CN103378882A - 一种大规模天线系统控制信号发送方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大规模天线系统控制信号发送方法及装置，涉及通信领域，所述方法包括：在基站向用户终端发送控制信号时，基站控制器从多个射频天线中选择适于发射控制信号的射频天线及其频段；基站控制器调整所述控制信号的相位和幅度，以在所选天线的所选频段形成适于发射调整后的控制信号的电磁波波速；基站控制器将调整后的控制信号发送给所选天线；所选天线在所选频段利用所形成的电磁波波速发射调整后的控制信号。本发明解决了多天线基站覆盖范围边缘的干扰问题以及基站控制信号发射功率比数据信号功率低的问题，提升了每个天线的发射功率进而增大了基站的覆盖范围，减轻了基站覆盖范围边缘的干扰。

Description

一种大规模天线系统控制信号发送方法及装置

技术领域

本发明涉及通信领域，特别涉及一种大规模天线系统控制信号发送方法及装置。

背景技术

多天线技术是目前无线通信领域的新颖技术，利用空间分解可以大幅提升系统容量。但目前系统中，天线数目有限，在同频组网情况下，小区边缘用户存在区间干扰严重的问题。若天线数目在目前基础上增大达到一定程度时，比如增大一个数量级，可以有效抑制小区边缘的干扰，减少用户间的干扰，提升系统容量。但是在实际系统中，比如IEEE 802.16m和3GPP(The 3rd Generation PartnershipProject，第三代合作伙伴计划)LTE(Long Term Evolution，长期演进)/LTE-A(LTE-Advanced，LTE的后续演进)，使用多天线后，由于控制信道信号的波束不确定，只能采用折中的方法，比如IEEE 802.16m中，在同一频段上只使用一根天线发送同步信号，当天线数目比现在的系统上升一个数量级后，每个天线的发射功率降低，将会减少基站的覆盖范围。LTE/LTE-A虽然没有对同步信号的发送天线进行限制，但是在实际中由于控制信道的波束方向不好控制，造成控制信号达到用户时的功率经常小于数据信号的功率的情况，存在控制信号的覆盖问题。当天线数量上升一个数量级后，如果不作处理，天线阵列的方向性非常强，覆盖的问题更加明显。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大规模天线系统控制信号发送方法及装置，能更好地解决多天线基站覆盖范围边缘的干扰问题以及基站控制信号发射功率比数据信号功率低的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种大规模天线系统控制信号发送方法，所述方法包括：

在基站向用户终端发送控制信号时，基站控制器从多个射频天线中选择适于发射控制信号的射频天线及其频段；

基站控制器调整所述控制信号的相位和幅度，以在所选天线的所选频段形成适于发射调整后的控制信号的电磁波波束；

基站控制器将调整后的控制信号发送给所选天线；

所选天线在所选频段利用所形成的电磁波波束发射调整后的控制信号。

优选的，基站控制器调整所述控制信号的相位和幅度的步骤具体为：

基站控制器通过对控制信号进行预编码调整所述控制信号的相位和幅度。

优选的，基站控制器对控制信号进行预编码的步骤具体为：

在采用IQ方法调整所述控制信号的相位和幅度时，基站控制器在复基带利用预编码矩阵对控制信号进行预编码。

优选的，基站控制器对控制信号进行预编码的步骤具体为：

当基站为OFDM系统时，基站控制器在子载波基带利用预编码矩阵对控制信号进行预编码。

优选的，基站控制器对控制信号进行预编码的步骤包括：

当控制信号是同一子帧或同一帧的主同步信号和辅同步信号时，基站控制器使用相同的预编码矩阵对所述主同步信号和辅同步信号进行预编码；

当控制信号是在一定时域间隔周期内时域上不相邻的同步信号时，基站控制器使用不同的预编码矩阵对所述时域上不相邻的同步信号进行预编码，以形成不同电磁波波束；

当控制信号是在不同的时域间隔周期内的同步信号时，基站控制器使用相同的预编码矩阵对所述同步信号进行预编码；

当控制信号是同步信号序列且所述序列中的元素在子载波上等间隔放置时，基站控制器使用相同的预编码矩阵对同步信号序列中的所有元素进行预编码。

根据本发明的另一方面，提供了一种大规模天线系统控制信号发送装置，所述装置包括：

基站控制器，用于在基站向用户终端发送控制信号时从多个射频天线中选择适于发射控制信号的射频天线及其频段，并调整所述控制信号的相位和幅度，以在所选天线的所选频段形成适于发射调整后的控制信号的电磁波波束，然后将调整后的控制信号发送给所选天线；

