CN101359947A

CN101359947A - 多天线阵列系统的广播波束赋形方法及装置

Info

Publication number: CN101359947A
Application number: CNA2007101197125A
Authority: CN
Inventors: 孙长果; 吴柯维
Original assignee: Datang Mobile Communications Equipment Co Ltd
Current assignee: China Academy of Telecommunications Technology CATT; Datang Mobile Communications Equipment Co Ltd
Priority date: 2007-07-30
Filing date: 2007-07-30
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2027-07-30
Also published as: CN101359947B

Abstract

本发明涉及移动通信技术中广播波束赋形的技术，特别涉及一种多天线阵列系统的广播波束赋形方法和装置。本发明用于解决现有技术中天线单元数较少时，不能够形成覆盖整个扇区的广播波束的技术问题。本发明所述天线阵列至少包括两个天线子阵，各天线子阵所分配覆盖范围是依据多天线阵列将要覆盖的小区/扇区范围而划分成的若干区域，其中一个或多个天线子阵负责覆盖一个区域，利用针对每个天线子阵所分配的覆盖范围优化的广播波束赋形系数对所述天线子阵中的待发送信号分别加权后，通过各天线子阵进行发射。本发明具有广播覆盖范围广、覆盖效果好、干扰抑制能力强等特点。

Description

多天线阵列系统的广播波束赋形方法及装置

技术领域

本发明涉及移动通信技术中广播波束赋形技术，特别涉及一种多天线阵列系统的广播波束赋形方法及装置。

背景技术

具有传统智能天线的移动通信系统一般在业务信道根据用户的空间信息进行波束赋形，将多天线单元发射的电磁波能量集中在用户方向，有时也可以针对干扰方向形成零陷。对于广播信道，例如寻呼信道、导频信道等，对广播波束赋形一般的做法是通过优化的赋形系数进行波束赋形，形成能够覆盖整个小区/扇区的广播波束。如图1所示，扁椭圆形实线所标识的波束为业务波束，宽幅扇形虚线所标识的波束为广播波束。从图1中可以看出两种波束的区别和特点，业务波束具有很好的方向性，而广播波束具有很好的覆盖性。

对于传统智能天线阵来说，由于采用波束赋形技术，天线阵的各天线单元之间的距离一般都在0.5倍的波长左右，而对于采用分集或者空间复用技术的天线阵来说，需要天线单元之间有足够的隔离，以便获得独立的信道。一般来说，这种隔离可以通过增加天线单元之间的距离和采用不同的极化方式来实现。

具有多天线阵列的系统一般都会同时采用分集和赋形技术，例如，两个天线单元间距为0.5波长的天线阵以分布式方式放置，天线阵内进行波束赋形，天线阵之间进行分集或者空间复用，如图2所示。

目前已有的实现方案中，这种具有多个天线阵列结构的系统其广播信道都是通过发射分集进行广播信道发射的，系统中每个天线阵都需要形成覆盖整个小区/扇区的广播波束，但当天线阵的天线单元个数较少时，例如少于4个，则无法得到一组赋形权系数，使得该天线阵能够形成覆盖整个扇区的广播波束。因此，只能利用发射分集或空间复用算法，而对于采用分集或者空间复用技术的天线阵来说，需要天线单元之间有足够的隔离，以便获得独立的信道。当天线阵为小间距天线阵时，利用这两种算法并不能得到很好的性能增益。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一是提供一种多天线阵列系统的广播波束赋形方法，能够解决天线单元数较少的小间距天线阵不能形成覆盖整个小区/扇区的广播波束的技术问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种多天线阵列系统的广播波束赋形方法，所述多天线阵列至少包括两个天线子阵，该方法包含以下步骤：

A、获取所述至少两个天线子阵中各天线的广播波束赋形系数；

B、利用获得的所述赋形系数对所述至少两个天线子阵中的各天线待发送信号分别加权后，通过各天线进行发射。

基于上述方案，进一步地，所述的至少两个天线子阵中各个天线的广播波束赋形系数是根据每个天线子阵所分配覆盖区域进行广播波束优化得到的。

基于上述方案，进一步地，所述的各个天线子阵所分配覆盖区域是依据所述多天线阵列将要覆盖的小区/扇区范围而划分成的若干子区域，其中一个或多个天线子阵负责覆盖一个子区域。

