CN1384625A - 一种基于多波束天线的宽带码分多址基站物理层实现方法 - Google Patents

Abstract

一种基于多波束天线的宽带码分多址基站物理层实现方法,包括:多波束天线系统波束的形成;由一定个数的波束构造特定组合形式的多波束网络;在多波束网络组织下,通过小区反向链路的波束分集接收和前向链路的STTD编码波束发射分集完成宽带码分多址小区概念的物理层功能。这种方法由于将多波束智能天线技术与角度分集和STTD发射分集技术有机地结合在一起,充分发挥了移动台的STTD解码能力,从而有效地解决上下行链路的容量不对称问题。

Description

一种基于多波束天线的宽带码分多址基站物理层实现方法

本发明涉及码分多址(CDMA)通信技术，具体涉及多波束智能天线在CDMA通信领域中的应用，更具体地讲，涉及利用阵列天线技术完成3GPP协议中所规定的宽带码分多址(Wideband CodeDivision Multiple Access，下简称WCDMA)具有的物理层功能即一种基于多波束天线的WCDMA基站的物理层实现方法。

移动通信技术在世界范围内蓬勃发展，宽带码分多址(WCDMA)以其兼容第二代移动通信体制、全球漫游、具有多媒体功能、功耗低、语音清晰等显著特点被列为第三代移动通信技术标准之一。目前第三代移动通信技术的三个标准都采用CDMA(码分多址)技术。CDMA技术是根据扩频通信理论发展起来的，具有信号功率谱密度低、保密性能好、易于实现语音激活等特点，因此CDMA技术早期被广泛应用于军事领域。自从CDMA技术应用于移动通信领域面临的远近效应、信号快速衰落等技术难点被克服后，CDMA在无线移动通信领域受到了青睐。

移动通信所处的无线传播环境常常是比较恶劣的。在城市、郊区、农村等无线环境中，电波传播要受随机分布障碍物的反射、折射、绕射等的影响。发射台发射的信号要经过多次反射、折射，经过多个路径才能到达接收端。而且这些无线电波传播条件也不断变化，其中以城市环境为甚。在应用CDMA技术条件下，移动台或基站所接收的信号是从多个不同路径到达信号的合成信号，若这些多径信号的到达延迟时间差在一个码片的时间内，则在接收机的多径搜索中它们是不可分辨的，于是该合成信号将表现在巨幅起落的持续变化之中，即衰落现象；另一方面，如果多径信号的延迟时间使多径分布在多个码片内，接收端可以在不同的码片内观察到多个衰落过程，而且这些衰落过程之间的相关性很低；第三，从多径信号到达接收机的角度来看，多径信号的空间到达角的分布是有规律的，而且不同到达角的多径信号的幅度衰落特性也不相关。这为克服衰落现象带来了契机。

为克服衰落现象，已经有多种方法，其中，分集接收和发射是对抗衰落的有效技术之一。分集接收是利用无线电波传播环境中幅度衰落的多径接收信号衰落特性不相关的性质，即接收的多径信号同时出现幅度深度衰落的概率很小，实现接收信号的“取长补短”，从而提高接收信号的信噪比。分集接收技术按照分集信号的来源不同可分为极化分集、角度分集、空间分集、发射分集等。例如，中国专利申请号为96194111.1的专利“提供角度分集的方法，以及基站设备”公开了一种使用角度分集技术的专利。

上述衰落现象同时还存在于基站和移动台。使用分集、编码等技术克服衰落现象带来的设备复杂化、成本增加、体积增大对基站来讲影响不大，但对移动台就是不可忽略的因素。出于这一原因第三代移动通信WCDMA标准化组织第3代合作伙伴计划(3rd GenerationPartnership Project，下简称3GPP)采用空时编码传输分集(Space-Time Transmission Diversity，下简称STTD)，利用发射分集技术来克服移动台端的衰落现象。但是标准将STTD编码分别在不同的天线发射，这对基站使用智能天线技术带来了挑战。Marcos Katz和JuhaYlitalo撰写的文献“Extension of Space-Time coding to beamformingWCDMA base stations”，为在多波束天线中支持STTD编码发射分集技术带来了便利。

