CN1486006A - 智能天线上下行权值转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能天线上下行权值转换方法，包括：一、估计上行权值W_u,i=

及其相位angle(·)；二、计算下行波束方向角φ_d,i=(fd/fu)φu,i；三、进行下行波束方向角误差分析；四、下行波束方向角误差补偿，对每个阵元的上行权值估计相位进行±2kπ修正；五、形成下行权值

。本发明仅利用上行权值信息，不需要额外开销，结构简洁；对上行权值的修正和补偿形成下行权值的方法，运算量小，转换速度快，易于工程实现。另外，本方法形成的下行波束主瓣指向准确，可以实时跟踪用户的快速移动，自适应的调节权矢量。

Description

智能天线上下行权值转换方法

技术领域

本发明涉及移动通信领域的宽带码分多址(以下简称WCDMA)系统，尤其涉及一种WCDMA频分双工(FDD)系统中直线阵智能天线的上下行权值转换方法。

背景技术

智能天线技术是提高移动通信系统容量的重要手段，主要应用在移动通信系统中的基站方面。在WCDMA频分双工系统中，上行链路(从用户到基站)与下行链路(从基站到用户)存在频差，信号传播的无线环境受频率选择性衰落影响各不相同。对于在上行链路是可观测的平坦衰落，在下行链路却是不可观测的。

一般来说，要实现智能天线的下行发相对较困难，这是因为智能天线在设计发送波束时很难准确获知下行信道的特征信息(特别是主要传播路径的出射角度)，而理想的天线工作模式应该是与信道相匹配的。一种方法是象IS-95标准中上行功控一样，构成造闭环测试结构，但是该方法存在浪费宝贵的系统资源、附加时延、受上行信道干扰等诸多缺点。还有一种方法是利用上行信道信息来估计下行信道，这一方法在时分双工(TDD)系统中毫无疑问可以应用(事实上，这也是我国提交的TD-SCDMA第三代建议得到较多注意的主要原因)，但在频分双工(以下简称FDD)系统中情况却并非如此，由于上、下行信道使用的是不同频率，上、下行信道的相关性是很弱的，很多参数并不相同。如果直接把上行权应用在下行链路上，会导致下行波束指向错误，主瓣和零点在角度上的偏差会导致干扰抑制性能的下降。因此，上、下行链路信道是不可互用的，根据上行链路计算得到的权值不能直接应用于下行链路。

Ying-Chang Liang等人的用于FDD DS-CDMA系统的基于上行权值修正的下行权值计算方法(FDD DS-CDMA Downlink Beamforming by Modifying UplinkBeamforming Weight，IEEE 2000.)，提出了一种基于上行权值修正的零点约束方法，在保证上下行波束图具有相同零点的前提下，得到次优权值。该方法的主要过程如下：

设上行链路的波束权值为

                             W_u＝[w_u，1，w_u，2，Λ，w_u，M]^T

$w_{u,i}=e^{-j{\mathrm{\φ}}_{u,i}}---(i=\mathrm{1,2},\mathrm{\Λ},M)$

其中φ_u，i是第i阵元上的权值对应的方向角，M是阵元个数，T表示转秩运算。

首先，从上行权值的多项式 确定上行波束零点z_u，i，i＝1，K，M-1；

其次，变换上行零点 $z_{u,k}\left(i\right)=A_{u,k}\left(i\right)e^{j{\mathrm{\φ}}_{u,k}\left(i\right)},i=1,K,M-1$ 的相位：

${\mathrm{\φ}}_{d,K}=\frac{f_d}{f_u}{\mathrm{\φ}}_{u,i};$

再次，令A_d，k(i)＝A_u，k(i)或A_d，k(i)＝1，i＝1，K，M-1，构造下行波束零点

$z_{d,k}\left(i\right)=A_{d,k}\left(i\right)e^{j{\mathrm{\φ}}_{d,k}\left(i\right)};$

最后，构造下行波束形成权值

$\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{d,k}\left(i\right)z^{-i+1}=(1-z_{d,k}\left(1\right)z^{-1})\mathrm{\Λ}(1-z_{d,k}(M-1)z^{-1})$

