CN1488203A - 无线通信中前向链路波束形成的方法和系统 - Google Patents

Abstract

按照一个实施例，天线波束图用于将通信信号发送至用户。例如，天线波束图可以用自适应天线阵技术在无线通信系统的前向链路上形成。来自用户的控制信号用于确定一个统计量。例如，该控制可以是由用户在返回链路上发送的功率控制位。该统计量可以是特定时间间隔上功率控制位的平均。该统计量用于使天线波束图变窄并且将其指向用户。例如，抖动算法可用于优化该天线波束图。在完成呼叫之后，可以为下一次呼叫存储对每个用户特定的经优化的天线波束图，从而使优化过程更快且更有效。

Description

无线通信中前向链路波束形成的方法和系统

                             背景

1. 领域

本发明一般涉及无线通信系统的领域，尤其涉及码分多址通信系统的自适应天线阵技术。

2. 相关技术

在无线通信系统中，几个用户共享一条公共通信信道。要避免从几个用户同时在信道上发送消息而产生的冲突需要使用某种形式的多址协议，譬如码分多址(CDMA)。除了为有限容量的信道提供多址分配，协议能起到其它功能，例如，提供用户间的彼此隔离，即限止用户间的干扰，以及通过使非预期的接收机难以进行截获和解码来提供安全，也被称为低截获似然性。

在CDMA系统中，通过对信号编码而使各信号与其它用户的信号分开。各用户唯一地将其信息信号编码为传输信号。知道了用户的编码序列之后，预期的接收机能对该传输信号解码以接收该信息。信息信号的编码扩展了其频谱，使得已编码传输信号的带宽大大宽于信息信号的原始带宽。因此，CDMA也被称为“扩频”调制或编码。

各用户的信号的能量在信道带宽上被扩展，使得各用户的信号成为对其它用户的噪声。只要解码过程能达到足够的信噪比，即，将期望用户信号从其它用户信号的“噪声”干扰中分开，则可以恢复信号内的信息。影响用户信号的信息恢复的其它因素是各用户的环境中的不同条件，譬如由遮蔽和多径引起的衰落。简而言之，遮蔽是由隔断发射机和接收机间信号传输路径的物理对象所引起的干扰，例如，大建筑物。多径是由于信号横贯不同长度的多个路径并且在不同时间到达接收机而产生的信号失真。多径也被称为通信信道的“时间扩散”。多径衰落可以随时间而改变。例如，由于信号从移动对象处反射，譬如汽车或受风吹的树，因此多径衰落量可能变化剧烈。

在无线通信中，尤其在话音通信中，期望在两个方向上同时提供两个用户间的通信，称为双工或完全双工。用于提供CDMA系统中双工的一种方法是频分双工。在频分双工中，一个频带用于基站到用户或“订户单元”的通信，称作“前向”信道，而另一频带用于从用户或订户单元到基站的通信，称作“反向”信道。前向信道也称为“下行链路”信道，反向信道也被称为“上行链路”信道或“返回链路”。编码和调制的特定实现可能在前向和反向信道间不同。

可用于增加信号可靠性的一类技术被称为“功率控制”。简而述之，为了补偿通信信道中变化的条件，譬如不同用户的相对移动和多径衰落，则功率控制在信号被发射时调节发射机处的信号功率。功率控制的一个目的在于使发射至每个用户的功率保持在维持可靠通信链路所需的最低电平，从而使上述不同用户信号间的干扰最小。例如，通过使每个用户接收单元周期性地将功率控制信息发送至基站发射机可以实现前向链路上的功率控制。在一个典型CDMA系统中，功率控制信息的形式为每1.25毫秒发送一个比特。例如，如果该比特的值为+1和-1，该+1可以理解为接收机具有弱信号的信息，即，接收机需要发送给它更多的功率，而-1可以理解为接收机具有强信号的信息，即，接收机可以用发送给它的较少功率而获得该信息。因此，为了使用户间的干扰最小通过优化每个用户的信号功率，基站可以调节分别发送至每个用户的信号功率。

自适应天线阵技术也可以用于使用户间的干扰最小。自适应天线阵技术可用于将发送信号中的能力聚焦并定向成一个“波束”。该波束可用于大大增加信号传输效率。波束的形状可以改变。例如，波束可以为窄或宽。波束也在不同方向上被“指向”和“转向”。从天线阵发出的波束的特定形状和方向被称为“天线波束图”。通过使指向特定用户的天线波束图变窄，对于特定用户天线波束图外面的其它用户的干扰被减少或消除，从而帮助使用户间的干扰最小。由于用户间的干扰减少，系统容量增加，也就是说，更大量的用户能同时使用该系统。

