CN100355150C - 智能天线收发权值转换方法 - Google Patents

Abstract

一种在频分双工的移动系统中，根据阵列天线的接收权值确定发射权值的方法以及一种结合瑞克接收和发射分集的阵列天线收发权值转换方法，其中该确定发射权值的方法包括：确定阵列天线的接收和发射导向矢量的步骤；根据收发波束方向图方差最小的原则，确立接收权值，发射权值，阵列接收导向矢量和阵列发射导向矢量四者之间的关系的步骤；以及确定收发权值转换矩阵以得到对应的发射权值的步骤。

Description

智能天线收发权值转换方法

技术领域

本发明涉及一种采用阵列天线收发数据和以多址接入方式进行通信的系统，具体涉及一种在采用阵列天线收发数据的频分双工的移动通信系统中，根据阵列天线接收权值确定发射权值的方法。

背景技术

在一般的移动通信环境中，基站和移动台之间的信号是沿接收机和发射机之间的若干路径进行传播的。这种多径传播现象主要是由信号在发射机和接收机周围的物体表面的反射引起的。由于传播路径的不同，同一信号沿不同路径到达接收机的传播时延和到达角度也不同，从而造成多径干扰和信号衰落。

为了减少多径干扰和降低信号衰落，现有通信系统中采用了一种对接收的信号进行时间分集合并的接收装置和方法。

以CDMA系统为例。

在CDMA系统中使用了一种多分支结构的接收机，其中每一分支与沿某一单独路径传播的多径组同步。每一分支是一个单独的接收机元件，其功能是解调期望接收信号分量。在传统的CDMA系统中，采用相干或不相干的方法合并不同接收机元件接收的信号，以改善接收信号质量。这种接收机也叫瑞克(Rake)接收机，其能把同一用户不同时延的多径能量按一定规则叠加在一起，从而提高了接收机的性能。

Rake接收机可以看成是对期望信号进行时间分集的合并。但是，这种接收机只是利用了信号传输的时域特性，而未有效地利用信号传输的空间特性，在信号的接收过程中，还可以利用空间分集接收和分集发射的方式抵抗多径干扰。

仍以CDMA系统为例。

在CDMA系统中，对于基站，一般设置两根间隔数个工作电磁波波长的天线，由于各个用户多径的影响产生瑞利衰落，两根天线接收到的两路信号相关性很小，因此对两路信号进行最大比合并或等增益合并或选择合并，即可实现空间分集，从而提高通信系统的性能；然而，对于移动台(特别是手机)，由于其在价格、体积和电池容量等方面的限制，使得在移动台实现天线接收分集一般不可行，因此改善下行信道性能的另一思路是在基站处实现天线的发射分集。

在基站处实现天线的发射分集，不如天线的接收分集直观，处理起来也相对复杂。

近几年对天线发分集技术的研究相当活跃，也取得了一些令人瞩目的成果。G.Jfoschini，Jr.And M.J.Gans在“On limits of wirelesscomm.In a fading environment when using multiple antennas，Wireless Personal Comm.Vol.6 No.3 p.311-335，Mar.1998”中计算了多天线发射系统在衰落信道中的信道容量。V.Tarokh，N.Seshadri和A.R.Calderbank提出将编码、调制和天线发分集有机结合的空时卷积码和分组码。WCDMA协议定义了两种开环发分集模式和两种闭环发分集模式，分别是时间切换开环发射分集(TSTD：TimeSwitched Transmit Diversity)、基于空时编码开环发射分集(STTD：Space Time Transmit Diversity)、闭环发射分集(closed loop modetransmit diversity)模式1、闭环发射分集模式2。

上述这些发射分集中均采用了两根天线，待发送的数据按照一定的方法生成两路信号，通过这两根天线提供的两个发射通道，分别发送出去。

为了进一步利用不同信号的不同空间特性提高系统性能，很多人研究了智能天线技术，也叫阵列天线技术。智能天线采用两个以上的单天线阵元组成天线阵，每个阵元接收到的信号经过射频处理后用适当的权值进行加权求和，就能达到空间定向接收的效果。为了在实现定向接收的同时实现定向发射，就要对发射数据进行类似的加权以实现定向发射。加权的实质是一种空间滤波，一个权值矢量对应着一定的波束方向图，实现定向接收和定向发射的关键是：使得发射权值对应的波束方向图与接收权值对应的波束方向图相同或非常相近。

智能天线也可以认为是一种空分多址(SDMA：Space DivisionMultiple Access)技术。在SDMA中，通过调整阵列天线所接收的信号的相位和幅度，使所需信号通过相加求和得到加强，而其它干扰信号通过相加求和得到削弱；通过这种方式，由阵列天线接收的信号，经过数字信号处理进行数字波束赋形(DBF：Digital Beam Former)后，可以实现所需信号的最大信噪比。

在通信系统中，由于系统采用的双工通信的方式不同，因此，智能天线的收发权值的确定也是不同的，即：要使收发波束的方向图趋于一致，所涉及的技术是不同的。为了进一步说明，首先将通信系统的双工通信的模式作一简要说明。

在数字移动通信系统中，有两种双工通信方式，即：时分双工(TDD：Time Division Duplex)和频分双工(FDD：FrequencyDivision Duplex)。

在TDD方式中，基站和移动台用同一个频率收发信号，对基站或移动台而言收信和发信在时间上是分开交替进行的，一段时间只收信不发信，一段时间只发信不收信，通过调整收发时间长短可以实现上下行不对称传输；但是，由于传输时延的影响，TDD技术中基站的覆盖范围比较小，很难扩大，且由于收发使用同一频率，收发之间的干扰比较大，相邻小区间的干扰也比较大。

在FDD方式中，基站和移动台在时间上连续收发，上下行频率不一样。FDD技术可以实现比较大的小区，且没有上下行之间的干扰，相邻小区间的干扰也相对比较小，实现起来比TDD简单。

