CN1251531C - 移动通信系统中天线阵列对下行信道信号发射的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明的一种移动通信系统中天线阵列对下行信道信号发射的方法和装置，涉及移动通信系统的智能天线技术，本发明将天线阵列的中心作为阵列参考位置来进行下行信道的发射，其中公共信道信号在阵列中间部分的以阵列中心作为阵列参考位置天线上在小区内进行全向发射，同时专用信道信号按波束权值w在整个天线阵上以波束中心角θ进行定向发射，这样不仅使得下行专用信道的相位与公共导频信道的相位完全一致，而且还能够使基站发射的功率在天线上更为均衡。

Description

移动通信系统中天线阵列对下行信道信号发射的方法和装置

                                技术领域

本发明涉及移动通信系统的智能天线技术，尤其涉及移动通信系统下行信道发射方法和装置。

                                背景技术

作为第三代移动通信系统中的关键技术，智能天线技术在提高系统容量、改善信噪比方面起着重要的作用。

固定多波束算法是智能天线技术中的一种波束形成算法，由于固定波束的中心角与用户所在位置并非完全对应，这就会使性能有所下降，但是可以通过很多方法来弥补这种缺点，而且固定多波束算法相对自适应波束算法在降低算法复杂度及其运算量上有很大的优势，因此该算法在智能天线技术中有广泛的应用。

在下行/前向链路中，公共信道信号在小区内全向发射，专用信道信号在波束内定向发射，在用户侧利用公共导频信道估计出来的信道因子进行解扩。

在现有的智能天线系统下行波束形成算法中，下行公共信道信号在小区内全向发射；专用信道信号在波束内进行定向发射，用于专用信道波束形成的波束中心角θ是根据上行估计的用户多径按照一定的判决算法得出的。

假设天线阵为均匀线阵，下行专用信道信号发射的波束权值w为：

$w=\left[\begin{array}{c}1/\sqrt{M}\\ \exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}\cos \mathrm{\θ}\right)/\sqrt{M}\\ \·\\ \·\\ \·\\ \exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}(i-1)\cos \mathrm{\θ}\right)/\sqrt{M}\\ \·\\ \·\\ \·\\ \exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}(M-1)\cos \mathrm{\θ}\right)/\sqrt{M}\end{array}\right],1\≤i\≤M----\left(1\right)$

在式(1)中， $j=\sqrt{-1},$ d为阵列的阵元间距，λ为载频波长，M为阵列阵元个数。

上述技术的缺点就在于专用信道的相位与公共导频信道的相位是不一致的，解调时就存在相位失配的现象，从而导致性能下降。

NORTEL在公布号为US 2002/00722393 A1，公布日为2002年6月13日的美国专利申请“Antenna Systems with Common Overhead for CDMA Base Stations”中提出了一种下行信道发射的方法。但是NORTEL的该专利也并没有完全解决专用信道的相位与公共导频信道的相位不一致的现象。图l显示了一个周期内专用信道相对公共信道相位偏移的变化。从图1中可以看出，相位偏移在不同角度、不同时间上都存在相位偏移很大的现象，而且出现的频率很大，显然相位偏移的存在会使解调性能下降。

                               发明内容

本发明的目的在于提供一种移动通信系统中天线阵列对下行信道信号发射的方法和装置，该方法和装置解决了下行专用信道与公共导频信道存在相位偏移的现象。

本发明的一种移动通信系统中天线阵列对下行信道信号发射的方法包含以下步骤：

a、根据上行估计出的用户多径，按照判决算法得到用户位置θ，并将其作为下行专用信道的波束中心角；

b、根据步骤a中得到的波束中心角θ构造专用信道的波束权值w；

c、公共信道信号p(t)在阵列中间部分的以阵列中心作为阵列参考位置的天线上在小区内进行全向发射，同时专用信道信号s(t)按步骤b中得到的波束权值w在整个天线阵上以波束中心角θ进行定向发射。

当在奇数个阵元天线阵列上发射时，专用信道的波束权值w根据波束中心角θ按照下式构造：

其中 $j=\sqrt{-1},$ d为阵列的阵元间距，λ为载频波长，M为阵列阵元个数，

是波束权值的阵列参考位置，算子 表示上取整。公共信道信号p(f)在阵列中间部分的以阵列中心作为阵列参考位置的至少1个奇数天线上在小区内进行全向发射。当公共信道信号p(t)在大于1的奇数个天线上进行发射时，采用对波束权值加权的方法来控制波束宽度，并以阵列中心作为阵列参考位置。