无线通信中有许多使用自适应天线阵的方法。某些方法在美国专利6006110、题为“Wireless Communication Network Using Time-Varying Vector ChannelEqualization For Adaptive Spatial Equalization”中已作描述，该专利被转让给Cisco Technology，Inc.，San Jose，California。

在基站处使用自适应天线阵技术的一种方法中，基站估计从用户接收到的信号的到达角。然后，基站用该到达角估计来形成发送角的估计。由于有上述频率双工，因此接收信号和发送信号处在不同的频率上，使得两个信号的射频信道不同。发送角的估计是较好或较差的近似，这取决于不同频率的两条信道间方向上的相关程度。在近似不准确的情况下，必须使用较宽的天线波束图来限制用该方法导致的用户间干扰的减少。

在第二种方法中，基站在自适应天线阵的每个天线元件上发出一个正交导频信号。该用户的订户单元确定各导频信号的幅度和相位，且订户单元将该信息在返回链路上汇报回基站。基站用该信息来形成指向用户的窄波束。该方法要求返回链路上的额外带宽在返回链路(即，反向信道)上发送导频信号幅度和相位信息，即，非用户信息。在信道容量用于发送非用户信息的情况下，较少的信道容量可用于发送用户信息。换句话说，为返回链路上的信号传输招致“额外开销”，并且减少了反向链路上传输的有效带宽效率。此外，该方法必然伴有订户单元中增加了的复杂度，这会涉及订户单元增加了的成本。因此，由于将该第二方法引入现有CDMA通信系统会要求修改或替代大量订户单元以改进效率，因此该方法不是“向后兼容的”。

因此，本领域中需要通过用准确的天线波束图来提供信号传输来减少用户间的干扰并且增加系统容量。本领域中还需要形成准确的天线波束图而无须招致返回链路上的信号传输开销。而且，本领域中需要用准确的波束图来提供信号传输系统，它与现有系统向后兼容并且不增加用户单元的复杂度和成本。

                            概述

本发明针对无线通信中前向链路波束形成的方法和系统。在本发明的一方面，克服了本领域中的需求，通过用准确的天线波束图来提供信号传输来减少用户间干扰并且增加系统容量。根据本发明的一个实施例，准确的波束图在前向链路上形成，而不导致返回链路上的信号传输开销。在本发明的一方面，用不增加订户单元复杂度和成本并且与现有系统向后兼容的方式为信号传输系统提供了准确的天线波束图。

根据本发明的一方面，天线波束图用于将通信信号发送至用户。例如，天线波束图可以用自适应天线阵技术在无线通信系统的前向链路上形成。来自用户的控制信号用于确定一个统计量。例如，该控制信号可以是由用户在返回链路上发出的功率控制位。该统计量可以是指定时间间隔上的功率控制位值的平均值。该统计量用于使天线波束图变窄并且将其指向用户。例如，抖动算法可以用于优化天线波束图。在完成一次呼叫之后，为了使天线波束图优化过程更快并且更有效，可以为用户的下一次呼叫而存储对于各用户特定的经优化的天线波束图。

                            附图简述

图1是扇区化小区的说明性表示，在示例性无线通信系统中天线波束图指向用户。

图2是示出示例性无线通信系统中按照本发明一个实施例在示例波束优化模块中信息流动的框图。

图3是说明示例性无线通信系统中按照本发明一个实施例提供准确的波束形成的过程示例流程图。

                      优选实施例的详细说明

当前揭示的实施例针对无线通信中前向链路波束形成的方法和系统。下面的说明包含属于本发明实现的特定信息。本领域的技术人员可以知道，本发明可以用与本申请中特别讨论的方法所不同的方法来实现。而且，为了不使本发明生涩难懂，未讨论本发明的某些特定细节。本申请中未描述的特定细节在本领域普通技术人员的知识范围之内。

本申请的附图和它们所附的详细说明仅仅针对本发明的示例实施例。为了保持简单扼要，使用本发明原理的本发明其它实施例未在本申请中特别说明并且未由现有附图特别说明。

图1说明了按照一个实施例在使用自适应天线阵波束形成的扇区化小区内的无线通信的示例。图1所示的示例性系统100组成了示例性蜂窝通信系统的一部分，它可以是，例如，宽带码分多址(“WCDMA”)通信系统。WCDMA通信系统也被称为“扩频通信系统”。