与TDD方式相比，FDD的应用范围更广一些，在GSM(GlobalSystem for Mobile Communications)，IS-95，PDC(Personal DigitalCellular)，ADC(American Digital Cellular)，WCDMA(WidebandCode-Division Multiple-Access)对称频段，Cdma2000等系统中都采用了FDD双工方式，TDD则在DECT(Digital Enhanced CordlessTelecommunications)，PHS(Personal Handyphone System)等数字无绳电话系统和TD-SCDMA(Time Division Synchronous CodeDivision Multiple Access)，WCDMA非对称频段等系统中采用。

如上所述，在TDD方式下，由于基站的收发频率相同，因此，对于智能天线，其收发(上下行)权值是一样的，波束方向图也一样，处理比较简单。而在FDD方式下，由于基站的收发频率不同，而波束方向图和无线电频率也有关，因此相同的收发权值对应着不同的波束方向图，要使收发波束方向图接近一致，就要使用与相应接收权值不同的发射权值。

由于FDD技术广泛应用于移动通信系统中，因此，如何根据接收权值确定智能天线的发射权值，已经成为本领域的一个重要的技术难题。

目前为止，已经提出了一些解决方案，但都存在一些不足：

首先：预多波束智能天线

这种方案中，预先设定一些指向不同方向的波束权值，在通信过程中选择接收信号比较好的那些波束权值加权结果进行后续处理，这种方案的实现思路很容易想到，在FDD方式下，这种智能天线收发权值的对应关系主要由指向性参数来决定，收发权值转换本身很简单。但是，这种方案的缺点是：需要预先给出较多较好的预先权值，而没有充分利用具体时刻的信号空间分布特性，不能很好的提高接收信号的信噪比。

第二：部分自适应智能天线

这种方案中，通常从接收的阵列信号中提取期望用户信号到达方向角信息，然后形成指向到达方向角的波束，到达方向角(DOA：Direction Of Arrival)变化则权值跟着变化。其实质是使接收到的期望用户信号能量最大，同时有限的压制其它方向的干扰，相控阵就属于这样的技术。在FDD方式下，这种智能天线的接收权值是根据检测到的DOA参数按一定算法得到的，发射权值也可以根据DOA用类似算法得到。部分自适应智能天线的性能比预多波束智能天线要好，能够利用具体时刻信号的空间分布特性，但是，部分自适应智能天线还是没有完全利用信号的空间信息，自适应的范围也有限，例如：相控阵的所有幅度都一样，不能改变，只有相位能自适应的改变；而且提取达到方向角的算法比较复杂，具体实现时还存在一定问题。

第三：全自适应智能天线

这种天线的权值不需要预先设置，而是根据信号空间分布特性的变化而按一定准则不断更新权值，权值的幅度和相位都可以自由的更新，当更新算法收敛时这种方法能充分利用期望用户信号和干扰信号的空间特性使接收到的信号的信噪比达到最大，而部分自适应智能天线一般不考虑干扰信号的到达方向。这是很令人向往的结果，可以说是智能天线的最高境界。在FDD方式下，这种智能天线的发射权值要依靠所得到的接收权值来决定。

显然使用全自适应阵列天线的无线通信系统能达到最好的系统性能，但在实际应用中，目前还需解决一些关键的技术问题，例如：在采用FDD方式的系统中，如何根据接收波束权值确定发射波束权值是制约自适应天线发展的难题之一。

一种最容易想到的办法是：从上行接收数据中估计出与频率无关的信道参数，比如信号到达角DOA，然后以这个参数为基础生成发射波束，比如主瓣指向DOA的波束。然而，这种做法有其缺陷：(1)信道环境复杂多变，并不是什么时候都有方向性比较明确路径；(2)没有考虑其它用户信号的到达方向，形成的波束可能对其它用户干扰比较大；(3)DOA估计算法比较复杂。

在王安义、保铮、廖桂生发表的《下行波束形成与上行Rake接收机的联合处理技术》(通信学报，Vol.22.No.3，March 2001)中，提供了另一种解决方法，即：下行波束优化定义为最大化期望用户平均接收功率，同时保持噪声功率加总的被其它用户接收的平均功率小于或等于某一恒定电平P_Imax。这种优化准则本身就采取了折中的办法，所得的下行最优权值的性能也就没有上行权值性能优越，这种方法不是最优的。

FDD是用得比较多的双工通信方式。实现FDD中收发权值转换是在FDD通信系统中实现全自适应智能天线的关键技术之一。

此外，如上所述，采用空间分集发射的技术是一种比较有效的提高信号质量的方法，但是，目前的发射分集一般是通过两根相距较大的天线进行发射分集的，如何通过智能阵列天线(相邻天线距离仅半个波长左右)进行发射分集是另一个较难的问题。

在文献Smart Antennas for Wireless Communications：IS-95 andThird Generation CDMA Applications，Joseph C.Liberti，Jr.中介绍了利用两个阵列天线进行分集的方法，然而这种方法显然成本太大。

以自适应智能天线为主要业务的ArrayComm公司，也想办法把分集和智能天线结合起来，他们的做法是把一个通常的阵列天线分成两个部分，比如把4阵元阵列天线分成两个2阵元的阵列天线，然后这两个小阵元分开放置，进行接收和发射分集。这种做法是以降低智能天线性能为代价换取发射分集的优点，实际应用中的收益不容乐观。

