CN101546868B - 一种新型智能天线及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种新型智能天线及实现方法：组成智能天线的各个天线单元不需要按间距不超过半波长等距离排列而是按任意间距任意排列，接收波束的赋形是通过测量各接收链路接收到的信号幅度和相位，并以需要的方式对各链路接收信号合成而实现的。发射波束赋形就是使各个天线单元所发射的信号对此终端聚焦。用软件控制使此多天线阵可以工作为智能天线、分集天线或者多入多出(MIMO)天线。新型智能天线无需设专用校准用收发信机及专用校准链路。为3G、3G后及4G移动通信网中无线基站提供了多功能的多天线系统实现方法。

Description

一种新型智能天线及实现方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，更确切地说是涉及第三代移动通信系统中的一种新型智能天线及实现方法。

背景技术

在TD-SCDMA第三代移动通信(3G)系统中使用智能天线已经成为业界的共识，并已经规模应用。

一个典型的智能天线阵的示意图见图1：一个8单元的环形智能天线和一个6单元的线形智能天线。它们均由多个安装在同一平面上的天线单元、校准网络及连接的射频馈线接口组成。从顶视图可见，这些天线单元以不超过半波长的距离整齐排列成一个园(左)或者一条直线(右)。以上两种智能天线均已经商用，广泛使用于第三代移动通信(TD-SCDMA)系统中，其设计及校准方法都已在很多专利中公开，在此不再重复。

在3G的长期演进计划(LTE)和未来的第四代移动通信(4G)系统中均要求使用多天线技术，包括空间分集、智能天线和多入多出(MIMO)天线系统。但问题在于目前的认识是在使用空间分集和多入多出(MIMO)技术时要求组成天线阵的各天线单元距离较大，相互之间不相关，而智能天线技术中，又要求各天线单元之间的距离不超过最高工作频率的半波长，相互相关。因而，目前还没有一种天线系统的设计能解决此问题。为了同时使用上述天线技术，有人使用一个等间距天线单元分布的智能天线加上几个距离较远的天线单元组成MIMO天线来共同实现此多功能的多天线系统。也就是说，将两种天线阵安装在同一地方。即使这样，还有使用灵活性，与基带信号处理电路的配合等等问题。

现有技术的缺点的客观评价(与本发明技术特点相对应)

上述目前主要使用的智能天线设计方法的主要缺点在于：

1.要实现智能天线的多天线单元的天线阵必须保持各天线单元之间的距离相同，不能超过最高工作频率的半波长，因而，必须设计制造为一个整体，不能根据某些工程现场要求任意安装；

2.各天线单元距离较近，电波传播相关性强，难以获得空间分集增益；

3.智能天线和多入多出(MIMO)天线难以在同一天线阵中实现，这对3G后(如LTE)和4G移动通信的实施是一个很大的问题。

另外，在TD-SCDMA第三代移动通信(3G)系统中使用智能天线已经是业界的共识。而在3G的长期发展计划(LTE，标准已经通过)和2008年开始考虑的第四代移动通信(4G)系统，更将广泛使用诸如空间分集、智能天线及多入多出(MIMO)等多天线技术。众所周知，在智能天线技术中，校准又是关键的一环。在中国专利ZL99111350.0、ZL01120547.4、专利申请02131218.4、专利申请02158623.3等中，已经对智能天线校准技术及实现方法有多个发明，并在现有系统中获得应用。此校准方法如图5所示，以具有4只天线单元的天线阵为例，4只天线单元101、102、103、104及校准网络150(可能还有低噪声放大器和功率放大器)均安装在室外天线塔上。此校准网络150在每个天线单元接口处于天线实现弱耦合151、152、153及154。然后，使用5条射频电缆111、112、113、114及115与室内基站设备连接。其中，射频电缆111、112、113及114分别连接至基站设备内的射频收发信机131、132、133及134。而射频电缆115则连接至校准用的射频收发信机135。这些射频收发信机再连接至基带电路140。整个基站通过Iub接口160连接至网络(RNC)。进行接收校准时，校准用的射频收发信机135发射校准用的信号，其它射频收发信机131、132、133及134处于接收状态，记录并计算各接收链路的接收信号的幅度。

