CN1391310A - 在智能天线阵列中或与其相关的改进 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及智能天线阵列的一种波束形成方法。智能天线应用连接到一个组合/波束形成网络的低增益天线的阵列。智能天线可通过距离延伸，死区填充和改善的建筑物穿透提供增强的作用距离。通过在基站改进发送和接收可增加可允许的路径损耗，由此能改善该基站的作用距离。本发明的第一方面提供由大阵列中用于四个天线的标准体的目前考虑的反馈信号传输技术。本发明适于CDMA无线蜂窝系统，如目前被确定用于第三代蜂窝无线网络，和其他的无线系统，例如TDMA系统和无线LAN。

Description

在智能天线阵列中或与其相关的改进
技术领域
本发明涉及智能天线阵列的波束形成方法。
背景技术
在其他情况下称为自适应天线阵列的智能天线阵列包括连接到组合/波束形成网络的低增益天线。智能天线可通过距离延伸，死区填充和改善的建筑物穿透性提供增强的作用距离。通过在基站改进发送和接收可增加可允许的路径损耗，由此能改善该基站的距离范围。通过在基站使用智能天线能降低一个无线网络的原始开发成本：随在系统使用中的开发，通过增加附加小区地点和减小现存基站距离范围能增加系统的容量。
由此智能天线阵列方便实施的数字波束形成对UMTS网络被考虑为最有前途的技术之一。线性和平面天线阵列通常被考虑成候选天线类型。这是因为相对其他例如环形阵列类型的天线它们产生低的旁瓣。如果一个通信天线阵列在其波束图形中产生高的旁瓣，这将使强干扰信号在某些方向上到达移动终端，对于下行链路传输可以是一个严重的问题。
在R’99UTRAN技术条件中，引入反馈机制来帮助应用两个天线的发射分集技术。概念是使用不同的扰频码从两个不同的天线发射固定功率的下行链路信号到所有在公共频道中的移动终端，并之后按照从指定的移动终端接收的反馈信号对专用频道采用天线加权，目前对在引入反馈信号传输到四个天线的建议存在很大的商业兴趣。这样的反馈信息使自适应波束形成用于具有四个元件的阵列。一方面，由于有限的信号传输带宽，不可能有时引入用于多于四个天线的任何信号传输机制。另一方面，某些阵列，例如用于蜂窝网络的环形阵列需要至少八个天线以获得显著的阵列增益。同样，可以想像，由多于四个元件组成的线性天线阵列将用在未来的UTRAN产品中。
发明内容
本发明力图提供适于用在蜂窝基站中的改进的天线装置。本发明还力图提供增加一个蜂窝通信基站的容量的可操作的天线装置。本发明也力图提供一种波束形成技术，该技术能开发目前反馈信号传输方案于大的阵列中，并用于定向的或全向的天线。
按照本发明的第一方面，提供了一种智能天线基站装置，包括一个天线元件阵列，该阵列被细分成许多子阵列，其中：
一个元件或选自每个子阵列的多个元件可操作以广播公共控制频道信号，工作时该信号由在该基站覆盖的区域中的移动终端返回；
该装置是可操作的，以应用储存的加权数据和与反馈数据一起到达的数据的方向使该阵列产生在所说移动终端方向的定向的下行链路波束。
该反馈信号能促使用于波束形成加权的相位和幅度分量的最佳化分配于专用频道。
该反馈信号能促使用于波束形成加权的相位分量的最佳化分配于专用频道。
该反馈信号能促使用于波束形成加权的幅度分量的最佳化分配于专用频道。
该反馈信号的相位信息能用来确定该引导天线加权的相位分量。
该反馈信号的幅度能用来确定该引导天线加权的幅度分量。
阵列可包括多个定向天线或一个全向天线阵列。
按照本发明的第二方面，提供了操作一个智能天线基站装置的方法，该装置包括一个天线元件阵列，该阵列细分成多个子阵列，该方法包括步骤：
从一个元件或每个子阵列选择的多个元件发送引导信号；
接收由在基站覆盖的区域中的移动终端返回的反馈信号；
该装置是可操作的，以应用储存的加权数据和与反馈数据一起到达的数据的方向使该阵列产生在所说移动终端方向的定向的下行链路波束。