因此，如何确定适用于智能天线的发射分集的发射波束权值仍是一个空白。

发明内容

本发明的一个目的是提出一种适用于FDD方式移动通信系统的智能天线收发权值线性转换方法。

本发明的另一个目的是一种结合Rake接收和发射分集的智能天线收发权值转换方法。

按照本发明提供的一种在频分双工的移动系统中，根据阵列天线的接收权值确定发射权值的方法，包括：

根据阵列天线中各个阵元接收到的同一信号的相位的不同，确定阵列天线的接收导向矢量的步骤；

根据阵列天线中各个阵元发射信号时，对方接收到的发射信号的相位的不同，确定阵列天线的发射导向矢量的步骤；

按照收发波束方向图方差最小的原则，确立接收权值，发射权值，阵列接收导向矢量和阵列发射导向矢量四者之间的关系的步骤；

根据接收权值，发射权值，阵列接收导向矢量和阵列发射导向矢量四者之间的关系，确定收发权值转换矩阵的步骤；

根据从阵列天线接收到的信号中得到的接收权值，通过上述收发权值转换矩阵，得到对应的发射权值的步骤。

按照本发明提供的另一种在频分双工的移动系统中，根据阵列天线的接收权值确定发射权值的方法，包括：

固定的阵列天线以一定的发射权值对发射信号进行加权并以发射频率进行发射的步骤；

与该阵列天线相距一定距离的多个收发机接收该发射的信号的步骤；

记录收发机所接收的信号强度，并将检测数据输送到监控器的步骤；

监控器根据位于各个角度上的收发机所接收的信号强度，得到阵列天线的发射波束方向图的步骤；

该多个收发机以相同的发射功率，按照阵列天线的接收频率发射信号的步骤；

该阵列天线接收该多个收发机发送的信号，以监控器指定的接收权值矢量加权，然后把各收发机发射的信号解扩，测量接收到各个收发机信号的强度，把测量结果送到监控器的步骤；

监控器根据接收到的信号强度，得到阵列天线的接收波束方向图的步骤；

监控器对所得到的阵列天线的发射波束方向图和接收波束方向图进行比较，以调整阵列天线的接收权值矢量，从而得到满足收发波束方向图方差最小原则下的一对收发权值矢量的步骤；

改变阵列天线的发射权值矢量，重复上述步骤，得到对应的接收权值矢量的步骤；

根据上述步骤得到的多对收发权值矢量，确定收发权值转换矩阵的步骤；

根据从阵列天线接收到的信号中得到的接收权值，通过上述收发权值转换矩阵，得到对应的发射权值的步骤。

按照本发明提供的一种结合瑞克(Rake)接收和发射分集的阵列天线收发权值转换方法，包括以下步骤：

空时瑞克接收，在该步骤中，针对瑞克接收机中的每一条时间可分辨多径都进行智能天线基带处理，以形成相应的接收波束权值矢量，其中接收波束权值矢量的数目等于瑞克接收机中参与能量合并的多径的数目；

选择接收权值，在该步骤中，根据是否进行发射分集的控制信号的指示，从各个接收波束权值矢量中选择相应的接收信号质量好于一定门限的波束权值矢量；

合并接收权值，在该步骤中，根据是否进行发射分集的控制信号的指示，将相应的权值矢量进行代数相加，以得到相应的权值矢量；

转换接收权值，在该步骤中，将上述步骤得到的权值矢量，通过收发权值转换矩阵，转换为相应的发射波束权值，其中收发权值转换矩阵根据接收权值，发射权值，阵列接收导向矢量和阵列发射导向矢量四者之间的关系确定；

发射加权信号，在该步骤中，根据是否进行发射分集的控制信号的指示，用上述步骤得到的发射波束权值对被发射的数据进行波束加权，并将加权后的波束传送到射频系统进行发射。

按照本发明所述的在频分双工的移动系统中，根据阵列天线的接收权值确定发射权值的方法，只要依据该权值转换矩阵，就可以实现在通信的过程中，随着接收权值的不断更新，发射权值也得到不断地更新。

按照本发明提供的结合瑞克(Rake)接收和发射分集的阵列天线收发权值转换方法，将瑞克接收机和发射分集的智能天线结合起来，利用空时rake接收机的特性选择合适的接收波束权值形成发射波束权值，然后在两个相关性较小的波束上分集发射信号，与现有的发射分集技术相比，融合了智能天线空域处理，大大提高方向性增益，降低发射功率，减少电磁污染和发射链路干扰，同时利用瑞克接收机得到的信息，将发射分集技术应用在智能天线中，充分利用了信号的空域特性和分集发射的优点，提高了系统性能，巧妙地实现了相邻天线距离仅半个波长的智能阵列天线的发射分集。

附图说明

以下将结合附图，对本发明进行进一步的描述，其中：

图1是本发明收发权值线性转换方法的流程图；

图2是应用于直线阵的接收权值对应的波束方向图；

图3是应用于直线阵的发射权值对应的波束方向图；

图4是应用于圆阵的接收权值对应的波束方向图；

图5是应用于圆阵的发射权值对应的波束方向图；

图6是本发明结合rake接收和发射分集的智能天线权值转换方法流程图；

图7是多径传播示意图；

图8是针对图7传播环境的空时rake接收机所得到的对应于信号最强路径的波束图；

图9是针对图7传播环境的空时rake接收机所得到的对应于信号次强路径的波束图；

图10是针对图7传播环境的通过权值转换方法得到的发射分集的波束图；

图11是针对图7传播环境的高层不采用发射分集时通过权值转换得到的发射波束图。

具体实施例描述

本发明所指的收发机可以是移动台，也可以是基站上包括基带处理在内的收发设备。

本发明的用于FDD移动通信系统的智能天线收发权值转换方法的核心思想是：根据理论推导，已知移动通信系统中收发机的收发频率和一定的阵列天线，波束方向图一致的收发权值之间符合线性变换关系。根据合理的理论模型计算出或者根据实际阵列天线测量出这个线性变换矩阵，就可以在通信中使用这个变换矩阵进行收发权值转换。

