CN1290272C - Fdd系统中天线阵列对下行专用信道信号发射的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种在FDD通信系统中天线阵列对下行专用信道信号发射的方法和装置，所述天线阵列由至少2个天线构成，该方法主要是利用从上行信号得到的空间相关矩阵R计算出幅度加权值| R(:，m)|，对下行专用信道信号发射的波束权值w＝a(θ)进行幅度加权，也就是将a(θ)与| R(:，m)|进行数次点乘并经过归-化后作为下行专用信道信号发射的波束权值w。这样可以使专用信道响应与公共信道响应的相关性增大，以解决在FDD通信系统中应用智能天线固定多波束算法，下行采用公共导频作相位参考时系统性能下降的问题。

Description

FDD系统中天线阵列对下行专用信道信号发射的方法及装置

                            技术领域

本发明涉及在FDD(Frequency Division Dual，频分双工)无线通信系统使用智能天线技术中的固定多波束算法时，下行专用信道信号的发射。

                            背景技术

在FDD无线通信系统使用智能天线技术中的固定多波束算法时，下行/前向链路中的专用信道在波束内定向发射，公共导频信道在整个小区内全向发射，系统使用公共导频做相位参考进行信道估计对专用信道进行解调。但是公共导频信道的相位与专用信道的相位是不一致的，解调时就存在相位失配的现象，导致系统性能下降。

在现有的智能天线系统下行波束形成算法中，下行用于相位参考的公共导频信道在整个小区内全向发射，专用信道在波束内进行发射，用于专用信道波束形成的波束方向角θ是根据上行估计出多径的波束中心角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：

式中， $j=\sqrt{-1},$ d为阵列的阵元间距，λ为载频波长， 为阵元等效间距，N为阵列阵元个数，m为阵列参考阵元位置。

现有技术在应用智能天线时，从上行链路中获得专用信道的到达角后，下行对专用信道直接作波束形成，采用小区内全向发射的公共导频信道作相位参考，从而造成解调时的相位失配，导致系统性能下降。

                            发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，本发明提出了在FDD无线通信系统中利用从上行信号得到的空间相关矩阵进行下行波束加权的思想，这样可以使专用信道响应与公共信道响应的相关性增大，以解决公共导频作相位参考时下行专用信道与公共导频之间相位偏差带来的系统性能下降的问题。

本发明是这样实现的：

一种在FDD通信系统中天线阵列对下行专用信道信号发射的方法，所述天线阵列由至少2个天线构成，所述方法包括以下步骤：

a)从上行信号得到空间相关矩阵R和波束方向角θ；

b)根据步骤a)中的波束方向角θ得到下行专用信道信号发射的波束权值w＝a(θ)，a(θ)为阵列流形；

c)根据步骤a)中的空间相关矩阵R得到幅度加权值|R(：，m)|，R(：，m)表示空间相关矩阵R的第m列；

d)根据波束权值w判断，如果专用信道响应与公共信道响应的相关性ρ大于门限值ρmin且阵列方向增益GAIN大于门限值GAINmin，则执行步骤f)，否则执行步骤e)；

e)执行w＝w.*|R(：，m)|，运算符“.*”表示点乘，回到步骤d)；

f)对波束权值w进行归一化操作w＝norm{w}；

g)将步骤f)中的w作为天线阵列对下行专用信道信号发射的波束权值，进行下行专用信道信号发射。

在步骤a)中，利用上行信号估计得到空间相关矩阵R或者利用上行信号估计到的角度扩展构造出空间相关矩阵R；波束方向角θ是根据上行信号估计出多径的波束中心角按照判决算法得出的。

在步骤a)中，空间相关矩阵R＝E[hh^H]，其中E表示取期望值，H表示共轭转置，

$h=\left[\begin{array}{c}h1\\ h2\\ \·\·\·\\ h_N\end{array}\right]$

h为矢量信道响应，表示到达天线阵列不同天线上的信道因子，也就是信号所经历信道的信道因子，其中N表示天线阵列的阵元个数。

在步骤b)中，

其中，d为阵列的阵元间距，λ为载频波长，d/λ为阵元等效间距，m为阵列参考阵元位置，是从天线阵列中任意取的一个阵元，N为阵列阵元个数。

所述方法适用于接收端的角度扩展大于20°的情况，所述接收端的角度扩展是指多径信号到达天线阵列的到达角度的展宽。

一种在FDD通信系统中天线阵列对下行专用信道信号发射的装置，所述天线阵列由至少2个天线构成，包括：

上行信号估计模块，用于从上行信号得到空间相关矩阵R和波束方向角θ，并根据θ出下行专用信道信号发射的波束权值w＝a(θ)；所述波束方向角θ是根据上行信号估计出多径的波束中心角按照判决算法得出的；所述上行信号估计模块是从上行信号估计得到空间相关矩阵R模块或者通过上行信号估计的角度扩展构造出空间相关矩阵R。