CDMA通信系统的一般原理，尤其是通信信道上传输的扩频信号产生的一般原理在美国专利4901307、题为“Spread Spectrum Multiple Access CommunicationSystem Using Satellite or Terrestrial Repeaters”中已作描述，该专利被转让给本发明的受让人。该专利，即美国专利4901307中所作的揭示通过引用被完全结合入本申请。此外，美国专利5103459、题为“System and Method for GeneratingSignal Waveforms in a CDMA Cellular Telephone System”中揭示了与PN扩展、Walsh覆盖以及产生CDMA扩频通信信号的技术有关的原理，该专利被转让给本发明的受让人。该专利，即美国专利5103459中所作的揭示通过引用被完全结合入本申请。而且，本发明可以用与“高数据速率”通信系统有关的数据和各种原理的时分复用，且本发明可用于“高数据速率”通信系统，譬如美国专利申请序列号为08/963386、1997年11月3日提交的、题为“Method and Apparatus for High RatePacket Data Transmission”中所揭示的，该申请被转让给本发明的受让人。该专利申请中所作的揭示也通过引用被完全结合入本申请。

继续看图1，示例性系统100包括小区102。小区102可以是，例如，WCDMA系统中的许多小区之一。WCDMA系统内的小区一般被分成三个扇区。对小区分扇区提供各种好处，譬如正交扩频码的更有效的分配。在用于说明本发明一个实施例的示例中，小区102是分扇区的小区并且包括扇区104。基站106为小区102的所有扇区内的用户提供通信，并且尤其在本示例中，为扇区104内的用户108提供通信。本示例说明了前向信道(即，从基站106到用户108的定户单元)内发生的通信。基站106使用自适应天线阵技术来形成指向用户108的天线波束图110。

天线波束图110用于发出通信信号，通信信号包括要通过通信信道被发送到用户108的用户信息。通信信道可以是，例如，无线通信系统中发射和接收天线间的射频传输。使天线波束图110变窄从而将信号传输能量聚集在用户108的方向上，而非使信号传输能量扩展到扇区104的全部宽度。从而减少了除用户108之外的用户的干扰，它由天线波束图110内发送的通信信号所引起，并且指向用户108。因此，图1说明了一个系统示例，其中自适应天线阵技术用于使WCDMA无线通信系统中多个用户间的干扰最小。

图2说明了按照一个实施例的示例天线波束优化模块。图2所示的波束优化模块200组成发射机的一部分，发射机一般在通信发生在前向信道上时驻留在基站、网关、或卫星转发器内。波束优化模块200可以是如WCDMA通信系统或扩频通信系统中基站发射机的一部分。图2所示的波束优化模块200包括控制信号监控模块202、信号统计量计算模块204、天线波束图存储模块206、天线波束图优化模块208、以及自适应天线阵模块210。图2的框图中用模块间的箭头指示模块间信息的流动，它也指示信息流动的方向。

继续看图2，控制信号监控模块202包括硬件，用于读取由用户在返回链路上返回的控制信号并且用于使信号内的信息在控制信号监控模块202的输出端可用。例如，如上所述，该控制信号可以是大约每1.25毫秒在返回链路上出现一次的功率控制位。例如，功率控制位可被存储在缓冲器或寄存器内，或者被直接传递到系统中的其它模块。尽管本示例用功率控制信号来说明一个实施例，然而很明显，也可以使用其它现有用户反馈控制信号，而不用牺牲本发明不增加订户单元的复杂度和向后兼容性的优点。例如，数据速率控制(“DRC”)信号可以用于像高数据速率(“HDR”)通信系统这样的无线数据通信系统中。实现特定类型控制信号的控制信号监控模块202的细节对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的。

继续看该示例，功率控制信号位由控制信号监控模块202输出至信号统计量计算模块204。控制信号监控模块202的输出也被称为“被监控信号的序列”。如上所述，功率控制位可被配置成在+1和-1间交替，这取决于用户单元要求较多还是较少的信号功率。因此，功率控制信号位对信道中诸如多径衰落这样的噪声响应。因此，功率控制信号是为了有用而要求滤波的噪声信号。在本示例中，功率控制信号通过在时间上平均功率控制位而得到滤波。功率控制位的平均值可以由信号统计量计算模块204周期性地输出，例如，每隔100毫秒输出一次。作为另一示例，信号统计量计算模块204可以保持一个移动平均，它被输出并且在该值每次被另一模块读取时被重置。在本示例中，信号统计量计算模块204输出一个时间间隔上功率控制位的平均值，该时间间隔在每次天线波束优化模块204从信号统计量计算模块204的输出读取一个平均值之后开始。

