CN101170339B - 动态扇区广播波束形成的实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种动态扇区广播波束形成的实现方法。该实现方法包括以下步骤:根据业务负荷空间分布特性,确定动态扇区的广播波束的指向和角度覆盖范围;基于广播波束的指向和角度覆盖范围,以一定的角度间隔定义多个常规业务波束的赋形方向,并计算对应的导向矢量;构造多个常规业务波束的加权系数矢量和导向矢量的加权系数矢量;计算多个常规业务波束的导向矢量加权和以及波束加权和,得到合成的波束形成权矢量;以及对合成的波束形成权矢量进行归一化处理,得到满足特定动态扇区设计要求的广播波束形成权矢量,从而实现了动态扇区广播波束形成。
Description
技术领域
本发明涉及一种动态扇区广播波束形成的实现方法,更具体地,涉及一种在无线通信系统中采用智能天线的动态扇区广播波束形成的实现方法。
背景技术
智能天线利用信号传输的空间特性和数字信号处理技术,可以实现上行波达角估计以及下行波束赋形,从而达到降低噪声干扰、增加容量、扩大覆盖、改善通信质量、降低发射功率、以及提高无线数据传输速率的目的。
在实际应用中,通信系统业务负荷的空间分布可能不均匀,导致系统容量并未充分利用。利用智能天线实现动态扇区的方法则是解决业务负荷空间分布问题的有效途径,即通过调节广播波束指向及其角度覆盖范围来调节分布扇区的大小、形状和位置,从而实现平衡业务负荷空间分布、提高通信系统的网络性能。
专利“一种用于智能天线基站的宽波束形成的方法”(申请号:200310112369,公开号:CN1547333A,公开日:2004年11月17日)中给出了一种通过在预定角度的扇区内形成与天线数相等的、两两正交的、固定的窄波束,并对其拟合来得到公共信道的波束形成权值的方法,但是该方法通常仅适用于特定的广播波束指 向以及角度覆盖范围情况,而且难以满足动态扇区对广播波束指向和角度覆盖范围不同变化的要求。
发明内容
因此,本发明的目的是提供一种动态扇区广播波束形成的实现方法和装置,其可以通过在广播波束指向附近以一定的角度同时形成多个常规业务波束(简称为窄业务波束),多个窄业务波束经过加权和处理后,就可以合成满足动态扇区涉及要求的广播波束。
鉴于上述,本发明的一个方面提供了一种动态扇区广播波束形成的实现方法,其包括以下步骤:根据业务负荷空间分布特性,确定动态扇区的广播波束的指向和角度覆盖范围;基于广播波束的指向和角度覆盖范围,以一定的角度间隔定义多个常规业务波束的赋形方向,并计算对应的导向矢量;构造多个常规业务波束的加权系数矢量和导向矢量的加权系数矢量;计算多个常规业务波束的导向矢量加权和以及波束加权和,得到合成的波束形成权矢量;以及对合成的波束形成权矢量进行归一化处理,得到满足特定动态扇区设计要求的广播波束形成权矢量,实现动态扇区广播波束形成。
在上述的动态扇区广播波束形成的实现方法中,广播波束的指向是广播波束的中心指向。
在上述的动态扇区广播波束形成的实现方法中,赋形方向应根据不同的动态扇区的角度覆盖范围的要求分布在一定的角度范围内,其中,角度范围大于或等于动态扇区的角度覆盖范围。
在上述的动态扇区广播波束形成的实现方法中,多个常规业务波束的赋形方向在角度范围内满足一定分布要求,如均匀分布等。
在上述的动态扇区广播波束形成的实现方法中,多个常规业务波束的加权系数矢量的加窗矢量可采用不同窗函数,如矩形窗函数、牛顿窗函数等。
在上述的动态扇区广播波束形成的实现方法中,多个常规业务波束的导向矢量的加窗矢量可采用不同窗函数,如矩形窗函数、牛顿窗函数等。
在上述的动态扇区广播波束形成的实现方法中,归一化处理包括总功率归一化处理和最大功率归一化处理等。
