CN1533194A - 频分双工无线通讯系统实现智能天线技术的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及智能天线技术在频分双工无线通讯系统中的应用，公开了一种装置和方法：该装置包括内含智能天线阵列的天馈线系统、相干工作的多个射频接收机和发射机以及内含接收波束合成器和发射波束合成器的基带信号处理器，采用接收波束赋形、获取主传播路径方向估值和波束宽度、发射波束赋形的三个步骤组成的方法在FDD系统实现窄波束接收和发射。这种装置和方法增强了基站接收能力、减少了基站需要发射的能量和发射信号间的干扰，降低基站成本并且提高了系统性能。

Description

频分双工无线通讯系统实现智能天线技术的装置和方法

技术领域

本发明涉及智能天线技术的应用，具体地说，涉及现代移动通信系统中智能天线的实现，更具体地说，涉及在频分双工无线通讯系统中使用智能天线技术实现窄波束发射所采用的装置和方法。

背景技术

智能天线技术是利用信号传输的空间特性来抑制干扰和提取信号，它是提高无线通信系统容量和性能的一项关键技术。

在第三代移动通信标准中，主要是两种双工方式的CDMA移动通信系统：时分双工(TDD)的TD-SCDMA移动通信系统及频分双工(FDD)的WCDMA和CDMA2000移动通信系统。在FDD/CDMA移动通信系统中，目前仍然根据蜂窝小区覆盖的要求，使用全向或者扇区覆盖的固定天线，每个天线单元提供固定的方向图形，故FDD/CDMA移动通信系统可以同时使用的码道数仍然大大低于该系统的扩频系数，通常是扩频系数的1/3甚至更低。而且，全向或者扇区固定波束发射，需要很大的发射功率电平，必须使用高线性的大功率放大器，其成本很高，在基站成本中高线性的大功率放大器占40％至50％；而采用智能天线窄波束发射能大大降低需要的发射功率。因此，在FDD移动通信系统内采用智能天线技术已经是国际上一致的愿望。从2000年起，国际电联(ITU)就开始了研究如何在所有第三代移动通信中应用智能天线技术的专题。目前，仅仅有少数厂家在TDD移动通信系统中实现了智能天线技术，而在FDD移动通信系统中的实现方法还处于研究开发过程中，因此目前仅见TDD系统有采用智能天线的基站，而未见此类使用于FDD移动通信系统基站的装置。

申请号为00108079.2的中国专利申请，公开了一种在频分双工无线通信系统中使用智能天线的方法和装置，装置包括：通讯系统的无线基站中设有分别用于射频发射与接收的智能天线阵列、相应的射频发信机和接收机以及公用的基带信号处理器；方法包括：1、利用从接收信号中获得的信号到达方向估值来确定主径方向；2、在下行波束赋形中，是根据该主径方向来合成一个预期获得的发射波束形状。

该项专利申请的装置，如果使用与当前同名装置一致的基带信号处理器，则该专利申请的装置无法实现该专利申请的方法；所述当前同名装置是指只作一般基带信号处理而不做智能算法的基带信号处理器；而且，该项申请的方法中涉及其核心内容的方向估值方法以及根据该方向值来合成发射波束的方法在该项专利申请文件中没有进一步阐述。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，如何使用智能天线技术，在频分双工无线通讯系统中提供一种装置和方法实现窄波束发射，在满足对于具体移动用户相同接收功率的情况下，大大降低基站发射功率和减少干扰，从而能降低系统的基站成本和提高系统的性能。

在本发明中没有进一步使用智能天线技术解决提高系统容量问题。

本发明上述第一个技术问题这样解决，构造一种频分双工无线通讯系统实现智能天线技术的装置，包括内含智能天线阵列的天馈线系统，其特征在于，还包括相干工作的多个射频接收机、相干工作的多个射频发射机以及内含接收波束合成器和发射波束合成器的基带信号处理器；

所述装置针对用户终端的专用信道发射指向该用户终端的窄波束，其工作过程如下：

1)所述智能天线阵列的每个阵元都接收所有的多路上行信号；

2)多个相干工作的所述射频接收机分别接收与各自连接的所述阵元接收的由所述天馈线系统传过来的所述多路上行信号，并对所述多路上行信号分别进行射频和中频信号处理；所述阵元向各自的射频接收机传送信号所需时间相同；