继续看图2，天线波束图存储模块206存储对每个用户特定的经优化的天线波束图。从每个用户前一次呼叫产生的经优化的天线波束图为每个特定用户而被保存。然后，在用户下一次呼叫开始时，来自用户前一次呼叫的对该用户特定的经优化的波束图可以立即用于将通信信号从基站发送至该特定用户。天线波束图在呼叫期间重新被优化，并且在呼叫结束时为用户存储最近经优化的天线波束图。如果没有用户的前一次呼叫，或者前面未存储用户的经优化的天线波束图，则可以使用标准天线波束图。例如，标准天线波束图可以是120度宽的图，它发送至整个扇区。然后，标准天线波束图在呼叫期间被优化，并且在呼叫结束时为用户存储经优化的天线波束图。因此，存储对每个用户特定的经优化的天线波束图增加了系统效率，并且缩短了为具有先前存储的经优化的天线波束图的用户实现用户经优化的波束图所需的时间。

继续看图2，天线波束图优化模块208或用标准天线波束图或用来自用户前一次呼叫的对该用户特定的经优化的天线波束图开始，如上所述，并且优化该天线波束图。在本示例中，天线波束图优化模块208用来优化天线波束图的算法是“抖动”算法。抖动算法的操作可由下列示例说明。已知天线波束图订户将通信信号发送至用户。该已知天线波束图可以是标准天线波束图，如上所述，或是用户前面存储的图，或者在优化的任何中间级使用的天线波束图。然后，通过从图的一边移去波束的特定部分或“一片”而使已知天线波束图变窄。

然后，天线波束图优化模块208从信号统计量计算模块204的输出读取平均值。如果该值指示用户不要求功率中的任何变化(该用户仍在图“内”)，则波束的另一片从图的一边被移去。如果该值指示用户要求功率中的增加(该用户突然位于图“外”)，则前面移去的一片波束被还原至该图，且从图的另一边被移去一片。天线波束图优化模块208在天线波束图的每次改变之后从信号统计量计算模块204的输出端读取平均值。这样，天线波束图同时被变窄并指向用户。变窄和引导天线波束图的过程，即，天线波束图的优化，在呼叫的持续时间内继续。在呼叫终止之后，如上所述，经优化的天线波束图由天线波束图存储模块206所存储。

继续看图2，为了形成由天线阵发射的信号的天线波束图，自适应天线阵模块210将复数值加权形式的天线波束图信息解释为提供给天线阵的每个天线元件的幅度和相位信息。例如，如本领域已知的天线波束图可用于天线阵发射符合该天线波束图的信号。

因此，图2示出可用于为无线通信系统中的通信信号传输提供天线波束图经优化构造的系统示例，用于使多个用户间的干扰最小并从而增加系统容量。

图3示出描述按照一个实施例提供准确的波束形成的过程示例的流程图300。图3所示的流程图300描述了可在发射机处执行的过程，发射机一般在通信发生在前向信道上时驻留在基站、网关或卫星转发器中。流程图300所示的过程可由波束优化模块执行，例如，在WCDMA通信系统或扩频通信系统的基站发射机中。

参考图3，在步骤302处，优化天线波束图的过程从用户获得系统开始。例如，获得系统可能包括若干步骤，包括发送探测信号、完成各种“握手”协议和“训练周期”、以及分配诸如正交扩频码这样的各种系统资源。当用户获得系统时，系统具有能用来识别特定用户的信息，例如，用户特定的掩码或电子序列号(“ESN”)。识别信息可以在步骤304用于确定是否已经为已获得系统的特定用户存储了天线波束图。

当前面未曾存储波束图时，过程进行到步骤306，标准天线波束图在开始优化天线波束图之前用于将通信信号发回用户。当前面已存储波束图时，则过程进行到步骤308，在开始优化天线波束图之前，前面已存储的对该用户特定的天线波束图用于将通信信号发回用户。如上所述，前面已存储的波束图的使用会减少优化天线波束图所需的时间。

在步骤310处，过程开始功率控制位监控。功率控制位监控包括存取来自上述无线通信系统的功率控制子系统的信息。尽管功率控制用于说明本示例，然而可以使用其它类型的反馈信息。例如，数据速率控制即DRC信息可以用作数据通信系统中，这对本领域的普通技术人员来说是显而易见的。功率控制位监控的过程在整个呼叫的持续时间内继续。