波束幅度加权模块，用于根据所述空间相关矩阵R得出幅度加权值|R(：，m)|，R(：，m)表示空间相关矩阵R的第m列；并根据所述波束权值w判断，如果专用信道响应与公共信道响应的相关性ρ大于门限值ρmin且阵列方向增益GAIN大于门限值GAINmin，则对波束权值w进行归一化操作w＝norm{w}，并将归一化后的w作为下行专用信道信号发射的波束权值w；否则进行w＝w.*|R(：，m)|运算，运算符“.*”表示点乘，并根据点乘后的w再进行上述判断，如此循环直到满足判断条件，再将数次循环点乘后的w进行归一化操作w＝norm{w}，并将归一化后的w作为下行专用信道信号发射的波束权值w；将波束权值w与专用信道信号相乘，得到加权后的各专用信道信号。

天线阵列中的各天线，对加权后的各专用信道信号进行发射。

本发明主要采用下行波束赋形技术，即利用从上行信号得到的空间相关矩阵进行下行波束加权的思想，这样可以使专用信道响应与公共信道响应的相关性增大，以解决在FDD通信系统中应用智能天线固定多波束算法，下行采用公共导频作相位参考，造成解调时的相位失配，导致系统性能下降的问题。

                            附图说明

图1是本发明采用波束赋形技术的权值计算流程图；

图2是相关性大小和阵列方向增益的关系图；

图3是应用波束赋形技术后与没有应用波束赋形技术的相位偏差的标准差比较图；

图4是本发明采用波束赋形技术的装置图。

                            具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明作具体介绍：

一种在FDD通信系统中天线阵列对下行专用信道信号发射的方法，所述天线阵列由至少2个天线构成，所述方法见图1，它是采用波束赋形技术的权值计算流程图：

a)从上行信号得到空间相关矩阵R和波束方向角θ，可以利用上行信号估计得到空间相关矩阵R或者利用上行信号估计到的角度扩展构造出空间相关矩阵R，利用上行信号估计到的角度扩展构造出空间相关矩阵R的方法可参考文献“Implementation of spatiotemporally correlatedrayleugh fading model for smart model for smart antenna applications”，TELECOMMUNICATIONS REVIEW，vol.9，No.2，1999，3-4，P173～P183。

空间相关矩阵R＝E[hh^H]，其中E表示取期望值，H表示共轭转置，

$h=\left[\begin{array}{c}h1\\ h2\\ \·\·\·\\ h_N\end{array}\right]$

h为矢量信道响应，表示到达天线阵列不同天线上的信道因子，也就是信号所经历信道的信道因子，其中N表示天线阵列的阵元个数。

波束方向角θ是根据上行信号估计出多径的波束中心角按照判决算法得出的，这些方法是指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方向角θ；当然也有很多自适应估计θ的方法，例如MUSIC(MUltiple Signal Classification)法、EM(Expectation-Maximization)法、SAGE(Space-Alternating Generalized EM)法等。

b)根据步骤a)中的波束方向角θ得到下行专用信道信号发射的波束权值w＝a(θ)，a(θ)为阵列流形，

其中，d为阵列的阵元间距，λ为载频波长，d/λ为阵元等效间距，m为阵列参考阵元位置，是从天线阵列中任意取的一个阵元，N为阵列阵元个数。

c)根据步骤a)中的空间相关矩阵R得到幅度加权值|R(：，m)|，R(：，m)表示空间相关矩阵R的第m列；

R(：，m)＝E[hh_m*]，“*”表示取共轭，h_m表示第m个天线上，即阵列参考阵元上的信号所经历的信道响应。

d)根据波束权值w判断，如果专用信道响应与公共信道响应的相关性ρ大于门限值ρmin且阵列方向增益GAIN大于门限值GAINmin，则执行步骤f)，否则执行步骤e)；