3)所述基带信号处理器分解所述多路上行信号，所述接收波束合成器分别对每路上行信号进行最优化处理获得所需的每路上行信号；然后，根据最优化处理对应的具体算法所使用的波束赋形参数得到最佳接收角度值并把该值传给所述发射波束合成器；

4)所述发射波束合成器以下行频率要求，根据所述最佳接收角度值，对下行信号进行波束赋形，再经所述基带信号处理器、相干工作的所述射频发射机和所述天馈线系统以的窄波形式发射每路下行信号；所述窄波方向等于所述最佳入射角值；

所述相干工作是指每个所述射频接收机或每个所述射频发射机对其输

入信号处理后产生的输出信号的相位与所述输入信号的相位之间差值为0或恒定相等。

按照本发明提供的装置，所述装置针对公共信道由于无法预先确定用户位置，向用户发射全向或者扇区覆盖的波束；在公共信道中传递的信息有广播和寻呼等。

按照本发明提供的装置，所述智能天线阵列包括接收天线阵列和发射天线阵列；所述射频接收机的数量和接收天线阵列阵元的数量相同；射频发射机的数量和发射天线阵列阵元的数量相同。这种方案便于区分和实现。

按照本发明提供的装置，所有射频接收机和射频发射机均使用同一时钟源。

按照本发明提供的装置，所述接收波束合成器包括一个接收波束合成控制器和分为多组的接收波束赋形器，每组接收波束赋形器对应于一路上行信号，每组接收波束赋形器包括多个接收波束赋形器，所述每个接收波束赋形器都包括顺序电连接的一个幅度相位调制器和一个解调器以及一个一组内所有接收波束赋形器共有的选择开关，每组每个解调器都产生一路解调接收信号，所述选择开关用于选择一路输出。

按照本发明提供的装置，所述接收波束合成控制器包括用于存储主瓣方向与接收天线阵列的波束赋形参数对应关系表的存储器、用于连接控制所述接收波束赋形器和所述选择开关的微处理器以及实时处理软件；所述微处理器检测每路所述解调接收信号基于一定准则选择一路从所述选择开关输出，实现窄波束接收；同时，所述微处理器使用所述对应关系表和比较方法获得最佳入射角，所述微处理器与所述存储器和所述发射波束赋形器连接。

按照本发明提供的装置，所述一定准则是最大信噪比准则，即检测每路所述解调接收信号的Eb/I0值选通最高者输出，再通过实时处理软件以极限方法实现最佳接收。

按照本发明提供的装置，所述发射波束赋形器包括发射波束合成控制器和多个发射波束赋形器；每个发射波束赋形器对应于一路下行信号，每个发射波束赋形器包括与所述发射天线阵列阵元一一对应的发射幅度相位调制器；对应同一所述发射天线阵列阵元的所有的发射幅度相位调制器的输出端连接至同一个合路器。发射波束赋形器实现了智能天线阵列的复数加权，加强对指定方向信号的接收。

按照本发明提供的装置，所述发射波束合成控制器包括用于存储主瓣方向与发射天线阵列的波束赋形参数对应关系表的存储器、用于连接控制所述发射波束赋形器的微处理器以及实时处理软件；所述微处理器与所述存储器连接，读取所述存储器中与最佳入射角值对应的发射天线阵列的波束赋形参数控制所述发射波束赋形器对每路下行信号进行幅度相位调制后合并输出。

按照本发明提供的装置，所述波束赋形参数是幅度和相位加权值。

按照本发明提供的装置，所述接收波束合成控制器和所述发射波束合成控制器可以合并为一个波束合成控制器，包括存储器、微处理器和实时处理软件。这种结构电路实现控制和功能电路完全分离。

按照本发明提供的装置，所述存储主瓣方向与接收天线阵列的波束赋形参数对应关系表和所述主瓣方向与发射天线阵列的波束赋形参数对应关系表可以是一张表：频率和波束赋形参数与波束宽度和主瓣方向之间的对应表，存储在所述波束合成控制器中的存储器中。

按照本发明提供的装置，所述天馈线系统还包括校准单元。

本发明上述另一个技术问题这样解决，构造一种频分双工无线通讯系统实现智能天线技术的方法，包括针对用户终端的专用信道则发射指向该用户终端的窄波束的过程，该发射窄波束的过程包括：