其中d为线性阵列阵元间距，c为波速，f_u、f_d分别为上、下行载波频率，θ为波达方向角。

该方法只保证上下行波束图具有相同零点，不能保证波束主瓣的准确指向；而且仅对单小区对称业务信道有较好的性能，对于非对称业务信道算法可能失效。

发明内容

本发明的目的是提出一种智能天线的基站发送时使用的基于上行权值修正的下行自适应波束形成方法，以在较小的运算量下保证波束主瓣的准确指向，并实时跟踪用户的快速移动，有效应用于非对称业务信道中。

本发明的核心思想是假定上行权值能精确得到，同时期望用户周围不存在强干扰源的情况下，根据得到的上行权值估计下行权值的相位，并对该相位进行补偿，然后进行相位变换，从而形成下行权值。

本发明所提出的智能天线上下行权值转换方法包括以下步骤：

第一步，估计上行权值 $w_{u,i}=e^{-j2\mathrm{\π}\frac{d}{c}{f}_u(i-1)\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}$ 及其相位angle(·)；其中，d为线性阵列阵元间距，c为波速，f_u为上行载波频率，θ为波达方向角；

第二步，计算下行波束方向角 ${\mathrm{\φ}}_{d,i}=\frac{f_d}{f_u}{\mathrm{\φ}}_{u,i},$ 其中，f_d为下行载波频率，φ_ui是第i阵元上的权值对应的相位角；

第三步，进行下行波束方向角误差分析。下行权值W_d，i的相位

${\widehat{\mathrm{\φ}}}_{d,i}=\frac{f_d}{f_u}{\widehat{\mathrm{\φ}}}_{u,i}=\frac{f_d}{f_u}{\mathrm{\φ}}_{u,i}\±2\frac{f_d}{f_u}\mathrm{k\π}$

有误差

方向图的指向偏差随DOA越大而越大；

第四步，下行波束方向角误差补偿，对每个阵元的上行权值估计相位进行±2kπ修正；从参考阵元一开始修正，k＝0；修正值的符号选取与阵元2的相位符号一致；每当 的符号从修正值的符号跳变到相反的符号一次，k值加1；

第五步，形成下行权值 $w_{d,i}=e^{-j{\stackrel{\widehat{^}}{\mathrm{\φ}}}_{d,i}}.$

与传统方法相比，本发明所述智能天线上下行权值转换方法根据得到的上行权值估计下行权值的相位，并对该相位进行补偿，然后进行相位变换，从而形成下行权值。由于仅利用上行权值信息，不需要额外开销，结构简洁；对上行权值的修正和补偿形成下行权值的方法，运算量小，转换速度快，易于工程实现。另外，本方法形成的下行波束主瓣指向准确，可以实时跟踪用户的快速移动，自适应的调节权矢量。

附图说明

图1为本发明所述方法的流程图。

图2为现有技术直接转换法上下行波束比较示意图。

图3为本发明所述权值修正法上下行波束比较示意图。

具体实施方式

图1是本发明所述方法的流程图。在智能天线下行波束形成中，为了避免直接把上行权应用在下行链路时，引起下行波束指向错误，主瓣和零点在角度上的偏差导致干扰抑制性能的下降这一现象。本发明利用得到的上行权值估计上行权值的相位，并对该相位进行补偿，然后进行相位变换，从而形成下行权值。本发明利用上行信道信息，对下行传输环境进行最大可能匹配，通过相应的处理使得下行波束主瓣与上行波束主瓣保持一致。

本发明提供的适用于WCDMA(FDD)系统直线阵智能天线上下行权值转换方法用以下技术方案实现：

设上行链路的波束权值为

                      W_u＝[w_u，1，w_u，2，Λ，w_u，M]^T      (1)

$w_{u,i}=e^{-j{\mathrm{\φ}}_{u,i}}---(i=\mathrm{1,2},\mathrm{\Λ},M)----\left(2\right)$