多个射频天线，用于在所选天线的所选频段利用所形成的电磁波波束发射调整后的控制信号。

优选的，

基站控制器还用于通过对控制信号进行预编码调整所述控制信号的相位和幅度。

优选的，

基站控制器还用于在采用IQ方法调整所述控制信号的相位和幅度时在复基带利用预编码矩阵对控制信号进行预编码。

优选的，

基站控制器还用于当基站为OFDM系统时在子载波基带利用预编码矩阵对控制信号进行预编码。

优选的，基站控制器还用于：

当控制信号是同一子帧或同一帧的主同步信号和辅同步信号时，使用相同的预编码矩阵对所述主同步信号和辅同步信号进行预编码；

当控制信号是在一定时域间隔周期内时域上不相邻的同步信号时，使用不同的预编码矩阵对所述时域上不相邻的同步信号进行预编码，以形成不同电磁波波束；

当控制信号是在不同的时域间隔周期内的同步信号时，使用相同的预编码矩阵对所述同步信号进行预编码；

当控制信号是同步信号序列且所述序列中的元素在子载波上等间隔放置时，使用相同的预编码矩阵对同步信号序列中的所有元素进行预编码。

与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：提升了每个天线的发射功率进而增大了基站的覆盖范围，减轻了基站覆盖范围边缘的干扰。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的一种大规模天线系统控制信号发送方法的流程图；

图2是本发明实施例二提供的一种大规模天线系统控制信号发送方法的流程图；

图3是本发明实施例三提供的一种大规模天线系统同步信号发送方法的流程图；

图3a是本发明实施例三提供的OFDM系统同步信号在基带信号时域中的位置示意图；

图3b是本发明实施例三提供的OFDM系统同步信号在基带信号频域中的位置示意图；

图4是本发明实施例四提供的一种大规模天线系统同步信号发送方法的流程图；

图4a是本发明实施例四提供的OFDM系统主同步信号在频域上所占的子载波位置示意图；

图4b是本发明实施例四提供的OFDM系统同步信号在帧结构中所处位置的示意图；

图5是现有技术提供的一个64根全向天线的均匀天线阵列的方向图；

图6是本发明实施例提供的一个64根全向天线的均匀天线阵列经相位调整后的方向图；

图7是本发明实施例五提供的一种大规模天线系统控制信号发送装置的功能模块示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，应当理解，以下所说明的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是本发明实施例一提供的一种大规模天线系统控制信号发送方法的流程图，如图1所示，所述方法包括：

步骤S101，在基站设置多个射频天线。

在基站设置多个射频天线，各个射频天线可设置在同一地点或者不同地点。

步骤S102，基站控制器从多个射频天线中选择适于发射控制信号的射频天线及其频段。

在基站向用户终端发送控制信号时，基站的控制器根据信道容量最大准则和接收误码率最小准则选择一部分天线使用，从而发挥MIMO(Multiple InputMultiple Output，多入多出)系统的空间分集或复用的优点，又降低其硬件复杂度。控制器也可以选择全部天线使用。控制器选择了适于发射控制信号的射频天线后，选择适于发射控制信号的频段。选择天线和频段是现有技术，此处不再赘述。

步骤S103，基站控制器调整控制信号的相位和幅度，以在所选天线的所选频段形成适于发射调整后的控制信号的电磁波波束。

基站控制器通过对控制信号进行预编码调整所述控制信号的相位和幅度，以在选定天线选定频段形成特定的电磁波波束，覆盖一定的空间区域。在采用IQ方法调整所述控制信号的相位和幅度时，基站控制器在复基带利用预编码矩阵对控制信号进行预编码。当基站为OFDM(orthogonal frequency-division multipleaccess，正交频分复用)系统时，基站控制器在子载波基带利用预编码矩阵对控制信号进行预编码。