这样本发明的第一方向提供了反馈信号传输技术，这种技术目前由在大阵列中用四个定向的或全向的天线的3GPP所考虑。本发明适用于目前被确定为第三代蜂窝无线网络的CDMA无线蜂窝系统，和其他的无线系统，例如TDMA系统和无线LAN。本发明因此能促进实现智能天线的进一步的优点。
附图说明
根据考虑下列说明书和表示在附图图表中的图可更容易理解本发明和本发明的不同的其他方面和特征可变得显而易见，其中：
图1表示一个环形阵列的波束图形的例子；
图2表示以一个圆配置的全向天线的2-维装置；
图3表示以一个正方形配置的全向天线的2-维装置；
图4表示基本的自适应波束形成器配置；
图5表示一个主波瓣阵列图的内插/旋转标度；
图6表示关于波束形成的一个流程图；
图7表示关于波束形成的第二个流程图；
图8a和b表示在2GHz频率在一个全向天线的水平面中的某些低旁瓣图；
图9说明一个环形阵列的子阵列；
图10说明按本发明第一方面制作的一个波束成形的；
图11-13是关于按本发明的波束形成器的工作的流程图。
具体实施方式
现在将通过例子来描述由发明人设想的用于执行本发明的最佳模式。在以下的说明中陈述的多数专门细节为的是提供对本发明的全面的了解。但是对本专业技术人员而言显见的是本发明可以用该专门细节的变化付诸实践。但是例如涉及全向天线的专门说明定向天线可以替代使用这将是显见的。
至今，使用环形阵列已受到限制，这是因为当使用环形阵列时，多数波束形成算法倾向产生高的旁瓣，这将对其他的移动终端引起强的干扰并限制使用空域多址存取(SDMA)。使用非环形的无疑尚未被公开的其他类型的2-维阵列也可能遭遇到类似的问题。参照图1，这里表示某些西门子TD-SCDMA环形天线阵列的波束图。可以看到旁瓣电平(定向波束)可以为-4dB高，而对于一个线性阵列达到-12dB的旁瓣电平并不困难。该问题当在下行链路中的代码的不足有效地限制数据率时对W-CDMA特别严重。表示出由单个全向天线提供的在所有方向上基本均匀的一个基准方向图。
一个天线阵列的波束图在很大的程度上由波束形成加权所确定。对于线性阵列，存在许多产生低旁瓣的已知的加权分布函数，例如台劳(Taylor)和切别雪夫(Chebyshev)分布。不幸的是，对于非线性阵列，不存在容易的解。理论上，如果给定限制条件和目标函数，一个阵列的加权可使用最佳化方法实时地最佳化。但实际上，这种技术难以实施，这是由于对信号处理功率的过度的要求。
参照图2，这里表示全向天线的一个周期性的环形阵列，在申请人同时申请的共同未决的申请(代理号2001P09403，未指定序列号)中描述；一个波束形成装置是可操作的，以便在视图平面中的每个元件的径向产生一组在任意两个相邻元件之间的角度方向具有低旁瓣的最佳方向图，以覆盖一个角范围。为覆盖360°的范围，仅要求一个小的可操作的加权集合(Weight Set)来覆盖一个角周期(angular period)：根据施加到其他围绕天线装置的中心轴的弧线的加权，在相邻天线之间的弧线的每个角周期是一个重复。例如可以存储一个加权集合以覆盖围绕基站区域的十二分之一，该加权集合包括用于在一个径向由一个天线元件与用于在那个天线元件和其相邻天线元件之一个元件之间的多个角的加权一起形成的一个波束的加权：在360°范围上旋转该加权集合十二次提供围绕该天线装置的整个空间的覆盖。这样的一个波束形成加权集合的最佳组可储存在缓冲器或其他的ROM器件中。在任何其他方向借助加权分配的内插和旋转能够使用最佳加权集合。图3表示具有配置为正方形的天线元件的在水平方向为全向性的一种天线装置。有四个90°的旋转对称性的角周期：在360°上旋转加权集合四次将提供围绕天线装置的整个空间的覆盖。
需要确定下行链路波束的方向。该信息可以多种方式获得：例如，如已知的那样，由通过该网络或基站本身的三角测量，借助于全球定位系统(GPS)，反馈信号可以揭示位置。当需要下行链路波束形成和给定波束的方向时，基于储存的最佳加权集合组分配一个加权集合，并产生具有保证低旁瓣电平的波束方向图。