上述目前主要使用的智能天线校准方法的主要缺点在于：

4.必须使用校准网络，造成天线阵的成本增加；

5.校准网络的制造误差是难以避免的，此制造误差将导致校准误差，使校准精度降低；

6.对每一种天线单元排列方法的智能天线必须设计与之对应的校准网络；

7.不可能使用于天线单元任意排列的新型智能天线，没有可能解决今后将智能天线和多入多出(MIMO)天线在同一天线阵中实现的目标，这对3G后(如LTE)和4G移动通信的实施是一个很大的问题。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种可以按任意间距排列的新型智能天线。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种新型智能天线的实现装置，由多只任意排列，任意间距的天线单元所组成的天线阵用作智能天线的系统装置，其中天线单元直接通过射频电缆连接至多只射频收发信机，所述多只射频收发信机的数字接收端连接至基带处理器的接收处理单元；所述多只射频收发信机的数字发射端连接至基带处理器的发射处理单元，基带处理器的收发控制单元通过控制总线控制此多只射频接收机和射频发射机的开启、关断，接收、发射增益，发射功率电平以及获得监测告警信息，所述射频收发信机其接收端加上模拟至数字转换器将接收到的模拟中频信号转换为高速数字信号，下变频将各个载波分开并分别进行数字滤波，形成各个载波的数字接收信号，待发射的各个载波的数字信号进行上变频和数字滤波，再通过数字至模拟转换器形成模拟中频信号送至模拟发射机的发射端。

本发明的目的之二是提供一种可以实现按任意间距排列的新型智能天线的方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：所述新型智能天线的各个天线单元按任意间距排列构成天线阵，所述天线阵工作为智能天线或分集天线或者多入多出天线，所述天线阵的全部或者部分单元在工作于智能天线模式下，所述新型智能天线实时进行接收波束和发射波束赋形，并获得空间分集的增益；或将所述天线阵分为几组，在实现智能天线的同时工作于MIMO模式。

所述一个任意排列的天线阵同时工作于智能天线、空间分集天线和MIMO天线状态，不需要校准网络及附属的校准射频收发信机。

所述天线阵元的相对位置是任意的，当工作于数字通信系统时，其最大横向尺寸所造成的电波传播时延不超过一个码片宽度的1/8，当天线横向尺寸更大或者数据传输速率更高，则对此传输造成的时延进行校准。

所述接收波形束赋形是将所述所有接收信号按需要方式合成，按最大接收信号功率合成。

所述实现发射波束赋形是对每一链路的发射信号加上一个相位移，其值为该链路接收信号的相位(θ_i)加上该链路的校准系数(β_i)。

所述任意位置和任意间距的天线阵覆盖整个小区或扇区的波束将由一只天线单元实现。

所述接收时延校准是测量各个天线单元所接收到的，上行信号中已知的导行码的到达时间。若第i链路的到达时间为τ_i，则以最晚(τ_j)到达的链路为基准，先到达的信号加上一个时延以补偿此传输时延差，

δ_i＝τ_j-τ_i    i＝1，2，…，N

发射时延校准是根据前述接收时延校准所测量获得的各个链路信号到达的时延差(δ_i)，各个链路均应当在其发射时隙先加上此时延(δ_i)，然后再进行前述发射波束赋形。

本发明提出一种新型智能天线以及实现方法：组成智能天线的各个天线单元不需要按间距不超过半波长等距离排列而是按任意间距任意排列，可以控制使此多天线阵可以工作为智能天线、分集天线或者多入多出(MIMO)天线。此天线阵的全部或者部分单元可以在工作于智能天线模式下，此新型智能天线可以实时进行接收波束和发射波束赋形，并获得空间分集的增益，也可以将此天线阵分为几组，在实现智能天线的同时工作于MIMO模式。使用本发明的方法，使一个任意排列的天线阵同时可以工作于智能天线、空间分集天线和MIMO天线状态，不需要校准网络及附属的能天线、空间分集天线和MIMO天线状态，不需要校准网络及附属的校准射频收发信机，降低了天线成本，每个天线单元任意排列，不产生较大的迎风面积，解决了工程安装的困难。

