CN1398128A - 一种阵列天线收发权值线性转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种阵列天线收发权值线性转换方法，包括如下步骤：确定收发权值转换矩阵，如果收发机要用好几对对称频段，就要确定好几个转换矩阵；把转换矩阵数据信息做到收发机中，并在收发机中提供实现矩阵与权值矢量相乘算法的软硬件条件；在通信过程中，随着接收权值得不断更新，发送权值也通过相应的转换矩阵和接收权值相乘而不断得到更新。本发明只是进行一个线性矩阵运算，计算简单，可以使收发权值对应的波束图之间的方差最小，收发波束图一致性很好。本发明的方法可以使用于任何阵列形式，任何多址方式的频分双工智能天线通信系统中，为智能天线在FDD系统中的应用排除了一大障碍，有很广泛的适用性。

Description

一种阵列天线收发权值线性转换方法

本发明涉及一种采用阵列天线收发数据和频分双工(FDD)的移动通信系统中，已知阵列天线接收权值确定发送权值的方法，更进一步，本发明还可以应用于采用任何阵列方式和任何多址接入方法的移动通信系统。

在数字移动通信系统中，有两种双工通信方式：时分双工(TDD)和频分双工(FDD)。在TDD方式中，基站和移动台用同一个频率收发信号，但对基站或移动台而言收信和发信在时间上是分开交替进行的，一段时间只收信不发信，一段时间只发信不收信。这种技术可以靠调整收发时间长短来实现上下行不对称传输，如果应用智能天线，则上下行(收发)加权值是相同的，处理简单。但是，由于传输时延的影响，基站的覆盖范围比较小，很难扩大，另外，由于收发使用同一频率，收发之间的干扰比较大，相邻小区间的干扰也比较大。在FDD方式中，基站和移动台在时间上连续收发，上下行频率不一样。FDD技术可以实现比较大的小区，也没有上下行之间的干扰，相邻小区间的干扰也相对比较小，实现起来比TDD简单。和TDD方式相比，FDD的应用范围更广一些，在GSM，IS-95，PDC，ADC，WCDMA(对称频段)，Cdma2000等系统中都采用了FDD双工方式，TDD则在CT2，DECT，PHS等数字无绳电话系统和TD-SCDMA，WCDMA(非对称频段)等系统中采用。

为了进一步利用不同信号的不同空间特性提高系统性能，很多人研究了智能天线技术，也叫阵列天线技术。智能天线采用两个以上的单天线阵元组成天线阵，每个阵元的接收到的信号经过射频处理后进行用适当的权值进行加权求和，就能达到定向接收的效果，一个权值矢量对应着一定的波束方向图。为了在实现定向接收的同时实现定向发射，就要对发送数据进行类似的加权，发送权值对应的波束方向图要和接收权值对应的波束方向图相同或非常相近。在TDD方式下，由于收发频率相同，收发权值一样，波束方向图就一样。而在FDD方式下，由于波束方向图和无线频率也有关，相同的收发权值对应着不同的波束方向图，要使收发波束方向图接近一致，就要使用与相应接收权值不同的发送权值。加权的实质是一种空间滤波，智能天线也可以认为是一种空分多址(SDMA)技术。在SDMA中通过天线阵列接收信号，并通过数字信号处理进行数字波束赋形(DBF)，使所需信号的信噪比最大。这是通过调整天线阵列所接收的信号的相位和幅度使所需信号通过相加求和得到加强，而其它干扰信号通过相加求和得到削弱实现的。

智能天线大体可分三种，一种是预多波束智能天线。这种方法是预先设定一些指向不同方向的波束权值，在通信过程中选择接收信号比较好的那些波束权值加权结果进行后续处理。这种方法的缺点是需要预先给出较好较多的预先权值，它没有充分利用具体时刻的信号空间分布特性，不能很好的提高接收信号的信干噪比。不过这种方法的实现思路很容易想到。在FDD方式下，这种智能天线收发权值的对应关系主要由指向性参数来决定，收发权值转换本身很简单。

第二种是部分自适应智能天线，这种实现方案通常从接收的阵列信号中提取期望用户信号到达方向角信息，然后形成指向到达方向角的波束，到达方向角(DOA)变化则权值跟着变化。其实质是使接收到的期望用户信号能量最大，同时有限的压制其它方向的干扰。相控阵就属于这样的技术，相控阵的所有幅度一样，不能改变，只有相位能自适应的改变。部分自适应智能天线的性能比预多波束智能天线要好，但还是没有完全利用信号空间信息，自适应范围也有限，而且提取达到方向角的算法比较复杂，能不能实时实现还是一个问题。在FDD方式下，这种智能天线的接收权值是根据检测到的DOA参数按一定算法得到的，发送权值也可以根据DOA用类似算法得到。