在智能天线系统中，用不同的复数权值对阵列天线中的不同阵元接收到的信号进行加权合并，这些权值可以看成是一个向量的各个分量，对接收信号加权的权值向量可以称为接收权值向量，简称接收权值。同样对于送往各个天线阵元的信号也要用不同的复数权值进行加权，这些权值可以组成发射权值向量。但是由于FDD系统中收发频率不同，要使收发波束方向图相同，接收权值和发射权值是不同的，需要通过一定的转换。

设阵列天线由M个天线阵元组成，各阵元在同一平面内以任意次序排列，各阵元极坐标分别为(r₁，φ₁)，(r₂，φ₂)，…，(r_M，φ_M)，每个阵元有阵元的辐射方向图函数R_m(θ)，m＝1，2，…，M，θ∈[0，2π]。接收信号中心频率f_r＝c/λ_r，其中c为电磁波在空中的传播速度，λ_r为接收信号载波波长，考虑阵列天线尺寸相对信号源到阵列天线的距离比较小，可以认为信号都是以平面波形式到达天线阵，且到达各个天线阵元时信号幅度是一样的，但由于信号到各个阵元的波程差不同，各个阵元上接收到的同一信号的相位是不同的，对于从角度θ到达的信号，以坐标圆点为相位的参考点，第m个阵元上的相位ψ_m为：

ψ_m＝-β_rr_mcos(φ_m-θ)，β_r＝2π/λ_r    (1)

各个阵元对一个信号产生不同相位延迟的响应，称作阵列响应，可以构造向量：

$\mathrm{Vr}\left(\mathrm{\θ}\right)=\left[\begin{array}{c}{R}_1\left(\mathrm{\θ}\right)e^{{\mathrm{j\ψ}}_1}\\ R_2\left(\mathrm{\θ}\right)e^{{\mathrm{j\ψ}}_2}\\ \·\\ \·\\ \·\\ R_M\left(\mathrm{\θ}\right)e^{{\mathrm{j\ψ}}_M}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{R}_1\left(\mathrm{\θ}\right)e^{-{\mathrm{j\β}}_r{r}_1\cos ({\mathrm{\φ}}_1-\mathrm{\θ})}\\ R_2\left(\mathrm{\θ}\right)e^{-{\mathrm{j\β}}_r{r}_2\cos ({\mathrm{\φ}}_2-\mathrm{\θ})}\\ \·\\ \·\\ \·\\ R_M\left(\mathrm{\θ}\right)e^{-{\mathrm{j\β}}_r{r}_M\cos ({\mathrm{\φ}}_M-\mathrm{\θ})}\end{array}\right]---\left(2\right)$

这个向量可以称为阵列接收时的导向矢量，它是信号到达角θ的函数，也和工作频率有关。如果是阵列天线发射信号，然后对方在θ方向上接收，则对方接收到的阵列天线各阵元的发射信号相位也不同，类似地，设发射频率为f_t，对应波长λ_t，β_t＝2π/λ_t，可以得到发射时阵列的导向矢量：

$\mathrm{Vt}\left(\mathrm{\θ}\right)=\left[\begin{array}{c}{R}_1\left(\mathrm{\θ}\right)e^{-{\mathrm{j\β}}_t{r}_1\cos ({\mathrm{\φ}}_1-\mathrm{\θ})}\\ R_2\left(\mathrm{\θ}\right)e^{-{\mathrm{j\β}}_t{r}_2\cos ({\mathrm{\φ}}_2-\mathrm{\θ})}\\ \·\\ \·\\ \·\\ R_M\left(\mathrm{\θ}\right)e^{-{\mathrm{j\β}}_t{r}_M\cos ({\mathrm{\φ}}_M-\mathrm{\θ})}\end{array}\right]---\left(3\right)$

如果阵元在3维空间排列，同样有其接收和发射的导向矢量，只不过导向矢量的表达式更加复杂。

如果智能天线接收权值为M维复数列向量Wr，发射权值为M维复数列向量Wt，接收时信号到达角度为θ的方向的M维复数列导向矢量为Vr(θ)，发射时角度为θ的方向的M维复数列导向矢量为Vt(θ)。根据收发波束方向图方差最小的准则，可以推导出接收与发射权值之间有如下关系：

$\mathrm{Wt}={\left[{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\mathrm{Vt}\left(\mathrm{\θ}\right){\mathrm{Vt}}^H\left(\mathrm{\θ}\right)\mathrm{d\θ}\right]}^{-1}\left[{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\mathrm{Vt}\left(\mathrm{\θ}\right){\mathrm{Vr}}^H\left(\mathrm{\θ}\right)\mathrm{d\θ}\right]\mathrm{Wr}---\left(4\right)$

上式中，上标H表示共轭转置，上标-1表示矩阵求逆。上式也可写为：

Wt＝TWr    (5)

其中M行M列变换矩阵T为：

$T={\left[{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\mathrm{Vt}\left(\mathrm{\θ}\right){\mathrm{Vt}}^H\left(\mathrm{\θ}\right)\mathrm{d\θ}\right]}^{-1}\left[{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\mathrm{Vt}\left(\mathrm{\θ}\right){\mathrm{Vr}}^H\left(\mathrm{\θ}\right)\mathrm{d\θ}\right]---\left(6\right)$

在实际运算中，也可以用式(6)的离散形式，以便进行数值计算。把0到2π不重不漏分为足够多的K份扇区，每份扇区角度宽为足够小的Δθ_k，每份扇区代表方向为θ_k：

$T={\left[\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Vt}\left({\mathrm{\θ}}_k\right){\mathrm{Vt}}^H\left({\mathrm{\θ}}_k\right){\mathrm{\Δ\θ}}_k\right]}^{-1}\left[\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Vt}\left({\mathrm{\θ}}_k\right){\mathrm{Vr}}^H\left({\mathrm{\θ}}_k\right){\mathrm{\Δ\θ}}_k\right]---\left(7\right)$