本发明的目的之三是提供一种校准精度高，成本低的校准智能天线的方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种校准智能天线的方法，分别从连接智能天线每单元的每个发射机发射一段已知的码，同时在连接其它天线单元的接收机进行接收，并对接收到的信号进行计算，以完成对整个智能天线系统的校准。

所述对整个智能天线系统的校准时，从连接每个天线的发射机发出校准用已知的码，连接其它天线的接收机进行接收，方法为，先由控制器(240)将射频发射机(221)设置为发射状态，射频发射机(222、223、224)均关闭，射频接收机(231)关闭而射频接收机(232、233、234)设置为接收状态，则当射频发射机(221)发射已知校准码时，射频接收机(232、233、234)分别接收到信号(R₂₁、R₃₁、R₄₁)并记录在控制器(240)中。再由控制器(240)顺序分别将射频发射机(222、223、224)设置为发射状态，重复上述过程。这样就完成了校准测试。

所述校准码以单位电平发射，而每通道的发射传输系数为t，接收传输系数为r，天线单元间的耦合系数为C，则上述校准测试获得的

R_ij＝r_ic_jit_j                            (1)

由于天线单元之间的耦合系数是互易的，即

c_ij＝c_ji                                (2)

我们可以消去C，而得到校准结果：每链路接收和发射传输系数之比与参考链路的接收和发射传输系数之比之间的关系：

r_i/t_i＝R_i1r₁/R_1it₁    i＝2，3，4        (3)

同时，还有其它R_ij的测试数据和式(1)中可以获得的其它表示式可以作为式(3)结果的校验。在此校准结果中，最重要的是其相位关系，以

r_i/t_i＝|r_i/t_i|e^jβi我

则β_i＝(η_i-ζ_i)-(η₁-ζ₁)              (4)

式(4)中，η_i与ζ_i为第i链路接收传输系数r_i和发射传输系数t_i的相位，校准结果为智能天线每射频链路接收和发射传输系数之比与参考射频链路的接收和发射传输系数之比之间的关系。

所述智能天线校准方法同样使用于其它数量天线阵的校准。

本发明校准方法基于“一种新型智能天线及实现方法和装置”中考虑的，天线单元任意排列的，工作于时分双工(TDD)系统的智能天线的校准方法。本发明的方法仅仅分别从连接智能天线每单元的每个发射机发射一段已知的码(数据)，同时在连接其它天线单元的接收机进行接收，并对接收到的信号进行计算，以完成对整个智能天线系统的校准。使用本发明的方法，不需要使用与中国专利ZL99111250.0和中国专利ZL01120547.4类似的校准网络，并且，测试所得到的数据还可以互相校验，以保证校准测试的准确性。

附图说明

图1是目前使用的智能天线的示意图；

图2是本发明新型智能天线的示意图；

图3是实现本发明新型智能天线的实施例；

图4是本发明新型智能天线收发波束赋形示意图；

图5是目前使用的智能天线校准方法的示意图；

图6是本发明中新型智能天线校准方法示意图。

具体实施方式

本发明将通过如下图描述的一个TDD(如TD-SCDMA)系统无线基站使用的智能天线系统为实施例来予以详细说明。

图2示本发明的一个由N只任意排列，任意间距的天线单元所组成的天线阵的侧视图和顶视图。在陆地移动通信使用环境下，只考虑在水平面的接收和发射波束，故只考虑在水平面的天线排列。此天线阵工作于时分多址(TDD)移动通信系统，即每只天线单元在不同的时间进行接收和发射。对工作于频分多址(FDD)移动通信系统，

则需要两个天线阵工作于不同频率分别进行接收和发射。但不论时分或者频分系统，其工作原理是相同的，故本专利以时分双工系统为例来说明。由此图可见，天线阵元的相对位置是任意的，当工作于数字通信系统时，其最大横向尺寸(宽度或者深度)所造成的电波传播时延最好不超过一个码片宽度的1/8。例如，对TD-SCDMA系统，码片速率为1.28Mcps，1/8码片的传输时延为大约100ns，相应的天线阵最大横向尺寸为30米。当天线横向尺寸更大或者数据传输速率更高，则必须考虑对此传输造成的时延进行校准。

