CN103297104B - 天线阵列配置方法及天线阵列 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多天线无线通信系统领域，公开了一种天线阵列配置方法及天线阵列。在无线通信系统的无线接入侧配置天线阵列，所述天线阵列包括第一天线和第二天线，所述第一天线的传输功率大于所述第二天线的传输功率；所述第一天线向所述天线阵列覆盖范围内的所有用户进行广播或信令传输。另外，所述第一天线利用信道互易性和天线校准技术进行信道估计，并为所有用户分配波束集合；所述第二天线根据所述第一天线的波束域业务调度，对所服务的用户进行波束成形。本发明的技术方案利用少量高配置天线进行广播、信令传输及信道估计，能够极大地降低天线阵列的配置成本；同时降低了用户设备的复杂度和能耗。

Description

天线阵列配置方法及天线阵列

技术领域

本发明涉及多天线无线通信系统技术领域，具体涉及使用大规模天线阵列的多用户空分多址无线通信系统，特别涉及一种天线阵列配置方法及天线阵列。

背景技术

为适应无线宽带信息服务日益增长的需求，无线通信系统需要支持千兆甚至吉比特每秒的数据传输速率。多天线传输技术利用空间自由度，能够在不占用额外时频资源的情况下，得到更好的通信速率和通信质量，从而成为未来无线通信系统（3GPP LTE系统、WLAN系统）的关键技术之一，如：3GPP LTE系统基站侧采用4根天线，LTE-advance系统采用8根天线。

尽管如此，随着无线宽带化和绿色通信的进一步需求，智能天线技术顺理成章地引入到无线通信系统中来。智能天线技术采用空分多址（SDMA）方式，利用信号不同的空间传输路径，将相同时频资源的信号区分开来，所以它可以成倍地拓展通信容量。通过在无线信号接入点使用自适应天线阵列，跟踪并提取各无线用户的空间信息，可以为每个用户提供一个窄的定向波束，使信号在有限的方向区域发送和接收，充分利用信号发射功率，降低信号全向发射带来的相互干扰。智能天线主要由天线阵列、模拟/数字波束成形网络和自适应处理器组成。即，无线系统接入侧（如基站、AP等）配备大规模天线阵列，能够对整个服务区域形成多波束覆盖；通过每根天线接收每个用户的探测信号，由自适应处理器根据用户的情况和无线通信环境的改变，按照一定的准则，进行波束域的用户调度。所述波束域用户调度由无线系统接入侧（基站、AP等）自适应处理器利用前述获得的各用户波束域信道信息，依据一定准则，对小区中的用户进行调度，确定可使用同一时频资源通信的多个用户以及各用户使用的波束，调度后，通信各用户的传输波束互不重叠，用户在波束域中进行空分多址传输。智能天线能够自动地适应环境变化，增强系统有用信号的检测能力，优化天线方向图，并能有效地跟踪有用信号，抑制和消除干扰及噪声，从而保持系统性能在某种准则下最佳。

智能天线的特点是能够通过其自身的反馈控制系统以较低的代价换取天线覆盖范围、系统容量、频谱效率、业务质量和抗阻塞等性能的提高。

目前，无线接入侧的天线阵列均是全部采用完全相同的天线，所有天线在天线阵列中的作用是完全相同的。这就要求所有天线都具备相同的发射功率，能够完成服务区域内的广播、信令传输、接收用户探测信号、对用户的信道估计。而随着天线阵列规模的大幅度提高，无线接入侧会配置数十数百根天线，要求所有天线都具备这样的能力，会大大提高无线接入侧的成本。

发明内容

（一）所要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种适用于多天线无线通信系统的天线阵列配置方法及天线阵列，以解决现有大规模天线阵列存在的无线接入侧天线配置成本过高、不利于提升系统容量的问题。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种天线阵列配置方法，所述方法包括以下步骤：