控制信号在基带进行相位调整的过程如下：根据Bedrosian定理，设低频信号f_LP(t)的频谱ROC(Radius Of Convergence，拉普拉斯转换及Z转换的收敛区域)为|ω|＜ω₀，高频信号f_HP(t)的频谱ROC为|ω|＞ω₀，则有：H(f_LPf_HP)＝f_LP·H(f_HP)。设f_HP(t)＝cos(ω_ct+θ)，初始相位θ是常数，则H(f_HP)(t)＝sin(ω_ct+θ)，其中H(·)表示希尔伯特算子，ω_c是载波频率，并且令基带信号a(t)＝f_LP(t)，天线发送的电场信号为

准确的表达为

其中，A用于控制电磁波的幅度，k，d分别为波矢和波所到达的位置向量，<·>表示内积，且

r是电磁波的辐射方向，θ是初始相位，λ_c是电磁波的波长，

是a的希尔伯特变换，不失一般性，令θ＝0，有：

$s\left(t\right)=(a\left(t\right)+i\hat{a}\left(t\right))(\cos \left({\mathrm{\&omega;}}_{c}t\right)+i\sin \left({\mathrm{\&omega;}}_{c}t\right))$

$=a\left(t\right)\cos \left({\mathrm{\&omega;}}_{c}t\right)-\hat{a}\left(t\right)\sin \left({\mathrm{\&omega;}}_{c}t\right)+i(a\left(t\right)\sin \left({\mathrm{\&omega;}}_{c}t\right)+\hat{a}\left(t\right)\cos \left({\mathrm{\&omega;}}_{c}t\right))$

$=f\left(t\right)+\mathrm{ig}\left(t\right)$

由于希尔伯特变换是线性变换，即H(f₁+f₂)(t)＝Hf₁(t)+Hf₂(t)，又H(sin(ωt))＝-cos(ωt)，根据Bedrosian定理有：因此，s(t)是一个IQ调制信号，f(t)，g(t)分别是IQ调制中的I路和Q路信号，信号

是s(t)的复基带信号，相当于把信号s(t)的单边频谱S(ω)，ω＞0移到ω-ω_c处。调整相位后的s(t)可以写成： $s\left(t\right)=\left[(a\left(t\right)+i\hat{a}\left(t\right))e^{\mathrm{j\&psi;}}\right]e^{i({\mathrm{\&omega;}}_{c}t+\mathrm{\&theta;})},$ 其中ψ是要调整的相位。

对于OFDM/OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交频分多址)系统，设发射端有N根天线，则天线上发射的控制信号可以表示为：x＝Ws，其中

是调整幅度和相位前的控制信号，K是每个载波承载的符号数， 其中W为预编码矩阵，W中的每个元素w_n，k包含相位和幅度的调整，统称为权重。

步骤S104，数据收发器将调整后的控制信号发送给所选天线。

数据收发器将调整后的控制信号x发送给所选天线。

步骤S105，所选天线利用所述电磁波波束发射控制信号。

所选天线接收到调整后的控制信号x，将其进行数模转换后在选定的频段利用所形成的电磁波波束进行发射。

图2是本发明实施例二提供的一种大规模天线系统同步信号发送方法的流程图。同步信号是控制信号的一种，用于终端和基站的同步进而确定基站编号。如图2所示，所述方法包括以下步骤：

步骤S201，发送同步信号。

基站向用户终端发送同步信号。

步骤S202，根据不同情况对同步信号进行预编码。

基站在发送主同步信号的同时，还在主同步信号占用的子频段上在不同的时间(在OFDM系统中表现为不同的时域符号)向用户发送辅助同步信号，则在时间域上与主同步信号相邻的辅助同步信号，在频率域上使用与主同步信号相同的预编码矩阵进行预编码。这里的相邻指信号在无线信道数据帧结构中处于同一子帧或者同一帧。