所谓收发波束方向图之间的方差最小，实质上就是指收发波束方向图一致性比较好，也就意味着在通信过程中，接收的波束对准的是哪些方向，发射信号时的波束就对准哪些方向，这样接收时可以尽量提高期望用户信号能量的同时尽量压制干扰用户的信号能量，发射时可以尽量把射频能量发射到期望用户方向，而对其它方向用户产生的干扰更小。由(7)式可见只要确定好线性转换矩阵T，就可以靠简单的乘加算法实现收发权值转换。这是本发明的特征所在。

图1是本发明收发权值转换方法的流程图。处理框101对应于方法的第一步，处理框102对应于方法的第二步，处理框103对应于方法的第三步。下面具体说明：

第一步：在设计收发机时，确定收发权值转换矩阵，如果收发机要用好几对对称频段，就要确定好几个转换矩阵。要确定转换矩阵T，可以有很多途径，下面举几个例子：

1、根据系统设计的收发频率和天线结构及阵元的辐射方向图，根据(2)式或(3)式计算出收发信号时各方向上的导向矢量(各方向上导向矢量的集合也可称为阵列流形)Vr(θ)和Vt(θ)，然后用(6)式或(7)式计算出转换矩阵T。

2、根据制作好的阵列天线及相关系统，用实验手段测量得到收发各方向导向矢量Vr(θ)和Vt(θ)，然后用(6)式或(7)式计算出转换矩阵T。测量导向矢量可以在比较空旷的地方或较大空间的屏蔽室进行。测量接收导向矢量可以在固定位置放置一个信号源，离信号源数米之外(比如20米)放置阵列天线，阵列天线安装在可以水平转动的转盘上，可以随转盘一起转动。信号源以阵列天线的接收频率发射信号，阵列天线接收信号，记录阵列天线转到各个角度时个天线阵元的接收信号幅度和相位，即可得到Vr(θ)。类似的，测量发射导向矢量时，离阵列天线数米之外(比如20米)放置接收天线，阵列天线的各个阵元以发射频率依次发射同样的信号，在接收天线测量接收到信号的幅度和相位，然后转动阵列天线到各个角度进行测量，即可得到Vt(θ)。

3、直接调整收发权值使收发波束方向图接近一致，然后多找几对这样的收发权值，利用(5)式解出最小方差意义下的最佳转换矩阵。权值调整可以在比较空旷的地方或较大空间的屏蔽室进行。固定阵列天线，在阵列天线为中心的圆周(对于应用于扇区的阵列天线，也可以是对应扇区角度的圆弧)上均匀放置多个(比如25个)收发机，收发机和阵列天线间的距离要足够大(比如20米)。阵列天线以一定的发射权值对发射信号进行加权，然后以发射频率发射，各个收发机接收阵列天线的发射信号，测量接收到信号的强度，把测量结果送到一台监控计算机。监控计算机根据放置在各个角度上收发机接收信号强度即可得到阵列天线的发射波束方向图。同时，各个收发机以阵列天线的接收频率发射经不同扩频码扩频的信号，各个收发机发射功率相同，阵列天线接收信号，以监控计算机指定的接收权值矢量加权，然后把各收发机发射的信号解扩，测量接收到各个收发机信号的强度，把测量结果送到监控计算机，监控计算机收即可得到阵列天线的接收波束方向图，监控计算机比较收发波束方向图的差异，随机小幅度调整阵列天线接收权值矢量，调整后再测量收发波束方向图差异，如果差异减小，则接收这次调整，否则退回这次调整前状态，随机作另一种小幅度调整。这样反复调整，收发方向图的差异会越来越小，小到一定程度或调整多次(比如200次)都不能再使差异减小，则认为已经调整完毕。这样就得到一对收发权值。然后改变阵列天线发射权值矢量，使其每个分量都于已经测得收发权值对中的发射权值对应分量不同，再进行上面的过程找出对应的接收权值。对于N阵元的阵列天线，找出N对收发权值即可根据(5)式解出转换矩阵。为了得到更可靠的转换矩阵，可以找出更多对收发权值，然后利用(5)式解出最小方差意义下的最佳转换矩阵。

第二步：把转换矩阵数据信息做到收发机中，并在收发机中提供实现(5)式算法的软硬件模块。这个转换矩阵是一直有用的，不管移动用户怎么变，不管关机还是重新启动，只要阵列天线本身结构和收发频率不变，上述第一步得到的转换矩阵就不能变。由于(5)式只是乘加运算，实现(5)式算法的软硬件条件比较简单，在更新速度不是很高的场合可以用DSP(DSP：digital signal processor数字信号处理器)实现，速度要求比较高的场合可以设计FPGA(FPGA：fieldprogrammable gate array现场可编程门阵列)或专用芯片来实现。

第三步：在通信过程中，随着接收权值得不断更新，发射权值也由一定的软硬件依据(5)式的算法不断得到更新，始终保持收发波束方向图基本一致。

上述方法可以适用于包括直线阵、圆阵在内的任何阵列形式，也可以用于包括CDMA和TDMA在内的任何多址方式的系统中，具有比较广的适用性。

对本发明的方法进行仿真：

图2、图3是本发明方法应用于等间距直线阵的情况。接收权值随机产生，阵元数M为8，接收频率WaveLenUp(上行频率)为1920MHz，发射频率WaveLenDown(下行频率)为2110MHz，相邻阵元间距为半个发射信号波长，每个阵元为全向天线。图2中的曲线201是随机生成的接收权值对应的波束方向图。其主波束方向约为62度(由于全向直线阵有轴对称性，下半周的波束方向图和上半周的波束方向图曲线是一样的，可以不考虑下半周)，权值转换矩阵根据上面的模型推导出来，推导过程中采用(7)式，把圆周等分成360等份，计算出转换矩阵T。图3中的曲线301是线性转换后发射权值的波束方向图，与图2表示的上行比较，两者差异很小。可见本发明方法有效性。

