CN101488794B - 码分多址高速数据基站智能天线收发信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种码分多址高速数据基站智能天线收发信方法,属于移动通信技术领域。该方法在基站上行收信和下行高速数据发送电路中采用智能天线技术,而对下行语音用户发信则继续采用CDMA2000中普通扇区定向天线技术。涉及基站上行收信电路,和下行高速数据基站发信电路。其中上行收信波束赋形电路可采用两种波束赋形方法,即基带波束赋形方法和载波波束赋形方法;而下行链路发信的波束赋形方法只能采用载波波束赋形方法。下行波束赋形权值利用上行波达方向DOA估计,通过查表运算即时直接获得,不需要在下行独立载频上预测估计。
Description
技术领域
本发明涉及一种移动通信方法,尤其是一种采用采用智能天线提高CDMA2000 1x EV-DO上行/下行通信效率移动通信方法,属于移动通信技术领域。
背景技术
为了满足第三代移动通信系统为高速数据用户提供因特网以及多媒体等业务的要求,WCDMA,TD-SCDMA都提出了各自的演进计划HSDPA和HSUPA。作为3G标准发展相对比较成熟的标准之一CDMA2000,3GPP2也先后发布CDMA2000 1x EV-DO的各个版本,其先后也具有HSDPA和HSUPA的功能,来支持CDMA2000 1x标准向无线因特网的延伸,为移动高速数据用户提高上/下行多速率服务。CDMA2000 1x EV-DO的突出变化是在下行链路中增加了一个独立的频点,在该独立的频点上以TDMA方式给高速数据用户提供服务。由于采用了TDMA方式,可以有效的克服CDMA系统所固有的多址干扰,但是由于移动环境的复杂性,多经干扰仍然存在,其将影响系统性能的进一步提高。与此同时,随着用户需求的增加,上行容量也受到了挑战,严重影响着用户之间的数据传输服务。
智能天线(SA)作为移动通信领域中的一个高技术通信设备,其被人们寄予很大的希望。其可以在上行或TDMA、FDMA等方式下实现空分多址作用。利用SA的空分多址作用可以隔离系统中的多重接入干扰,克服多经效应,提高资源的利用率和增加覆盖范围等。简言之,CDMA2000 1x EV-DO标准各版本中并没有采用智能天线技术,在CDMA2000 1xEV-DO中合理地采用智能天线这种移动通信系统先进的技术设备,能克服多经干扰,实现一定条件下的定向收发,满足上下行高速率数据及其大容量的要求。
发明内容
技术问题:本发明目的是针对第三代移动通信系统要求提供高速上/下行数据业务,提出一种利用SA在CDMA2000 1x EV-DO标准的基站中进行收发信方法,这种方法在CDMA20001x EV-DO基站收发信设备中使用智能天线。从而可以部分地实现定向收发,减少多经干扰,增加系统容量,增加覆盖范围,提高资源的利用率等。同时将给出实现该方法的移动通信系统。
技术方案:申请人对如下的通信理论进行了分析研究:
在图1中给出车载移动通信中移动终端UE和基站Node B之间的的多径传播模型,由于UE和Node B之间是非视距传播以及UE的运动,所以存在着多条延迟或者反射路径,B1,B2用于表示可能引起反射的物体。一般而言,由于3G所用频段为2GHz,比900MHz频段更易产生多径衰落。一般的FDD CDMA系统都将利用多径分集(RAKE)接收机实现r1、r2和r3这些多径传播能量的利用,同时不可避免的会产生多径信号的自干扰,而且亦很难实现此多径混合收信号中各径收信号的相干解调,会产生各径收信号的大幅度衰减,即多径衰落。在CDMA系统中,这种多径信号干扰(MAI)限制了系统的容量,即用户数的上升,导致资源利用率的下降。假定收发信时间间隔很小时,则Node B可以通过估计r1的波达方向(DOA),只接收来自r1方向的UE信号,从而就实现了克服多经效应的效果,如果再将该DOA即时用于下行高速数据用户的发送,可以实现定向发送。基于以上两点,申请人发现其有利于系统上、下链路性能的改善,能够满足高速数据用户的需求,改善1x EV-DO的性能。
