獲取該用戶的空間特征參數(shù)。
智能天線可以根據(jù)群內(nèi)各用戶的上行信號(hào)估計(jì)該用戶空間功率譜。
利用接收的多用戶的訓(xùn)練序列部分估計(jì)各天線上的信道沖激響應(yīng)。根據(jù)實(shí)際需要，可以采用多種信道估計(jì)的方式和方法。
假設(shè)群內(nèi)共K個(gè)用戶，用戶k的信道估計(jì)矩陣表示如下H(k)＝[h(k，1),h(k，2)，L，h(k，ka)]，k＝1，Λ，K (1)其中，h(k，ka)表示用戶k和天線單元ka之間的信道沖激響應(yīng)。
空間相關(guān)矩陣可以通過下式計(jì)算Rxx(k)=H(k)H·H(k),k=1,Λ,K---(2)]]>
其中，H(k)H表示矩陣H(k)的共扼轉(zhuǎn)置運(yùn)算；則用戶的空間功率譜通過Bartlett譜估計(jì)方法計(jì)算如下 其中，a()表示陣列響應(yīng)矢量，即來自方向的信號(hào)在天線陣列上的響應(yīng)，一般表示為不同天線之間的相位差。
通過Capon譜估計(jì)方法計(jì)算如下 其中，a()表示陣列響應(yīng)矢量，即來自方向的信號(hào)在天線陣列上的響應(yīng)，一般表示為不同天線之間的相位差。
當(dāng)然，本發(fā)明并不限于上述這兩種空間功率譜算法，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，還可以選擇其他的計(jì)算方法得到用戶的空間功率譜。
有了用戶的空間功率譜，則可以方便地得到各用戶的來波角度和半波瓣寬度中心角。
根據(jù)Bartlett譜估計(jì)方法得到的用戶的空間功率譜計(jì)算各用戶的來波角度 其中， 表示離散譜的最大值，即PB(k)()的最大值。
還可以通過下式來計(jì)算各用戶的半功率波瓣寬度中心角，當(dāng)然也可以采用其他表征用戶方位信息的空間特征參數(shù)比如，使離散譜值比最大值下降3個(gè)分貝的角度為 其中，P(i，k)()表示用戶k在第i幀的離散譜，Pmax(i，k)表示該離散譜的最大值?；蛘甙牍β式堑闹行姆较?yàn)?
其中，max(3dB(i，k))和min(3dB(i，k))分別表示離散譜值比最大值下降了3個(gè)分貝的兩個(gè)角度。
步驟102根據(jù)群播用戶的空間特征參數(shù)及使用的智能天線的性能指標(biāo)對(duì)群內(nèi)用戶分組。
設(shè)智能天線的賦形波束寬度為HPBW，分組的用戶來波角度集合為Ω，為了以最小的波束覆蓋，組內(nèi)用戶的來波角度是相鄰的，并且保證第1組的第1個(gè)用戶和最后一組的最后一個(gè)用戶之間的角度間隔在所有相鄰用戶的角度間隔之中是最大的。
因此，分組時(shí)應(yīng)滿足下列原則使得組的波束寬度Δ，即組內(nèi)用戶的來波角度的最大值與最小值之差恰好小于或等于HPBW，也就是說，如果Ω增加一個(gè)用戶就會(huì)使Δ大于HPBW。
步驟103確定每組用戶的下行波束賦形權(quán)系數(shù)，實(shí)現(xiàn)波束賦形。
如果使用預(yù)存儲(chǔ)波束，則可以預(yù)先設(shè)定最大波束個(gè)數(shù)，如果按照上述分組原則分出的群內(nèi)用戶的分組個(gè)數(shù)大于設(shè)定的最大波束個(gè)數(shù)時(shí)，由于預(yù)存儲(chǔ)波束不能滿足該群播組內(nèi)用戶的碼道分配，這時(shí)可選擇全向發(fā)送波束。
賦形發(fā)送時(shí)，將組的來波方向定義為組內(nèi)所有用戶來波方向的中心方向，例如，如果組內(nèi)用戶來波方向?yàn)閧355°，3°，15°}，則組的來波方向?yàn)?0°。在預(yù)設(shè)的權(quán)矢量中，找出與組來波方向最近的方向的賦形權(quán)矢量作為下行賦形權(quán)矢量，實(shí)現(xiàn)不同用戶組的波束賦形。
還可以根據(jù)每組用戶的來波方向設(shè)定賦形權(quán)矢量初值；然后對(duì)賦形權(quán)矢量初值進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化，使賦形波束與該組用戶的空間分布范圍相匹配，以得到精度更高的賦形波束。
圖2示出了本發(fā)明方法中對(duì)群內(nèi)用戶分組的實(shí)現(xiàn)流程