其中φ_u，i是第i阵元上的权值对应的相位角，M是阵元个数。根据线性阵列方向矢量公式知上行波束权值为

$w_{u,i}=e^{-j2\mathrm{\π}\frac{d}{c}{f}_u(i-1)\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}----\left(3\right)$

下行波束权值为

$w_{d,i}=e^{-j{\mathrm{\φ}}_{d,i}}----\left(4\right)$

$w_{d,i}=e^{-j2\mathrm{\π}\frac{d}{c}{f}_d(i-1)\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}----\left(5\right)$

其中d为线性阵列阵元间距，c为波速，f_u、f_d分别为上、下行载波频率，θ为波达方向角。假设上下行DOA不变，则下行权值可由上行权值进行

${\mathrm{\φ}}_{d,i}=\frac{f_d}{f_u}{\mathrm{\φ}}_{u,i}----\left(6\right)$

的相位修改后获得。

由(2)(3)式知

${\mathrm{\φ}}_{u,i}=2\mathrm{\π}\frac{d}{c}{f}_u(i-1)\sin \left(\mathrm{\θ}\right)----\left(7\right)$

${\mathrm{\φ}}_{u,i}={\widehat{\mathrm{\φ}}}_{u,i}\±2\mathrm{k\π}---k=\mathrm{1,2},\mathrm{\Λ}---\left(8\right)$

即通过w_u，i所估计出的角度

与真实的角度φ_u，i相差为2kπ，而下行角度本来应该为：

${\mathrm{\φ}}_{d,i}=2\mathrm{\π}\frac{d}{c}{f}_d(i-1)\sin \left(\mathrm{\θ}\right)----\left(9\right)$

${\mathrm{\φ}}_{d,i}={\widehat{\hat{\mathrm{\φ}}}}_{d,i}\±2\mathrm{k\π}----\left(10\right)$

实际上对应下行权值w_d，i的角度，而(6)式计算出的角度为；

${\widehat{\mathrm{\φ}}}_{d,i}=\frac{f_d}{f_u}{\widehat{\mathrm{\φ}}}_{u,i}=\frac{f_d}{f_u}\left({\mathrm{\φ}}_{u,i}\mathrm{\μ}2\mathrm{k\π}\right)----\left(11\right)$

本应该为：

${\widehat{\hat{\mathrm{\φ}}}}_{d,i}={\mathrm{\φ}}_{d,i}\mathrm{\μ}2k=\frac{f_d}{f_u}{\mathrm{\φ}}_{u,i}\mathrm{\μ}2\mathrm{k\π}----\left(12\right)$

因此， 与

之间的误差Δφ_d，i可由下式得出：

${\mathrm{\Δ\φ}}_{d,i}={\widehat{\hat{\mathrm{\φ}}}}_{d,i}-{\widehat{\mathrm{\φ}}}_{d,i}=\±(\frac{f_d}{f_u}-1)2\mathrm{k\π}----\left(13\right)$

显然，当k增加时误差在增大。如果要消除该误差，必须将该误差再补偿给由式(6)所计算出的

由(13)式知所要估计的下行权值对应的实际角度应为：

${\stackrel{\widehat{^}}{\mathrm{\φ}}}_{d,i}{=\widehat{\mathrm{\φ}}}_{d,i}\±(\frac{f_d}{f_u}-1)2\mathrm{k\π}=\frac{f_d}{f_u}{\widehat{\mathrm{\φ}}}_{u,i}\±(\frac{f_d}{f_u}-1)2\mathrm{k\π}----\left(14\right)$

式中的正负号与φ_u，i。相同。形成的下行波束权值向量为：

$w_{d,i}=e^{-j{\stackrel{\widehat{^}}{\mathrm{\φ}}}_{d,i}}.----\left(15\right)$

根据以上推导过程，可以采用如下几个步骤实现本发明的目的：

第一步(102)，估计上行权值 $w_{u,i}=e^{-j2\mathrm{\π}\frac{d}{c}{f}_u(i-1)\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}$ 及其相位angle(·)；