由于CDMA2000上行是同频点的CDMA方式,申请人认为上行的高速数据和低速数据之间相互作用,影响上行容量的提高。下面是申请人对上行CDMA方式下系统容量的分析。当检测的误比特率BER要求一定时,Node B收信的门限信噪比值应与发信速率Rb无关,其中Eb为比特能量,Nt为自干扰和热噪声的功率谱密度。
假设系统中有N全速率的上行语音用户,M个上行数据用户,移到终端UE发信速率分别为Rbv和Rbd,并且Rbd=KRbv。在上行链路中,Node B所接收到语音用户和数据用户的功率分别为Prv和Prd,那么,对于某个语音用户,干扰功率谱密度为 其中W为信号扩频后的带宽,N0为热噪声谱密度;对于数据用户, 根据门限信噪比可以导出Node B对数据和语音用户的收信功率要求,有门限信噪比 那么
同理可得
两者之比为
一般,热噪声远小于自干扰,因此可以忽略N0的影响,由于小区中的语音用户数N>>1,由此简化式(3)可得
取语音用户N=30,数据用户取M=1、4、8,K值取6、12、24、48时,可得表1。
表1
分析表1时,申请人发现,在码分多址条件下,当数据用户数较多,例如M=8,在 的情况下,当BER一定时,用户数据速率比与语音收信功率比K≈K′,这表明数据用户的收功率比值正比于它们的数据速率比,会导致占用的容量上升,要求的发功率增大。
申请人意识到,以上分析发现对于提高CDMA系统的上行链路高速数据速率容量和UE功率利用率具有重大意义。申请人注意到,如果再Node B高速数据接收设备中采用智能天线设备,利用智能天线的空分多址作用可以消除语言数据的干扰,其效果相当于K′的增大,又由于K′正比于数据速率比K,所以,申请人发现其效果有利于上行高速数据用户,满足HSUPA特性。此时,系统可保留原有的语音和低速数据用户的容量,其总容量将超过原有的系统容量。
根据以上两点的讨论,申请人在CDMA2000 1x EV-DO上行链路接收和下行1x EV-DO独立载波上采用智能天线设备,而下行语音或低速率数据用户仍然采用普通的定向天线。
图2(a)是申请人给出的收信波束形成在基带上实现的原理框图。下面申请人给出实现原理。为简化证明过程,设某一阵元接收信号为x1=ak·g(t)cos(ωt+ai1),取下变频用的
本地载波为cosωLt,且取ωL=ω时,有
y1=ak·g(t)cos(ωt+ai1)cosωLt (5)
略去1/2系数的影响,经低通滤波器LPF后得
y3=ak·g(t)cosai1 (6)
从上式可见,经下变频后已将SA阵元给出的载波相位偏移信息变换为基带信号的幅度损失。
由于cosai1≤1,将会使y3的幅度下降。经除法器D后得
j1=y3/cosai1=ak·g(t) (7)
在该频点只存在一个单波束的条件下,角度ai1可以利用基带谱搜索法或其它DOA检测算法得到,但是此处的基带信号加权系数 也可以利用一些矩阵运算的方法求得,它们应该保证收到的j1为ai1所对应信号最强方向的收信号。此处应注意的是利用矩阵运算无法直接得到ai1。设控制参数C1、C2用于保证取得正确的ai1值。同理可以取得j2=ak·g(t),经加法器A1取得z=2ak·g(t)。在CDMA系统中,还应在LPF之后插入解扩电路。当取幅度加权系数 时,有 ω1 *为收信基带波束形成的加权系数。图2(b)给出了与图2(a)对应的正确的发信波束加权方案,乘法器M1和M2用于完成载波调制过程。由于 所以移相器P1和P2可用于将载波初始相位移相-ai1和-ai2使x1、x2的载波初始相位相等,有同相分集发送的作用。移相器P1和P2可放在基带信号处,也可以放在射频功放输出处,此处的代价最大,但精确度最高。