当在偶数个阵元天线阵列上发射时，专用信道的波束权值w根据波束中心角θ按照下式构造：

$w=\left[\begin{array}{c}\exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}(1-\frac{M+1}{2})\cos \mathrm{\θ}\right)/\sqrt{M}\\ \·\\ \·\\ \·\\ \exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}(i-\frac{M+1}{2})\cos \mathrm{\θ}\right)1\sqrt{M}\\ \·\\ \·\\ \·\\ \exp (-\mathrm{j\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}\cos \mathrm{\θ})/\sqrt{M}\\ \exp \left(\mathrm{j\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}\cos \mathrm{\θ}\right)/\sqrt{M}\\ \·\\ \·\\ \·\\ \exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}(M-\frac{M+1}{2})\cos \mathrm{\θ}\right)/\sqrt{M}\end{array}\right],1\≤i\≤M$

其中 $j=\sqrt{-1},$ d为阵列的阵元间距，λ为载频波长，M为阵列阵元个数， 是波束权值的阵列参考位置。公共信道信号p(t)在阵列中间部分的以阵列中心作为阵列参考位置的1个天线或至少2个偶数天线上在小区内进行全向发射。当公共信道信号p(t)在大于2的偶数个天线上进行发射时，采用对波束权值加权的方法来控制波束宽度，并以阵列中心作为阵列参考位置。当公共信道信号p(t)在1个天线上发射时，这1个天线指的是另外设置在阵列参考位置上的一个天线。

本发明的一种移动通信系统中奇数个天线阵列对下行信道信号发射的装置，该装置包含：

专用信道波束权值模块组，由奇数个专用信道波束权值模块组成，用于构造发射专用信道信号s(t)所需的波束权值w；

天线阵列，由奇数个分别与所述奇数个专用信道波束权值模块相应连接的天线组成，用于发射公共信道信号p(t)和以波束中心角θ发射专用信道信号s(t)，其中公共信道信号p(t)以阵列中心作为阵列参考位置在至少1个奇数天线上进行全向发射，专用信道信号s(t)按专用信道波束权值模块组中得到的波束权值w在整个天线阵上进行定向发射。

其中该装置还包括公共信道波束权值模块组，由大于1的奇数个公共信道波束权值模块组成，用于公共信道信号p(t)在相应大于1的奇数个天线上发射时，构造发射公共信道信号p(t)所需的波束权值。

本发明的一种移动通信系统中偶数个天线阵列对下行信道信号发射的装置，该装置包含：专用信道波束权值模块组，由偶数个专用信道波束权值模块组成，用于构造发射专用信道信号s(f)所需的波束权值w；

天线阵列，由偶数个分别与所述偶数个专用信道波束权值模块相应连接的天线组成，用于发射公共信道信号p(t)和以波束中心角θ发射专用信道信号s(t)，其中公共信道信号p(t)以阵列中心作为阵列参考位置在至少2个偶数天线上进行全向发射，专用信道信号s(t)按专用信道波束权值模块组中得到的波束权值w在整个天线阵上进行定向发射。

其中该装置还包括公共信道波束权值模块组，由大于1的偶数个公共信道波束权值模块组成，用于公共信道信号p(t)在大于l的偶数个天线上发射时，构造发射公共信道信号p(t)所需的波束权值。

本发明将天线阵列的中心作为阵列参考位置来进行下行信道的发射，其中共信道信号在阵列中间部分的以阵列中心作为阵列参考位置天线上在小区内进行全向发射，同时专用信道信号按波束权值w在整个天线阵上以波束中心角θ进行定向发射，这样不仅使得下行专用信道的相位与公共导频信道的相位完全一致，而且还能够使基站发射的功率在天线上更为均衡。

                               附图说明

图1是一个周期内专用信道相对公共信道相位偏移的变化示意图；

图2是奇数个阵元天线阵列的公共信道、专用信道波束发射示意图；

图3是奇数个阵元天线阵列的公共信道、专用信道波束发射装置图；

图4是偶数个阵元天线阵列的公共信道、专用信道波束发射示意图；

图5是偶数个阵元天线阵列的公共信道、专用信道波束发射装置图。

                               具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

图2显示了奇数个阵元天线阵列的公共信道、专用信道波束发射示意图。对于奇数个阵元的天线阵列，假设阵元个数为M。公共信道在第

个阵元上在小区内进行全向发射，算了 表示上取整；专用信道信号进行定向发射。在图2中显示了固定多波束的示意图，波束权值的阵列参考位置在第

个阵元上，则发射专用信道信号的波束权值w为：

在式(2)中， $j=\sqrt{-1},$ d为阵列的阵元间距，λ为载频波长，M为阵列阵元个数，是波束权值的阵列参考位置，算子 表示上取整。θ表示专用信道波束中心角，它是根据上行估计出的用户多径，按照一定的判决算法得出的。