在一定时域间隔周期T内，在时域上不相邻的同步信号，使用不同的预编码矩阵进行预编码，以便形成不同的波束，增强覆盖。

在不同的时域间隔周期T内，同步信号使用相同的预编码矩阵集合，以减少同步的周期。例如，时域间隔设定为一帧，在一帧内使用了预编码矩阵w₁，w₂，则所有不同的帧上，均使用相同的波速赋形向量集合{w₁，w₂}。

对于系统的同步信号序列v，若符合以下形式：v_i＝v_P-i，其中，P是同步信号序列的长度，v_i是v的第i个元素，并且控制器选中的天线在同一个子载波上只发送一个符号，即(这种情况下的预编码矩阵可称为波束赋形向量)，

是一个复数，其取值范围为v，对于不同子载波上的w，有w_n，i＝w_n，P-i，其中，w_n，i表示天线n上发送同步信号v_i时的权重。当同步信号序列v占用的子载波个数较少时，比如占用的总带宽不超过5MHz时，可令w_n，i＝w_n，P-i＝w_n。对于系统的同步信号序列v，若其中元素v_i对应的子载波符合以下形式：q＝Ki+D，其中K，D是常数，并且为整数，D为子载波偏移量，q为OFDM系统中的子载波编号，即v中元素在子载波上等间隔放置(每隔K-1个子载波放置一个元素)，则所有的同步信号v_i使用相同的预编码矩阵。

同步信号通过预编码矩阵或者波束赋形向量进行预编码后，调整了同步信号的幅度和相位，生成调整后的同步信号。调整后的同步信号经数据收发器发送给控制器选中的天线。

步骤S203，发射调整后的同步信号。

所选天线接收到调整后的同步信号后经数模转换在选定的频段进行发射，以通过形成的电磁波波束发射出去。

图3是本发明实施例三提供的一种大规模天线系统同步信号发送方法的流程图。本实施例假设在无线接入OFDM系统，有N_Sc个子载波，编号从-N_Sc/2到N_Sc/2-10表示直流分流，每个子载波的带宽是Δf。基站配置128个天线，线性均匀分布，编号为1到128，每个天线间隔0.5个载波波长，即若载波为2.5GHz，则间隔为6cm。如图3所示，所述方法包括以下步骤：

步骤S301，选择天线。

控制器选择发射天线时以增大天线间隔为原则。在本实施例中，每隔三个天线抽出一个天线用于同步信号发射，即选择使用32个间隔为1.5个载波波长的天线。

步骤S302，调制待发送的同步信号。

图3a是本发明实施例三提供的OFDM系统同步信号在基带信号时域中的位置示意图，如图3a所示，一个无线信道的帧时长为10毫秒，一个帧内包含10个子帧，每个子帧又包含14个时隙，主同步信号位于第0个和第5个子帧的第6个时隙，辅助同步信号位于第0个和第5个子帧的第7个时隙。#0子帧上同步信号的预编码矩阵为

则同一子帧上的辅同步信号使用相同预编码矩阵w₀。#5子帧上的两个同步信号使用预编码矩阵

w₀和w₅可以相同也可以不相同，主要由控制器确定，但同一子帧内所有的子载波使用相同的预编码矩阵。若同一帧或多帧内使用不同的预编码矩阵，周期间隔由控制器选定。若为1帧，则相异的帧内都使用w₀和w₅。

基站向终端发送同步信号和辅同步信号时，其主同步信号是为 $d_u\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}{e}^{-j\frac{\mathrm{\&pi;un}(n+1)}{63}}& n=\mathrm{0,1},...,30\\ e^{-j\frac{\mathrm{\&pi;u}(n+1)(n+2)}{63}}& n=\mathrm{31,32},...,61\end{array}\right.,$ d_u(n)＝d_u(63-n)，其中n是子载波编号，0对应基带的直流分量，m可以取以下的值：25，29，34。主同步信号在频域中的位置如图3b所示，子载波编号n由-36到子载波35，其中编号为0、-36～-32和32～35等子载波没有使用。