在实施例中，w与相关性ρ及阵列方向增益GAIN的关系如下：

$\mathrm{\ρ}=\frac{w^H\·R(:,m)}{\sqrt{w^H\·R(:,m)\·w^H}}---\left(3\right)$

                GAIN＝|w^H·a(θ)|                                  (4)

e)执行w＝w.*|R(：，m)|，运算符“.*”表示点乘，回到步骤d)；

f)对波束权值w进行归一化操作w＝norm{w}；

g)将步骤f)中的w作为天线阵列对下行专用信道信号发射的波束权值，进行下行专用信道信号发射。

图2是相关性ρ大小和阵列方向增益GAIN的关系图，给出了应用波束赋形技术、不应用波束赋形技术以及单天线的3种情况下，所能够获得的相关性大小和阵列方向增益，图例中的角度扩展为30度，服从均匀分布。为简化说明，分别用序号1-3表示上述3种方法。从图中可以看出，应用波束赋形技术的几个数据点分别对应了a(θ)与|R(：，m)|不同次数的点乘形成的波束权值w，自左到右的点乘次数分别为1-6。图中相关性大小依次增大的次序为2，1，3，并且1随着w＝w.*|R(：，m)|点乘次数的增加，相关性逐渐增大；而阵列方向增益依次增大的次序是3，2，1(对应一次点乘的w)，1的波束权值w随着|R(：，m)|点乘次数的增加，相关性得到了提高，但是阵列方向增益也不可避免的下降了，所以在采用波束赋形技术时，要综合考虑相关性和阵列方向增益，确定适当的点乘次数，在使得相关性最大的同时获得最大的阵列方向增益值。

相位偏差的标准差的增大是影响系统性能下降的原因之一。图3是应用波束赋形技术后与没有应用波束赋形技术的相位偏差的标准差比较图，从图中可以看出，应用波束赋形技术(这里点乘次数是3次)后，30度角度扩展对应相位偏差的标准差下降为没有应用波束赋形技术时的30％，可见采用本发明可以解决系统性能下降问题；同时从图中也可以看出本发明适合于接收端的角度扩展大的情况，也就是接收端的角度扩展大于20度的情况，这样系统才有明显的性能增益，所述接收端的角度扩展是指多径信号到达天线阵列的到达角度的展宽。

图4是本发明采用波束赋形技术的装置图。上行信号估计模块104是用于从上行信号估计空间相关矩阵R和波束方向角θ，可以利用上行信号估计得到空间相关矩阵R或者利用上行信号估计到的角度扩展构造出空间相关矩阵R，利用上行信号估计到的角度扩展构造出空间相关矩阵R的方法可参考文献“Implementation of spatiotemporally correlated rayleugh fading modelfor smart model for smart antenna applications”，TELECOMMUNICATIONS REVIEW，vol.9，No.2，1999，3-4，P173～P183；波束方向角θ是根据上行信号估计出多径的波束中心角按照判决算法得出的，这些方法是指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方向角θ；当然也有很多自适应估计θ的方法，例如MUSIC(MUltiple Signal Classification)法、EM(Expectation-Maximization)法、SAGE(Space-Alternating Generalized EM)法等。根据θ计算出下行专用信道信号发射的波束权值w＝a(θ)，a(θ)为阵列流形，如公式(2)。

波束幅度加权模块102是用于根据所述空间相关矩阵R得出幅度加权值|R(：，m)|，R(：，m)表示空间相关矩阵R的第m列；波束权值w与专用信道响应与公共信道响应的相关性ρ及阵列方向增益GAIN的关系如公式(3)、(4)，根据所述波束权值w判断，如果专用信道响应与公共信道响应的相关性ρ大于门限值ρmin且阵列方向增益GAIN大于门限值GAINmin，则对波束权值w进行归一化操作w＝norm{w}，并将归一化后的w作为下行专用信道信号发射的波束权值w；否则进行w＝w.*|R(：，m)|运算，运算符“.*”表示点乘，并根据点乘后的w再进行上述判断，如此循环直到满足判断条件，再将数次循环点乘后的w进行归一化操作w＝norm{w}，并将归一化后的w作为下行专用信道信号发射的波束权值w；将波束权值w与专用信道信号s(t)相乘，得到加权后的各专用信道信号。

天线阵列101中的各天线，对加权后的各专用信道信号进行发射，发射出的专用信道信号就是ws(t)。

下面是仿真的波束赋形技术应用WCDMA下行波束形成链路的试验结果，角度扩展为30度下系统应用波束赋形技术相对没有应用波束赋形技术的性能增益见表1，其中多径设置CASE1-3是根据参考文献“3GPP Technical Specification Group Radio Access Network；BSRadio Transmission and Reception(FDD)(Release 1999)：TS25.104 V3.10.0(2002-03)P37”的设置，在表2中列出了其多径参数。同时试验也证明在角度扩展为30度时幅度加权w＝w.*|R(：，m)|为3次点乘时，性能达到最佳。

