CN104246530A - 用于doa估计的天线布置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及包括设置成覆盖某个角扇区(6)的至少两个天线功能(2、3、4、5)的天线布置(1)。各天线功能(2、3、4、5)包括对应天线端口。天线布置(1)设置成在第一频率(f1)执行发射装置(12)的第一到达方向DOA估计。天线布置(1)还设置成在第二频率(f2)执行发射装置(12)的第二DOA估计，其中第二频率(f2)具有比第一频率(f1)要大的量值。至少一个第二频率栅瓣(13、14、31、32、33、34、35、36)在第二频率(f2)的角扇区(6)中是显而易见的。天线布置(1)设置成通过来自第一DOA估计的结果来将所述第二频率栅瓣(13、14、31、32、33、34、35、36)与第二频率主瓣(15、15’)分离，第二频率主瓣(15、15’)的指向(17、17’)形成所产生DOA估计。本发明还涉及对应方法。

Description

用于DOA估计的天线布置
技术领域
本发明涉及包括设置成覆盖某个角扇区的至少两个天线功能的天线布置。各天线功能包括对应天线端口。该天线布置设置成在第一频率执行发射装置的第一到达方向(DOA)估计。
本发明还涉及一种用于估计发射装置的到达方向(DOA)的方法，该方法包括在第一频率执行发射装置的第一DOA估计的步骤。
 
背景技术
在高级LTE(长期演进)中，通过连续或者非连续地聚合分量载波来实现较宽带宽。分量载波与LTE Rel-8所定义的分量载波后向兼容。对于连续载波聚合，聚合连续谱。另一方面，对非连续载波聚合累积不连续频带。
查找通信系统中的用户终端的位置在一段时间一直受到关注，一个示例包括用户终端中的GPS(全球定位系统)的使用。另一种方式是在基站使用DOA(到达方向)估计。借助于DOA估计，可找到用户终端相对基站的方向。用户终端的方向的知识接着可与基站和用户终端之间的时间延迟的知识相结合，以查找用户终端的位置。通过组合来自若干基站的DOA估计，用户终端位置也能够通过三角测量来查找。DOA估计通常在基站中通过使用从用户终端所传送的探测信号进行。
但是，仍然能够改进现有解决方案，使得能够以更高精度来估计DOA。
因此，需要以比通过现有解决方案所提供的精度要高的精度的DOA的估计。
发明内容
本发明的一个目的是以比通过现有解决方案所提供的精度要高的精度来提供DOA的估计。
所述目的通过包括设置成覆盖某个角扇区的至少两个天线功能的天线布置来获得。各天线功能包括对应天线端口。该天线布置设置成在第一频率执行发射装置的第一到达方向(DOA)估计。该天线布置还设置成在第二频率执行发射装置的第二DOA估计，其中第二频率具有比第一频率要大的量值。至少一个第二频率栅瓣在第二频率的角扇区中是显而易见的。该天线布置设置成通过来自第一DOA估计的结果将所述第二频率栅瓣与第二频率主瓣分离。第二频率主瓣的指向形成所产生DOA估计。
所述目的还通过一种用于估计发射装置的到达方向(DOA)的方法来获得，该方法包括在第一频率执行发射装置的第一DOA估计的步骤。该方法还包括下列步骤：
在第二频率执行发射装置的第二DOA估计，第二DOA估计产生至少一个第二频率栅瓣和第二频率主瓣；
使用来自第一DOA估计的结果将所述第二频率栅瓣与第二频率主瓣分离；以及
从第二频率主瓣的指向来形成所产生DOA估计。
第二频率具有比第一频率要大的量值。
按照一示例，第一DOA估计产生第一频率主瓣。该天线布置设置成通过一方面的第一频率主瓣的指向与另一方面的第二频率主瓣和所述第二频率栅瓣的对应指向之间的比较，来将所述第二频率栅瓣与第二频率主瓣分离，其中相应主瓣具有相同指向。
备选地，第一DOA估计产生第一频率主瓣和至少一个第一频率栅瓣。该天线布置设置成通过一方面的第一频率主瓣和所述第一频率栅瓣的对应指向与另一方面的第二频率主瓣和所述第二频率栅瓣的对应指向之间的比较，来将所述第二频率栅瓣与第二频率主瓣分离，其中相应主瓣具有相同指向。