图3示本发明的一个由N只任意排列，任意间距的天线单元所组成的天线阵用作智能天线的系统装置。图中，N(N＞1)只天线单元201、202、203，…，20i，…，20N直接通过射频电缆211、212、213，…，21i，…，21N连接至N只射频收发信机221、222、223，…，22i，…，22N。此N只射频收发信机的数字接收端231、232、233，…，23i，…，23N连接至基带处理器250的接收处理单元251；此N只射频收发信机的数字发射端241、242、243，…，24i，…，24N连接至基带处理器250的发射处理单元252。基带处理器250的收发控制单元253通过控制总线251、252、253，…，25i，…，25N控制此N只射频接收机和射频发射机的开启、关断，接收、发射增益，发射功率电平以及获得监测告警信息。上述射频收发信机221、222、223，…，22i，…，22N可以为传统的射频收发信机，其接收端加上模拟至数字转换器(ADC)将接收到的模拟中频信号转换为高速数字信号，下变频将各个载波分开并分别进行数字滤波，形成各个载波的数字接收信号；待发射的各个载波的数字信号进行上变频和数字滤波，再通过数字至模拟转换器(DAC)形成模拟中频信号送至模拟发射机的发射端。

本发明的智能天线的波束赋形方法包括智能天线校准，接收波束赋形，发射波束赋形和小区(扇区)覆盖波束的形成。

通过图4来详细说明如下：

●智能天线校准：

本发明校准方法为：分别从连接新型智能天线每单元的每个发射机发射一段已知的码，同时在连接其它天线单元的接收机进行接收，并对接收到的信号进行计算，以完成对整个智能天线系统的校准。

图6中，4只任意排列的天线单元201、202、203及204直接通过射频电缆211、212、213及214连接至4只射频发射机221、222、223及224和4只射频接收机231、232、233及234。控制器240控制上述射频发射机和射频接收机机的工作状态并对接收数据进行处理，并通过接口电路250及传输媒介与基站的室内系统连接完成信号的传输。控制器240可以采用现有模块或由现有元器件构成。

本发明的校准方法将基于图6的系统结构予以详细说明。针对此智能天线系统，在校准时，顺序从图6中连接每个天线的发射机发出校准用已知的码(信号)而连接其它天线的接收机进行接收。例如，先由控制器240将射频发射机221设置为发射状态，射频发射机222、223及224均关闭，射频接收机231关闭而射频接收机232、233及234设置为接收状态，则当射频发射机221发射已知校准码时，射频接收机232、233及234分别接收到信号R₂₁、R₃₁及R₄₁并记录在控制器240中。然后由控制器240将射频发射机222设置为发射状态，射频发射机221、223及224均关闭，射频接收机232关闭而射频接收机231、233及234设置为接收状态，则当射频发射机222发射已知校准码时，射频接收机231、233及234分别接收到信号R₁₂、R₃₂及R₄₂并记录在控制器240中。再由控制器240将射频发射机223设置为发射状态，射频发射机221、222及224均关闭，射频接收机233关闭而射频接收机231、232及234设置为接收状态，则当射频发射机223发射已知校准码时，射频接收机231、232及234分别接收到信号R₁₃、R₂₃及R₄₃并记录在控制器240中。最后由控制器240将射频发射机224设置为发射状态，射频发射机221、222及223均关闭，射频接收机234关闭而射频接收机231、232及233设置为接收状态，则当射频发射机224发射已知校准码时，射频接收机231、232及233分别接收到信号R₁₄、R₂₄及R₃₄并记录在控制器240中，这样就完成了校准测试。

根据上述校准测试数据，可以通过相对关系的计算，计算出相对于任何一个通路的相对数据，通过比较可进行相互间的校验。

作为一个例子，参考图5，设通道1(即天线201、短射频电缆211和收发信机221/231所形成的通道)为参考，校准码以单位电平发射，而每通道的发射传输系数为t，接收传输系数为r，天线单元间的耦合系数为C，则上述校准测试获得的