在步骤312处，过程开始功率控制位统计量计算。在本示例中，功率控制位的连续值被平均。如上所述，存在许多用于平均的不同方法。例如，平均可以在特定的时间间隔上来计算，例如100毫秒，且平均值可以每隔100毫秒被输出一次。作为另一示例，平均计算可以在每次读取平均值时被重启动并且继续到下一次读取平均值时再次被重启动并依此类推。尽管简单平均用于说明本示例，然而可以使用其它类型的平均，例如，加权平均。功率控制位统计量的计算过程在呼叫的持续时间内继续。

在步骤314处，该过程用上述抖动算法开始天线波束图优化。天线波束图优化的过程在整个呼叫的持续时间内继续。在步骤316处，用户终止呼叫，放弃已被分配给该用户的系统资源。在用户位置平稳的通信系统中，呼叫的最终优化波束图与下一次呼叫所需的天线波束图相关。因此，在步骤318处，通过存储来自呼叫的最终优化的天线波束图而改进了系统的效率和初始响应时间。在步骤318处存储来自呼叫的经优化的天线波束图之后，用于优化天线波束图的过程结束。

因此，图3说明了可用于为无线通信系统中的通信信号传输提供天线波束图经优化构造的过程示例，用于使多个用户间的干扰最小并从而增加系统容量。

由上述说明可以理解，本发明提供了无线通信系统中前向链路波束形成的方法和系统。根据上述实施例的一个实施例，用自适应天线阵技术将用户信息在通信信号中从基站发送至用户，从而形成指向用户的窄天线波束图。为每个特定用户优化天线波束图，从而使无线通信系统中多个用户间的信号干扰最小并且导致增加了的系统容量。此外，根据上述本发明的实施例，使天线波束图变窄并将其指向用户的方法提供了比其它方法更准确的波束形成和更好的优化。尽管本发明作为应用于CDMA系统中的通信而描述，然而本领域的普通技术人员可以知道怎样将本发明应用于的类似情况中，其中需要准确的天线波束图形成来增加系统容量并减少无线通信系统中用户间的干扰。

从上面的说明可以显而易见，可以用各种技术来实现本发明的原理而不背离其范围。此外，尽管实施例已经参考特定实施例而得到说明，然后本领域的普通技术人员可以理解，可以在形式上和细节上作出改变，而不背离本发明的精神和范围。例如，可以使用不同的现有反馈控制信号，譬如数据速率控制(DRC)信号，以及本示例中所用的功率控制信号。同样，例如，这里所示的一个实施例中给出的抖动算法可以由用于优化波束图的其它算法所替代。所述实施例在各方面都应被看作是说明性的而非限制性的。还应该理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，能够作出许多重排、修改和替换，而无须背离本发明的范围。

因此，已经描述了无线通信中用于前向链路波束形成的方法和系统。

Claims (23)

1.一种方法，其特征在于包括下列步骤：

用天线波束图将通信信号发送至用户；

用来自所述用户的控制信号确定统计量；

利用所述统计量使所述天线波束图变窄并将所述天线波束图指向所述用户。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括，在所述利用步骤之后存储所述天线波束图。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用步骤包括用抖动算法来优化所述天线波束图。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制信号是功率控制信号。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制信号是数据速率控制信号。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述统计量是在特定时间间隔上所述控制信号的平均。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述统计量是所述控制信号的移动平均。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述统计量是所述控制信号的加权平均。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述天线波束图用自适应天线阵形成。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通信信号在无线通信系统的前向链路上被发送。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述无线通信系统是宽带码分多址通信系统。

12.一种系统，其特征在于包括：

控制信号监控模块，用于访问来自用户的控制信号；

信号统计量计算模块，用于从由所述信号监控模块输出的被监控信号序列中确定一个统计量；

天线波束图优化模块，用于利用所述统计量使天线波束图变窄以指向所述用户。

13.如权利要求12所述的系统，其特征在于还包括自适应天线阵模块，用于输出并将所述天线波束图指向所述用户。

14.如权利要求12所述的系统，其特征在于还包括天线波束图存储模块，用于存储所述天线波束图。

15.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述天线波束图优化模块用抖动算法来优化所述天线波束图。

16.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述控制信号是功率控制信号。

17.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述控制信号是数据速率控制信号。

18.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述统计量是特定时间间隔上所述被监控信号序列的平均。

19.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述统计量是所述被监控序列的移动平均。

20.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述统计量是所述被监控序列的加权平均。

21.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述天线波束图用于将通信信号发送至所述用户。

22.如权利要求21所述的系统，其特征在于，所述通信信号在无线通信系统的前向链路上被发送。

23.如权利要求22所述的系统，其特征在于，所述无线通信系统是宽带码分多址通信系统。

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