图4、图5是本发明方法应用于圆阵的情况。上行权值随机产生，阵元数M为8，上行频率WaveLenUp为1920MHz，，下行频率WaveLenDown为2110MHz，圆阵满阵因子rou＝1，圆阵半径R＝rou*M*WaveLenDown/4/π，阵元在圆周上均匀分布。每个阵元为全向天线。图4中的曲线401是随机生成的上行权值对应的波束方向图。其在35度、85度、135度、230度等方向形成较高的波束增益，在60度，110度，195度、255度、300度、350度这些方向形成了较低的零陷。权值转换矩阵根据上面的模型推导出来，推导过程中采用(7)式，把圆周等分成360等份，计算出转换矩阵T。图5中的曲线501是线性转换后发射权值的波束方向图，与图4表示的上行权值的波束方向相比较，波束的零陷和主副瓣的方向没什么差别。两者差异很小。可见本发明方法的有效性。

其实，无论是什么样的阵列形式，都有其收发阵列流形，就可以按(6)式或(7)式计算出较准确的线性权值转换矩阵。

图6是本发明结合rake接收和发射分集的智能天线权值转换方法流程图。其核心思想是：Rake接收机对每条多径形成一个权值，从这些权值中选择信号较好的多径对应的权值，再根据发射分集的需求进行合并或不进行合并，以形成一个或两个权值，然后利用权值转换矩阵对这一个或两个权值进行收发线性转换，以得到发射权值，利用该发射权值对发射信号进行波束加权。

本发明所述的结合Rake接收和发射分集的智能天线收发权值转换方法，包括如下步骤：

第一步：空时rake接收：对rake接收机的中的每一条时间可分辨多径进行智能天线基带处理，形成一个接收波束权值矢量。这样，接收波束权值矢量数目n就是rake接收机中参与能量合并的多径数目。如果权值矢量数目n＝1，记这个权值矢量为Wr，跳到第四步；如果n不等于1，从第二步开始往下执行。

第二步，选择权值：判断基站高层是否指示要进行发射分集，如果需要进行发射分集，则从各个接收波束权值矢量中选择对应接收信号质量较好(好于一定门限)的两个或两个以上波束权值矢量。如果不需要进行发射分集，从各个接收波束权值矢量中选择对应接收信号质量较好的一个或多个波束权值矢量。最后的选择的权值矢量按对应接收信号质量好差依次为Wr1、Wr2、…、Wm。

第三步，权值合并：如果需要进行发射分集，则把除了对应接收质量最好的权值矢量(Wr1)外的所有权值矢量(Wr2、…、Wrn)代数相加得到一个新的权值矢量Wrb。如果不需要进行发射分集，则把所有的权值矢量(Wr1、Wr2、…、Wm)代数相加得到一个信道权值矢量Wr。

第四步，线性转换：在保证收发波束形状基本不变的准则下，把通过上述步骤得到的一个(Wr)或两个(Wr1、Wrb)波束权值用线性收发权值转换方法转换为对应发射频率的一个(Wt)或两个(Wt1、Wt2)发射波束权值。

第五步：发射分集：如果第四步得到两个发射波束权值Wt1、Wt2(此时高层指示要进行发射分集)，则用这两个发射波束权值对需要发射的两路分集信号分别进行波束加权然后送往射频系统进行发射。如果第四步得到一个发射波束权值Wt，则用Wt对要发射的数据进行波束加权然后送往射频系统进行发射。

上面介绍的步骤是针对信号流程来描述的，实际通信过程中，各个步骤同时工作。

在附图6中，处理框601.a和判断框601.b相当于第一步，对接收到的信号进行空时rake处理，每条多径都有一个接收权值矢量。如果只有一条多径，则跳到处理框604.a2，否则转到判断框602.a，判断是否要进行发射分集。如果要高层需要进行发射分集，依次执行处理框602.b1、603.a1、604.a1、605.a1，从接收权值中选择对应接收信号质量较好的两个或两个以上的权值，如果多于两个，就把除了对应质量最好的接收权值之外的所有权值矢量代数相加得到一个新权值矢量，然后用收发权值线性转换方法把两个接收波束权值矢量转换为两个发射波束权值矢量，这样得到的发射波束和接收波束的形状基本一样。然后用这两个发射波束权值矢量对两路分集信号分别进行波束加权送往射频系统进行发射。如果高层不指定发射分集，则依次执行处理框602.b2、603.a2、604.a2、605.a2，与发射分集相比，这种情况下只需综合出一个权值矢量即可。从接收波束权值矢量中选取一个或多个质量较好的权值矢量，然后把这些权值矢量代数相加得到一个新的接收权值矢量，然后用收发权值线性转换方法把这个接收权值矢量转换成发射波束权值矢量，最后用这个发射波束权值矢量对要发射的数据进行波束加权，然后送往射频系统进行发射。判断框602.a和处理框602.b1、602.b2相当于所述方法的第二步，处理框603.a1、603.a2相当于所述方法的第三步，处理框604.a1、604.a2相当于所述方法的第四步，处理框605.a1、605.a2相当于所述方法的第五步。

下面结合具体的应用例子说明本发明方法的效果。

图7是多径传播示意图，移动台701发射的信号经过3条路径到达基站阵列天线702。经过直射路径711的达到基站阵列天线的信号能量最大(一般质量也就越好)，通过障碍物703反射的路径712的信号能量次之，通过障碍物704反射的路径713的信号能量最小。移动台701的信号是下面要处理的期望信号。另外图中还有两个移动台705和706，对基站接收移动台701信号通信过程来说，这两个移动台发射的信号是干扰信号。其中移动台705的信号经路径751和752到达基站阵列天线，移动台706的信号经过路径761到达基站阵列天线。