R_ij＝r_ic_jit_j                                 (1)

由于天线单元之间的耦合系数是互易的，即

c_ij＝c_ji                                     (2)

我们可以消去C，而得到校准结果：每链路接收和发射传输系数之比与参考链路的接收和发射传输系数之比之间的关系：

r_i/t_i＝R_i1r₁/R_1it₁    i＝2，3，4             (3)

同时，还有其它R_ij的测试数据和式(1)中可以获得的其它表示式可以作为式(3)结果的校验。在此校准结果中，最重要的是其相位关系，以

r_i/t_i＝|r_i/t_i|e^jβi我

则β_i＝(η_i-ζ_i)-(η₁-ζ₁)                   (4)

式(4)中，η_i与ζ_i为第i链路接收传输系数r_i和发射传输系数t_i的相位。

本例示4天线阵的校准方法，同样可以使用于其它数量天线阵的校准。本发明的校准方法在适当修改后，也可以使用于频分双工系统中智能天线的校准。

●接收波束赋形：

接收波束赋形是通过测量各接收链路接收到的信号幅度和相位，并以需要的方式对各链路接收信号合成而实现。如图4所示，图4和图3基本相同，只是天线阵是用顶视图来表示。对来自一个用户终端的上行信号，其来波以一个角度射向此天线阵，由于传播路径不同，在各天线单元的反应在相位和幅度都不同，设第i个天线单元接收到的信号为A_i

A_i＝a_ie^jαi                         (1)

设第i条接收链路从天线(包括馈线41i和射频收发信机42i)至接口端43i的传输系数为

D_i＝d_ie^jηi                         (2)

设第i条发射链路(包括馈线41i和射频收发信机42i)从接口端44i至天线的传输系数为

T_i＝t_ie^jζi                         (3)

则基带处理器从第i条接收链路获得的接收信号为

R_i＝r_ie^jθi                         (4)

显然，

r_i＝a_id_i    θ_i＝α_i+η_i            (5)

接收波形束赋形就是将上述所有接收信号按需要方式合成，最常用的是按最大接收信号功率合成。因为上述式(5)中所接收到的幅度r_i和相位θ_i都是可以测量获得的。只要在每条链路中补偿其相位θ_i就可以实现。

当此天线阵的横向尺寸所造成的电波传播时延超过一个码片宽度的1/8时，就必须在进行前述接收波束赋形前先对此电波传输时延进行校准。其校准方法是测量各个天线单元所接收到的，上行信号中已知的导行码(例如TD-SCDMA系统中的中间码(Midamble))的到达时间。若第i链路的到达时间为τ_i，则以最晚(即τ_i最大)到达的链路为基准，先到达的信号加上一个时延以补偿此传输时延差。例如，对图4所述的上行信号，第j链路的到达时间最晚，则第i链路就必须加上时延补偿值

δ_i＝τ_j-τ_i    i＝1，2，…，N    (6)

●发射波束赋形：

发射波束赋性的目标是产生一个对准发射目标的波束。如图4所示，在无线基站接收到来自一个用户终端的信号后，在发射时隙，组成智能天线的各个天线单元将以基本相同的发射功率电平向此终端发射下行信号，发射波束赋性就是使各个天线单元所发射的信号对此终端聚焦。为此，必须实现此合成波束的波阵面和上行信号的波阵面平行，即每天线单元发射信号的相位必须满足：

γ_i+ζ_i+α_i＝const                (7)

式中，γ_i是上行波束赋性所需要的相位移；

ζ_i是式(3)中定义的发射链路的传输相位移；

α_i是式(1)中表示的接收信号的相位。

由式(5)，并令

cosnt＝ζ₁-η₁

这里，我们以第1个天线单元为参考(也可以以任意一个天线单元为参考)，则可以获得上行波束赋性所需要的相位移

γ_i＝β_i+θ_i                         (8)

式中β_i＝ζ₁-η₁-ζ_i+η_i             (9)

为对第i条链路的校准系数，由前述校准过程获得。实现发射波束赋形就是对每一链路的发射信号加上一个相位移，其值为该链路接收信号的相位θ_i加上该链路的校准系数β_i。