基于上述方案，进一步地，所述赋形系数是预先优化并存储在系统中的。

基于上述方案，进一步地，步骤B中，还包括对各天线待发送信号分别施加不同的时间延迟后，再通过各天线进行发射的步骤，其中属于同一天线子阵的天线其时间延迟相同。

基于上述方案，进一步地，步骤B中，还包括对各天线待发送信号分别施加不同的随机相位偏转后，再通过各天线进行发射的步骤，其中属于同一天线子阵的天线其随机相位偏转相同。

基于上述方案，进一步地，步骤B中，还包括对各天线待发送信号分别施加不同的时间延迟及不同的随机相位偏转后，再通过各天线进行发射的步骤，其中属于同一天线子阵的天线其时间延迟及随机相位偏转相同。

基于上述方案，进一步地，所述的天线子阵是物理上独立的天线阵。

基于上述方案，进一步地，所述的天线子阵是通过多天线阵列中的各天线进行分组而得到的逻辑上的天线子阵。

本发明的另一目的是提供一种多天线阵列系统的广播波束赋形装置，为达到此目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种多天线阵列系统的广播波束赋形装置，包括：

天线阵列，包含至少两个天线子阵，用于发射广播信号；

赋形系数设置单元，用于设定和存储根据每个天线子阵所分配覆盖区域进行广播波束优化得到的所述至少两个天线子阵中各个天线的广播波束赋形系数；

赋形发射单元，用于依据所述各个天线的广播波束赋形系数对所述至少两个天线子阵中的各天线待发送信号分别加权，然后通过各天线进行发射。

基于上述方案，进一步地，当一个或多个天线子阵负责覆盖一个区域时，还包括一个用于发射分集处理的分集处理单元，所述分集处理单元可以位于赋形发射单元前或赋形发射单元后。

基于上述方案，进一步地，所述分集处理单元为延迟分集处理单元。

基于上述方案，进一步地，所述分集处理单元为随机相位偏转分集处理单元。

基于上述方案，进一步地，所述分集处理单元为延迟分集与随机相位偏转分集相结合的分集处理单元。

使用本发明所述的技术方案，权值优化简单，甚至可以直接采用波束赋形的算法进行，优化权值的工作可以离线进行。如图3所示的效果图，每个天线子阵由3个天线单元构成，每一个天线子阵负责覆盖大约35度左右的区域，两个波束总的覆盖即可达到大约70度的扇区覆盖。

使用本发明所述的技术方案能够将发送信号能量限制在一定区域发送，例如近似70度范围内发送，这样就减小了当前广播波束对相邻扇区的干扰，从而具有一定干扰抑制能力，如果单纯利用发射分集的方法则不能达到这个效果。

使用本发明所述的技术方案能够覆盖更远的距离，由于每个天线子阵分别覆盖一片区域，其分别对每一片区域形成一个较窄的波束，具有一定的赋形增益。相比单纯使用发射分集的方法，能够覆盖更远的距离。

附图说明

图1为智能天线系统的广播波束和业务波束示例图；

图2为具有多个天线阵列结构的系统示例图；

图3为本发明示例效果图；

图4为本发明的实现流程示意图；

图5为本发明的装置结构示意图。

具体实施方式

本发明技术方案的核心是对拥有多个天线阵列的小区/扇区的覆盖范围进行划分，以一个或多个天线子阵负责覆盖一个所分配的区域，避免每个天线子阵都需要形成覆盖整个小区/扇区的广播波束。

以下结合附图对本发明所提出的多天线阵列系统的广播波束赋形方法的实现步骤做详细的描述。本发明中所述多天线阵列至少包括两个天线子阵。所述的天线子阵即可以是物理上独立的天线阵，也可以是通过多天线阵列中的各天线单元进行分组而得到的逻辑上的天线子阵，例如，双极化天线阵中，每个物理天线单元在逻辑上包含一个垂直极化的天线单元和一个水平极化的天线单元，这样，一个物理上的天线阵在逻辑上就可以看作是两个天线阵。再如，一个2×N单元天线阵，可以划分为两个逻辑上的N单元天线阵。所述方法的具体步骤如下：