本发明的另一个方面提供了一种动态扇区广播波束形成的实现装置,其包括:确定单元,用于根据业务负荷空间分布特性,确定动态扇区的广播波束的指向和角度覆盖范围;定义单元,用于基于广播波束的指向和角度覆盖范围,以一定的角度间隔定义多个常规业务波束的赋形方向,并计算对应的导向矢量;构造单元,用于构造多个常规业务波束的加权系数矢量和导向矢量的加权系数矢量;合成单元,用于计算多个常规业务波束的导向矢量加权和以及波束加权和,得到合成的波束形成权矢量;以及归一化单元,用于对合成的波束形成权矢量进行归一化处理,得到满足特定动态扇区设计要求的广播波束形成权矢量,实现动态扇区广播波束形成。
根据本发明的实施例,广播波束的指向是广播波束的中心指向。
根据本发明的实施例,赋形方向应根据不同的动态扇区的角度覆盖范围的要求分布在一定的角度范围内,其中,角度范围大于或等于动态扇区的角度覆盖范围。
根据本发明的实施例,多个常规业务波束的赋形方向在角度范围内满足一定分布要求,如均匀分布等。
根据本发明的一个方面,多个常规业务波束的加权系数矢量可采用不同窗函数,如矩形窗函数、牛顿窗函数等。
根据本发明的一个方面,多个常规业务波束的导向矢量可采用不同窗函数,如矩形窗函数、牛顿窗函数等。
根据本发明的一个方面,归一化处理包括总功率归一化处理和最大功率归一化处理等。
本发明给出的动态扇区广播波束形成实现方法,通过在广播波束指向附近以一定的角度间隔同时形成多个窄业务波束,这多个窄业务波束经过加权和处理后,就可以合成满足动态扇区设计要求的广播波束,而且广播波束的形成与单个窄业务波束的赋形二者之间的总下行发射功率相等或单天线通道的下行发射功率不超过功率上限。
本发明的方法通过实现动态扇区,即根据业务负荷空间分布有效地调整广播波束指向及其角度覆盖范围,达到了平衡业务负荷空间分布、提高通信系统的网络性能的目的,并且还具有稳健性高、易于工程实现等特点。
附图说明
图1是根据本发明实施例的动态扇区广播波束形成的实现方法的流程图;
图2是本发明的实施例采用的8天线线阵的结构示意图;
图3是根据本发明实施例的8天线线阵中单天线的相对功率的方向图;
图4是根据本发明实施例的8天线线阵的不同加窗矢量的动态扇区广播波束方向的对比图;以及
图5是根据本发明实施例的动态扇区广播波束形成的实现装置的框图。
具体实施方式
以下将参考附图描述本发明的实施例,其中,相同的参考标号表示相同的元件。
图1是根据本发明实施例的动态扇区广播波束形成的实现方法的流程图。参考图1,动态扇区广播波束形成的实现方法包括步骤S102,根据业务负荷空间分布特性,确定动态扇区广播波束指向和角度覆盖范围。
其中,动态扇区广播波束指向为φ,即广播波束的中心指向,扇区角度覆盖范围为F。φ对应的导向矢量表示为:
在上述公式中,[·]T表示转置运算,K为基站天线数。
对于均匀线阵,γk表示为:
γk=j·2π·(k-1)·Δ·sinφ/λ,k=1,2,...,K (2)
在上述公式中,Δ为基站天线间距,λ为载波波长。
对于均匀圆阵,γk表示为:
在上述公式中,R表示半径。
另外,根据本发明实施例的动态扇区广播波束形成的实现方法还包括S104,基于广播波束指向和角度覆盖范围,以一定的角度间隔定义多个常规业务波束(简称窄业务波束)的赋形方向,计算对应的窄业务波束导向矢量。
在步骤S104中,基站天线阵列的窄业务波束主瓣宽度为Ω(对于线阵则是指法线方向上的窄业务波束主瓣宽度),参与合成广播波束的窄业务波束数为M。M个窄业务波束的指向分别为 ...、 对应的导向矢量分别表示为 ...、 若 则即为目标方向φ上的窄业务波束; ...、 之间的间距越大,则合成的广播波束越宽,但是广播波束增益越低,而且间距超过一定数值后,广播波束的方向图将可能随方向角度的变化存在不同程度的起伏。
多个窄业务波束的赋形方向应根据不同扇区角度覆盖范围F的要求分布在一定的角度范围FC内,通常角度范围大于或等于动态扇区的角度覆盖范围(FC略大于或等于F),即FC≥F。
为了描述清晰,多个窄业务波束的赋形方向在FC内均匀分布,相邻波束指向之间的角度步长可选为 即M个窄业务波束的指向分别为:
另外,根据本发明实施例的动态扇区广播波束形成的实现方法还包括步骤S106,构造波束加权系数矢量和导向矢量加权系数矢量。
在步骤S106中,波束加权系数矢量表示为α=[α1 α2...αM]1×M,简称波束的加窗矢量,其中αm表示第m个窄业务波束的加权系数;βm=[βm,1 βm,2...βm,K]1×K表示第m个窄业务波束导向矢量的加权系数矢量,简称导向矢量的加窗矢量。
根据本发明实施例的动态扇区广播波束形成的实现方法还进一步包括步骤S108,计算多个窄业务波束的导向矢量加权和以及波束加权和,得到合成的波束形成权矢量。
在步骤S108中,将动态扇区广播波束指向为φ的合成波束形成权矢量表示为:
在上述公式中,I表示维数为(K×K)的单位矩阵。
根据本发明实施例的动态扇区广播波束形成的实现方法还包括步骤S110,对合成的波束形成权矢量进行归一化处理,得到满足特定动态扇区设计要求的广播波束形成权矢量,从而实现动态扇区广播波束形成。
其中,归一化处理通常包括总功率归一化处理、最大功率归一化处理等。
(1)总功率归一化处理能够保证广播波束形成与单个窄业务波束赋形二者之间的总下行发射功率相等,对应的广播波束形成权矢量表示为:
在以上公式中,‖·‖表示范数。
(2)最大功率归一化处理能够确保单天线通道的下行发射功率不超过功率上限,对应的广播波束形成权矢量表示为:
根据满足特定动态扇区设计要求的广播波束形成权矢量,就能够实现动态扇区广播波束形成了。
为了能够进一步说明本发明,以下给出根据本发明的具体实施例。图2是本发明的实施例采用的8天线线阵的结构示意图。图3是根据本发明实施例的8天线线阵中单天线的相对功率的方向图,其中,横轴表示角度,纵轴表示功率。
如图2所示,基站天线阵列采用8天线线阵,K=8,天线间距为半载波波长,窄业务波束主瓣宽度Ω≈12.6°;而单天线的相对功率方向图则如图3所示。
如图2所示,其中,假定M=5个窄业务波束合成动态扇区广播波束,波束指向φ=10°,扇区角度覆盖范围F=40°,波束的加窗矢量为α=[1 1...1]1×5,导向矢量的加窗矢量βm=[βm,1 βm,2...βm,8]1×8分别采用矩形窗函数和牛顿窗函数,m=1,2,...,5。
则矩形窗函数表示为:
另外,可以将牛顿窗函数表示为:
还可以将动态扇区广播波束指向为φ=10°的合成波束形成权矢量表示为:
经归一化处理后,即可得到满足动态扇区设计要求的广播波束形成权矢量,表示为ω(φ)。
图4是根据本发明实施例的8天线线阵的不同加窗矢量的动态扇区广播波束方向的对比图。
如图4所示,给出了上述8天线线阵不同加窗矢量的动态扇区广播波束方向图的对比,横轴表示角度,纵轴表示功率。其中,波束指向φ=10°,扇区角度覆盖范围F=40°。因此,可以看出导向矢量的加窗矢量能够显著影响广播波束的方向图。
虽然在本发明以上实施例中是以8天线线阵为例进行描述,但是本领域技术人员应了解,本发明并不限于线阵,也同样适用于其他天线数和阵列流形等情况。
最后,图5是根据本发明实施例的动态扇区广播波束形成的实现装置的框图。
参考图5,根据本发明实施例的动态扇区广播波束形成的实现装置500包括:确定单元502,用于根据业务负荷空间分布特性,确定动态扇区的广播波束的指向(指的是广播波束的中心指向)和角度覆盖范围;定义单元504,用于基于广播波束的指向和角度覆盖范围,以一定的角度间隔定义多个常规业务波束的赋形方向,并计算对应的导向矢量;构造单元506,用于构造多个常规业务波束的加权系数矢量和导向矢量的加权系数矢量;合成单元508,用于计算多个常规业务波束的导向矢量加权和以及波束加权和,得到合成的波束形成权矢量;以及归一化单元510,用于对合成的波束形成权矢量进行归一化处理,得到满足特定动态扇区设计要求的广播波束形成权矢量,实现动态扇区广播波束形成。
