CN1232060C - 一种用于切换波束型智能天线系统的波束判决方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于切换波束型智能天线系统的波束判决方法和装置，它引入双阈值作为判断信号质量指标最优出现次数是否发生明显变化的判据，只有当以固定采样速率测得的一段时间内波束的信号质量指标最优出现次数发生明显变化并且该对应波束不是用户位置所属当前波束时，才确定进行波束切换，否则，保持当前用户位置所属波束不变，由此可在对波束内信号较强的用户影响不大的前提下，减少波束交界处用户的切换次数并且在用户位置改变时完成波束切换。

Description

一种用于切换波束型智能天线系统的波束判决方法和装置

技术领域

本发明涉及无线通信系统的接收方法与装置，特别涉及一种用于切换波束型智能天线系统的波束判决方法和装置。

背景技术

在无线通信系统中，用户设备与基站通过无线信道传播信号。与有线信道相比，无线信道环境较为恶劣，存在衰落、多径等诸多干扰，所以无线通信系统中的信号接收处理方法一直是直接影响系统性能的一个决定因素。

码分多址(Code Division Multiple Access，以下简称为CDMA)系统作为一种无线通信系统，也具有无线通信系统的上述特征。而且在该系统中，多个用户在同一时刻共用同一频点发射信号，所以还存在自干扰，即不同用户相互之间干扰，又称多址干扰(Multiple Access Interference，简称为MAI)，从而使无线信号的接收更加困难。但是由于CDMA系统具有系统容量大、频谱利用率高、背景噪声抑制能力强以及保密性好等特点，所以正逐渐成为无线通信的主流技术之一。

为了提高无线信号的接收能力从而增加系统的容量，传统上采用时间分集、天线分集等技术。采用这些技术虽然已经取得了一定的效果，但是技术的发展和实际应用的需求对于系统无线信号接收提出了更高的要求。近年来，随着多用户检测(MultiUser Detection，简称为MDI)技术、自适应均衡技术以及智能天线(Smart Antenna)技术的发展，为进一步提高CDMA系统对于无线信号的接收性能提供了可能。其中，智能天线技术来源于军事技术中的阵列天线(ArrayAntenna)技术，属于一种通过空间信息区别不同用户的空间分集方法，它通过数字信号处理，使天线阵为每个用户自适应地进行波束赋形，相当于为每个用户形成了一个可跟踪它的高增益天线。

如图1所示，一个典型的智能天线系统可以分为三大部分：信号接收单元、波束形成单元以及权值确定单元，以下分别加以描述。

信号接收单元10包括天线阵列(由天线阵元1011～101N构成)以及与每个天线阵元对应的射频通道1021～102N。多个天线阵元按照一定的几何关系构成天线阵列，分别独立接收空中无线信号。为了保证这些信号可以用于后续处理，要求这些天线阵元具有相关性，如此各个相邻阵元之间的距离一般设置为所接收射频信号波长的一半左右。各个射频通道与天线阵元相对应，完成对于天线阵元输出信号的放大与解调。信号接收单元的输入为空中无线信号，输出为具有相关关系的经过解调的复信号X₁～X_N。

波束形成单元11用于为每个用户进行波束赋形，它包括复数乘法器组(由复数乘法器1111～111N组成)以及复数加法器112。复数乘法器组中的复数乘法器1111～111N完成信号接收单元10输出的解调后信号与权值确定单元提供的对应权值ω_i(i＝1，2……N)之间的乘法运算并将信号输出至复数加法器。复数加法器对复数乘法器的输出结果求和并输出信号r。输出信号r一方面作为整个智能天线系统的输出，另一方面还提供给权值确定单元12。

权值确定单元12确定波束形成单元11中各个复数乘法器作乘法运算时用到的对应权值ω_i，其输入为信号接收单元10各射频通道的输出X₁～X_N和波束形成单元的输出r，输出为权值ω_i。该单元是智能天线系统的核心部分，其输出权值的质量将直接影响整个智能天线系统输出信号r的质量。

智能天线系统按照待处理信号中心频率的大小可以分为中频智能天线系统和基带智能天线系统两大类。在中频智能天线系统中，信号接收单元各个射频通道的输出X₁～X_N和波束形成单元的输出r的中心频率属中频信号。其处理方法是不区分用户。采用这种类型的智能天线系统可以形成“智能小区”(SmartCell)，通过调节小区的覆盖区域来提高系统的接收质量。在基带智能天线系统中，信号接收单元各个射频通道的输出X₁～X_N和波束形成单元的输出r的中心频率属于基带信号。其处理方法是可以区别或者不区分用户，但是一般采用区别用户的处理方法。采用这种类型的智能天线系统可对不同的用户形成对应的接收波束，从而获得更加良好的接收性能。