按照另一个示例，该天线布置包含在无线通信系统节点中，该节点又包括至少两个天线布置。各天线布置预计覆盖某个角扇区。
按照另一个示例，天线端口连接到波束形成装置。在这种情况下，在DOA估计时使用波束形成。
在从属权利要求中公开更多示例。
多个优点通过本发明来获得；它主要实现准确和明确的DOA估计。
附图说明
现在将参照附图更详细地描述本发明，附图包括：
图1示出节点的示意侧视图；
图2示出节点的示意顶视图；
图3示出天线布置的示意图；
图4示出在第一频率的天线布置的第一示例的波束形成谱；
图5示出在第二频率的天线布置的第一示例的波束形成谱；
图6示出在第一频率的天线布置的第二示例的波束形成谱；
图7示出在第二频率的天线布置的第二示例的波束形成谱；以及
图8示出按照本发明的方法的流程图。
具体实施方式
参照图1和图2，存在无线通信系统节点23，节点23又包括第一天线布置1、第二天线布置24和第三天线布置25。各天线布置1、24、25预计覆盖某个对应角扇区6、26、27。角扇区6、26、27在方位平面7中示出，并且具有相应角跨度。
天线布置1设置成执行发射装置12(其相对参考线条L沿某个角方向D所定位)的到达方向DOA估计。
下面将参照图3更详细地描述第一天线布置1，其它天线布置24、25具有相似设计。第一天线布置1包括设置成覆盖角扇区6的四个天线功能2、3、4、5，各天线功能2、3、4、5包括对应天线端口8、9、10、11。
DOA估计在这里通过波束形成来执行。为此，天线端口8、9、10、11连接到波束形成装置28，波束形成装置又包括设置成控制波束形成和DOA估计的控制单元29。
这个控制单元29设置成估计使波束形成谱为最大的DOA，由下式给出
                                  (1)
其中，是作为方位角的函数的天线布置导向矢量，以及是所估计天线布置协方差矩阵。方位角改变成覆盖角扇区6。字母H表示厄密共轭，即共轭转置。因此，测试多个天线布置导向矢量。
在第一示例中，天线功能2、3、4、5之间的距离d为，其中表示具有最低频率的载波的波长，这里的第一频率。因此，天线功能2、3、4、5之间的距离d是在700 MHz的波长的一半。
图4示出在第一频率f1的所述角扇区6之上的第一天线布置1的波束形成谱，其中第一天线布置1按照波长所测量是较小的，从而产生较宽的第一频率主瓣18而没有栅瓣。这将给出明确的第一DOA估计，但是这些估计的方差将因较宽的第一频率主瓣18而较高，这引起相对不准确的DOA估计精度。
按照本发明，第一天线布置1设置成在第二频率执行发射装置12的第二DOA估计，其中第二频率f2具有比第一频率f1要大的量值。图5示出在第二频率f2的所述角扇区6之上的波束形成谱的示例，其中第一天线布置1按照波长所测量是较大的，从而产生窄的第二频率主瓣15。但是，阵列元件之间的距离将大于在较高的第二频率f2的半波长，从而导致栅瓣和不明确DOA估计。
如图5所示，两个第二频率栅瓣13、14在第二频率f2的角扇区6中是显而易见的。在第二频率f2的瓣13、14、15中的哪一个具有最高幅度的峰值通过噪声来确定。在这个上下文中，应当注意，栅瓣定义为由阵列天线所产生的除了主瓣之外的瓣，其中元件间的间距充分大，以准许沿超过一个方向的辐射场的同相添加。
因此，在较低的第一频率f1的DOA估计给出明确但不良的DOA估计，以及在较高的第二频率f2的DOA估计给出不明确DOA估计。不明确DOA估计对三角测量是有害的，因为它们增加重影目标的数量。按照本发明，在第一频率f1和第二频率f2的DOA估计能够相结合，以产生具有高精度的明确估计，其中第二频率f2具有比第一频率f1要大的量值。
这是可能的，因为第一天线布置1设置成通过来自第一DOA估计的结果，来将第二频率栅瓣13、14与第二频率主瓣15分离。当阐明哪一个瓣是第二频率主瓣15时，第二频率主瓣15的指向17形成所产生DOA估计。