步骤1：获取至少两个天线子阵中各个天线的广播波束赋形系数；

在步骤1执行前，首先依据所述多个天线阵列将要覆盖的小区/扇区范围，将其划分成若干个子区域，一个或多个天线子阵负责覆盖一个子区域，所述若干子区域的覆盖范围之间允许有一部分重叠；如果没有特殊需要可以等分。以图3为例，若扇区范围为70度，该扇区内有两个天线子阵，在没有特殊需求的情况下，可以将该扇区等分为两个小的扇区，每个天线子阵覆盖约35度。

依据上述划分后的区域信息，对每个天线子阵所分配覆盖区域进行广播波束优化，优化的准则是覆盖所分配的区域，尽量降低对其他阵列所覆盖区域的干扰。所述广播波束优化就是求得一组赋形系数，使得该天线子阵应用该组赋形系数得到的赋形方向图满足覆盖所分配区域的要求，如图3所示，图3中的实线所标识的区域为该扇区中一个天线子阵通过波束优化后形成的赋形方向图，虚线所标识的区域为该扇区中另一个天线子阵通过波束优化后形成的赋形方向图，这里所述的广播波束优化方法是常用公知技术。通过上述针对所分配覆盖区域的广播波束优化，得到各天线子阵中各个天线即天线单元的广播波束赋形系数。

步骤2：利用获得的赋形系数对各天线子阵中的各天线待发送信号分别加权后，通过各天线进行发射。

当多个天线子阵负责覆盖一个划分后的区域时，为了防止广播波束在多个覆盖区域的边缘由于重叠而形成深衰区，本发明还可以结合使用发射分集等方法，改善两个波束交叠区域的覆盖效果，如图3中0度附近的区域，对于不存在波束交叠区域的覆盖，其性能主要依赖于赋形增益，而不是发射分集的增益，因而能够得到比现有技术更好的性能。

步骤2还可以按照如下方法实现：

方法1：广播信道的信号通过每个天线子阵优化的权系数进行加权，对各天线待发送信号分别施加不同的时间延迟后，再通过各天线进行发射，其中属于同一天线子阵的天线其时间延迟相同。

该方法结合了发送分集和分区覆盖的思想，对不同的覆盖区域加不同的延迟形成延迟分集，避免重叠区域形成深衰区。以图3为例，一个扇区中有两个天线子阵，将覆盖区域分成两块，则天线子阵1在t1时刻发送，则天线子阵2在t₂时刻发送，这里|t₁-t₂|＝Δt，即两天线子阵延迟Δt时间发送，Δt可以根据实际环境中多径时延扩展确定。

以TD-SCDMA系统为例，可以取Δt＝n*0.78125us，即对应n个码片(chip)时间宽度，这里，n可以根据实际环境中的时延扩展来取，进行延迟发送实际上相当于在下行发射时人为造成多径，其主要目的是为了避免在重叠覆盖区域信号反相叠加从而产生深衰，导致覆盖性能严重下降。

方法2：广播信道的信号通过每个天线子阵优化的权系数进行加权，对各天线待发送信号分别施加不同的随机相位偏转后，再通过各天线进行发射，其中属于同一天线子阵的随机相位偏转相同。这样对于覆盖重叠区域可以避免形成长期的深衰区，可以获得一定的交织和编码增益，从而带来一定的性能增益。

该方法中加不同的随机相位偏转主要是为了防止在低速条件下，两个天线子阵发送信号在接收端长期处于反相叠加而长期处于深衰区。其主要步骤是在信号发送时，对于各个天线子阵分别加上不同的相移，并且这个相移大小随机产生，而每个天线子阵阵内各天线单元所加的相移相同。具体实现方法为将各天线子阵待发送复信号与cos(θ)+j*sin(θ)复信号相乘，其中θ相位旋转因子，为0～2π间均匀分布的随机数或伪随机数。

方法3：将方法1和方法2所述的延迟分集和随机相位偏转分集同时使用，即：广播信道的信号通过每个天线子阵优化的权系数进行加权，对不同的覆盖区域加不同的时间延迟、同时加不同的随机相位偏转，然后进行发射。