定向收信波束赋形也可以在载波上形成,图2(c)为在载波上实现定向接收信号的波束赋形原理图。用控制信号C1、C2控制阵元1、2的外接移向器的值等于-ai1和-ai2时,则x1和x2的载波相位相同,在后接的加法器A1中可以同相迭加。对于其它方向的接收信号而言,x1和x2的相位是不同的,迭加后的信号强度受到抑制,显示了SA的定向接收作用。后续的乘法器M1用于载波信号的相干解调
根据以上三点理论研究依据,申请人提出了以下本发明的基本技术方法:
利用频分双工器,在基站端设立智能天线上行多速率收信和下行1x E-DO高速数据用户发信电路;
利用频分双工器,上下行用户信号按照以下的工作方式完成收、发:
1)智能天线通过上行DOA估计实现上行用户数据定向接收。
2)根据上行估计获得的DOA,智能天线实现下行的定向发送。
3)下行高速数据发信方向的获得,可以通过上下行不同频率间的关系,通过查表获得。
多速率上行链路CDMA信号在基站端通过智能天线按以下两种方法中的一种完成收信:
基站上行链路收信方法采用基带加权方法为:
1)多阵元天线接收信号经下变频处理电路送入解调器;
2)解调器完成正交幅度解调,输出到低通滤波器;
3)经低通滤波,基带信号送入解扩电路;
4)在解扩电路中完成解扩后,输出到基带波束形成电路;
5)在基带波束形成电路完成完成波达方向的估计和用户信号的最大合成,输出到下一级解码等电路;
在基带加权方法中,上行波达方向估计和波束赋形在基带处理中完成,并且保存在基带上估计出的高速数据用户信号波达方向,供下行定向发送用;
基站下行链路高速数据用户信号发信按以下步骤完成:
6)多个高速数据信号经基带处理、纠错编码、和加密后输入到时分多址合路器;
7)时分多址合路器将输入的基带信号合路形成数据流后输入到串并变换器;
8)串并变换器将输入的基带信号分成两路分别输入到脉冲幅度调制器完成符号映射;
9)脉冲幅度调制器将输入信号调幅后输入到地址码电路;
10)地址码电路引入小区内的信道地址码后输入到扰码电路;
11)扰码电路输出到时隙增益调整器;
12)时隙增益调整器完成增益调制,输出到正交幅度调制电路;
13)正交幅度调制电路将输入信号调制后送入加权电路;
14)加权电路利用基站上行链路DOA估计值,通过不同频点权值转换,实现下行波束赋形,输出到射频电路,经天线阵发射出去。
基站上行链路收信方法采用载波加权方法为:
1)’多阵元天线接收信号送入下变频电路;
2)’下变频电路输出信号送载波波束形成电路;
3)’在载波波束形成电路中完成波达方向的估计,实现用户信号的定向接收,输出到正交幅度解调电路;
4)’在正交幅度解调电路中完成解调后,输出两路正交信号SI和SQ送解扩等电路;
在载波加权方法中,上行波达方向估计和波束赋形在载波上完成,并且保存在载波上估计出的高速数据用户信号波达方向,供下行定向发送用。
低速数据输入信号通过码分多址发信电路按照以CDMA2000方式在基站发射,与以上高速数据输入信号不同。
有益效果:本发明的方法将智能天线的上行定向接收和下行TDMA定向发送方式与CDMA2000 1x EV-DO有机的巧妙结合在一起,从而使系统所需的发功率明显节省,同时自干扰大幅下降,系统上、下行容量上升。
附图说明
下面结合附图和典型实施例对本发明方法做进一步说明。
图1为移动通信中的多经传播原理模型图。
图2为收、发信波束赋形原理图,图2(a)为收信基带波束形成原理图,图2(b)为发信载波束形成原理图,图2(c)收信载波波束形成原理图。
图3为FDD模式下,系统原理图。