8.2)从上行信号中获得该信号主传播路径方向的估值；

8.3)合成一个下行发射波束，所述下行发射波束的主瓣方向等于所述估值。

其特征在于，在发射窄波束的过程的步骤8.2)前还包括步骤8.1)：接收波束赋形；所述接收波束赋形是指以一定原则用自适应的方法获取最佳波束赋形参数调整接收上行信号的智能天线阵列的方向图使所述系统获得最佳接收效果同时获得了接收波束的宽度；在步骤8.2)中根据所述波束赋形参数获得所述主传播路径方向的估值，也可以获得接收波束的宽度；所述波束赋形参数是指所述智能天线阵列各个阵元的幅度和相位加权值；在步骤8.3)中根据步骤8.1)或步骤8.2)获得的接收波束的宽度和步骤8.2)获得的所述估值合成一个下行发射波束。以波束方向、宽度和无线频率可以固定得出唯一的波束赋形参数。

按照本发明提供的方法，所述发射窄波束的过程包括：

8.1)接收波束赋形和获取波束宽度：以一定原则用自适应的方法获取最佳波束赋形参数调整接收上行信号的智能天线阵列的方向图使所述系统获得最佳接收效果可以同时获得了最佳接收波束的宽度；

8.2)获取方向估值和获取波束宽度：根据所述波束赋形参数和特定对应关系获得所述主传播路径方向的估值，也可以获得最佳接收波束的宽度；

8.3)发射波束赋形：根据步骤8.1)或步骤8.2)获得的所述接收波束的宽度和步骤8.2)获得的所述估值以及特定对应关系获取波束赋形参数调整发射下行信号的智能天线阵列的方向图合成一个下行发射波束，所述下行发射波束的主瓣方向等于所述估值，所述下行发射波束的宽度等于所述接收波束的宽度。

在TDD系统中，不需要步骤8.2)，直接使用相同参数进行发射波束赋形。而在FDD系统中，必须包括获取方向估值、获取波束宽度和发射波束赋形。

按照本发明提供的方法，所述自适应的方法是波束搜索法，包括：

8.1.1)用一定方法形成多个波束并以多个波束分割覆盖移动用户在的空间，按所述原则选取效果最好的一个或二个波束；

8.1.2)按标准判断该波束覆盖的空间是否可以再分，如果可以，以上面所述波束覆盖空间为所述移动用户在的空间再进一步细分或对最好的二个波束进一步细分重复步骤8.1.1)；如果不可以，以最好的一个或二个波束为中心旋转步骤8.1.1)所述空间重复步骤8.1.1)。

使用这种极限和动态跟踪的方法，使得系统始终以接收窄波束的方式指向移动用户。

按照本发明提供的方法，所述原则是最大信噪比原则。

按照本发明提供的方法，所述对最好的二个波束进一步细分是以二个所述波束覆盖空间为所述移动用户在的空间或以一个所述波束覆盖空间宽度为所述移动用户在的空间的宽度，该空间在所述二个波束覆盖空间的中央。

按照本发明提供的方法，所述标准是指是否完成了对于同一空间规定的允许分割的次数和是否到达所述智能天线阵列所限制的波束宽度。由于智能天线阵列大小和阵元数量有限，智能天线阵列所能达到的波束宽度是受限的。

按照本发明提供的方法，在一个具体装置中，所述多个波束为3个波束，所述步骤8.1.1)做二次。

按照本发明提供的方法，所述一定方法是指用预先合成方法或实时计算方法得出与特定波束主瓣方向和波束宽度对应的幅度和相位加权值改变所述智能天线阵列的方向图。预先合成方法即把大致所有的方向图对应的波束赋形参数预先计算出来并和方向图中的方向数值和波束宽度值一起存储起来以备实时查用。

按照本发明提供的方法，所述特定关系存储在频率和波束赋形参数与波束宽度和主瓣方向之间的对应表中。这时使用的是预先合成方法。

按照本发明提供的方法，在步骤8.2)中根据步骤8.1)获得的最佳波束赋形参数通过查询所述对应表获得所述估值。

按照本发明提供的方法，在步骤8.3)中根据所述估值和所述接收波束的宽度通过查询所述对应表获得发射波束赋形参数，用该波束赋形参数合成下行发射波束。

按照本发明提供的方法，所述接收波束赋形分别对每一路上行信号进行。每一路上行信号它的传播主路径不一致。

按照本发明提供的方法，多路所述下行发射波束合在一起由所述智能天线阵列一同发射。智能天线阵列发射的是叠加的电磁波。

按照本发明提供的方法，还包括实时校准方法。

按照本发明提供的方法，还包括针对公共信道发射全向或者扇区覆盖的波束的过程；在公共信道中传递的信息有广播和寻呼等。

本方案适合于FDD/CDMA系统，也同样适合于其他FDD系统中。在FDD/CDMA系统中，信道也称码道，每路信号的码道是不同的。

本发明提供的装置和方法，使得频分双工无线通讯系统的基站能实现窄波束发射，增强了基站接收能力、减少了基站需要发射的能量和发射信号间的干扰，降低基站成本并提高了系统性能。