S1、在无线通信系统的无线接入侧配置天线阵列，所述天线阵列包括第一天线和第二天线，所述第一天线的传输功率大于所述第二天线的传输功率；

S2、所述第一天线向所述天线阵列覆盖范围内的所有用户进行广播或信令传输。

可选的，步骤S1之后还包括步骤：

S3、所述第一天线利用信道互易性和天线校准技术，对所述天线阵列和所述天线阵列覆盖范围内的所有用户进行信道估计，并根据信道估计结果在时频资源上进行波束域业务调度，为所述天线阵列覆盖范围内的所有用户分配波束集合；

S4、所述第二天线根据所述第一天线的波束域业务调度，对所服务的用户进行波束成形。

可选的，步骤S1中，所述无线通信系统的无线接入侧为移动通信系统的基站侧或WLAN系统的无线接入点侧。

可选的，步骤S1中，所述第一天线的数量是1-4根。

可选的，步骤S3中，所述信道估计具体包括：

S301、所述天线阵列获取自身处于发送状态时的电路对角矩阵C_TX,A和自身处于接收状态时的电路对角矩阵C_RX,A；

S302、所述天线阵列中的某一第一天线l获取其到所有第二天线的校准系数b_l→i，i＝1,2,...,N，N为所述天线阵列中所有第二天线的数量；

S303、所述第一天线获取用户侧处于发送状态时的电路对角矩阵C_TX,B和所述用户侧处于接收状态时的电路对角矩阵C_RX,B，并根据矩阵C_TX,A、C_RX,A、C_TX,B及C_RX,B计算出第一天线l到所述用户侧的所有用户的校准系数b_l→j，j＝1,2,...,K，K为所述天线阵列覆盖范围内的所有用户的数量；

S304、根据b_l→i和b_l→j计算出所述天线阵列中的每一个第二天线到所述用户侧的所有用户的校准系数b_i→j，其中，

S305、根据上行信道响应矩阵H_BA和校准系数b_i→j，计算出下行信道响应矩阵H_AB。

可选的，步骤S301中，所述天线阵列通过自学习或自测试的方式获取矩阵C_TX,A和C_RX,A。

可选的，步骤S302中，第一天线l通过天线间无线信号传输获取其到所有第二天线的校准系数b_l→i。

可选的，步骤S303中，所述用户侧在空闲时向所述第一天线发送探测信号，使所述第一天线获取矩阵C_TX,B和C_RX,B。

本发明同时提出了一种天线阵列，所述天线阵列包括第一天线和第二天线，所述第一天线的传输功率大于所述第二天线的传输功率；

所述第一天线用于向所述天线阵列覆盖范围内的所有用户进行广播或信令传输。

可选的，所述第一天线用于利用信道互易性和天线校准技术，对所述天线阵列和所述天线阵列覆盖范围内的所有用户进行信道估计，并根据信道估计结果在时频资源上进行波束域业务调度，为所述天线阵列覆盖范围内的所有用户分配波束集合；

所述第二天线用于根据所述第一天线的波束域业务调度，对所服务的用户进行波束成形。

（三）有益效果

与现有的天线阵列相比，本发明的技术方案具有如下优点：

利用少量高配置天线（即第一天线）进行广播、信令传输及信道估计，低配置天线（即第二天线）只需要协助高配置天线完成信道校准，并根据高配置天线的波束域业务调度，对所服务的用户进行波束成形，降低了对低配置天线的要求，在大规模天线阵列中，能够极大地降低成本；同时，利用高配置天线进行信道估计，减少了用户的参与，用户只需要向高配置天线发送探测信号，降低了用户设备的复杂度和能耗。