第二步(103)，计算下行波束方向角 ${\mathrm{\φ}}_{d,i}=\frac{f_d}{f_u}{\mathrm{\φ}}_{u,i};$

第三步(104)，下行波束方向角误差分析。实际上，由于估计上行相位时，angle(·)的值域为-π～π，而w_u，i的相位范围超出了这个值域，所以会产生误差，使

${\widehat{\mathrm{\φ}}}_{u,i}={\mathrm{\φ}}_{u,i}\±2\mathrm{k\π}$

其中φ_u，i为真值，这种误差会导致下行权值W_d，i的相位

${\widehat{\mathrm{\φ}}}_{d,i}=\frac{f_d}{f_u}{\widehat{\mathrm{\φ}}}_{u,i}=\frac{f_d}{f_u}{\mathrm{\φ}}_{u,i}\±2\frac{f_d}{f_u}\mathrm{k\π}$

有误差

而且当DOA增大时，因为φ_u，i更远离angle(·)的值域-π～π，使k值增大，从而使该误差增大。最终误差体现在：方向图的指向有偏差；指向偏差随DOA越大而越大。

第四步(105)，下行波束方向角误差补偿，即对每个阵元的上行权值估计相位进行±2kπ修正；从参考阵元一开始修正，k＝0；修正值的符号选取与阵元2的相位符号一致；每当 的符号从修正值的符号跳变到相反的符号一次，k值加1；

第五步(106)，形成下行权值 $w_{d,i}=e^{-j{\stackrel{\widehat{^}}{\mathrm{\φ}}}_{d,i}}.$

在图2和图3所示的上下行波束比较示意图中，线条为“^*”表示上行理想波束图，线条为“-”表示下行波束图，仿真时的阵元数为4。

图2是直接权值转换方法的上下行波束对应图。图2(a)上行的波达方向为0°，此时直接权值转换仍能得到较准确的下行方向；图2(b)上行的波达方向为30°，直接权值转换得到的下行发射方向和上行波达方向有一定的偏差，而且上行波达方向越大，偏离越大。实验结果表明，未修正的直接权值转换法会导致上下行波束指向不一致，而且这种不一致随DOA增大而增大。

图3是本发明权值修正法上下行波束比较。图中的上行的波达方向为30°，权值修正后能解决图2(b)的问题，下行发射方向和上行吻合的很好，采用修正的权值转换法形成的下行波束主瓣的指向很准确。显然，本发明方法与原直接转换法相比在各种情况下，均有很大程度的改善。

Claims (2)

1、一种智能天线上下行权值转换方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，估计上行权值 $w_{u,i}=e^{-j2\mathrm{\π}\frac{d}{c}{f}_u(i-1)\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}$ 及其相位angle(·)，其中，d为线性阵列阵元间距，c为波速，f_u为上行载波频率，θ为波达方向角；

第二步，计算下行波束方向角 ${\mathrm{\φ}}_{d,i}=\frac{f_d}{f_u}{\mathrm{\φ}}_{u,i},$ 其中，f_d为下行载波频率，φ_u，i是第i阵元上的权值对应的相位角；

第三步，进行下行波束方向角误差分析，下行权值W_d，i的相位

${\widehat{\mathrm{\φ}}}_{d,i}=\frac{f_d}{f_u}{\widehat{\mathrm{\φ}}}_{u,i}=\frac{f_d}{f_u}{\mathrm{\φ}}_{u,i}\±2\frac{f_d}{f_u}\mathrm{k\π}$

有误差 方向图的指向偏差随DOA越大而越大；

第四步，下行波束方向角误差补偿，对每个阵元的上行权值估计相位进行±2kπ修正；

第五步，形成下行权值 $w_{d,i}=e^{-j{\stackrel{\widehat{^}}{\mathrm{\φ}}}_{d,i}}.$

2、根据权利要求1所述的智能天线上下行权值转换方法，其特征在于，所述第四步的±2kπ修正，从参考阵元开始修正，k＝0；修正值的符号选取与第二个阵元的相位符号一致；每当 的符号从修正值的符号跳变到相反的符号一次，k值加1。

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