附图说明

图1是含智能天线的频分双工无线系统的原理方框图。

图2是本发明提供的波束搜索共同步骤一的示意图。

图3是第一种情况下在图2所示步骤一后面步骤二的示意图。

图4是第二种情况下在图2所示步骤一后面步骤二的示意图。

图5是本发明提供的接收波束赋形装置原理图

图6是本发明提供的发射波束赋形装置原理图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明公开一种在FDD/CDMA移动通信系统中在无线基站部分实现智能天线技术的一种装置和方法。

首先说明使用该装置的FDD/CDMA移动通信系统，该系统结构的原理方框图如附图1所示，包括五大部分，由接收天线阵100、发射天线阵200、射频收发信机300、310及320、基带信号处理器400及控制和接口单元500等部分所组成。

(1)它们的连接关系是：接收天线阵和发射天线阵分别通过接收射频电缆110和发射射频电缆210和接收机300和发射机310连接；射频收发信机和基带信号处理器之间，用高速数字总线600连接；基带信号处理器、控制和接口单元之间，用信号总线700连接；控制和接口单元与其它部分之间用监控总线800连接；控制和接口单元与系统(通常为基站控制器BSC或者无线网络控制器RNC)之间通过接口900连接。所述接收天线阵和发射天线阵分别通过接收射频电缆110和发射射频电缆210组成天馈线系统。

(2)接收天线阵和射频接收机的数量：接收天线阵100由N只接收天线单元101、102、103、…10N构成，与之连接的射频馈线110也是N条馈线111、112、113、…、11N，使用的射频接收机300也是N只接收机301、302、303、…、30N。

(3)发射天线阵和射频发射机的数量：发射天线阵200由M只发射天线单元201、202、203、…20M构成，与之连接的射频馈线210也是M条馈线211、212、213、…、21M，使用的射频发射机310也是M只发射机311、312、313、…、31M。M和上述N均为正整数，可以不相等。

(4)所有射频接收机和发射机均使用同一时钟源，在同一本振源320支持下，保证它们相干工作。

第二步，说明该系统结构的具体工作过程：

(1)对上行链路，来自终端的信号被接收天线阵100感应到，通过接收射频馈线200送入到射频接收机300。此射频接收机将此微弱信号放大、变频、滤波并分离成I、Q两路，取样并进行模拟/数字变换ADC，形成高速接收数字信号。此数字信号通过高速数字总线600进入基带信号处理器处理，包括接收波束赋形、解调及解扩，还原成终端发出的业务及信令信号。此信号通过信号总线700送至控制和接口单元，在此单元进行进一步的处理后由接口900送至系统。

(2)对下行链路，来自系统的信号及信令从接口900接入此无线基站，在控制和接口单元处理后送入基带信号处理器处理，包括分接、信道编码、交织、扩频及调制，成为准备发送至终端的数字信号，再进行发射波束赋形，将此信号按不同幅度和相位送至各发射机310。在发射机内通过数字至模拟变换DAC转换模拟射频信号，再放大、变频和滤波，通过发射射频馈线120馈送至发射天线阵200，向用户终端发射。

(3)在以上人们熟知的过程中，本发明的特点是上述基站对接收和发射都进行波束赋形，对发射的广播、寻呼等公共信道采用全向或者扇区覆盖的波束，针对用户终端的专用信道则发射指向该用户终端的窄波束；而对接收用户终端发出的上行信号，则完全采用指向该用户终端的窄波束。此特点导致本发明的装置具有更高的灵敏度和频谱利用率、更低的干扰及所需要的发射功率电平，比常规无线基站性能大为提高。而上述天线波束赋形是在基站的基带信号处理器400内完成，由其中的接收波束合成器和发射波束合成器中实现。