其中一定的判决算法是指的是各种估计波束中心角的方法，例如固定多波束方法中的固定波束形成，然后判断不同波束的能量值，最大能量值所在的波束就是估计得到的专用信道波束中心角θ；当然也有很多自适应估计θ的方法，例如MUSIC(MUltiple SignalClassification)法、EM(Expectation-Maximization)法、SAGE(Space-Alternating GeneralizedEM)法等。

本发明的一种移动通信系统中奇数个阵元天线阵列对下行信道信号发射的方法，该方法包含以下步骤：

a、根据上行估计出的用户多径，按照判决算法得到用户位置θ，并将其作为下行专用信道的波束中心角；

b、根据步骤a中得到的波束中心角θ，按照式(2)构造专用信道的波束权值w；

c、公共信道信号p(t)在阵列中间部分的以阵列中心作为阵列参考位置的至少1个奇数天线上在小区内进行全向发射，同时专用信道信号s(t)按步骤b中得到的波束权值w在整个天线阵上以波束中心角θ进行定向发射。

当公共信道信号p(f)在大于l的奇数个天线上进行发射时，采用对波束权值加权的方法来控制波束宽度，并以阵列中心作为阵列参考位置。

图3显示的是奇数个阵元天线阵列的公共信道、专用信道波束发射装置图。如图3所示，本发明的一种移动通信系统中奇数个阵元天线阵列对下行信道信号发射的装置，该装置包含：

专用信道波束权值模块组302，由5个专用信道波束权值模块组成，分别为专用信道波束权值模块302_1、专用信道波束权值模块302_2、专用信道波束权值模块302_3、专用信道波束权值模块302_4以及专用信道波束权值模块302_5，该5个专用信道波束权值模块分别按照式(2)构造发射专用信道信号s(t)303所需的波束权值w，并得到相应的波束权值w₁、w₂、w₃、w₄、w₅。

天线阵列301，由5个分别与5个专用信道波束权值模块相应连接的天线组成，分别为天线301_1、天线301_2、天线301_3、天线301_4、天线301_5，该天线阵列301用于发射公共信道信号p(t)304和以波束中心角θ发射专用信道信号s(t)303，其中公共信道信号p(t)304以阵列中心作为阵列参考位置在天线301_3上进行全向发射，且专用信道信号s(t)303按专用信道波束权值模块组302中分别得到的波束权值w₁、w₂、w₃、w₄、w₅在整个天线阵上进行定向发射，得到经阵列发射后的基带信号305。

当公共信道信号p(t)304在阵列中间部分的以阵列中心作为阵列参考位置的大于1的奇数个天线上在小区内进行全向发射时，该装置还可以包含一个公共信道波束权值模块组，图中未示出，该公共信道波束权值模块组由大于1的奇数个公共信道波束权值模块组成，用于公共信道信号p(t)304在相应大于1的奇数个天线上发射时，构造发射公共信道信号p(t)304所需的相应波束权值。

图4显示的是偶数个阵元天线阵列的公共信道、专用信道波束发射示意图。对于偶数阵元的天线阵列，假设阵元个数为M，公共信道在第 和 个阵元上发射，在图4中显示了公共信道波束的示意图，其波束权值为：

$w=\left[\begin{array}{c}1/\sqrt{2}\\ 1/\sqrt{2}\end{array}\right]---\left(3\right)$

专用信道信号进行定向发射，在图4中显示了阵列固定多波束的示意图，波束权值的阵列参考位置在天线阵列的中心位置，即为

则发射专用信道信号的波束权值w为：

$w=\left[\begin{array}{c}\exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}(1-\frac{M+1}{2})\cos \mathrm{\θ}\right)/\sqrt{M}\\ \·\\ \·\\ \·\\ \exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}(i-\frac{M+1}{2})\cos \mathrm{\θ}\right)1\sqrt{M}\\ \·\\ \·\\ \·\\ \exp (-\mathrm{j\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}\cos \mathrm{\θ})/\sqrt{M}\\ \exp \left(\mathrm{j\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}\cos \mathrm{\θ}\right)/\sqrt{M}\\ \·\\ \·\\ \·\\ \exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}(M-\frac{M+1}{2})\cos \mathrm{\θ}\right)/\sqrt{M}\end{array}\right],1\≤i\≤M----\left(4\right)$