附图说明

图1是多天线无线通信系统中无线接入侧到用户侧的等效信道模型示意图。

图2是本发明提出的天线阵列配置方法的基本流程图。

图3是本发明一种具体实施方式中高配置天线进行信道估计的流程图。

图4是本发明提出的天线阵列的一种具体实施方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

为便于描述和理解，以下所述第一天线等同于高配置天线，第二天线等同于低配置天线。

本发明提供了一种天线阵列的配置方法。首先，在无线通信系统的无线接入侧（如基站侧）配备大规模天线阵列，构成天线阵列的天线单元个数一般为数十个以上，天线阵列中使用若干根高功率、高性能要求的高配置天线，其他天线使用低功率、低性能要求的低配置天线（普通天线）。其中，无线接入侧使用的高配置天线数量优选为1-4根，具体数量及其在天线阵列中的位置根据天线阵列规模、排列方式、需要实现的覆盖范围、系统容量、频谱效率、业务质量等方面的要求来决定。低配置天线的数量优选为高配置天线的10倍以上。高配置天线完成服务区域内广播、信令传输的功能，解决服务区域的无线信号覆盖问题。低配置天线对需要服务的用户进行波束成形，解决容量扩充问题。高配置天线能够利用信道互易性和天线校准技术，完成对天线阵列中全部天线和天线阵列覆盖范围内全部用户的信道估计；并根据信道估计结果，在时频资源上进行波束域业务调度，为天线阵列覆盖范围内的所有用户分配波束集合，即为智能天线的自适应处理功能提供所需的必要信息。低配置天线不需要具备信道估计能力，而是根据波束域的业务调度，对服务的用户进行波束成形。采用这种方式，可以大大降低对低配置天线功能、性能上的要求，减少无线接入侧所需的投资成本。

下面结合图1对高配置天线完成信道估计的原理进行说明。

在实际通信系统中，接收机估计到的信道响应除了包含物理传输信道响应外，还包括发射机和接收机的电路响应。假设基站发射天线独立，用户接收独立，那么等效的信道响应相当于物理信道分别左乘、右乘一个对角矩阵，这两个对角矩阵分别由接收机和发射机确定。如图1所示，和分别是从设备B（用户侧）到设备A（无线接入侧）、设备A到设备B的物理信道响应（为不失一般性，这里假设为平衰落信道），由于电磁传播的对偶性，有：C_TX,B和C_RX,B为设备B处于发射和接收状态时的电路对角矩阵，类似地，C_TX,A和C_RX,A为设备A处于发射和接收状态时的电路对角矩阵。最终从B到A的信道响应矩阵为：

$H_{\mathrm{BA}}=C_{\mathrm{RX},A}{\hat{H}}_{\mathrm{BA}}{C}_{\mathrm{TX},B}$

从A到B的信道响应矩阵为：

$H_{\mathrm{AB}}=C_{\mathrm{RX},B}{\hat{H}}_{\mathrm{AB}}{C}_{\mathrm{TX},A}$

目前通信电路多为双工，即同一电路在收发状态下进行切换，但是收发电路不具有对偶性，即C_TX,A≠C_RX,A，C_TX,B≠C_RX,B，需要进行校正。设备A（无线接入侧）接收用户B的上行信号，可以估计出上行信道响应矩阵H_BA，从用户设备功耗和复杂度方面考虑，实际系统不要求用户参与校正，因此仅需要利用矩阵H_BA估计下行信道响应矩阵H_AB。

为不失一般性，这里讨论无线接入侧的天线i到用户j的信道校正。定义天线i到用户j之间的校准参数b_i→j为：

$b_{i\→j}=\frac{h_{i\→j}}{h_{j\→i}}=\frac{r_j{\hat{h}}_{i\→j}{t}_i}{r_i{\hat{h}}_{j\→i}{t}_j}$

其中，t_i、r_i、t_j、r_j分别为矩阵C_TX,A、C_RX,A、C_TX,B和C_RX,B中代表天线i和用户j的发送和接收状态的元素，和分别表示和中对应天线i和用户j的元素，h_i→j和h_j→i分别表示H_AB和H_BA中对应天线i和用户j的元素。

根据信道互易性，因此，有：

$b_{i\→j}=\frac{r_j{t}_i}{r_i{t}_j}$

在本发明的技术方案中，选择少量天线作为高配置天线，以完成信道估计。假设天线1为高配置天线，则天线1到用户j＝1,2,...,K的校准系数精确已知，记作：b_1→j，j＝1,2,...,K，其中，K为天线阵列覆盖范围内的所有用户的数量，即用户侧的全部用户数。

根据上式，则可将对b_i→j的估计转化为对b_1→i的估计，而b_1→i可以通过基站天线间进行电磁波收发计算得到。然后，根据上行信道响应矩阵H_BA和b_i→j，便能够计算出下行信道响应矩阵H_AB。