步骤S303，发送调制后的同步信号。

对于基站向终端用户发送的同步信号，在进行调整相位和幅度后，转换成射频信号并在选定的天线进行发射，以通过在选定频段形成特定的电磁波波束发射出去。

图4是本发明实施例四提供的一种大规模天线系统同步信号发送方法的流程图。本实施例假设在无线接入OFDM系统，有N_Sc个子载波，子载波间隔为Δf，基站配置128个天线。如图4所示，所述方法包括以下步骤：

步骤S401，波束赋形。

基站向终端发送主同步信号和辅同步信号，其主同步信号序列v放置的子载波位置如图4a所示，q＝2i+41，i＝0，1，2，…，215，其中q为子载波位置，一共216个信号，图中第256个载波为直流分量。对于图4b中的帧结构，一个无线信道的超帧时长为20毫秒，一个超帧内包含4个帧，主同步信号在#1帧，辅同步信号在#0，#2，#3帧。一个超帧中所有同步信号使用相同的预编码矩阵，每两个超帧为一个波束赋形周期。

步骤S402，发送波束赋形后的信号。

本实施例中，选择所有的天线进行发射波束赋形后的射频信号。

图5是现有技术提供的一个64根全向天线的均匀天线阵列的方向图，图6是本发明实施例提供的一个64根全向天线的均匀天线阵列经相位调整后的方向图。在图5中，每个天线的间隔为0.5个波长，各个天线均没有进行相位调整和发射信号的幅度调整，θ是地平面上的角度。由图5可见，天线阵列的辐射范围很窄。在图6中，每个天线的间隔为0.5个波长，各个天线均进行了相位调整和发射信号的幅度调整，可见天线的范围较广，在视距范围内，天线阵列的辐射范围加强了。

图7是本发明实施例五提供的一种大规模天线系统控制信号发送装置的功能模块示意图，如图7所示，所述装置包括基站控制器、多个射频天线、数据收发器。其中基站控制器包括选择单元和预编码单元。

基站控制器用于在基站向用户终端发送控制信号时从多个射频天线中选择适于发射控制信号的射频天线及其频段，并调整所述控制信号的相位和幅度，以在所选天线的所选频段形成适于发射调整后的控制信号的电磁波波束，然后将调整后的控制信号发送给所选天线。

在基站向用户终端发送控制信号时，基站控制器的选择单元选择发射控制信号的天线及频段，其中，选择天线时，可以选择部分天线，也可以选择全部天线。

基站控制器的预编码单元对待发送的控制信号进行预编码。预编码单元通过对控制信号进行预编码调整所述控制信号的相位和幅度。在采用IQ方法调整控制信号的相位和幅度时，预编码单元在复基带利用预编码矩阵对控制信号进行预编码。当基站为OFDM系统时，预编码单元在子载波基带利用预编码矩阵对控制信号进行预编码。

预编码单元根据不同的同步信号进行不同的预编码处理。当控制信号是同一子帧或同一帧的主同步信号和辅同步信号时，预编码单元使用相同的预编码矩阵对所述主同步信号和辅同步信号进行预编码；当控制信号是在一定时域间隔周期内时域上不相邻的同步信号时，预编码单元使用不同的预编码矩阵对所述时域上不相邻的同步信号进行预编码，以形成不同电磁波波束；当控制信号是在不同的时域间隔周期内的同步信号时，预编码单元使用相同的预编码矩阵对所述同步信号进行预编码，以形成不同电磁波波束；当控制信号是同步信号序列且所述序列中的元素在子载波上等间隔放置时，预编码单元使用相同的预编码矩阵对同步信号序列中的所有元素进行预编码。

数据收发器用于接收和发送数据。数据收发器在接收到预编码单元输出的预编码后的控制信号后，将其发送给控制器所选择的射频天线。

多个射频天线，用于在所选天线的所选频段利用所形成的电磁波波束发射调整后的控制信号。所选天线在接收到数据收发器发送的预编码后的控制信号后，将所述与编码后的控制信号经数模转换后，再经过上变频转换成射频信号，并在选定频段形成适于发射射频信号的电磁波波束将其发射出去。