更详细来说，天线布置1设置成通过一方面的第一频率主瓣18的指向16与另一方面的第二频率主瓣15和所述第二频率栅瓣13、14的对应指向17、44、45之间的比较，来将第二频率栅瓣13、14与第二频率主瓣15分离，其中相应主瓣18、15具有相同指向16、17。这样，消除在第二频率f2的不明确性。由于第二频率主瓣15比第一频率主瓣18要窄，所以第二频率主瓣15的指向17用作DOA估计。在本例中，按照图4和图5，DOA近似为30°。
按照以上所述的DOA估计能够被看作是多个步骤：
-   在第一频率f1计算波束形成谱，并且查找与这个谱中的最高峰值对应的方向。将这个方向表示为。
-   在第二频率f2计算波束形成谱，并且查找与这个谱中的N个最高峰值对应的方向，其中N-1是当第一天线布置被导向其最大容许方向时、在第二频率f2的波束方向图中的栅瓣的数量。将这些方向表示为。
-   最终DOA估计由给出，其最接近。
按照第二示例，参照示出在第一频率f1的所述角扇区6之上的波束形成谱的图6，第一DOA估计产生第一频率主瓣18’和第一频率栅瓣30。这归因于如下事实：天线功能2、3、4、5之间的距离d在这种情况下超过，仍然表示具有最低频率的载波的波长，第一频率。
此外，参照示出在第二频率f2的所述角扇区6之上的波束形成谱的图7，第二DOA估计在第二频率f2的角扇区6中产生第二频率主瓣15’和六个第二频率栅瓣31、32、33、34、35、36。
在这里，栅瓣30、31、32、33、34、35、36对于第一频率f1以及对于第二频率f2存在，以及需要识别哪些瓣是栅瓣而哪些瓣是主瓣。
天线布置1设置成通过一方面的第一频率主瓣18’和第一频率栅瓣30的对应指向16’、37与另一方面的第二频率主瓣15’和第二频率栅瓣31、32、33、34、35、36的对应指向17’、38、39、40、41、42、43之间的比较，来将第二频率栅瓣31、32、33、34、35、36与第二频率主瓣15’分离。相应主瓣18’、15’具有相同指向。
这样，识别两种频率f1、f2的主瓣，所有不明确性均消除。如同前一种情况一样，由于第二频率主瓣15’比第一频率主瓣18’要窄，所以第二频率主瓣15’的指向17’用作DOA估计。在本例中，按照图6和图7，DOA近似为30°。
这意味着，如果第一频率f1也包含栅瓣，或者如果使用两个以上频率，则不明确方向能够通过查找所有频率共同的方向来解决。其它方向由栅瓣引起。对于天线功能配置和频带的一些组合，不可能解决这种情况中的不明确性。
其中DOA估计对于基站与用户之间的通信是有用的一个示例是当基于非码本的用户特定波束形成将在基站应用并且所述的信道不是互易（reciprocal）的时候。信道因例如频域双工(FDD)系统中的不同下行链路(DL)和上行链路(UL)频率而可能是非互易的。其中信道不是互易的另一种情况是在DL和UL使用不同天线时。DL信道则将与UL的所估计信道不同，并且因此DL波束形成权重无法基于UL瞬时信道。
但是，即使瞬时信道在DL和UL中是不同的，基站与构成发射装置12的用户终端之间的角也是互易的。因此，基于UL上的DOA估计的波束形成能够用于DL波束形成中。
用于通信目的的DOA估计的另一种应用是控制可重新配置天线的指向。基于到小区中构成发射装置12的用户终端的方向，可重新配置天线能够用来聚焦能量，其中用户终端按照小区特定方式。
本发明的基本概念是按照智能方式组合来自不连续频带的探测信号，使得DOA模拟变得更为精确。
参照图8，本发明还涉及一种用于估计发射装置12的DOA的方法，该方法包括下列步骤：
19：在第一频率f1执行发射装置16的第一DOA估计；
20：在第二频率f2执行发射装置17的第二DOA估计，第二频率f2具有比第一频率f1要大的量值，第二DOA估计产生至少一个第二频率栅瓣13、14、31、32、33、34、35、36和第二频率主瓣15、15’；
21：使用来自第一DOA估计的结果来将所述第二频率栅瓣13、14、31、32、33、34、35、36与第二频率主瓣15、15’分离。