在蜂窝通信环境中，为满足多种业务和全球漫游的需要，无线网络由大大小小的蜂窝构成，宏蜂窝用于高速，业务密度低的区域，小蜂窝则覆盖低速、业务密度高的区域。微蜂窝则较适用于办公楼、闹市区等。在这几种不同区域中无线传播的统计特性差异很大。通常宏、小蜂窝的基站天线架设得比较高，这种天线布局接收的移动用户信号的到达角以较大的概率出现在直射路径方向的较小角度扩展范围内；微蜂窝的基站天线架设较低，天线“淹没“在众多的周围建筑物中，它所接收的信号等概率地来自不同的方向。在这些蜂窝区域中移动台天线都比较低，所以移动台接收信号也等概率地来自不同方向。

CDMA移动通信系统是一个自干扰系统。多波束阵列天线可以将接收的自干扰信号在空间上划分开来，降低自干扰的程度。为降低自干扰，多波束阵列天线的实现方式通常有动态的波束方式、静态的波束方式。如前文提到的中国专利“提供角度分集的方法，以及基站设备”就是一种动态波束方式，并利用动态波束方式提供角度分集接收方法。这种方式应用在宏蜂窝情况下所能带来的效能并不显著，正如该专利公开文件所言，这时用户信号到达基站的到达角通常在移动台和基站间的直达射线附近。由于基站成本、安装方面的限制，波束的宽度通常要远大于到达角的角度扩展。因而，使用该专利方法，先确定到达角再确定动态波束的指向，其费效比高，同时这种到达角估计方法的精度也不高。另一方面，负责第三代移动通信的国际组织3GPP在无线接入网UTRAN(通用陆地无线接入网，“Universal TerrestrialRadio Access Network”的简称)中，将空时编码发射分集STTD技术引入到物理链路的下行链路中。STTD技术在基站虽是可选方案，但是移动台对这一技术的支持是强制的，而在上述公开专利中，没能利用STTD技术，对下行链路而言，这一点将使系统容量受到不利影响。更为严重的是1998年提交的RTT(无线传输技术，Radio TransmissionTechnology的简称)候选方案WCDMA草案表明下行链路是CDMA系统容量的瓶颈。

本发明的目的是在3GPP的无线接入网UTRAN中提出一种实现WCDMA物理层的方法，具体包括利用多波束阵列天线技术同时实现上行链路信号的角度分集接收技术，和下行链路的空时编码发射分集STTD技术的方法和整合这两种技术的总体方案。这种方法可以克服现有技术存在的上述缺点，在不降低上行链路性能的前提下，最大幅度地改善下行链路的性能。

本发明的目的是这样实现的，构造一种基于多波束天线的宽带码分多址基站物理层实现方法，包括以下步骤：

多波束天线系统波束的形成；

由一定个数的波束构造特定组合形式的多波束网络；

在多波束网络组织下，通过小区反向链路的波束分集接收和前向链路的STTD编码波束发射分集完成WCDMA小区概念的物理层功能。

在按照本发明提供的基于多波束天线的宽带码分多址基站物理层实现方法中，所述多波束天线系统波束的形成波束形成包括天线信号的接收和发射，信号的加权和移相处理，其中，信号的加权和移相处理过程使各阵元接收或发射的基带信号相互干涉，在特定指向的空间形成用户信号的最大接收或发射方向。

在按照本发明提供的基于多波束天线的宽带码分多址基站物理层实现方法中，所述由一定个数的波束构造特定组合形式的多波束网络包括以下步骤：基站将通信服务区域分为若干个小区，每个小区有所述一定个数(如6个)的波束单元构成多波束网络，其中，一半(如3个)用于上行方向，另一半(3个)用于下行方向，在上行和下行方向的多个(3个)波束单元中，分别用一个波束单元覆盖全小区作为公用波束，上行链路和下行链路的其余波束，每个波束各覆盖扇区的一部分，但将其组合起来可覆盖全小区，相邻小区的公用波束设置有部分重叠区。

在按照本发明提供的基于多波束天线的宽带码分多址基站物理层实现方法中，所述在多波束网络组织下，通过小区反向链路的波束分集接收和前向链路的STTD(空时编码传输分集)编码波束发射分集完成WCDMA小区概念的物理层功能包括以下步骤：