图4为本方法实施例一中基站端收信电路框图。其中包括下变频电路41,正交幅度解调电路42,低通滤波器43,解扩电路44,加权求和电路45,权系数调整电路46、解码电路47。
图5为实施例一、二中基站端发信电路框图。其中包括基带处理电路51,时分多址形成器52,串并转换电路53,脉冲幅度调整电路54,地址码电路55,扰码电路56,时隙增益调整电路57,正交幅度调整电路58,加权电路59,射频电路10,天线阵11。
图6本发明实施例二基站收信电路框图。其中包括下变频电路61,加权求和电路62,正交幅度解调电路63,权系数调整电路64。
具体实施方式
基站上行链路收信方法采用基带加权方法为:
1)多阵元天线接收信号经下变频处理电路送入解调器;
2)解调器完成正交幅度解调,输出到低通滤波器;
3)经低通滤波,基带信号送入解扩电路;
4)在解扩电路中完成解扩后,输出到基带波束形成电路;
5)在基带波束形成电路完成完成波达方向的估计和用户信号的最大合成,输出到下一级解码等电路;
在基带加权方法中,上行波达方向估计和波束赋形在基带处理中完成,并且保存在基带上估计出的高速数据用户信号波达方向,供下行定向发送用;
基站下行链路高速数据用户信号发信按以下步骤完成:
6)多个高速数据信号经基带处理、纠错编码、和加密后输入到时分多址合路器;
7)时分多址合路器将输入的基带信号合路形成数据流后输入到串并变换器;
8)串并变换器将输入的基带信号分成两路分别输入到脉冲幅度调制器完成符号映射;
9)脉冲幅度调制器将输入信号调幅后输入到地址码电路;
10)地址码电路引入小区内的信道地址码后输入到扰码电路;
11)扰码电路输出到时隙增益调整器;
12)时隙增益调整器完成增益调制,输出到正交幅度调制电路;
13)正交幅度调制电路将输入信号调制后送入加权电路;
14)加权电路利用基站上行链路DOA估计值,通过不同频点权值转换,实现下行波束赋形,输出到射频电路,经天线阵发射出去。
2.根据权利要求1所述CDMA2000 1x EV-DO基站智能天线收发信方法,其特征在于:基站上行链路收信方法采用载波加权方法为:
1)’多阵元天线接收信号送入下变频电路;
2)’下变频电路输出信号送载波波束形成电路;
3)’在载波波束形成电路中完成波达方向的估计,实现用户信号的定向接收,输出到正交幅度解调电路;
4)’在正交幅度解调电路中完成解调后,输出两路正交信号SI和SQ送解扩等电路;
在载波加权方法中,上行波达方向估计和波束赋形在载波上完成,并且保存在载波上估计出的高速数据用户信号波达方向,供下行定向发送用。
实施例一
本实施例为将本发明用于增大现存CDMA 2000 1x EV-DO移动通信系统的上、下行链路容量,可在cdma2000 1X EV-DO系统基站收发信设备中采用智能天线技术,实现上行的定向接收和下行高速数据用户的定向发送。其智能天线阵元采用8阵元线阵或圆阵,阵元间距为信号波长一半。
本实施例的基站端收信如图4所示,该图给出上行语音或低速数据用户在cdma2000 1x系统基站接收端的数据处理过程。图中的S11、S21、……、S81为8个阵元接收信号经下变频输出信号,再经正交幅度解调电路和低通滤波得到基带信号S13、S23、……、S83,在解扩电路中经地址码解扩输出S14、S24、……、S84。解扩输出信号依据图2(a)中的基带收信号波束赋形原理通过加权求和电路5和系数调制电路6实现定向接收,输出信号为D,由此来消除多经干扰,同时保存上行高速数据用户DOA,以便下行使用。