图4表示下行链路波束形成器的示意配置；在此仅表示四个天线元件40，但是波束形成器考虑从一个希望与其通信的移动终端得到的信号44的到达的方向；从ROM或类似器件得到加权信息。来自波束形成器的信号由乘法器48施加到天线输入馈点。当要求通信时，得到相应于多个方向的储存的加权；旋转或旋转和内插数据乘以一个系数，而到天线的信号被适当地加权。
图5表示为一个全向性波束部分的360°角范围如何分成12个‘n1’主波束：例如相应于图2环形装置的12个天线方向。对于一个简单情况，可以是这样，旋转该主波束到十二个天线方向之任一方向即可满足。然后，不需要对n2个加权形成基准以提供中间波束。无论怎样，对于12个波束配置而言n2个中间波束可能需要取决于3dB波束宽度是否小于30°。图5的例子表示四个中间波束。
图6表示第一个流程图：同样参考图4，这里来自一个希望与其通信的移动用户的一个移动终端的反馈数据的到达方向(DoA)由处理器44接收：确定相对于一个基准的最近的分立角。波束形成器42提供在ROM46中储存的加权数据。在该图中，到达信息的方向相应一个主波瓣方向，3dB波束带宽使得只要要求该主波束的旋转能使小区的所有区域被覆盖。但是要注意有可能确定独立于两维阵列的任何周期性的主波束方向。人们将理解，如果该波束带宽足够宽或存在着足够的储存的加权，则在主波束之间具有内插并不有利，这是因为非-规则内插可使计算更为困难，或要求更多的处理功率/更多的存储器。
图7表示第二个流程图。如图6的情况，处理DoA信息以确定相对一个基准(步骤2)的最近分立角。务必取决于一个内插加权集合指数，同旋转加权一起确定内插的和旋转的主波束(步骤3-5)。如在图6的情况一样，该信号将驱动波束形成器乘法器42。图8a和b表示两个最佳的低旁瓣波束图。将理解到该旁瓣是低的，低于-12dB。
在R’99UTRAN技术条件中，引入反馈机制来帮助应用两个天线的发射分集技术。概念是使用不同的扰频码从两个不同的天线发射固定功率的下行链路信号到所有在公共频道中的移动终端，并之后按照从指定的移动终端接收的反馈信号对专用频道采用天线加权。目前对在引入反馈信号传输到四个天线的建议存在很大的商业兴趣。这样的反馈信息使自适应波束形成用于具有四个元件的阵列。一方面，由于有限的信号传输带宽，不可能有时引入用于多于四个天线的任何信号传输机制。另一方面，用于蜂窝网络的环形阵列需要至少八个天线以获得显著的阵列增强。同样可以想像，由多于四个元件组成的线性天线阵列将用在未来的UTRAN产品中。因此，对大阵列需要能采用目前反馈信号传输方案的新的波束形成技术，但其被限于两个和四个天线。
现在参照图9，它表示本发明的另一个实施例。一个大的天线阵列被分成许多称为子阵列的小组，在当前情况下被分成四组，例如每组包括二个到十个元件，目前情况是包括三个天线元件。由于在每个子阵列中的天线元件靠近放置，可选择每个阵列的一个天线元件作为引导天线发射不同的信号，如同发射分集方案那样。来自预定的移动终端的该反馈信号则被用来将该限制放置在每个子阵列的加权上以便发射专用信号。
可以使用幅度信息设置用于子阵列加权的幅度的范围，然后使所有经受这种限制的天线加权最佳化。另一方面，可使用该幅度信息去确定每个子阵列加权的幅度并基本上确定所有天线加权的相位以使波束最佳化。如上所讨论的，要求一个测向函数去执行这种最佳化。
当可得到合适的信号处理功率条件下，或可实时产生最佳波束，或可从如上述予储存的最佳集合选择最佳波束。图10表示这样一种下行链路波束形成器70的配置，这里使用四个引导天线71p1...71p4。该下行链路波束的信号传输是由单元77控制的：移动终端的反馈在单元73中内插，并使用来自单元73与来自储存加权存储器76一起的数据和使用来自加权分配单元75中的单元74的到达数据的方向。来自加权分配单元的信号用输入传输线馈送到乘法单元，然后传送到天线。该波束形成器相应于适合用于图9中表示的配置天线的波束形成器，但在图中仅表示七个天线，而图10的引导天线71p1-71p4相应图2的引导天线1，2，3和4，天线的总数将变化，这取决于所使用的天线类型，例如，如果它是一个环形阵列，实际中在那里该数可能是八，十二或十六。