CDMA系统由于在同一个时刻和同一个频点存在多个发射信号的不同用户，所以如果采用不区别用户的中频型智能天线系统，则接收效果不佳。而如果采用区别用户的基带型智能天线系统，则接收效果一般优于中频型智能天线系统。所以对于CDMA系统，一般采用基带型智能天线系统来提高接收质量。

基带型智能天线系统按照权值确定方法的不同可以分为切换波束(SwitchBeamed)型智能天线系统、到达方向角(DOA，Direction Of Arrived)型智能天线系统以及自适应(Adaptive)型智能天线系统三种类型。

切换波束型智能天线系统利用天线阵列预先形成多个窄的定向波束，分别指向各个方向，相当于用N个天线覆盖N个角区域。当移动用户发生移动时，这种类型的智能天线系统通过检测信号强度确定用户位置所属的波束，然后利用预先存储的与各个波束对应的权值对该用户完成波束赋形以获得最佳的输出信号，即切换至用户位置所属的波束。如图2所示，典型的切换波束型智能天线系统的权值确定单元由波束信号质量指标计算模块、波束判决模块以及权值查找模块三部分构成，其中，接收信号由各个波束的信号分量构成并且各个分量的质量指标V₁、V₂……V_M是不同的，这些分量的信号质量指标由波束信号质量指标计算装置计算确定；波束判决装置根据信号质量指标V₁、V₂……V_M确定用户位置所属的波束并输出该波束的对应标号Index；权值查找装置根据波束的标号查找出相应的权值ω₁、ω₂……，ω_N，该装置一般可用查找表或者数据库实现。

图3为切换波束智能天线系统的天线方向示意图。点O(30)为基站位置，311和312为两个确定的波束区域I与波束区域II，它们之间具有部分共同覆盖的区域III。如果用户方向位于波束I的中心线，即位于图中A位置321，则其属于波束I，换句话说，基站天线阵列接收的该用户信号中对应该波束I的信号分量的质量指标最优，因此对该用户采用波束I；如果用户方向位于两个波束交接点与基站连线上，即位于图中B位置322，则从理论上讲，基站天线阵列接收的该用户信号中对应该波束I和II的信号分量的质量指标是相等的，因此用户可以属于波束I也可以是波束II。但是考虑到噪声等因素的影响，波束I和II的信号分量的信号质量指标41和42将会如图4所示围绕理想值40随时间波动。如果按照孰大孰优的原则，即选定信号质量指标41和42中较大值对应的波束作为用户位置所属波束，则势必造成用户所属波束如图4所示在I与II之间频繁切换，而且随着噪声的增加，切换频率也将随之增大。考虑到一般的切换波束型智能天线被直接用于下行发射，这种频繁切换可能使用户设备不断进行软/更软切换，从而大量消耗系统资源，增加了系统成本。

发明内容

因此本发明的目的是提供一种用于切换波束型智能天线系统的波束判决方法，它可在对波束内信号较强的用户影响不大的前提下，减少波束交界处用户的切换次数并且在用户位置改变时完成波束切换。

按照本发明的用于切换波束型智能天线系统的波束判决方法，所述智能天线系统接收包含对应各波束的信号分量的每个用户信号并计算各信号分量的信号质量指标，其中，当系统确定每个用户位置所属波束时执行以下步骤：

(1)将设定数量的若干等间隔时刻上每个波束作为最优波束的最优出现次数分别累计，其中，所述最优波束为每一时刻具有最佳信号质量指标的信号分量所对应的波束；其中，该步骤还包括以下步骤：(1a)将每一时刻具有最佳信号质量指标的信号分量所对应的波束作为该时刻的最优波束并使该波束的最优出现次数递增一次；以及(1b)确定各个波束的最优出现次数总数是否小于所述设定数量，如果小于所述设定数量，则返回步骤(1a)，否则进入步骤(2)；在步骤(1b)进入步骤(2)之前还包含以下步骤：将获得的各个波束作为最优波束的出现次数进行排序；以及

(2)将最大的最优出现次数与预先设定的第一阈值比较，如果所述最大的最优出现次数小于预先设定的第一阈值并且用户位置当前所属波束的最优出现次数大于或等于预先设定的第二阈值，或者所述最大的最优出现次数小于预先设定的第二阈值，则确定用户位置仍然属于当前所属波束，否则，确定用户位置属于具有最大最优出现次数的波束，其中，所述第一阈值大于所述第二阈值。