步驟201根據(jù)智能天線的性能指標(biāo)確定天線的賦形波束寬度HPBW；步驟202創(chuàng)建新組，組內(nèi)按順序選擇未分組的第一個(gè)用戶；步驟203按照用戶的來波角度，在該組內(nèi)增加一個(gè)相鄰的用戶，并計(jì)算組內(nèi)用戶的分布范圍；步驟204判斷該組內(nèi)用戶的分布范圍是否小于賦形波束寬度HPBW；如果該組內(nèi)用戶的分布范圍小于賦形波束寬度，則進(jìn)到步驟205該組接受該新增加的用戶；然后，進(jìn)到步驟206判斷該用戶是否為最后一個(gè)用戶；如果是，則進(jìn)到步驟207結(jié)束分組過程；否則，返回步驟203在該組內(nèi)按順序增加一個(gè)相鄰用戶；如果該組內(nèi)用戶的分布范圍大于賦形波束寬度，則進(jìn)到步驟208該組拒絕接受該用戶；然后，返回步驟202繼續(xù)創(chuàng)建新組。
當(dāng)然，也可以根據(jù)實(shí)際需要，按其他方式對(duì)群播用戶進(jìn)行分組，比如，將整個(gè)空間分為固定的若干波束，判斷用戶角度落在哪個(gè)波束范圍則屬于哪個(gè)組。只要使每組用戶的來波角度集合小于或等于系統(tǒng)使用的智能天線的賦形波束寬度即可。
下面將結(jié)合具體實(shí)例進(jìn)一步說明本發(fā)明方法的實(shí)現(xiàn)過程。
假設(shè)使用的智能天線為M＝8單元的均勻環(huán)形陣列，圓環(huán)的半徑為0.65λ，λ為載波波長(zhǎng)，智能天線的賦形波束寬度HPBW＝35°。預(yù)設(shè)權(quán)矢量為陣列響應(yīng)矢量的共軛，每隔1°設(shè)置一個(gè)賦形波束，共8個(gè)用戶，波束數(shù)量限制為3，即大于3組則改為全向發(fā)射。
首先，對(duì)8個(gè)用戶的來波角度進(jìn)行估計(jì)在本實(shí)施例中，分別為33°，45°，61°，63°，66°，91°，102°，110°，116°；
然后，對(duì)8個(gè)用戶進(jìn)行分組尋找起始用戶，準(zhǔn)則是使其與前一個(gè)用戶的角度差最大，用戶1和用戶8的角度差是83°，為最大，所以將用戶1作為起始用戶；按照?qǐng)D2所示流程對(duì)這8個(gè)用戶分組，在本實(shí)施例中分組結(jié)果是第1組包括用戶1至用戶5，第2組包括用戶6至用戶8；根據(jù)分組結(jié)果，確定各組來波方向中心角度，并確定賦形權(quán)系數(shù)判斷組數(shù)小于波束數(shù)量限制，則賦形發(fā)送。
在本實(shí)施例中，第1組的中心角度是49.5°，歸到賦形角度，即根據(jù)賦形角度間隔找到其最靠近的賦形角度，為50°；第2組的中心角度為109°。
查表查得到兩個(gè)中心角度對(duì)應(yīng)的波束賦形系數(shù)為w(1)=-0.7987+0.6017i-0.7474-0.6644i-0.9861+0.1663i0.9433+0.3320i-0.7987-0.6017i-0.7474+0.6644i-0.9861-0.1663i0.9433-0.3320i---w(2)0.3018-0.9534i-0.1310+0.9914i-0.8629-0.5054i-0.9399-0.3414i0.3018+0.9534i-0.1310-0.9914i-0.8629+0.5054i-0.9399+0.3414i]]>當(dāng)然，也可以根據(jù)智能天線的賦形波束寬度及各組來波方向中心角度，通過實(shí)時(shí)優(yōu)化來確定各組中心角度對(duì)應(yīng)的波束賦形系數(shù)。
雖然通過實(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，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