现在参照图11，它表示描绘本发明工作的流程图。基本地，天线阵列被分组成多个子阵列，例如每个子阵列与在全向小区位置范围内的90°周期相关，可操作用每个子组的一个或多个引导天线来广播引导信号。仅使用一个子阵列的一个天线元件或其少量的天线元件将降低信号传输所要求的带宽。从覆盖区域中一个移动终端接收的反馈用作对于最佳波束形成加权的限制条件；没有进行关于天线元件或阵列配置的设想。
现在将详细说明如下：每组子阵列的每个引导天线广播引导信号(步骤i)。在覆盖区域内的移动电话启动测量用信号相位和幅度词句表示的引导信号(步骤ii)，该信息返回到基收发信机站(BTS)(步骤iii)。考虑反馈限制和到达信息方向以最佳化波束形成加权(步骤iv)，该加权传送到波束形成装置，一般其可采用乘法器的形式。
图12表示实施图11中表示的一般概念的最佳方式。对于由指数m1表示的每个分立角，存在许多相应于由指数m2表示不同反馈组合的予最佳加权。予最佳加权的数量通常对应于上述主波束，以及另外的用于内插波束方向，只要合适的予最佳加权。
在图13中，引入第三指数m3反映这样一个事实，即存在与可以是通常能采用的配置相关的某些对称性/周期性，使得能减小储存的加权的数量，并由此能实施旋转或反射操作。

Claims (16)

1.一种智能天线基站装置包括细分成多个子阵列的天线元件阵列，其中：
一个元件或从每个子阵列中选择的多个元件可操作发射引导信号，工作时该引导信号由在基站覆盖的区域内的移动终端返回；
该装置可操作应用储存的加权数据和与反馈数据一起的到达数据的方向使该阵列在所说移动终端的方向产生定向的下行链路波束。
2.按权利要求1的装置，其中反馈信号促使用于指定用于专用频道的波束形成加权的相位和幅度分量的最佳化。
3.按权利要求1的装置，其中反馈信号促使用于指定用于专用频道的波束形成加权的相位分量的最佳化。
4.按权利要求1的装置，其中反馈信号促使用于指定用于专用频道的波束形成加权的幅度分量的最佳化。
5.按权利要求3的装置，其中反馈信号的相位信息用于确定该引导天线加权的相位分量。
6.按权利要求4的装置，其中反馈信号的幅度用于确定该引导天线加权的幅度分量。
7.按权利要求1的装置，其中阵列具有物理周期性，由此减少原理最佳加权集合的数量。
8.按权利要求1-7任一的装置，其中阵列包括相邻元件间隔规则的环形阵列。
9.按权利要求1-7任一的装置，其中阵列包括矩形阵列。
10.按权利要求1-7任一的装置，其中天线包括定向天线。
11.按权利要求1-7任一的装置，其中天线包括全向天线。
12.按权利要求1-3任一的装置，其中多个角方向是在由两个相邻元件形成的一个角中选择的，由此得到基本的最佳加权集合组。
13.一种操作智能天线基站装置方法，该装置包括一个天线元件阵列，该阵列被细分成多个子阵列，该方法包括步骤：
从一个元件或从每个子阵列选择的多个元件发射引导信号；
接收由在该基站覆盖区域中的移动终端返回的反馈信号；
该装置可操作以应用储存的加权数据和与反馈数据一起的到达数据的方向使阵列在所说移动终端方向产生定向下行链路波束。
14.按权利要求13的方法，其中该反馈信号促进用于指定用于专用频道的波束形成加权的相位和幅度分量的最佳化。
15.按权利要求13的方法，其中该反馈信号促进用于指定用于专用频道的波束形成加权的相位分量的最佳化。
16.按权利要求13的方法，其中该反馈信号促进用于指定用于专用频道的波束形成加权的幅度分量的最佳化。
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