因此本发明的另一个目的是提供一种用于切换波束型智能天线系统的波束判决装置，它可在对波束内信号较强的用户影响不大的前提下，减少波束交界处用户的切换次数并且在用户位置改变时完成波束切换。

按照本发明的用于切换波束型智能天线系统的波束判决装置，所述智能天线系统的权值确定单元由波束信号质量指标计算装置、波束判决装置以及权值查找装置组成，波束信号质量指标计算装置计算每个用户信号中对应各波束的信号分量的信号质量指标，权值查找装置根据波束判决装置确定的用户位置所属波束查找相应的权值，其中，所述波束判决装置包含：

最优波束选择单元，其从所述波束信号质量指标计算装置计算得到的每一时刻各波束对应信号分量的信号质量指标中选择具有最佳信号质量指标的信号分量所对应的波束作为该时刻的最优波束；

统计处理单元，其对设定数量的若干等间隔时刻上所述最优波束选择单元选定的最优波束出现次数分别进行累计以确定各波束在该若干等间隔时刻上的最优出现次数；以及

波束判决单元，将统计处理单元得到的各波束最优出现次数中的最大最优出现次数与预先设定的第一阈值比较，如果最大的最优出现次数小于预先设定的第一阈值并且用户位置当前所属波束的最优出现次数大于或等于预先设定的第二阈值，或者所述最大的最优出现次数小于预先设定的第二阈值，则确定用户位置属于当前所属波束，否则，确定用户位置属于具有最大最优出现次数的波束，其中，所述第一阈值大于所述第二阈值。

由上可见，由于采用双阈值来判断是否需要切换波束，因此可以避免或减少用户在两个波束交叠区域时波束的频繁切换，降低了系统成本并且提高了系统的可靠性。

附图说明

通过以下结合附图对本发明较佳实施例的描述，可以进一步理解本发明的各种目标、优点和特点，其中：

图1为智能天线系统的结构示意图；

图2为切换波束智能天线系统中权值确定装置的结构示意图；

图3为切换波束智能天线系统的天线方向示意图；

图4为用户位于图3中位置B处时基站智能天线接收到的信号中波束I和11分量的信号质量指标随时间的变化曲线图；

图5为权值确定过程的流程图，该过程包含了按照本发明的波束判决方法较佳实施例；以及

图6为按照本发明的波束判决装置较佳实施例的结构示意图。

具体实施方式

以下以图4为例描述各波束信号分量的噪声特性。假设一段时间[0，T]内测得的波束I对应信号分量的信号质量指标优于波束II对应信号分量的信号质量指标的时间为t₁₂，测得的波束II对应信号分量的信号质量指标优于波束I对应信号分量的信号质量指标的时间为t₂₁，两个波束I和II的噪声是独立同分布的，则可以从数学上证明t₁₂＝t₂₁＝T/2。根据研究证实，各波束的信号分量内的噪声是独立同分布的，因此对于图4中两个波束I和II的情形，当在一定时间段内以固定速率采样测量两个波束的信号分量的信号质量指标时，所测得的各波束信号质量指标的分布与用户位置存在如下的对应关系：

当用户位置为A或者用户信号到达基站天线的角度处于波束I较集中的位置A时，每次测得的信号质量指标中波束I的信号质量指标最优出现次数最多，换句话说，该出现次数占总采样次数的比例最高，其他出现次数较小的波束的信号视为噪声影响；当用户位置为B或者用户信号到达基站天线的角度处于两个波束I和II的交界处B时，每次测得的信号质量指标中波束I和波束II的信号质量指标最优或最大的出现次数几乎相等并且占总采样次数的比例较高，其他出现次数较小的波束的信号视为噪声影响；当用户信号到达基站天线的角度处于两个波束I和II的交界III处但是偏向一个波束I的中心位置(即A和B之间)时，每次测得的信号质量指标中波束I和波束II的信号质量指标最优或最大的出现次数占总采样次数的比例较高，而其他出现次数较小的波束的信号视为噪声影响，但是波束I信号质量指标最优或最大的出现次数大于波束II信号质量指标最优或最大的出现次数。

根据各波束信号质量指标的分布与用户位置的上述对应关系，本发明的波束判决方法只有当以固定采样速率测得的一段时间内波束的信号质量指标最优出现次数发生明显变化并且该对应波束不是用户位置所属当前波束时，才确定将用户位置所属波束切换至信号质量指标最优出现次数最多的波束，否则，保持当前用户位置所属波束不变，由此明显降低了波束切换次数。为了判断信号质量指标最优出现次数是否发生明显变化，本发明引入双阈值作为判据标准，即，如果波束的信号质量指标最优出现次数都小于一个较大的阈值并且当前用户位置所属波束的信号质量指标最优出现次数大于或等于另一个较小的阈值时，或者波束的信号质量指标都小于较小的第二阈值，则视为未发生明显变化，只有当某一波束的信号质量指标最优出现次数都大于或等于该较大的阈值，或者虽然没有超过较大的阈值但是当前用户位置所属波束的信号质量指标最优出现次数小于另一较小的阈值时，才视为发生明显变化。上述第一阈值和第二阈值的具体数值可以根据无线通信系统的实际情况，通过仿真确定。