在动态扇区广播波束形成的实现装置500中,参考图2可知,赋形方向应根据不同的动态扇区的角度覆盖范围的要求分布在一定的角度范围内,并且要求角度范围大于或等于所述动态扇区的角度覆盖范围。更具体的,可以使多个常规业务波束的赋形方向在上述角度范围内均匀分布。
在构造单元506中,多个常规业务波束的加权系数矢量可采用不同的窗函数,如矩形窗函数、牛顿窗函数等,而多个常规业务波束的导向矢量可采用不同的窗函数,如矩形窗函数、牛顿窗函数等。
另外,在归一化单元510中的归一化处理包括总功率归一化处理和最大功率归一化处理等。经过归一化处理,就得到满足动态扇区设计要求的广播波束形成权矢量。
因此,本发明给出了一种动态扇区广播波束形成的实现方法和装置,其中,通过在广播波束指向附近以一定的角度间隔同时形成多个窄业务波束,而这些窄业务波束经过加权和处理之后就可以合成满足动态扇区设计要求的广播波束,并且上述广播波束形成了与 单个窄业务波束赋形相等的总下行发射功率或单天线通道的下行发射功率不超过功率上限。
另外,本发明通过实现动态扇区,即,根据业务负荷空间分布来有效调整广播波束指向及其角度的覆盖范围,从而实现了平衡业务复合空间分布、提高通信系统的网络性能的目的。同时,本发明还具有稳健性高、易于工程实现等优点。
本发明适用于无线通信系统,尤其适用于第三代移动通信系统中的TDD CDMA系统,包括TD-SCDMA(1.28Mcps TDD)系统和3.84Mcps TDD系统,但是也同样适用于采用CDMA的频分多址和时分多址的系统。
以上仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种动态扇区广播波束形成的实现方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤S102,根据业务负荷空间分布特性,确定动态扇区的广播波束的指向和角度覆盖范围;
步骤S104,基于所述广播波束的指向和角度覆盖范围,以预定的角度间隔定义多个常规业务波束的赋形方向,并计算对应的导向矢量;
步骤S106,构造所述多个常规业务波束的加权系数矢量和所述导向矢量的加权系数矢量;
步骤S108,计算所述多个常规业务波束的导向矢量加权和以及波束加权和,得到合成的波束形成权矢量;以及
步骤S110,对所述合成的波束形成权矢量进行归一化处理,得到满足特定动态扇区设计要求的广播波束形成权矢量,实现动态扇区广播波束形成。
2.根据权利要求1所述的动态扇区广播波束形成的实现方法,其特征在于,所述广播波束的指向是所述广播波束的中心指向。
3.根据权利要求1所述的动态扇区广播波束形成的实现方法,其特征在于,所述赋形方向应根据不同的动态扇区的角度覆盖范围的要求分布在预定的角度范围内,其中,所述角度范围大于或等于所述动态扇区的角度覆盖范围。
4.根据权利要求3所述的动态扇区广播波束形成的实现方法,其特征在于,所述多个常规业务波束的赋形方向在所述角度范围内满足特定分布要求。
5.根据权利要求4所述的动态扇区广播波束形成的实现方法,其特征在于,所述特定分布要求包括均匀分布。
6.根据权利要求1所述的动态扇区广播波束形成的实现方法,其特征在于,所述多个常规业务波束的加权系数矢量采用窗函数。
7.根据权利要求1所述的动态扇区广播波束形成的实现方法,其特征在于,所述多个常规业务波束的导向矢量的加窗矢量采用窗函数。
8.根据权利要求1所述的动态扇区广播波束形成的实现方法,其特征在于,所述多个常规业务波束的加权系数矢量采用矩形窗函数或牛顿窗函数。
9.根据权利要求1所述的动态扇区广播波束形成的实现方法,其特征在于,所述多个常规业务波束的导向矢量的加窗矢量采用矩形窗函数或牛顿窗函数。
10.根据权利要求1所述的动态扇区广播波束形成的实现方法,其特征在于,所述归一化处理包括总功率归一化处理和最大功率归一化处理。
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