通过公用波束承载必须在全小区内广播或接收的公共传输信道；

通过分集波束承载可以在小区部分空间内接收和发射的公共传输信道和专用信道。

在上述通过公用波束承载必须在全小区内广播或接收的公共传输信道中，上行链路的公共波束输出信号承载上行公共信道，下行链路的公共波束输出信号承载下行公共信道。

在上述通过公用波束承载必须在全小区内广播或接收的公共传输信道中，WCDMA系统的BCH(指广播信道，Broadcast Channel的简称)、PCH(指寻呼信道，Paging Channel的简称)传输信道及物理信道中的P-CPICH(指主公共导频信道，Primary Common PilotChannel的简称)、PICH(指寻呼指示信道，Page Indicator Channel的简称)、AICH(指捕获指示信道，Acquisition Indicator Channel的简称)、SCH(指同步信道，Synchronization Channel的简称)等在公用波束中的下行波束内发射，RACH(指随机接入信道，RandomAccess Channel的简称)信道在公共波束中的上行波束内接收。

在上述通过分集波束承载可以在小区部分空间内接收和发射的公共传输信道和专用信道中，包括前向的FACH(指前向接入信道，Forward Access Channel的简称)、DCH(指专用信道，DedicatedChannel的简称)、S_CPICH(指辅助公共导频信道，SecondaryCommon Pilot Channel的简称)和反向的DCH信道。

所述通过分集波束承载可以在小区部分空间内接收和发射的公共传输信道和专用信道中，包括根据链路的方向不同、波束分集接收和发射的方式不同，确定或者在小区的反向链路进行波束分集接收，或者在小区的前向链路进行STTD编码波束发射分集。

在小区的反向链路进行波束分集接收时，小区上行链路的信号由两个上行分集波束做角度分集接收，两个分集波束分别接收移动台上行链路的部分多径信号，两个分集波束输出信号按照RAKE接收方法进行合并以提高基站抗干扰能力，而处于软切换状态下的移动台的上行信号由软切换区内的小区的分集波束进行分集接收。

在小区的前向链路进行STTD编码波束发射分集时，下行链路信号由小区内的下行分集波束做STTD空时编码波束发射分集，替代3GPP协议中由两副天线做STTD空时编码分集发射，构成波束内的空时编码发射分集，其中STTD解码所需的辅助公共导频信道在相应的分集波束内发射，其中，“相应“表示波束内发射的专用空时编码要与编码所经过无线路径的用于信道估计的辅助公共导频相匹配。

按照本发明提供的方法，小区内的上下行链路公用信道信息在公用波束内接收和发射，如3GPP协议中的BCH、SCH、CCPCH(指公共控制物理信道，Common Control Physical Channel的简称)等等。专用信道信息在两个分集波束内进行上行角度分集接收和下行的STTD空时编码分集发射，如3GPP协议中的DPCH信道。但不排除上下行链路公用波束也用于接收专用信道信息。

实施本发明提供的一种基于多波束天线的宽带码分多址基站物理层实现方法，与现有技术相比，由于将多波束智能天线技术与角度分集和STTD发射分集技术有机地结合在一起，充分发挥了移动台的STTD解码能力，从而有效地解决上下行链路的容量不对称问题。