综上所述，本发明通过调节所选控制信号的射频信号的幅度和相位，在所选天线的选定频段形成适于发射控制信号的电磁波波束，解决了多天线基站覆盖范围边缘的干扰问题以及基站控制信号发射功率比数据信号功率低的问题，提升了每个天线的发射功率进而增大了基站的覆盖范围，减轻了基站覆盖范围边缘的干扰。

尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本技术领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种大规模天线系统控制信号发送方法，其特征在于，所述方法包括：

在基站向用户终端发送控制信号时，基站控制器从多个射频天线中选择适于发射控制信号的射频天线及其频段；

基站控制器调整所述控制信号的相位和幅度，以在所选天线的所选频段形成适于发射调整后的控制信号的电磁波波束；

基站控制器将调整后的控制信号发送给所选天线；

所选天线在所选频段利用所形成的电磁波波束发射调整后的控制信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基站控制器调整所述控制信号的相位和幅度的步骤具体为：

基站控制器通过对控制信号进行预编码调整所述控制信号的相位和幅度。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，基站控制器对控制信号进行预编码的步骤具体为：

在采用IQ方法调整所述控制信号的相位和幅度时，基站控制器在复基带利用预编码矩阵对控制信号进行预编码。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，基站控制器对控制信号进行预编码的步骤具体为：

当基站为OFDM系统时，基站控制器在子载波基带利用预编码矩阵对控制信号进行预编码。

5.根据权利要求2至4任一项所述的方法，其特征在于，基站控制器对控制信号进行预编码的步骤包括：

当控制信号是同一子帧或同一帧的主同步信号和辅同步信号时，基站控制器使用相同的预编码矩阵对所述主同步信号和辅同步信号进行预编码；

当控制信号是在一定时域间隔周期内时域上不相邻的同步信号时，基站控制器使用不同的预编码矩阵对所述时域上不相邻的同步信号进行预编码，以形成不同电磁波波束；

当控制信号是在不同的时域间隔周期内的同步信号时，基站控制器使用相同的预编码矩阵对所述同步信号进行预编码；

当控制信号是同步信号序列且所述序列中的元素在子载波上等间隔放置时，基站控制器使用相同的预编码矩阵对同步信号序列中的所有元素进行预编码。

6.一种大规模天线系统控制信号发送装置，其特征在于，所述装置包括：

基站控制器，用于在基站向用户终端发送控制信号时从多个射频天线中选择适于发射控制信号的射频天线及其频段，并调整所述控制信号的相位和幅度，以在所选天线的所选频段形成适于发射调整后的控制信号的电磁波波束，然后将调整后的控制信号发送给所选天线；

多个射频天线，用于在所选天线的所选频段利用所形成的电磁波波束发射调整后的控制信号。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，

基站控制器还用于通过对控制信号进行预编码调整所述控制信号的相位和幅度。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，

基站控制器还用于在采用IQ方法调整所述控制信号的相位和幅度时在复基带利用预编码矩阵对控制信号进行预编码。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，

基站控制器还用于当基站为OFDM系统时在子载波基带利用预编码矩阵对控制信号进行预编码。

10.根据权利要求7至9任一项所述的装置，其特征在于，基站控制器还用于：

当控制信号是同一子帧或同一帧的主同步信号和辅同步信号时，使用相同的预编码矩阵对所述主同步信号和辅同步信号进行预编码；

当控制信号是在一定时域间隔周期内时域上不相邻的同步信号时，使用不同的预编码矩阵对所述时域上不相邻的同步信号进行预编码，以形成不同电磁波波束；

当控制信号是在不同的时域间隔周期内的同步信号时，使用相同的预编码矩阵对所述同步信号进行预编码；

当控制信号是同步信号序列且所述序列中的元素在子载波上等间隔放置时，使用相同的预编码矩阵对同步信号序列中的所有元素进行预编码。

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