基于上述原理，本发明提出了一种天线阵列配置方法，如图2所示，所述方法包括以下步骤：

S1、在无线通信系统的无线接入侧配置天线阵列，所述天线阵列包括第一天线和第二天线，所述第一天线的传输功率大于所述第二天线的传输功率；

S2、所述第一天线向所述天线阵列覆盖范围内的所有用户进行广播或信令传输。

优选的，步骤S1之后还包括步骤：

S3、所述第一天线利用信道互易性和天线校准技术，对所述天线阵列和所述天线阵列覆盖范围内的所有用户进行信道估计，并根据信道估计结果在时频资源上进行波束域业务调度，为所述天线阵列覆盖范围内的所有用户分配波束集合；

S4、所述第二天线根据所述第一天线的波束域业务调度，对所服务的用户进行波束成形。

优选的，步骤S1中，所述无线通信系统的无线接入侧为移动通信系统的基站侧或WLAN系统的无线接入点侧。

优选的，步骤S1中，所述第一天线的数量是1-4根。

优选的，步骤S3中，所述信道估计具体包括：

S301、所述天线阵列获取自身处于发送状态时的电路对角矩阵C_TX,A和自身处于接收状态时的电路对角矩阵C_RX,A；

S302、所述天线阵列中的某一第一天线l获取其到所有第二天线的校准系数b_l→i，i＝1,2,...,N，N为所述天线阵列中所有第二天线的数量；

S303、所述第一天线获取用户侧处于发送状态时的电路对角矩阵C_TX,B和所述用户侧处于接收状态时的电路对角矩阵C_RX,B，并根据矩阵C_TX,A、C_RX,A、C_TX,B及C_RX,B计算出第一天线l到所述用户侧的所有用户的校准系数b_l→j，j＝1,2,...,K，K为所述天线阵列覆盖范围内的所有用户的数量；

S304、根据b_l→i和b_l→j计算出所述天线阵列中的每一个第二天线到所述用户侧的所有用户的校准系数b_i→j，其中，

S305、根据上行信道响应矩阵H_BA和校准系数b_i→j，计算出下行信道响应矩阵H_AB。

优选的，步骤S301中，所述天线阵列通过自学习或自测试的方式获取矩阵C_TX,A和C_RX,A。

优选的，步骤S302中，第一天线l通过天线间无线信号传输获取其到所有第二天线的校准系数b_l→i。

优选的，步骤S303中，所述用户侧在空闲时向所述第一天线发送探测信号，使所述第一天线获取矩阵C_TX,B和C_RX,B。

步骤S1中，在同一无线接入侧（基站、AP等）配置高、低两种功率的天线构成天线阵列；高配置天线的功率取决于小区需要的覆盖范围，是WLAN系统还是LTE系统，其需要覆盖整个小区，并能够完成信令传输和广播功能；高配置天线的数量和位置，可以根据天线阵列规模、排列方式、需要实现的覆盖范围、系统容量、频谱效率、业务质量等方面的要求，按照一定的优化准则来决定。

图3表示了步骤S3中信道估计的具体步骤：

S301、天线阵列获取C_TX,A和C_RX,A。

本步骤中，天线阵列可以通过安装时测量，运行过程中自学习、自测试获取代表天线阵列自身的发射、接收电路特性的矩阵C_TX,A和C_RX,A。

S302、高配置天线通过天线间无线信号传输获取低配置天线到高配置天线的校准系数。假设天线l为高配置天线，则高配置天线l到低配置天线i的校准系数记作b_l→i，i＝1,2,...,N。

S303、高配置天线根据用户发送的探测信号，利用信道互易性，获取C_TX,B和C_RX,B。

本步骤中，用户侧在空闲时向高配置天线发送探测信息，高配置天线可以获得自身到所有用户的校准参数。假设天线l为高配置天线，天线l到用户j＝1,2,...,K的校准系数记作j＝1,2,...,K。