22：从第二频率主瓣(15、15’)的指向(17、17’)来形成所产生DOA估计。
本发明并不局限于上述示例，而是可在所附权利要求书的范围之内自由变化。例如，发射装置12可以是节点或者任何类型的用户终端。它也可例如由雷达装置或者由干扰发射器来包含。
任何数量的天线布置1、24、25可按照以上所述用于DOA估计，各天线布置1、24、25覆盖某个角扇区6、26、27。天线布置1、24、25优选地是相似的，从而覆盖同样大的角扇区6、26、27，但是这不是必要的。天线布置1、24、25可具有相互不同的设计，包括相互不同数量的天线功能并且覆盖不同大小的角扇区6、26、27。
各天线功能2、3、4、5可由单个天线单元或者由天线单元阵列来构成。天线功能2、3、4、5的数量可改变，但是各天线布置1、24、25应当包括至少两个天线功能2、3、4、5。因此，各天线布置1、24、25包括阵列天线。
在存在栅瓣的情况下，可存在任何数量的栅瓣。这与天线功能和所使用频率之间的距离相关。
本发明是诸如基站、中继器或转发器之类的网络节点23中的UL的DOA估计感兴趣的，但是原则上也可应用于用户终端中的DL。
本发明涉及在两个频带f1、f2单独执行DOA估计，并且然后将这两个估计组合为一个最终估计。在第一频带f1的低精度DOA估计用来对于在第二频带f2的高精度估计消除歧义，从而引起具有高精度的明确估计。使用在两个频带的波束形成来描述了DOA估计，但是该方法能够扩展成其它DOA估计方法以及扩展到超过两个频带。
这意味着，天线布置1可设置成在其它对应频率执行发射装置12的其它DOA估计，所述对应频率的每个具有比第一频率f1要大的量值。
所提出的方法也能够用于无线通信目的。
DOA可在任何平面、例如高程平面中执行，并且因而不仅是在所述方位平面中执行。应当注意，各天线布置1、24、25不仅在单个平面中、而且在体积中也具有覆盖。
天线单元2、3、4、5之间的距离d对于天线布置不必相等，而是可改变。对于不对称天线布置，栅瓣相对主瓣具有不同幅度。
对于术语“频率”，通常表示载波频率，信号波形在载波频率周围是相对窄带的。
在提到相应主瓣18、15、18’、15’具有相同指向16、17、16’、17’时，要理解，指向16、17、16’、17’不是完全相同的。由于噪声、校准误差和其它误差源，将最有可能存在差异。因此，相应主瓣18、15、18’、15’在对于按照本发明的天线布置实际上可获得的范围之内具有相同指向16、17、16’、17’。

Claims (12)

1. 一种包括设置成覆盖某个角扇区(6)的至少两个天线功能(2，3，4，5)的天线布置(1)，各天线功能(2，3，4，5)包括对应天线端口(8，9，10，11)，其中所述天线布置(1)设置成在第一频率(f1)执行发射装置(12)的第一到达方向DOA估计，其特征在于，所述天线布置(1)设置成在第二频率(f2)执行所述发射装置(12)的第二DOA估计，所述第二频率(f2)具有比所述第一频率(f1)要大的量值，其中至少一个第二频率栅瓣(13，14；31，32，33，34，35，36)在所述第二频率(f2)的所述角扇区(6)中是显而易见的，所述天线布置(1)设置成通过来自所述第一DOA估计的结果来将所述第二频率栅瓣(13，14；31，32，33，34，35，36)与第二频率主瓣(15，15’)分离，所述第二频率主瓣(15，15’)的指向(17，17’)形成所产生DOA估计。
2. 如权利要求1所述的天线布置，其特征在于，所述第一DOA估计产生第一频率主瓣(18)，所述天线布置(1)设置成通过一方面的所述第一频率主瓣(18)的指向(16)与另一方面的所述第二频率主瓣(15)和所述第二频率栅瓣(13，14)的对应指向(17；44，45)之间的比较，来将所述第二频率栅瓣(13，14)与所述第二频率主瓣(15)分离，其中所述相应主瓣(18，15)具有相同指向。