在上述具体过程中的所有射频接收机和发射机以及与之连接的馈线电缆和天线单元均应实时校准，校准后，在通信过程中其特性(如增益等)不能调整。任何调整及改变后均必须重新校准。所有实时校准的结果均存储在图2中天线赋形器410中。关于校准智能天线的技术和方法不属于本发明的内容，可以参考相关专利(例如中国专利申请“一种校准智能天线阵的方法和装置”，申请号99111350.0)。

第三步，说明如何实现FDD移动通信系统的波束赋形，本发明的方法是波束搜索法。

当前述装置建立起来，接收和发射的天线阵均需要经过校准，上述基站必须能合成多个不同主瓣宽度的接收波束和发射波束。上述多个波束的合成是依据基站工作载波频率及接收和发射天线阵的几何结构，用天线阵理论合成的。可以是预先合成的多个固定波束，也可以是实时计算合成的。在此基础上，我们就可以实现波束搜索。本发明方法的实现具体包括以下四个基本点：

(1)接收和发射天线阵均能够合成各种指向的波束，并预先将上述合成各种指向的波束所需要的数据(各阵元所需要的幅度及相位值)存储在上述装置中。

(2)接收波束赋形，基站用多个波束进行接收，并以接收效果最好的上述波束指向为用户终端所在方向，即DOA。

(3)发射波束赋形，以接收波束赋形中获得的终端DOA作为用户终端的方向，合成一个窄波束进行发射。

(4)对每个码道形成一对指向相同的接收和发射定向赋形波束，此波束能随终端移动而实时更新。

实现该方法包括接收波束赋形和发射波束赋形二个过程，具体如下：

一、接收波束赋形过程，如附图2、3和4所示，具体如下：

设此小区或者扇区的覆盖是在水平方向，以天线为中心的F度(见图2)。则在基站接收任何一个用户终端10，或者用户终端20的接入呼叫时，基站是不知道此终端的方位的。传统的方法是使用全部覆盖F度的全向波束进行接收，而本发明的方法是用对接收天线阵的接收波束赋形的方法。在用户终端接入时，基站用多个宽波束进行接收，上述多个宽波束必须覆盖此基站要求的所有覆盖方向。并以接收效果最好的波束指向为用户终端所在的大致方向。如果两个相邻宽波束的接收效果相同(或者接近)时，以此两个相邻宽波束主瓣交界方向为用户终端所在的大致方向。然后，再以此方向为中心，用多个窄波束进行接收，上述多个窄波束必须覆盖上述宽波束的主瓣方向。并以接收效果最好的波束指向为用户终端所在的方向，即DOA。如果两个相邻窄波束的接收效果相同(或者接近)时，以此两个相邻窄波束主瓣交界方向为用户终端所在的方向，即DOA。在本实施例中，是用3个波束30、40和50同时接收，此时，此三个波束的接收效果必然是不一样的：见附图2，说明了本搜索方法的中第一步，此三个波束的3dB波束宽度均为全向的1/3(即F/3度)，完全覆盖了此扇区，并分别指向33、44及55。见附图3和4，说明了本搜索方法的中第一步下面可能有的两种情况：第一种和第二种情况。

第一种情况：如果是用户终端20发起呼叫，则肯定中间的波束40的接收效果最好，即该波束解调器获得的信号的Eb/I0最高。第一种情况的第二步就可以立即将此三个波束的宽度降低到原来的1/3，即F/9度，用波束35、45和56来覆盖前述波束40的主瓣，而且中间波束45的指向为前述接收效果最好的波束40的指向波束44。显然，此时又有同样的两种可能：

a)波束45的接收效果最好，我们就可以由此波束的指向来确定用户终端20的方位，即DOA；

b)波束35和波束45的接收效果相近(例如，两波束解调器获得的接收信号的Eb/I0之差在1-2dB之内)，则可以将上述两波束交界处的方向70确定为用户终端20的方位，即DOA。

上述DOA和用户终端精确方向的误差将大大小于此波束宽度的一半，即F/18度。当要求更精，则可再进行一步。对实用的智能天线阵，由于接收天线数量不可能太大，能提供的波束宽度一般在全向或者扇区覆盖的1/8至1/10，甚至更宽，故只进行图2所示的两步就足够了。

第二种情况：如果用户终端处于两个波束的交界方向(如图2中的终端10)，则在第一步时，波束40和50的接收效果(Eb/I0)差不多。则第二情况的第二步将中间一个窄波束48对向第一步时的两个效果差不多的波束40和50交界处的方向90，在其两边各另设置一个窄波束38和58，此3个波束的宽度均为原来的1/3，即F/9度。同样又有同样的两种可能：

a)波束48的接收效果为最好，可以由此波束的指向来确定用户终端10的方位，即DOA；

b)波束48和波束58的接收效果相近(例如，两波束解调器获得的接收信号的Eb/I0之差在1-2dB之内)，则可以将上述两波束交界处的方向80确定为用户终端10的方位，即DOA。