另一种是全自适应智能天线，这种天线的权值不需要预先设置，而是根据信号空间分布特性的变化而按一定准则不断更新权值，权值的幅度和相位都可以自由的更新，当更新算法收敛时这种方法能充分利用期望用户信号和干扰信号的空间特性使接收到的信号的信干噪比达到最大，而部分自适应智能天线一般不考虑干扰到达方向。这是很令人向往的结果，可以说是智能天线的最高境界。在FDD方式下，这种智能天线的发送权值要依靠所得到的接收权值来决定。

显然使用全自适应天线阵列的无线通信系统能达到最好的系统性能，但目前在实际中应用还需要解决一些关键的技术问题。例如在采用FDD方式的系统中如何根据接收通路的阵列权值确定发送通路的阵列权值是制约自适应天线发展的难题之一。现有的各种技术方案中，要么是针对TDD方式的通信系统，要么只涉及接收处理方法，要么只是提出了系统实现的框架，目前还没有检索到公开提出在FDD方式中收发权值转换的实现方法的文献，而FDD又是用得比较多的双工方式。实现FDD中收发权值转换是在FDD通信系统中实现全自适应智能天线的关键技术之一。

本发明的目的是提出一种适用于FDD方式移动通信系统的简单有效的收发权值转换方法。本发明所述方法的核心思想是：根据理论推导，已知移动通信系统中收发机的收发频率和一定的天线阵列时，波束方向图一致的收发权值之间符合线性变换关系。根据合理的理论模型计算出或者根据实际天线阵列测量出这个线性变换矩阵，就可以在通信中使用这个变换矩阵进行收发权值转换。

本发明所述方法，包括如下步骤：

第一步：在设计收发机时，确定收发权值转换矩阵，如果收发机要用好几对对称频段，就要确定好几个转换矩阵；

第二步：把转换矩阵数据信息做到收发机中，并在收发机中提供实现矩阵与权值矢量相乘算法的软硬件条件。

第三步：在通信过程中，随着接收权值得不断更新，发送权值也通过相应的转换矩阵和接收权值相乘而不断得到更新。

本发明所述方法，解决了FDD系统中收发频率不一样所带来的收发权值转换难题，为全自适应智能天线在FDD系统中的应用扫除了一大障碍。本发明所述方法实现简单，只要在收发机设计时确定转换矩阵，在以后的使用中就不必什么改动了，实现转换的算法也很简单。本发明所述方法可以适用于包括直线阵圆阵在内的任何阵列形式，可以适用于包括CDMA和TDMA在内的任何多址方式的系统中，具有比较广的适用性。而目前的文献中，还没有检索到解决这一问题的实用方法。

下面结合附图的例子更详细地描述本发明所述的方法，其中：

图1是本发明收发权值转换方法的流程图。

图2是应用于直线阵的接收权值对应的波束方向图。

图3是应用于直线阵的发送权值对应的波束方向图。

图4是应用于圆阵的接收权值对应的波束方向图。

图5是应用于圆阵的发送权值对应的波束方向图。

本发明所指的收发机可以是移动台，也可以使基站上包括基带处理在内的收发设备。

在智能天线系统中，用不同的复数权值对天线阵列中的不同阵元接收到的信号进行加权合并，这些权值可以看成是一个向量的各个分量，对接收信号加权的权值向量可以称为接收权值向量，简称接收权值。同样对于送往各个天线阵元的信号也要用不同的复数权值进行加权，这些权值可以组成发送权值向量。但是由于FDD系统中收发频率不同，要使收发波束方向图相同，接收权值和发送权值是不同的，需要通过一定的转换。

设天线阵列由M个天线阵元组成，接收权值为M维复数列向量Wr，发送权值为M维复数列向量Wt，接收时信号到达角度为θ的方向的M维复数列导向矢量为Vr(θ)，发送时角度为θ的方向的M维复数列导向矢量为Vt(θ)。根据收发波束方向图方差最小的准则，可以推导出接收与发送权值之间有如下关系： $\mathrm{Wt}={\left[{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\mathrm{Vt}\left(\mathrm{\θ}\right){\mathrm{Vr}}^H\left(\mathrm{\θ}\right)\mathrm{d\θ}\right]}^{-1}\left[{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\mathrm{Vt}\left(\mathrm{\θ}\right){\mathrm{Vr}}^H\left(\mathrm{\θ}\right)\mathrm{d\θ}\right]\mathrm{Wr}---\left(1\right)$ 上式中，上标H表示共轭转置，上标-1表示矩阵求逆。上式也可写为：