在式(4)中， $j=\sqrt{-1},$ d为阵列的阵元间距，λ为载频波长，M为阵列阵元个数，

是波束权值的阵列参考位置。θ表示专用信道波束中心角，它是根据上行估计出的用户多径，按照一定的判决算法得出的。

其中一定的判决算法是指的是各种估计波束中心角的方法，例如固定多波束方法中的固定波束形成，然后判断不同波束的能量值，最大能量值所在的波束就是估计得到的专用信道波束中心角θ；当然也有很多自适应估计θ的方法，例如MUSIC(MUltiple SignalClassification)法、EM(Expectation-Maximization)法、SAGE(Space-Alternating GeneralizedEM)法等。

本发明的一种移动通信系统中偶数个阵元天线阵列对下行信道信号发射的方法，该方法包含以下步骤：

a、根据上行估计出的用户多径，按照判决算法得到用户位置θ，并将其作为下行专用信道的波束中心角；

b、根据步骤a中得到的波束中心角θ，按照式(3)构造专用信道的波束权值w；

c、公共信道信号p(t)在阵列中间部分的以阵列中心作为阵列参考位置的1个天线或至少2个偶数天线上在小区内进行全向发射，同时专用信道信号s(t)按步骤b中得到的波束权值w在整个天线阵上以波束中心角θ进行定向发射。

当公共信道信号p(t)在大于2的偶数个天线上进行发射时，采用对波束权值加权的方法来控制波束宽度，并以阵列中心作为阵列参考位置。

当公共信道信号p(t)在阵列中间部分的以阵列中心作为阵列参考位置的1个天线上发射时，这1个天线指的是另外设置在阵列参考位置上的一个天线。

图5显示的是偶数个阵元天线阵列的公共信道、专用信道波束发射装置图。如图5所示，

本发明的一种移动通信系统中偶数个阵元天线阵列对下行信道信号发射的装置，该装置包含：

专用信道波束权值模块组502，由4个专用信道波束权值模块组成，分别为专用信道波束权值模块502_1、专用信道波束权值模块502_2、专用信道波束权值模块502_3以及专用信道波束权值模块502_4，该4个专用信道波束权值模块分别按照式(4)构造发射专用信道信号s(t)503所需的波束权值w，并得到相应的专用信道波束权值w₁、w₂、w₃、w₄；

天线阵列501，由4个分别与所述4个专用信道波束权值模块相应连接的天线组成，分别为天线501_1、天线501_2、天线501_3以及天线501_4，该天线阵列501用于发射公共信道信号p(t)504和以波束中心角θ发射专用信道信号s(t)503，其中公共信道信号p(t)504以阵列中心作为阵列参考位置在天线501_2和天线501_3上进行全向发射，且专用信道信号s(t)503按专用信道波束权值模块组502中分别得到的波束权值w₁、w₂、w₃、w₄在整个天线阵上进行定向发射，得到经阵列发射后的基带信号506。

如图5所示，该装置还包括公共信道波束权值模块组505，由2个公共信道波束权值模块组成，分别为公共信道波束权值模块505_1和公共信道波束权值模块505_2，该2个公共信道波束权值模块分别用于公共信道信号p(t)504在2个以阵列中心作为阵列参考位置的天线上发射时，构造发射公共信道信号p(t)504所需的相应波束权值w_p1、w_p2，在本实施例中，波束权值w_p1为 波束权值w_p2为

当公共信道信号p(t)在阵列中间部分的以阵列中心作为阵列参考位置的1个天线上发射时，这1个天线指的是另外设置在阵列参考位置上的一个天线。

本发明不局限于图4所示的下行信道发射装置中的阵元个数和公共信道发射的阵元个数；本发明也不局限于图5所示的下行信道发射装置中的阵元个数和公共信道发射的阵元个数。

Claims (12)

1.一种移动通信系统中天线阵列对下行信道信号发射的方法，其特征在于，所述方法包含以下步骤：

a、根据上行估计出的用户多径，按照判决算法得到用户位置θ，并将其作为下行专用信道的波束中心角；

b、根据步骤a中得到的波束中心角θ构造专用信道的波束权值w；

c、公共信道信号p(t)在阵列中间部分的以阵列中心作为阵列参考位置的天线上在小区内进行全向发射，同时专用信道信号s(t)按步骤b中得到的波束权值w在整个天线阵上以波束中心角θ进行定向发射。