图5为权值确定过程的流程图，该过程包含了按照本发明的波束判决方法较佳实施例。如图5所示，在步骤1.1，智能天线系统通过天线阵列接收每个用户的无线信号，并向相应的射频通道输出射频信号；随后，在步骤1.2，各个射频通道将输入的射频信号进行功率放大、通道校正、解调以及匹配滤波处理并向权值确定单元和波束形成单元输出待处理的基带信号。以下是权值确定过程。在步骤2.1，转换为基带信号的每个用户信号包含了对应每个波束的信号分量，首先由权值确定单元计算等间隔的每一时刻各个波束的信号分量的信号质量指标并选取信号质量指标最优的信号分量对应的波束作为最优波束；随后在步骤2.2，对该最优波束的标号进行分类计数，即，将标号相同的最优波束的出现次数累加；接着在步骤2.3，判断总的计数次数(也即采样次数)是否达到规定次数，由于采样速率是固定的，因此也即判断采样时间是否满足设定长度；如果计数次数未到达规定次数，则返回步骤2.1，否则，进入步骤2.4，对分类计数的结果按照大小进行排序；接着在步骤2.5，判断最大计数值(即最大的最优波束出现次数)是否大于阈值门限N₁，如果最大计数值大于或等于阈值门限N₁，则进入步骤2.6，选定具有该最大计数值的波束作为确定权值的波束；随后在步骤2.7，权值确定单元根据上述具有该最大计数值的波束的标号，通过查表获取相应的权值并在提供给步骤2.8完成波束成形后返回步骤1.1，从而开始新一轮的权值确定过程。如果最大计数值小于阈值门限N₁，则在步骤2.9中，判断是否不存在大于或等于阈值门限N₂的计数值，其中，阈值N₂小于N₁。如果不存在大于或等于阈值门限N₂的计数值，则进入步骤2.12，选取当前所属波束作为确定权值的波束并进入步骤2.7，否则，在步骤2.10中从排序后的分类计数中选取计数值大于或等于阈值门限N₂的波束并随后进入步骤2.11，判断计数值大于或等于阈值门限N₂的波束中是否包含用户位置当前所属波束。如果大于或等于阈值门限N₂的波束中包含用户位置当前所属波束，则进入步骤2.12，否则，进入步骤2.6，选取具有最大计数值的波束作为确定权值的波束。

如上所述，智能天线系统的权值确定单元由波束信号质量指标计算装置、波束判决装置以及权值查找装置组成，波束信号质量指标计算装置计算每个用户信号中对应各波束的信号分量的信号质量指标，权值查找装置根据波束判决装置确定的用户位置所属波束查找相应的权值，本发明在波束判决装置中也引入双阈值判决方式。具体而言，本发明波束判决装置的最优波束选择单元从波束信号质量指标计算装置计算得到的每一时刻各波束对应信号分量的信号质量指标中选择具有最佳信号质量指标的波束作为该时刻的最优波束，然后由统计处理单元对一定时段内以固定速率测得的若干时刻上所述最大值选择单元选定的最优波束进行统计以确定各波束在该若干等间隔时刻上的最优出现次数，最后由波束判决单元将统计处理单元得到的各波束最优出现次数中的最大最优出现次数与预先设定的较大的第一阈值比较，如果最大的最优出现次数小于预先设定的第一阈值并且用户位置当前所属波束的最优出现次数大于或等于预先设定的较小的第二阈值，则确定用户位置属于当前所属波束，否则，确定用户位置属于具有最大最优出现次数的波束。