                   Wt＝TWr                                  (2)其中M行M列变换矩阵T为： $T={\left[{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\mathrm{Vt}\left(\mathrm{\θ}\right){\mathrm{Vt}}^H\left(\mathrm{\θ}\right)\mathrm{d\θ}\right]}^{-1}\left[{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\mathrm{Vt}\left(\mathrm{\θ}\right)V{r}^H\left(\mathrm{\θ}\right)\mathrm{d\θ}\right]---\left(3\right)$ 在实际运算中，也可以用式(3)的离散形式，以便进行数值计算。把0到2π不重不漏分为足够多的K份扇区，每份扇区角度宽为足够小的Aθ_k，每份扇区代表方向为θ_k： $T={\left[\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Vt}\left({\mathrm{\θ}}_k\right){\mathrm{Vt}}^H\left({\mathrm{\θ}}_k\right){\mathrm{\Δ\θ}}_k\right]}^{-1}\left[\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Vt}\left({\mathrm{\θ}}_k\right){\mathrm{Vr}}^H\left({\mathrm{\θ}}_k\right){\mathrm{\Δ\θ}}_k\right]---\left(4\right)$

所谓收发波束方向图之间的方差最小，实质上就是指收发波束方向图一致性比较好，也就意味着在通信过程中，接收的波束对准的是哪些方向，发射信号时的波束就对准哪些方向，这样接收时可以尽量提高期望用户信号能量的同时尽量压制干扰用户的信号能量，发射时可以尽量把射频能量发射到期望用户方向，而对其它方向用户产生的干扰更小。由(4)式可见只要确定好线性转换矩阵T，就可以靠简单的乘加算法实现收发权值转换。这是本发明的特征所在。

图1是本发明收发权值转换方法的流程图。框图101对应于方法的第一步，框图102对应于方法的第二步，框图103对应于方法的第三步。下面具体说明：

第一步：在设计收发机时，确定收发权值转换矩阵，如果收发机要用好几对对称频段，就要确定好几个转换矩阵。要确定转换矩阵T，可以有很多途径，下面举几个例子：

1.根据系统设计的收发频率和天线结构及阵元的辐射方向图，计算出收发

信号时各方向上的导向矢量(各方向上导向矢量的集合也可称为阵列流形)

Vr(θ)和Vt(θ)，然后用(3)式或(4)式计算出转换矩阵T。

2.根据制作好的阵列天线及相关系统，用实验手段测量得到收发各方向导

向矢量Vr(θ)和Vt(θ)，然后用(3)式或(4)式计算出转换矩阵T。

3.直接调整收发权值使收发波束方向图接近一致，然后多找几对这样的收

发权值，利用(2)式解出最小方差意义下的最佳转换矩阵。

第二步：把转换矩阵数据信息做到收发机中，并在收发机中提供实现(2)式算法的软硬件模块。这个转换矩阵是一直有用的，不管移动用户怎么变，不管关机还是重新启动，只要天线阵列本身结构和收发频率不变，上述第一步得到的转换矩阵就不能变。由于(2)式只是乘加运算，实现(2)式算法的软硬件条件比较简单，在更新速度不是很高的场合可以用DSP实现，速度要求比较高的场合可以设计FPGA或专用芯片来实现。

第三步：在通信过程中，随着接收权值得不断更新，发送权值也由一定的软硬件依据(2)式的算法不断得到更新，始终保持收发波束方向图基本一致。

对本发明的方法进行仿真，图2、图3是本发明方法应用于等间距直线阵的情况。上行权值随机产生，阵元数M为8，上行频率WaveLenUp为1920MHz，下行频率WaveLenDown为2110MHz，相邻阵元间距为半个下行波长，每个阵元为全向天线。图2中的曲线201是随机生成的上行权值对应的波束方向图。其主波束方向约为62度(由于全向直线阵有轴对称性，下半周的波束方向图和上半周的波束方向图曲线是一样的，可以不考虑下半周)，权值转换矩阵根据上面的模型推导出来，推导过程中采用(4)式，把圆周等分成360等份，计算出转换矩阵T。图3中的曲线301是线性转换后下行权值得波束方向图，与图2表示的上行比较，两者差异很小。足见本发明方法的有效性。