1.一種用于群播業(yè)務(wù)系統(tǒng)的下行波束賦形方法，其特征在于，所述方法包括步驟A、估計(jì)系統(tǒng)內(nèi)群播用戶的空間特征參數(shù)；B、根據(jù)所述群播用戶的空間特征參數(shù)及使用的智能天線的性能指標(biāo)對(duì)群內(nèi)用戶分組；C、確定每組用戶的下行波束賦形權(quán)系數(shù)，實(shí)現(xiàn)波束賦形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于群播業(yè)務(wù)系統(tǒng)的下行波束賦形方法，其特征在于，所述步驟A包括A1、所述智能天線根據(jù)群內(nèi)各用戶的上行信號(hào)估計(jì)該用戶的空間功率譜；A2、根據(jù)所述空間功率譜獲取該用戶的空間特征參數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于群播業(yè)務(wù)系統(tǒng)的下行波束賦形方法，其特征在于，所述步驟A1包括A11、根據(jù)智能天線接收的多用戶的訓(xùn)練序列進(jìn)行信道沖激響應(yīng)估計(jì)；A12、根據(jù)信道沖激響應(yīng)估計(jì)結(jié)果計(jì)算各用戶的空間功率譜。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于群播業(yè)務(wù)系統(tǒng)的下行波束賦形方法，其特征在于，所述步驟A12具體為利用Bartlett譜估計(jì)方法或者Capon譜估計(jì)方法計(jì)算各用戶的空間功率譜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的用于群播業(yè)務(wù)系統(tǒng)的下行波束賦形方法，其特征在于，所述群播用戶的空間特征參數(shù)包括來波角度、半功率波瓣寬度中心角。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于群播業(yè)務(wù)系統(tǒng)的下行波束賦形方法，其特征在于，所述步驟B具體為B1、獲取智能天線的賦形波束寬度；B2、按用戶來波角度確定每組包含的群播用戶，使每組用戶的來波角度集合小于或等于所述智能天線的賦形波束寬度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于群播業(yè)務(wù)系統(tǒng)的下行波束賦形方法，其特征在于，所述步驟C包括C1、確定每組用戶的來波方向，并將其設(shè)定為該組內(nèi)所有用戶來波方向的中心方向；C2、根據(jù)所述每組用戶的來波方向?qū)γ拷M用戶的下行波束賦形。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于群播業(yè)務(wù)系統(tǒng)的下行波束賦形方法，其特征在于，所述步驟C2具體為在預(yù)設(shè)的權(quán)矢量中選擇與所述每組用戶的來波方向最近的賦形權(quán)矢量為該組用戶下行波束賦形。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于群播業(yè)務(wù)系統(tǒng)的下行波束賦形方法，其特征在于，所述步驟C2具體包括根據(jù)所述每組用戶的來波方向設(shè)定賦形權(quán)矢量初值；對(duì)所述賦形權(quán)矢量初值進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化，使賦形波束與該組用戶的空間分布范圍相匹配。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于群播業(yè)務(wù)系統(tǒng)的下行波束賦形方法，其特征在于，所述步驟C還包括設(shè)定最大波束個(gè)數(shù)；當(dāng)所述群內(nèi)用戶的分組個(gè)數(shù)大于所述最大波束個(gè)數(shù)時(shí)，選擇全向發(fā)送波束。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于群播業(yè)務(wù)系統(tǒng)的下行波束賦形方法，包括步驟估計(jì)系統(tǒng)內(nèi)群播用戶的空間特征參數(shù)；根據(jù)所述群播用戶的空間特征參數(shù)及使用的智能天線的性能指標(biāo)對(duì)群內(nèi)用戶分組；確定每組用戶的下行波束賦形權(quán)系數(shù)，實(shí)現(xiàn)波束賦形。利用本發(fā)明，可以減少群播用戶對(duì)碼道資源的占用，并降低不同用戶之間的干擾。
文檔編號(hào)H04B7/08GK1882156SQ20051007668
公開日2006年12月20日 申請(qǐng)日期2005年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月13日
發(fā)明者孫長(zhǎng)果 申請(qǐng)人:大唐移動(dòng)通信設(shè)備有限公司