图6为按照本发明的波束判决装置较佳实施例的结构示意图。该较佳实施例的波束判决装置包含最大值选择单元60、计数单元61、排序单元62、判决单元63以及控制单元64。最大值选择单元60以固定速率从波束信号质量指标计算装置提供的每一时刻的各个波束信号质量指标V₁、V₂……V_M中选定信号质量指标最大或最优的波束作为最优波束并将该波束的标号Index_max提供给计数单元62。随后，计数单元61对最大值选择单元提供的标号进行分类计数，也即将标号相同的最优波束的出现次数累加，当分类计数的总数达到规定数值时，计数单元61将计数结果(即各个波束作为最优波束在规定计数次数内出现的次数)N₁……N_M送至排序单元62。排序单元62对计数结果进行排序，得到按照大小排列的各个波束作为最优波束出现的次数序列N₁’……N_M’。该次数序列被送至判决单元63，在判决单元63完成步骤2.4～步骤2.91或2.92的判决功能并将判决得到的用户位置所属波束的标号Index输出至权值查找装置。上述最大值选择单元60、计数单元61、排序单元62和判决单元63实现的功能都在控制单元64的控制逻辑C₀、C₁、C₂和C₃下完成。

根据计算，在按照本发明的方法中，数据总线和地址总线上的数据流量是符号级的(约为15K)，因此可以用诸如数字信号处理器(DSP)之类的中央处理器来实现本发明的波束判决装置，而且这种符号级的数据流量几乎不占用数据总线以及地址总线的容量。

值得指出的是，上述信号质量指标V₁、V₂……V_M包括但不局限于对应波束的各信号分量的能量值。

Claims (8)

1.一种用于切换波束型智能天线系统的波束判决方法，所述智能天线系统接收包含对应各波束的信号分量的每个用户信号并计算各信号分量的信号质量指标，其特征在于，当系统确定每个用户位置所属波束时执行以下步骤：

(1)将设定数量的若干等间隔时刻上每个波束作为最优波束的最优出现次数分别累计，其中，所述最优波束为每一等间隔时刻上具有最佳信号质量指标的信号分量所对应的波束；其中，该步骤还包括以下步骤：

(1a)将每一时刻具有最佳信号质量指标的信号分量所对应的波束作为该时刻的最优波束并使该波束的最优出现次数递增一次；以及

(1b)确定各个波束的最优出现次数总数是否小于所述设定数量，如果小于所述设定数量，则返回步骤(1a)，否则进入步骤(2)；在步骤(1b)进入步骤(2)之前还包含以下步骤：将获得的各个波束作为最优波束的出现次数进行排序；以及

(2)将最大的最优出现次数与预先设定的第一阈值比较，如果所述最大的最优出现次数小于预先设定的第一阈值并且用户位置当前所属波束的最优出现次数大于或等于预先设定的第二阈值，或者所述最大的最优出现次数小于预先设定的第二阈值，则确定用户位置仍然属于当前所属波束，否则，确定用户位置属于具有最大最优出现次数的波束，其中，所述第一阈值大于所述第二阈值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信号质量指标为与波束对应的各信号分量的能量值。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一阈值和第二阈值根据无线通信系统的性能，通过仿真方法确定。

4.一种用于切换波束型智能天线系统的波束判决装置，所述智能天线系统的权值确定单元由波束信号质量指标计算装置、波束判决装置以及权值查找装置组成，波束信号质量指标计算装置计算每个用户信号中对应各波束的信号分量的信号质量指标，权值查找装置根据波束判决装置确定的用户位置所属波束查找相应的权值，其特征在于，所述波束判决装置包含：

最优波束选择单元，其从所述波束信号质量指标计算装置计算得到的每一时刻各波束对应信号分量的信号质量指标中选择具有最佳信号质量指标的信号分量所对应的波束作为该时刻的最优波束；

统计处理单元，其对设定数量的若干等间隔时刻上所述最优波束选择单元选定的最优波束出现次数分别进行累计以确定各波束在该若干等间隔时刻上的最优出现次数；以及

波束判决单元，将统计处理单元得到的各波束最优出现次数中的最大最优出现次数与预先设定的第一阈值比较，如果最大的最优出现次数小于预先设定的第一阈值并且用户位置当前所属波束的最优出现次数大于或等于预先设定的第二阈值，或者所述最大的最优出现次数小于预先设定的第二阈值，则确定用户位置属于当前所属波束，否则，确定用户位置属于具有最大最优出现次数的波束，其中，所述第一阈值大于所述第二阈值。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述统计处理单元包括：

计数单元，它将设定数量的若干等间隔时刻上所述最优波束选择单元选定的每个波束作为最优波束的最优出现次数分别进行计数；

排序单元，它将所述计数单元获得的各个波束作为最优波束的出现次数计数值进行排序。

6.如权利要求4或5所述的装置，其特征在于，所述第一阈值和第二阈值根据无线通信系统的性能，通过仿真方法确定。

7.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述信号质量指标为与波束对应的各信号分量的能量值。

8.如权利要求4或5所述的装置，其特征在于，最优波束选择单元、统计处理单元和波束判决单元用数字信号处理器实现。

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