    表1波束赋形技术相对性能增益

多径设置	相对没有采用波束赋形技术的性能增益
		CASE1	6.5dB
CASE2	1.7dB
		CASE3	0.5dB

                           表2不同CASE下多径传播参数

Case 1，速度3km/h		Case 2，速度3km/h		Case 3，速度120km/h
						相对时延[ns]	平均功率[dB]	相对时延[ns]	平均功率[dB]	相对时延[ns]	平均功率[dB]
0	0	0	0	0	0
						976	-10	976	0	260	-3
		20000	0	521	-6
										781	-9

本实施例只是本发明的一个实施例，稍加改动也适用于所有FDD通信系统中的智能天线阵以及分集天线阵。

Claims (10)

1.一种在频分双工通信系统中天线阵列对下行专用信道信号发射的方法，所述天线阵列由至少2个天线构成，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

a)从上行信号得到空间相关矩阵R和波束方向角θ；

b)根据步骤a)中的波束方向角θ得到下行专用信道信号发射的波束权值w＝a(θ)，a(θ)为阵列流形；

c)根据步骤a)中的空间相关矩阵R得到幅度加权值|R(：，m)|，R(：，m)表示空间相关矩阵R的第m列；

d)根据波束权值w判断，如果专用信道响应与公共信道响应的相关性ρ大于门限值ρmin且阵列方向增益GAIN大于门限值GAINmin，则执行步骤f)，否则执行步骤e)；

e)执行w＝w.*|R(：，m)|，运算符“.*”表示点乘，回到步骤d)；

f)对波束权值w进行归一化操作w＝norm{w}；

g)将步骤f)中的w作为天线阵列对下行专用信道信号发射的波束权值，进行下行专用信道信号发射。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a)中，从上行信号得到的空间相关矩阵R利用上行信号估计得到空间相关矩阵R或者利用上行信号估计到的角度扩展构造出空间相关矩阵R。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a)中，波束方向角θ是根据上行信号估计出多径的波束中心角按照判决算法得出的。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a)中，空间相关矩阵R＝E[hh^H]，其中E表示取期望值，H表示共轭转置，

$h=\left[\begin{array}{c}h1\\ h2\\ \·\·\·\\ h_N\end{array}\right]$

h为矢量信道响应，表示到达天线阵列不同天线上的信道因子，也就是信号所经历信道的信道因子，其中N表示天线阵列的阵元个数。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤b)中，

$a\left(\mathrm{\θ}\right)=\left[\begin{array}{c}\exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}(1-m)\cos \mathrm{\θ}\right)\\ \exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}(2-m)\cos \mathrm{\θ}\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ \exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}(i-m)\cos \mathrm{\θ}\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ \exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}(N-m)\cos \mathrm{\θ}\right)\end{array}\right]$

其中，d为阵列的阵元间距，λ为载频波长，d/λ为阵元等效间距，m为阵列参考阵元位置，是从天线阵列中任意取的一个阵元，N为阵列阵元个数。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法适用于接收端的角度扩展大于20°的情况，所述接收端的角度扩展是指多径信号到达天线阵列的到达角度的展宽。

7.一种在频分双工通信系统中天线阵列对下行专用信道信号发射的装置，所述天线阵列由至少2个天线构成，其特征在于，包括：

上行信号估计模块，用于从上行信号得到空间相关矩阵R和波束方向角θ，并根据θ得到下行专用信道信号发射的波束权值w＝a(θ)；

波束幅度加权模块，用于根据所述空间相关矩阵R得出幅度加权值|R(：，m)|，R(：，m)表示空间相关矩阵R的第m列；并根据所述波束权值w判断，如果专用信道响应与公共信道响应的相关性ρ大于门限值ρmin且阵列方向增益GAIN大于门限值GAINmin，则对波束权值w进行归一化操作w＝norm{w}，并将归一化后的w作为下行专用信道信号发射的波束权值w；否则进行w＝w.*|R(：，m)|运算，运算符“.*”表示点乘，并根据点乘后的w再进行上述判断，如此循环直到满足上述判断条件，然后将数次循环点乘后的w进行归一化操作w＝norm{w}，并将归一化后的w作为下行专用信道信号发射的波束权值w；将波束权值w与专用信道信号相乘，得到加权后的各专用信道信号；

天线阵列中的各天线，对加权后的各专用信道信号进行发射。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述上行信号估计模块利用上行信号估计得到空间相关矩阵R。

9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述上行信号估计模块通过上行信号估计的角度扩展构造出空间相关矩阵R。

10.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述波束方向角θ是根据上行信号估计出多径的波束中心角按照判决算法得出的。

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