该方法结合了方法1和方法2的处理技术，能够更好的避免覆盖重叠区域形成深衰区。

图5示例了一种实现上述多天线阵列系统的广播波束赋形方法的装置，包括：天线阵列，赋形系数设置单元，分集处理单元，赋形发射单元。天线阵列包含至少两个天线子阵，用于发射广播信号。赋形系数设置单元，用于设定和存储，根据每个天线子阵所分配覆盖范围进行广播波束优化得到的各天线子阵中各个天线单元的广播波束赋形系数。赋形发射单元，用于依据所述各个天线的广播波束赋形系数对所述至少两个天线子阵中的各天线待发送信号分别加权，然后通过各天线进行发射。分集处理单元，用于发射分集处理，依据分集处理的方式可以把分集处理单元划分成不同的类型，如：延迟分集处理单元、随机相位偏转分集处理单元以及延迟分集与随机相位偏转分集相结合的分集处理单元等。所述分集处理单元可以位于所述赋形发射单元之前也可以位于所述赋形发射单元之后。如图所示，广播信号在赋形发射单元中使用从赋形系数设置单元中获取的各天线的赋形系数进行加权，加权后的信号通过分集处理单元的处理后，通过天线阵列中的各天线子阵发射出去。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1、一种多天线阵列系统的广播波束赋形方法，其特征在于，所述多天线阵列至少包括两个天线子阵，所述方法包括以下步骤：

2、根据权利要求1所述的多天线阵列系统的广播波束赋形方法，其特征在于，所述的至少两个天线子阵中各个天线的广播波束赋形系数是根据每个天线子阵所分配覆盖区域进行广播波束优化得到的。

3、根据权利要求2所述的多天线阵列系统的广播波束赋形方法，其特征在于，所述的各个天线子阵所分配覆盖区域是依据所述多天线阵列将要覆盖的小区/扇区范围而划分成的若干子区域，其中一个或多个天线子阵负责覆盖一个子区域。

4、根据权利要求3所述的多天线阵列系统的广播波束赋形方法，其特征在于，所述赋形系数是预先优化并存储在系统中的。

5、根据权利要求1所述的多天线阵列系统的广播波束赋形方法，其特征在于，所述步骤B中，还包括对各天线待发送信号分别施加不同的时间延迟后，再通过各天线进行发射的步骤，其中属于同一天线子阵的天线其时间延迟相同。

6、根据权利要求1所述的多天线阵列系统的广播波束赋形方法，其特征在于，所述步骤B中，还包括对各天线待发送信号分别施加不同的随机相位偏转后，再通过各天线进行发射的步骤，其中属于同一天线子阵的天线其随机相位偏转相同。

7、根据权利要求1所述的多天线阵列系统的广播波束赋形方法，其特征在于，所述步骤B中，还包括对各天线待发送信号分别施加不同的时间延迟及不同的随机相位偏转后，再通过各天线进行发射的步骤，其中属于同一天线子阵的天线其时间延迟及随机相位偏转相同。

8、根据权利要求1所述的多天线阵列系统的广播波束赋形方法，其特征在于，所述的天线子阵是物理上独立的天线阵。

9、根据权利要求1所述的多天线阵列系统的广播波束赋形方法，其特征在于，所述的天线子阵是通过多天线阵列中的各天线进行分组而得到的逻辑上的天线子阵。

10、一种多天线阵列系统的广播波束赋形装置，其特征在于，包括：

天线阵列，包含至少两个天线子阵，用于发射广播信号；

11、根据权利要求10所述的多天线阵列系统的广播波束赋形装置，其特征在于，当一个或多个天线子阵负责覆盖一个区域时，还包括一个用于发射分集处理的分集处理单元，所述分集处理单元可以位于赋形发射单元前或赋形发射单元后。

12、根据权利要求11所述的多天线阵列系统的广播波束赋形装置，其特征在于，所述分集处理单元为延迟分集处理单元。

13、根据权利要求12所述的多天线阵列系统的广播波束赋形装置，其特征在于，所述分集处理单元为随机相位偏转分集处理单元。

14、根据权利要求13所述的多天线阵列系统的广播波束赋形装置，其特征在于，所述分集处理单元为延迟分集与随机相位偏转分集相结合的分集处理单元。

15、根据权利要求10至14中任一权利要求所述的多天线阵列系统的广播波束赋形装置，其特征在于，所述的天线子阵是物理上独立的天线阵。

16、根据权利要求10至14中任一权利要求所述的多天线阵列系统的广播波束赋形装置，其特征在于，所述的天线子阵是通过多天线阵列中的各天线进行分组而得到的逻辑上的天线子阵。