图4、图5是应用于圆阵的情况。上行权值随机产生，阵元数M为8，上行频率WaveLenUp为1920MHz，，行频率WaveLenDown为2110MHz，圆阵的满阵因子rou＝1，圆阵半径R＝rou*M*WaveLenDown/4/π，阵元在圆周上均匀分布。每个阵元为全向天线。图4中的曲线401是随机生成的上行权值对应的波束方向图。其在35度、85度、135度、230度等方向形成较高的波束增益，在60度，110度，195度、255度、300度、350度这些方向形成了较低的零陷。权值转换矩阵根据上面的模型推导出来，推导过程中采用(4)式，把圆周等分成360等份，计算出转换矩阵T。图5中的曲线501是线性转换后下行权值的波束方向图，与图4表示的上行权值的波束方向相比较，波束的零陷和主副瓣的方向没什么差别。两者差异很小。足见本发明方法的有效性。

其实，无论是什么样的阵列形式，都有其收发阵列流形，就可以按(3)式或(4)式计算出较准确的线性权值转换矩阵。

综上所述，本发明提出的收发权值线性转换方法，只是进行一个线性矩阵运算，只含乘加操作，计算简单。本发明的方法，可以使收发权值对应的波束图之间的方差最小，收发波束图一致性很好。本发明的方法可以使用于任何阵列形式，任何多址方式的频分双工智能天线通信系统中，有很广泛的适用性。本发明的方法，解决了智能天线技术中的一个关键难题——FDD系统中收发权值转换，为智能天线在FDD系统中的应用排除了一大障碍，目前还很难找到类似的技术，具有很大的意义。

Claims (7)

1、一种阵列天线收发权值线性转换方法，包括如下步骤：

第一步：确定收发权值转换矩阵；

第二步：把转换矩阵数据信息做到收发机中，并在收发机中提供实现矩阵与权值矢量相乘算法的软硬件条件；

第三步：在通信过程中，随着接收权值得不断更新，发送权值也通过相应的转换矩阵和接收权值相乘而不断得到更新。

2、如权利要求1所述的阵列天线收发权值线性转换方法，其特征在于：所述收发权值转换矩阵T是按照下式确定，即 $T={\left[{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\mathrm{Vt}\left(\mathrm{\θ}\right){\mathrm{Vt}}^H\left(\mathrm{\θ}\right)\mathrm{d\θ}\right]}^{-1}\left[{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\mathrm{Vt}\left(\mathrm{\θ}\right)V{r}^H\left(\mathrm{\θ}\right)\mathrm{d\θ}\right]$

                                               。

3、如权利要求1所述的阵列天线收发权值线性转换方法，其特征在于，所述收发权值转换矩阵T是按照下式确定，即 $T={\left[\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Vt}\left({\mathrm{\θ}}_k\right){\mathrm{Vt}}^H\left({\mathrm{\θ}}_k\right){\mathrm{\Δ\θ}}_k\right]}^{-1}\left[\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Vt}\left({\mathrm{\θ}}_k\right){\mathrm{Vr}}^H\left({\mathrm{\θ}}_k\right){\mathrm{\Δ\θ}}_k\right]$

                                               。

4、如权利要求1、2、3之一所述的阵列天线收发权值线性转换方法，其特征在于：所述收发权值转换矩阵T是根据系统设计的收发频率和天线结构及阵元的辐射方向图，计算出收发信号时各方向上的导向矢量Vr(θ)和Vt(θ)，然后用公式计算出转换矩阵T。

5、如权利要求1、2、3之一所述的阵列天线收发权值线性转换方法，其特征在于：所述收发权值转换矩阵T，是根据制作好的阵列天线及相关系统，用实验手段测量得到收发各方向导向矢量Vr(θ)和Vt(θ)，然后用公式计算出转换矩阵T。

6、如权利要求1、2、3之一所述的阵列天线收发权值线性转换方法，其特征在于：所述确定收发权值转换矩阵T，是采取直接调整收发权值，使收发波束方向图接近一致，然后再多找几对这样的收发权值，利用公式Wt＝TWr解出最小方差意义下的最佳转换矩阵。

7、如权利要求1、2、3之一所述的阵列天线收发权值线性转换方法，其特征在于：所述确定收发权值转换矩阵时，按照收发机的对称频段对的数量，确定与之一一对应的收发权值转换矩阵。

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