下面结合附图和实施例，进一步说明本发明的特点，图中：

图1说明本发明方法使用的一种可能的阵列天线上行波束单元的实现形式；

图2说明本发明方法使用的一种可能的阵列天线下行波束单元的实现形式；

图3说明按照本发明方法用多波束网络实现的小区概念模型；

图4说明按照本发明方法用分集波束组合实现角度分集接收的一种实现形式；

图5说明按照本发明方法用分集波束组合实现波束空间内的STTD空时编码发射分集的一种实现形式；

图6说明按照本发明方法用分集波束实现辅助公共导频信道发射的方法；

图7说明按照本发明方法用多波束天线技术整合WCDMA物理层技术的方法流程。

图1是本发明使用的一种可能的阵列天线上行链路波束单元的实现形式。如图1所示，在本发明方法使用的基站中，其无线接收设备包括多个天线单元组成的天线阵1、由其个数与天线单元个数相同的基带变换单元构成的射频前端2和连接射频前端2的一个数字多波束赋形网络3。其中，天线阵1可以是频分双工的，根据需要也可以由两个中心频率不同的独立天线阵构成，分别用于上下行链路。图中的实例说明天线阵1用于上行链路方向时可接收空间不同方向到达的射频电波信号，射频前端2负责将其转换为基带信号，这样不同时间到达的同一信源信号在基带上表现为信号产生不同的相位移。基带信号送到数字多波束赋形网络3，图中只示意了形成一个波束的数字多波束赋形网络。天线阵1中不同天线单元接收的用户信号由于相位不同而相互干涉，并形成输出信号4。通常波束输出信号4送到后级进行多径搜索、跟踪、RAKE合并等。波束形成的权值w₁-w_N由网络规划决定。对上行链路形成两个角度分集波束需要两组不同的权值，形成一个覆盖全扇区的公用波束另需要一组权值。

图2说明了本发明方法可能使用的一种阵列天线下行波束单元的实现形式。下行波束由天线阵8、射频调制单元7及加权赋形网络6等构成。加权的权值w₁-w_M与上行的可以相同，也可以不同。当两组权值不同时上行的两个分集波束称为角度分集波束，下行分集波束称为STTD分集波束。本发明实例采用相同权值，统一称为分集波束，但在区分上下行链路时下文将用角度分集波束和STTD分集波束代替分集波束。本发明与现有技术的特征区别之一是下行STTD分集波束发射经过STTD编码的符号，两个STTD分集波束分别发射两路STTD编码符号。

按照本发明，下行链路除形成两个角度分集波束外还需形成一个覆盖全扇区的公用波束。下行公用波束的赋形权值可以不同于上行赋形权值。

按照本发明，设计波束可以采用较为灵活的原则。做为一个实例，图1和图2的波束在网络规划的指导下进行设计。如，基站选址所在区域的通信负荷情况分布不均匀，负荷重的扇区设计波束时波瓣宽度小一些，负荷轻的扇区波瓣宽度大一些，以便均匀负担扇区负荷。

图3说明的是用图1和图2所示多波束网络实现的小区概念模型。波束9，10是根据前述方法设计的四个分集波束(上下行链路波束采用同一波束)，波束11由两个上下行公用波束使用。波束9和波束10不论组合形式，应能完全覆盖小区。对下行方向的波束亦同样要求。在这里，波束(或波束单元)构成本发明技术方案中的基本逻辑单元。波束表达的是一种特定指向的空间，在此空间内用户可以得到最大的接收或发射能量。本发明的方法就是在多波束网络组织完成后，使用多波束天线实现WCDMA小区物理层的方法。具体实现过程是这样要求的：这些波束(单元)所覆盖空间是WCDMA小区的服务空间。WCDMA的逻辑小区具有的物理层传输功能在上述波束空间内实现。

从上行链路看对角度分集波束而言，在比较典型的蜂窝通信系统中，移动台发射的射频电波信号到达基站时，其到达角分布有一定的统计规律。到达基站的多径信号到达角集中在移动台和基站的直达路径附近，其角度扩展与基站天线高度相关，通常蜂窝基站天线较周围建筑物高，这样角度扩展不大。到达角度分布与多径的相关统计分析表明，到达角相差越大，多径的相关性越弱，使用角度分集越有利。所以基站天线高度选择要适中，波束波瓣宽度高度与角度扩展相适应。上行公用波束的设计以尽量覆盖全扇区为准则，同时兼顾扇区间的小区切换。

从下行链路看，虽然上下行频率不相同，但根据电波传播规律按照上行到达角发射的下行电波同样能达到移动台，差别是到达移动台的幅度衰落与上行方向不相关，相位变化也不相关。与上行链路相仿，不同发射角发射的电波或多径到达移动台时的幅度衰落和相位变化也呈现不相关的特性，这是传统技术使用角度分集发射的理论基础。但是传统角度分集发射的缺陷是，角度分集发射的多径若到达移动台的时差不超过一个码片，它们将是不可分辨的，严重时它们将相互抵消。于是角度分集发射就成一把双刃剑，有利的是能有分集的作用，不利的是将造成部分多径的不可分辨性。本发明的方法有助于克服这一矛盾，本实例将两个波束内的同一用户的信源信息进行STTD编码，并将编码后的STTD符号在两个分集波束内发射，两路STTD编码符号到达移动台的时延即使不超过一个码片，STTD解码技术也可将它解析出来(参见《Extension of Space-Time coding tobeamforming WCDMA base stations》这是本发明的优势所在。下行公用波束的设计和上行链路一致，以尽量覆盖全扇区为准则，同时兼顾扇区间的小区切换。