图8是在空时Rake接收中，针对图7环境得到对应最强路径711的空时分支接收机中权值矢量对应的波束图，这里假设阵列天线为8阵元的均匀直线阵列，应用在一个120度的扇区覆盖中，我们只关心30度到150度的扇区范围，图中极坐标半径的物理含义是信号在特定方向上的幅度增益。从图中波束801可以看出，在105度左右，信号增益很大，而其它方向上增益很小，这样就可以把图7中通过路径711的有用信号很好的接收下来，而把其它方向的信号都当作干扰压制了。

图9是针对图7环境得到对应次强路径712的波束图，即另外一个空时分支接收机中权值矢量对应的波束方向图。与图8中的波束801类似，图9中的波束901在50度左右有很大增益，而其它方向增益很小，这样就可以把图7中通过路径712的有用信号很好的接收下来，而把其它方向的信号都当作干扰压制了。最后通过Rake的多径合并，就可以把各个多径信号能量合并在一起。

对于通过路径713到达基站的信号，由于能量太小利用价值不高，rake接收机可以不利用这条径，也可以利用这条径，形成另一个波束。

图10是针对图7环境发射分集的波束图。在收发权值转换中，选择质量较好的波束801和901对应的接收权值矢量，然后用收发权值线性转换方法转换成两个发射权值，对应的发射波束为波束101和波束102。需要发射分集的两路信号，一路通过波束101发射出去，一路通过波束102发射出去。波束101对应图8中的波束801，用这个波束发射的信号将通过图7中的路径711从基站阵列天线到达移动台701。波束102对应图9中的波束901，用这个波束发射的信号将通过图7中的路径712从基站阵列天线到达移动台701。由于这两个波束有很好的方向性，这种方法实现通常的发射分集的同时对其它方向上的移动台(比如图7中的移动台705和706)干扰非常小，这对系统通信质量和容量的提高大有贡献，同时还可以降低系统功耗。

图11是针对图7环境两个较强波束权值叠加得到的波束图。如果高层不指定用发射分集。收发权值转换方法把图8中的波束801和图9中的波束901对应的权值矢量叠加，得到新的权值矢量对应的波束方向图。这个波束方向图中有两个比较大的波瓣111、112，分别指向105度和50度方向。用户数据从这个波束发射出去，可以通过图7中的路径711和712从基站阵列天线到达移动台701，而对其它移动台705和706干扰很小。在移动台701，能把这两个波瓣过来的信号用移动台的Rake接收机接收合并。这种收发权值转换方法是一定程度上实现了另一种发射分集方式，这种方法同样能得到类似通常发射分集(如开环发射分集，闭环发射分集)的效果，而且移动台接收处理更加简单，对其它用户干扰很小，需要功率比较低。同时，和通常用一个方向波束的智能天线系统相比，这种发射方法能够有效的对抗移动台移动中的多径变化，提高了智能天线系统的稳定性和健壮性。

综上所述，本发明提出的收发权值线性转换方法，只是进行一个线性矩阵运算，只含乘加操作，计算简单。这种方法可以使收发权值对应的波束图之间的方差最小，收发波束图一致性很好。收发权值线性转换方法，解决了智能天线技术中的一个关键难题——FDD系统中收发权值转换，为智能天线在FDD系统中的应用排除了一大障碍，具有很大的意义。

本发明提出的结合rake接收机和发射分集的收发权值转换方法，能充分利用rake接收机得到的信息，并巧妙的把发射分集技术利用在智能天线中，甚至高层不指定发射分集时，这种收发权值转换方法也能使发射波束权值有分集发射的功能，让发射信号通过多条较好的路径到达对方。这个方法解决了智能天线和发射分集有机结合的问题。与现有的单用某种技术的移动通信系统相比，本发明的方法具有一定的优势。

本发明的方法可以使用于任何阵列形式，任何多址方式的频分双工智能天线通信系统中，有很广泛的适用性。

Claims (14)

1、一种在频分双工的移动系统中，根据阵列天线的接收权值确定发射权值的方法，包括：

根据阵列天线中各个阵元接收到的同一信号的相位的不同，确定阵列天线的接收导向矢量的步骤；

根据阵列天线中各个阵元发射信号时，对方接收到的发射信号的相位的不同，确定阵列天线的发射导向矢量的步骤；

按照收发波束方向图方差最小的原则，确立接收权值，发射权值，阵列接收导向矢量和阵列发射导向矢量四者之间的关系的步骤；

根据接收权值，发射权值，阵列接收导向矢量和阵列发射导向矢量四者之间的关系，确定收发权值转换矩阵的步骤；

根据从阵列天线接收到的信号中得到的接收权值，通过上述收发权值转换矩阵，得到对应的发射权值的步骤。

2、如权利要求1所述的根据阵列天线的接收权值确定发射权值的方法，其中所述的接收导向矢量和发射导向矢量由系统的收发频率、天线结构以及天线阵元的辐射方向图确定。

3、如权利要求1所述的根据阵列天线的接收权值确定发射权值的方法，其中：

所述的接收导向矢量，通过记录位于不同角度的阵列天线的各个阵元所接收到的信号的幅度和相位得到，其中该阵列天线设置在距离信号源一定距离的可以水平转动的转盘上，且信号源以阵列天线的接收频率发射信号；

所述的发射导向矢量，通过记录位于不同角度的接收阵列天线的各个阵元所接收到的信号的幅度和相位得到，其中该接收阵列天线设置在距离发射阵列天线一定距离的可以水平转动的转盘上，且发射阵列天线的各个阵元以发射频率依次发射同样的信号。