当此天线阵的横向尺寸所造成的电波传播时延超过一个码片宽度的1/8时，就必须在进行前述发射波束赋形前先对此电波传输时延进行校准。其校准方法是根据前述接收时延校准所测量获得的各个链路信号到达的时延差δ_i(式(6))，各个链路均应当在其发射时隙先加上此时延δ_i，然后再进行前述发射波束赋形。

●小区(扇区)覆盖波束的形成

对移动通信系统，无线基站必须发射如广播、寻呼等覆盖整个小区(扇区)的波束。对本发明的任意位置和任意间距的天线阵是不可能合成此波束的，使用本发明任意位置和任意间距的天线阵时覆盖整个小区(扇区)的波束将由一只天线单元实现，对TD-SCDMA系统，在发射此覆盖整个小区(扇区)的波束时仅此天线单元发射而其它天线单元不发射信号。此发射天线的发射电平应当比作为智能通讯天线发射定向波束时的发射电平高，具体的发射电平由工程设计确定。

Claims (5)

1.一种智能天线，其特征在于：由多只任意排列，任意间距的天线单元组成天线阵，其中天线单元直接通过射频电缆连接至多只射频收发信机，所述多只射频收发信机的数字接收端连接至基带处理器的接收处理单元；所述多只射频收发信机的数字发射端连接至基带处理器的发射处理单元，基带处理器的收发控制单元通过控制总线控制此多只射频收发信机的开启、关断，接收、发射增益，发射功率电平以及获得监测告警信息，所述射频收发信机的接收端加上模拟至数字转换器将接收到的模拟中频信号转换为高速数字信号，下变频器将各个载波分开并分别进行数字滤波，形成各个载波的数字接收信号，待发射的各个载波的数字信号进行上变频和数字滤波，再通过数字至模拟转换器形成模拟中频信号送至模拟发射机的发射端；

当工作于数字通信系统时，所述天线单元的最大横向尺寸所造成的电波传播时延不超过一个码片宽度的1/8，当天线单元横向尺寸更大或者数据传输速率更高，则对此传输造成的时延进行校准，所述校准包括接收时延校准和发射时延校准，所述接收时延校准是测量各个天线单元所接收到的上行信号中已知的导行码的到达时间，若第i链路的到达时间为τ_i，则以最晚τ_j到达的链路为基准，先到达的信号加上一个时延以补偿此传输时延差，

δ_i＝τ_j－τ_i            i＝1，2，…，N

发射时延校准是根据接收时延校准所测量获得的各个链路信号到达的时延差δ_i，各个链路均在其发射时隙先加上此时延差δ_i，然后再进行发射波束赋形；所述智能天线实时进行接收波束和发射波束赋形，所述接收波束赋形是将所述所有接收信号按需要方式合成，按最大接收信号功率合成，所述发射波束赋形是对每一链路的发射信号加上一个相位移，其值为该链路接收信号的相位加上该链路的校准系数。

2.权利要求1所述的一种智能天线的实现方法，其特征在于：所述智能天线的各个天线单元按任意间距排列构成天线阵，所述天线阵工作为智能天线或分集天线或者多入多出天线，所述天线阵的全部或者部分单元在工作于智能天线模式下，所述智能天线实时进行接收波束和发射波束赋形，并获得空间分集的增益；或将所述天线阵分为几组，在实现智能天线的同时工作于MIMO模式。

3.根据权利要求2所述的实现方法，其特征在于：所述一个任意排列的天线阵同时工作于智能天线、空间分集天线和MIMO天线状态，不需要校准网络及附属的校准射频收发信机。

4.根据权利要求2所述的实现方法，其特征在于：所述天线单元的相对位置是任意的，当工作于数字通信系统时，其最大横向尺寸所造成的电波传播时延不超过一个码片宽度的1/8，当天线单元横向尺寸更大或者数据传输速率更高，则对此传输造成的时延进行校准。

5.根据权利要求4所述的实现方法，其特征在于：所述任意位置和任意间距的天线阵覆盖整个小区或扇区的波束将由一只天线单元实现。

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