图4说明用本发明方法提出的分集波束实现角度分集接收的一种实现形式。图4在信号流程上是图1的继续，图1的数字波束输出信号压制了部分噪声，提高信号的信噪比，输出信号流4送给图4所示的分集波束接收装置中。信号流4含有丰富的多径信号，把这些多径信号收集起来能对抗深衰落。为此信号流4分别送到RAKE多径合并装置15和多径搜索装置17，另外一个分集波束信号流12也分别送到RAKE多径合并装置15和多径搜索装置17，在多径搜索装置中搜索多径的分布情况，选择最大的几个多径的时延、幅度、相位指示16送到RAKE合并装置中进行合并。在蜂窝通信环境下，多径分布有可能出现在不同扇区的两个分集波束内，本装置实例列举了分布跨越两个扇区的接收情况，按照同样的原理进行四个分集波束信号流4、12、13、14的多径搜索和RAKE合并。

图5说明本发明的用STTD分集波束实现STTD空时编码发射分集的方法。用户和干扰用户的下行链路数据比特流18、19、20经过STTD编码、映射、扩频模块23，24，25后分别分成两路STTD编码符号(STTD编码、映射和扩频过程与传统方法一样)，然后两路STTD编码符号进行相应编码符号之间的合并，用户之间的编码符号区分由扩频码来区分，合并后形成两路输出编码符号流5、22。编码符号流5送到图2所示的下行链路STTD波束赋形装置，完成STTD编码的多波束分集发射。图5中的模块6是图2中模块6的算法描述，即用STTD赋形波束权值与符号流相乘，算法中的G或F函数表示不同用户编码符号流的组合。同理编码符号流22送到模块21完成另一路STTD编码的多波束发射。

图6说明本发明方法是用STTD分集波束实现辅助公共导频信道发射的一个实例。移动台进行STTD解码需要知道无线传播信道的冲激响应，传统STTD方法在两个分集天线上发射两个导频信号到移动台做信道估计用。本发明实例将导频信号调制到STTD分集波束上，如图6中两个导频符号在分别进行映射、扩频后与编码后的用户符号一起合并。合并后的符号流送到波束赋形网络26进行波束分集发射。在无线信道中，导频符号和用户符号经过一样的空间信道，移动台通过对两个导频符号进行分析可以得出无线信道的响应，并根据结果利用STTD解码技术解调用户符号。

图7说明本发明方法用多波束天线技术整合WCDMA物理层的实现方法。整体方案的整合流程从波束形成29开始，箭头方向表明信号流的方向。箭头实体粗细表明在此有多个波束形成，需要构造多波束网络。波束形成的目的使用户信号在特定指向空间接收或发射能量最大，包括上下行链路两个方面。图1和图2是这两个过程的细化。波束的输入和输出信号送到多波束网络中进行承载信号的组织，在多波束网络的组织过程30中，根据波束的承载信道不同分工将多个波束按照图3所示的形式组合起来覆盖整个小区，这种安排为在波束中完成WCDMA物理层技术提供信号处理的承载体。在图3所示的多波束结构中，WCDMA系统的小区具有的各种信道映射到不同的波束中进行承载传输31，完成这一承载过程由四个流程实现：即包括上行公用波束实现公用信道的接收32；上行分集波束实现专用或部分公用信道的分集接收33；下行公用波束实现公用信道的发射34；下行分集波束实现专用或部分公用信道的STTD编码分集发射35。

本发明方法是在智能天线领域同时引入角度分集和空时编码技术，并将两者巧妙地结合在一起，为在第三代移动通信中引入智能天线技术打下了基础。根据3GPP协议，未来的第三代通信系统的移动终端必须支持STTD编码技术，因此利用智能天线开发STTD技术具有重要意义，不仅有利于改善下行链路容量，也充分利用了移动台的STTD技术能力，是一项有实用价值的工程，相信该技术会在将来等到广泛应用。