2.如权利要求1所述的方法，其进一步特征在于，当在奇数个阵元天线阵列上发射时，专用信道的波束权值w根据波束中心角θ按照下式构造：

其中 $j=\sqrt{-1},$ d为阵列的阵元间距，λ为载频波长，M为阵列阵元个数，

是波束权值的阵列参考位置，算子

表示上取整。

3.如权利要求2所述的方法，其进一步特征在于，所述公共信道信号p(t)在阵列中间部分的以阵列中心作为阵列参考位置的至少为1个的奇数个天线上在小区内进行全向发射。

4.如权利要求3所述的方法，其进一步特征在于，所述公共信道信号p(t)在大于1的奇数个天线上进行发射时，采用对所述专用信道的波束权值w加权的方法来控制波束宽度。

5.如权利要求1所述的方法，其进一步特征在于，当在偶数个阵元天线阵列上发射时，专用信道的波束权值w根据波束中心角θ按照下式构造：

$w=\left[\begin{array}{c}\exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}(1-\frac{M+1}{2})\cos \mathrm{\θ}\right)/\sqrt{M}\\ \·\\ \·\\ \·\\ \exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}(i-\frac{M+1}{2})\cos \mathrm{\θ}\right)/\sqrt{M}\\ \·\\ \·\\ \·\\ \exp (-\mathrm{j\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}\cos \mathrm{\θ})/\sqrt{M}\\ \exp \left(\mathrm{j\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}\cos \mathrm{\θ}\right)/\sqrt{M}\\ \·\\ \·\\ \·\\ \exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}(M-\frac{M+1}{2})\cos \mathrm{\θ}\right)/\sqrt{M}\end{array}\right]1\≤i\≤M$ 1≤i≤M

其中 $j=\sqrt{-1},$ d为阵列的阵元间距，λ为载频波长，M为阵列阵元个数， 是波束权值的阵列参考位置。

6.如权利要求5所述的方法，其进一步特征在于，所述公共信道信号p(t)在阵列中间部分的以阵列中心作为阵列参考位置的1个天线或至少为2个的偶数个天线上在小区内进行全向发射。

7.如权利要求6所述的方法，其进一步特征在于，所述公共信道信号p(t)在大于2的偶数个天线上进行发射时，采用对所述专用信道的波束权值w加权的方法来控制波束宽度。

8.如权利要求6所述的方法，其进一步特征在于，所述公共信道信号p(t)在阵列中间部分的以阵列中心作为阵列参考位置的1个天线上发射时，这1个天线指的是另外设置在阵列参考位置上的一个天线。

9.一种移动通信系统中奇数个阵元天线阵列对下行信道信号发射的装置，其特征在于，所述装置包含：

专用信道波束权值模块组，由奇数个专用信道波束权值模块组成，用于根据波束中心角θ构造发射专用信道信号s(t)所需的波束权值w；

天线阵列，由奇数个分别与所述奇数个专用信道波束权值模块相应连接的天线组成，用于发射公共信道信号p(t)和专用信道信号s(t)，其中公共信道信号p(t)以阵列中心作为阵列参考位置在至少为1个的奇数个天线上进行全向发射，专用信道信号s(t)按专用信道波束权值模块组中得到的波束权值w在整个天线阵上进行定向发射。

10.如权利要求9所述的装置，其进一步特征在于，所述装置还包括公共信道波束权值模块组，由大于1的奇数个公共信道波束权值模块组成，用于公共信道信号p(t)在相应大于1的奇数个天线上发射时，构造发射公共信道信号p(t)所需的波束权值。

11.一种移动通信系统中偶数个阵元天线阵列对下行信道信号发射的装置，其特征在于，所述装置包含：

专用信道波束权值模块组，由偶数个专用信道波束权值模块组成，用于根据波束中心角θ构造发射专用信道信号s(t)所需的波束权值w；

天线阵列，由偶数个分别与所述偶数个专用信道波束权值模块相应连接的天线组成，用于发射公共信道信号p(t)和专用信道信号s(t)，其中公共信道信号p(t)以阵列中心作为阵列参考位置在至少为2个的偶数个天线上进行全向发射，专用信道信号s(t)按专用信道波束权值模块组中得到的波束权值w在整个天线阵上进行定向发射。

12.如权利要求11所述的装置，其进一步特征在于，所述装置还包括公共信道波束权值模块组，由大于1的偶数个公共信道波束权值模块组成，用于公共信道信号p(t)在大于1的偶数个天线上发射时，构造发射公共信道信号p(t)所需的波束权值。

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