图5为本实例基站在独立载波上利用智能天线实现1x EV-DO各路高速数据用户的信号D11、D21、……、DM1的发信过程。D11、D21、……、DM1经基带信号处理后进入时分多址合路,形成数据流DS。基带处理应主要完成纠错编码、加密等。DS依次通过串并变化电路,脉冲编码调制电路后,经地址码扩频、扰码、增益调整,送入正交幅度调制电路;正交幅度调制电路的输出在加权电路中实现波束赋形,在波束赋形中加权系数根据上行DOA估计值,利用查表等技术直接换算可以得到即时的下行加权系数值,完成波束赋形的信号经射频电路通过8阵元天线发射出去。
归纳起来,本实施例在基站端通过智能天线实现上行信号和下行高速数据1x EV-DO信号的定向收发,整个通信过程如下:
上行信号通通过阵元接收按以下步骤完成收信:
1)下变频信号(S11、S21、……、S81)经正交幅度解调电路42后再输入到低通滤波器43;
2)低通滤波器对基带信号滤波后,基带信号(S13、S23、……、S83)送解扩电路44;
3)解扩电路的输出送波束赋形电路45,46实现定向接收;
4)定向接收信号D送解码器47;
基站高速数据输入信号利用智能天线以1X EV-DO方式按以下步骤完成发信:
1)’基带信号(D11、D21、……、DM1)经基带处理器51纠错编码、加密后输入到时分多址形成器52;
2)’时分多址形成器52将输入的基带信号(D11、D21、……、DM1)合路形成数据流DS后输入到串并变换电路53;
3)’串并变换器53将输入的基带信号分成两路(DP1、DP2)分别输入到脉冲幅度调制器54;
4)’脉冲幅度调制器54将输入信号DP1、DP2调幅后(DI、DQ)输入到地址码电路55;
5)’地址码电路55引入小区内的信道地址码后(DI1、DQ1)输入到扰码电路56;
6)’扰码电路56引入小区地址码后(DI2、DQ2)输入到时隙增益调整器57;
7)’时隙增益调整器57将输入信号增益调整后(DI2、DQ3)输入到正交幅度调整58;
8)’正交幅度调整电路58将信号调整之后D送入波束赋形载波加权电路59;
9)’载波加权电路59输出(D1、D2,…,D8)送射频电路10;之后经天线阵11发射。
实施例二
本实施例利用智能天线实现CDMA2000 1x EV-DO的基站收发信方法,其智能天线阵元要求、以及基站下行链路发信方法与实施例一相同,这里不再讨论。不同之处在于基站利用智能天线对上行数据进行定向接收时波达方向估计和波束形成电路实现方法不同。
图6所示为该实施例二的基站收信电路框图。其收信过程如下所述:
1)下变频信号(S1、S2、……、S8)经载波波束赋形电路(包括加权求和电路62、权系数调制电路64)后实现定向接收,定向接收后信号S送正交幅度解调电路63;
2)在正交幅度解调电路63解调后SI和SQ送解扩等电路;
从上述实施例可以看出,由于在CDMA20001x EV-DO基站采用智能天线技术,可以实现上行的定向接收和下行高速数据的定向发送,从而减少上行的多经干扰,提高上行容量;下行高速数据用户通过定向发送提高功率利用率。
需要进一步说明的是两种实施例对上行链路信号和下行高速数据用户信号采用智能天线实现定向收发;而下行语音用户和低速数据信号采用原标准普通定向天线,其不属于本方法保护范围。两种实施例的不同之处在于上行波束赋形电路不同,实施例一采用图2(a)原理,是基于基带的波束赋形,而实施例二采用图2(c)原理,是基于载波的上行波束赋形原理;下行波束赋形都采用载波波束赋形。
Claims (2)
1.一种码分多址高速数据基站智能天线收发信方法,其特征在于:在码分多址高速数据基站收发信设备中引入智能天线技术,基站上行链路定向收信采用基带加权方法来实现波达方向的估计和波束赋形,
基站上行链路收信方法采用基带加权方法为:
1)多阵元天线接收信号经下变频处理电路送入解调器;
2)解调器完成正交幅度解调,输出到低通滤波器;
3)经低通滤波,基带信号送入解扩电路;
4)在解扩电路中完成解扩后,输出到基带波束形成电路;