Claims (10)

1、一种基于多波束天线的宽带码分多址基站物理层实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

多波束天线系统波束的形成；

由一定个数的波束构造特定组合形式的多波束网络；

在多波束网络组织下，通过小区反向链路的波束分集接收和前向链路的STTD编码波束发射分集完成WCDMA小区概念的物理层功能。

2、根据权利要求1所述基于多波束天线的宽带码分多址基站物理层实现方法，其特征在于，所述多波束天线系统波束的形成包括天线信号的接收或发射，信号的加权和移相处理，其中，信号的加权和移相处理过程使各阵元接收或发射的基带信号相互干涉，在特定指向的空间形成用户信号的最大接收或发射方向。

3、根据权利要求1所述基于多波束天线的宽带码分多址基站物理层实现方法，其特征在于，所述由一定个数的波束构造特定组合形式的多波束网络包括以下步骤：基站将通信服务区域分为若干个小区，每个小区有2N个的波束单元构成多波束网络，其中，N个用于上行方向，另N个用于下行方向，在上行和下行方向的N个波束单元中，分别用一个波束单元覆盖全小区作为公用波束，上行链路和下行链路的其余N-1个波束，每个波束各覆盖扇区的一部分，但将其组合起来可覆盖全小区，相邻小区的公用波束设置有部分重叠区。

4、根据权利要求1所述基于多波束天线的宽带码分多址基站物理层实现方法，其特征在于，所述在多波束网络组织下，通过小区反向链路的波束分集接收和前向链路的STTD编码波束发射分集完成WCDMA小区概念的物理层功能包括以下步骤：

通过公用波束承载必须在全小区内广播或接收的公共传输信道；

通过分集波束承载可以在小区部分空间内接收和发射的公共传输信道和专用信道。

5、根据权利要求4所述基于多波束天线的宽带码分多址基站物理层实现方法，其特征在于，在所述通过公用波束承载必须在全小区内广播或接收的公共传输信道中，上行链路的公共波束输出信号承载上行公共信道，下行链路的公共波束输出信号承载下行公共信道。

6、根据权利要求4所述基于多波束天线的宽带码分多址基站物理层实现方法，其特征在于，在所述通过公用波束承载必须在全小区内广播或接收的公共传输信道中，WCDMA系统的BCH、PCH传输信道及物理信道中的P-CPICH、PICH、AICH、SCH等在公用波束中的下行波束内发射，RACH信道在公共波束中的上行波束内接收。

7、根据权利要求4所述基于多波束天线的宽带码分多址基站物理层实现方法，其特征在于，在所述通过分集波束承载可以在小区部分空间内接收和发射的公共传输信道和专用信道中，包括前向的FACH、DCH、S_CPICH和反向的DCH信道。

8、根据权利要求4所述基于多波束天线的宽带码分多址基站物理层实现方法，其特征在于，所述通过分集波束承载可以在小区部分空间内接收和发射的公共传输信道和专用信道中，包括根据链路的方向不同、波束分集接收和发射的方式不同，确定或者在小区的反向链路进行波束分集接收，或者在小区的前向链路进行STTD编码波束发射分集。

9、根据权利要求8所述基于多波束天线的宽带码分多址基站物理层实现方法，其特征在于，在小区的反向链路进行波束分集接收时，小区上行链路的信号由上行分集波束做角度分集接收，分集波束分别接收移动台上行链路的部分多径信号，分集波束输出信号按照RAKE接收方法进行合并以提高基站抗干扰能力，而处于软切换状态下的移动台的上行信号由软切换区内的小区的分集波束进行分集接收。

10、根据权利要求8所述基于多波束天线的宽带码分多址基站物理层实现方法，其特征在于，在小区的前向链路进行STTD编码波束发射分集时，下行链路信号由小区内的下行分集波束做STTD空时编码波束发射分集，替代3GPP协议中由两副天线做STTD空时编码分集发射，构成波束内的空时编码发射分集，其中STTD解码所需的辅助公共导频信道在相应的分集波束内发射，其中，“相应“表示波束内发射的专用空时编码要与编码所经过无线路径的用于信道估计的辅助公共导频相匹配。

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