S304、任一低配置天线i到用户j的校准系数为：

则可将对b_i→j的估计转化为对b_l→i的估计。

S305、利用H_BA估计下行信道响应矩阵H_AB，其中：

h_i→j＝h_j→ib_i→j,i＝1,2,...,N,j＝1,2,...,K。

本发明同时提出了一种天线阵列，所述天线阵列包括第一天线和第二天线，所述第一天线的传输功率大于所述第二天线的传输功率；

所述第一天线用于向所述天线阵列覆盖范围内的所有用户进行广播或信令传输。

优选的，所述第一天线用于利用信道互易性和天线校准技术，对所述天线阵列和所述天线阵列覆盖范围内的所有用户进行信道估计，并根据信道估计结果在时频资源上进行波束域业务调度，为所述天线阵列覆盖范围内的所有用户分配波束集合；

所述第二天线用于根据所述第一天线的波束域业务调度，对所服务的用户进行波束成形。

如图4所示，天线阵列中的高配置天线完成服务区域内广播、信令传输、信道估计等功能，低配置天线根据波束域信道估计结果对用户进行波束成形，进行波束域数据传输。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种天线阵列配置方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、在无线通信系统的无线接入侧配置天线阵列，所述天线阵列包括第一天线和第二天线，所述第一天线的传输功率大于所述第二天线的传输功率；

S2、所述第一天线向所述天线阵列覆盖范围内的所有用户进行广播或信令传输；

步骤S1之后还包括步骤：

S3、所述第一天线利用信道互易性和天线校准技术，对所述天线阵列和所述天线阵列覆盖范围内的所有用户进行信道估计，并根据信道估计结果在时频资源上进行波束域业务调度，为所述天线阵列覆盖范围内的所有用户分配波束集合；

S4、所述第二天线根据所述第一天线的波束域业务调度，对所服务的用户进行波束成形。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，所述无线通信系统的无线接入侧为移动通信系统的基站侧或WLAN系统的无线接入点侧。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，所述第一天线的数量是1-4根。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，所述信道估计具体包括：

S301、所述天线阵列获取自身处于发送状态时的电路对角矩阵C_TX,A和自身处于接收状态时的电路对角矩阵C_RX,A；

S302、所述天线阵列中的某一第一天线l获取其到所有第二天线的校准系数b_l→i，i＝1,2,...,N，N为所述天线阵列中所有第二天线的数量；

S303、所述第一天线获取用户侧处于发送状态时的电路对角矩阵C_TX,B和所述用户侧处于接收状态时的电路对角矩阵C_RX,B，并根据矩阵C_TX,A、C_RX,A、C_TX,B及C_RX,B计算出第一天线l到所述用户侧的所有用户的校准系数b_l→j，j＝1,2,...,K，K为所述天线阵列覆盖范围内的所有用户的数量；

S304、根据b_l→i和b_l→j计算出所述天线阵列中的每一个第二天线到所述用户侧的所有用户的校准系数b_i→j，其中，

$b_{i\→j}=\frac{b_{l\→j}}{b_{l\→i}};$

S305、根据上行信道响应矩阵H_BA和校准系数b_i→j，计算出下行信道响应矩阵H_AB。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S301中，所述天线阵列通过自学习或自测试的方式获取矩阵C_TX,A和C_RX,A。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S302中，第一天线l通过天线间无线信号传输获取其到所有第二天线的校准系数b_l→i。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S303中，所述用户侧在空闲时向所述第一天线发送探测信号，使所述第一天线获取矩阵C_TX,B和C_RX,B。

8.一种天线阵列，其特征在于，所述天线阵列包括第一天线和第二天线，所述第一天线的传输功率大于所述第二天线的传输功率；

所述第一天线用于向所述天线阵列覆盖范围内的所有用户进行广播或信令传输；

所述第一天线用于利用信道互易性和天线校准技术，对所述天线阵列和所述天线阵列覆盖范围内的所有用户进行信道估计，并根据信道估计结果在时频资源上进行波束域业务调度，为所述天线阵列覆盖范围内的所有用户分配波束集合；

所述第二天线用于根据所述第一天线的波束域业务调度，对所服务的用户进行波束成形。