5)在基带波束形成电路完成波达方向的估计和用户信号的最大合成,输出到下一级解码电路;
在基带加权方法中,上行波达方向估计和波束赋形在基带处理中完成,并且保存在基带上估计出的高速数据用户信号波达方向,供下行定向发送用;
基站下行链路高速数据用户信号发信按以下步骤完成:
6)多个高速数据信号经基带处理、纠错编码、和加密后输入到时分多址合路器;
7)时分多址合路器将输入的基带信号合路形成数据流后输入到串并变换器;
8)串并变换器将输入的基带信号分成两路分别输入到脉冲幅度调制器完成符号映射;
9)脉冲幅度调制器将输入信号调幅后输入到地址码电路;
10)地址码电路引入小区内的信道地址码后输入到扰码电路;
11)扰码电路输出到时隙增益调整器;
12)时隙增益调整器完成增益调制,输出到正交幅度调制电路;
13)正交幅度调制电路将输入信号调制后送入加权电路;
14)加权电路利用基站上行链路DOA估计值,通过不同频点权值转换,实现下行波束赋形,输出到射频电路,经天线阵发射出去。
2.一种码分多址高速数据基站智能天线收发信方法,其特征在于:在码分多址高速数据基站收发信设备中引入智能天线技术,基站上行链路定向收信采用载波加权方法为,
1)’多阵元天线接收信号送入下变频电路;
2)’下变频电路输出信号送载波波束形成电路;
3)’在载波波束形成电路中完成波达方向的估计,实现用户信号的定向接收,输出到正交幅度解调电路;
4)’在正交幅度解调电路中完成解调后,输出两路正交信号SI和SQ送解扩等电路;
在载波加权方法中,上行波达方向估计和波束赋形在载波上完成,并且保存在载波上估计出的高速数据用户信号波达方向,供下行定向发送用;
基站下行链路高速数据用户信号发信按以下步骤完成:
5)’多个高速数据信号经基带处理、纠错编码、和加密后输入到时分多址合路器;
6)’时分多址合路器将输入的基带信号合路形成数据流后输入到串并变换器;
7)’串并变换器将输入的基带信号分成两路分别输入到脉冲幅度调制器完成符号映射;
8)’脉冲幅度调制器将输入信号调幅后输入到地址码电路;
9)’地址码电路引入小区内的信道地址码后输入到扰码电路;
10)’扰码电路输出到时隙增益调整器;
11)’时隙增益调整器完成增益调制,输出到正交幅度调制电路;
12)’正交幅度调制电路将输入信号调制后送入加权电路;
13)’加权电路利用基站上行链路DOA估计值,通过不同频点权值转换,实现下行波束赋形,输出到射频电路,经天线阵发射出去。
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CN1845467A (zh) * | 2006-04-18 | 2006-10-11 | 北京邮电大学 | 一种应用于td-scdma下行链路中的结合智能天线技术的多用户发送方案 |
CN101072392A (zh) * | 2007-06-19 | 2007-11-14 | 南京邮电大学 | 码分多址时分多址智能天线收发信方法及设备 |
-
2008
- 2008-12-26 CN CN2008102432413A patent/CN101488794B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
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Publication number | Publication date |
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CN101488794A (zh) | 2009-07-22 |
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