4、一种在频分双工的移动系统中，根据阵列天线的接收权值确定发射权值的方法，包括：

固定的阵列天线以一定的发射权值对发射信号进行加权并以发射频率进行发射的步骤；

与该阵列天线相距一定距离的多个收发机接收该发射的信号的步骤；

记录收发机所接收的信号强度，并将检测数据输送到监控器的步骤；

监控器根据位于各个角度上的收发机所接收的信号强度，得到阵列天线的发射波束方向图的步骤；

该多个收发机以相同的发射功率，按照阵列天线的接收频率发射信号的步骤；

该阵列天线接收该多个收发机发送的信号，以监控器指定的接收权值矢量加权，然后把各收发机发射的信号解扩，测量接收到各个收发机信号的强度，把测量结果送到监控器的步骤；

监控器根据接收到的信号强度，得到阵列天线的接收波束方向图的步骤；

监控器对所得到的阵列天线的发射波束方向图和接收波束方向图进行比较，以调整阵列天线的接收权值矢量，从而得到满足收发波束方向图方差最小原则下的一对收发权值矢量的步骤；

改变阵列天线的发射权值矢量，重复上述步骤，得到对应的接收权值矢量的步骤；

根据上述步骤得到的多对收发权值矢量，确定收发权值转换矩阵的步骤；

根据从阵列天线接收到的信号中得到的接收权值，通过上述收发权值转换矩阵，得到对应的发射权值的步骤。

5、如权利要求1或4所述的根据阵列天线的接收权值确定发射权值的方法，其中所述的阵列天线是直线阵列。

6、如权利要求1或4所述的根据阵列天线的接收权值确定发射权值的方法，其中所述的阵列天线是圆形阵列。

7、如权利要求1或4所述的根据阵列天线的接收权值确定发射权值的方法，其中所述的收发权值转换矩阵执行的转换操作是线性运算，由数字信号处理器部件实现。

8、如权利要求1或4所述的根据阵列天线的接收权值确定发射权值的方法，其中所述的收发权值转换矩阵执行的转换操作是线性运算，由现场可编程门阵列部件实现。

9、如权利要求1或4所述的根据阵列天线的接收权值确定发射权值的方法，其中所述的收发权值转换矩阵执行的转换操作是线性运算，由专用芯片实现。

10、如权利要求1或4所述的根据阵列天线的接收权值确定发射权值的方法，其中所述的收发权值转换矩阵根据不同的收发频段，确定为相应的不同的转换矩阵。

11、一种结合瑞克Rake接收和发射分集的阵列天线收发权值转换方法，包括以下步骤：

空时瑞克接收，在该步骤中，针对瑞克接收机中的每一条时间可分辨多径都进行智能天线基带处理，以形成相应的接收波束权值矢量，其中接收波束权值矢量的数目等于瑞克接收机中参与能量合并的多径的数目；

选择接收权值，在该步骤中，根据是否进行发射分集的控制信号的指示，从各个接收波束权值矢量中选择相应的接收信号质量好于一定门限的波束权值矢量；

合并接收权值，在该步骤中，根据是否进行发射分集的控制信号的指示，将相应的权值矢量进行代数相加，以得到相应的权值矢量；

转换接收权值，在该步骤中，将上述步骤得到的权值矢量，通过收发权值转换矩阵，转换为相应的发射波束权值，其中收发权值转换矩阵根据接收权值，发射权值，阵列接收导向矢量和阵列发射导向矢量四者之间的关系确定；

发射加权信号，在该步骤中，根据是否进行发射分集的控制信号的指示，用上述步骤得到的发射波束权值对被发射的数据进行波束加权，并将加权后的波束传送到射频系统进行发射。

12、如权利要求11所述的结合瑞克Rake接收和发射分集的阵列天线收发权值转换方法，其中：当控制信号指示进行发射分集时，

所述的选择接收权值的步骤包括：从各个接收波束权值矢量中选择接收信号质量好于一定门限的两个或两个以上波束权值矢量(Wr1、Wr2、…、Wrn)；

所述的合并接收权值的步骤包括：将接收质量最好的波束权值矢量(Wr1)以外的其他波束权值矢量(Wr2、…、Wrn)代数相加得到一个新的合并后的波束权值矢量(Wrb)；

所述的转换接收权值的步骤包括：将上述的接收质量最好的波束权值矢量与合并后的波束权值矢量，使用收发权值转换矩阵将其转换为两个发射波束权值(Wt1、Wt2)；

所述的发射加权信号的步骤包括：利用上述得到的两个发射波束权值(Wt1、Wt2)，对需要发射的两路分集信号分别进行波束加权，以传送到射频系统进行发射。

13、如权利要求11所述的结合瑞克Rake接收和发射分集的阵列天线收发权值转换方法，其中：当控制信号指示不进行发射分集时，

所述的选择接收权值的步骤包括：从各个接收波束权值矢量中选择对应接收信号质量好于一定门限的一个或多个波束权值矢量(Wr1、Wr2、…、Wrn)；

所述的合并接收权值的步骤包括：将所有的波束权值矢量(Wr1、Wr2、…、Wrn)代数相加得到一个权值矢量(Wr)；

所述的转换接收权值的步骤包括：将上述得到的合并后的权值矢量(Wr)，使用收发权值转换矩阵将其转换为一个发射波束权值(Wt)；

所述的发射加权信号的步骤包括：利用上述得到的一个发射波束权值(Wt)，对需要发射的信号进行波束加权，以传送到射频系统进行发射。

14、如权利要求11所述的结合瑞克Rake接收和发射分集的阵列天线收发权值转换方法，其中：在所述空时瑞克接收步骤中，如果接收波束权值矢量的数目等于1，那么不论控制信号是否指示进行发射分集，将不执行所述的选择接收权值和合并接收权值的步骤。

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