3. 如权利要求1所述的天线布置，其特征在于，所述第一DOA估计产生第一频率主瓣(18’)和至少一个第一频率栅瓣(30)，所述天线布置(1)设置成通过一方面的所述第一频率主瓣(18’)和所述第一频率栅瓣(30)的对应指向(16’，37)与另一方面的所述第二频率主瓣(15’)和所述第二频率栅瓣(31，32，33，34，35，36)的对应指向(17’，38，39，40，41，42，43)之间的比较，来将所述第二频率栅瓣(31，32，33，34，35，36)与所述第二频率主瓣(15’)分离，其中所述相应主瓣(18’，15’)具有相同指向。
4. 如以上权利要求中的任一项所述的天线布置，其特征在于，所述天线布置(1)设置成在其它对应频率执行所述发射装置(12)的其它DOA估计，所述对应频率的每个具有比所述第一频率(f1)要大的量值。
5. 如以上权利要求中的任一项所述的天线布置，其特征在于，所述天线布置(1)包含在无线通信系统节点(23)中，所述节点(23)又包括至少两个天线布置(1，24，25)，各天线布置(1，24，25)预计覆盖某个角扇区(6，26，27)。
6. 如以上权利要求中的任一项所述的天线布置，其特征在于，所述天线端口(8，9，10，11)连接到波束形成装置(28)。
7. 如权利要求6所述的天线布置，其特征在于，所述波束形成装置(28)包括设置成控制所述波束形成和所述DOA估计的控制单元(29)。
8. 一种用于估计发射装置(12)的到达方向DOA的方法，所述方法包括下列步骤：
(19) 在第一频率(f1)执行所述发射装置(16)的第一DOA估计；
其特征在于，所述方法还包括下列步骤：
(20) 在第二频率(f2)执行所述发射装置(17)的第二DOA估计，所述第二频率(f2)具有比所述第一频率(f1)要大的量值，所述第二DOA估计产生至少一个第二频率栅瓣(13，14；31，32，33，34，35，36)和第二频率主瓣(15，15’)；
(21) 使用来自所述第一DOA估计的结果来将所述第二频率栅瓣(13，14；31，32，33，34，35，36)与所述第二频率主瓣(15，15’)分离；以及
(22) 从所述第二频率主瓣(15，15’)的指向(17，17’)来形成所产生DOA估计。
9. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一DOA估计产生第一频率主瓣(18)，其中将所述第二频率栅瓣(13，14)与所述第二频率主瓣(15)分离的步骤包括将所述第一频率主瓣(18)的指向(16)与所述第二频率主瓣(15)和所述第二频率栅瓣(13，14)的对应指向(17；44，45)进行比较，其中所述相应主瓣(18，15)具有相同指向。
10. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一DOA估计产生第一频率主瓣(18)和至少一个第一频率栅瓣(30)，其中将所述第二频率栅瓣(31，32，33，34，35，36)与所述第二频率主瓣(15’)分离的步骤包括将所述第一频率主瓣(18’)和所述第一频率栅瓣(30)的对应指向(16’，37)与所述第二频率主瓣(15’)和所述第二频率栅瓣(31，32，33，34，35，36)的对应指向(17’，38，39，40，41，42，43)进行比较，其中所述相应主瓣(18’，15’)具有相同指向。
11. 如权利要求8-10中的任一项所述的天线布置，其特征在于，所述方法还包括在其它对应频率执行所述发射装置(12)的其它DOA估计的步骤，所述对应频率的每个具有比所述第一频率(f2)要大的量值。
12. 如权利要求8-11中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法将波束形成用于执行所述DOA估计。
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