如此，就非常容易地实现了接收波束赋形。

在终端和基站通信的实际过程中，基站经过一定时间的搜索已经确认了用户终端的所在方向(用户终端的DOA)，故只需要进行上述第二步，重复上述过程，即以此方向为中心，用多个窄波束进行接收，并以接收效果最好的上述窄波束指向为用户终端所在方向，即DOA。如果两个相邻窄波束的接收效果相同(或者接近)时，以此两个相邻窄波束主瓣交界方向为用户终端所在的方向，即DOA。在终端和基站通信过程中，基站必须实时不断进行上述接收波束赋形及上述DOA的确认，以保证此接收波束能跟踪终端的高速移动。

二、发射波束赋形：在基站发射时，波束赋形比接收时简单得多，直接使用接收时获得的DOA，直接合成一个窄波束对准终端。此时，上述窄波束的宽度完全取决于发射天线阵的构成(包括阵元数量及几何结构)。通过上述方法，基站在对每个码道形成一对指向相同的接收和发射定向赋形波束，是多个接收波束，其中指向DOA的接收波束和发射赋形波束的指向是相同的。

第四步，说明天线波束赋形在基带信号处理器内部的实现过程。

(一)接收波束赋形：

接收波束赋形按每个码道进行，每码道接收波束赋形使用多组波束赋形器、每组波束赋形器连接一只解调器、此多只解调器的输出由一只选择开关选择。对有k条码道需要波束赋形的CDMA基站，每条码道均需要一套上述装置，并由一只公共的接收波束合成器控制。上述每组波束赋形器是由与接收天线阵天线单元的数量相同的幅度和相位调整器及一个合路器来构成。上述幅度和相位调整器是用数字方式改变数字信号幅度和相位的装置，它根据上述波束合成器的控制工作；上述合路器是进行数字信号合路(相加)的装置。此每组波束赋形器的功能是形成一个接收波束。上述解调器完成接收CDMA信号的解调和解扩，将业务数据和信令信号还原，并输出到上述选择开关；同时，还检测该接收波束信号的Eb/I0，并将它输出到上述接收波束合成器。上述选择开关根据上述接收波束合成器的控制，将来自上述多只解调器的一路上述业务数据和信令信号输出。

上述接收波束合成器由微处理器、存储器及相应接口组成，在实时信号处理软件支持下工作，完成如下主要功能：

a)存储接收天线阵的波束赋形参数，即形成不同波束时每天线阵单元应当具有的幅度和相位之值；

b)根据微处理器的控制将需要的上述波束赋形参数送至上述波束赋形器，实现接收波束赋形；

c)接收来自上述解调器的上述接收波束信号的Eb/I0，并在上述微处理器内比较；

d)根据上述比较结果，控制上述选择开关，选择上述Eb/I0最大的一路上述业务数据和信令信号作为上述选择开关的输出；

e)根据上述比较结果，确定终端的DOA，并将此DOA传送到发射波束合成器。

所述接收波束赋形装置，其结构以及与基带信号处理器和射频接收机的连接关系如图5，位于基带信号处理器400内。左边为射频接收机300，共有N只；右边是基带信号处理器400，这里，作为一个例子，我们以图2、3和4所示3倍波束搜索为例，为清晰起见，只描述了一个码道的波束赋形及信号接收。图5中，每只射频接收机输出的高速数字信号将通过数字总线600并行地分配给三组等同的基带数字信号处理电路。在基带数字信号处理电路有三个波束赋形器，一个由相位幅度调整器611，612，…61N加上合路器456构成，第二个由相位幅度调整器621，622，…62N加上合路器457构成，第三个由相位幅度调整器631，632，…63N加上合路器458构成。在实际系统中如果最大码道数为k，则基带处理电路将是上述的k倍。将上述接收信号将分配给上述三个波束赋形器，合成为给定波束内的接收信号。然后，将此赋形波束内的接收信号送至解调器451、452和453。在解调器内获得上述三个波束接收信号的Eb/I0及解调的数据信号。而接收波束赋形的实现及DOA的获得是在波束合成器410内。所有接收天线的校准数据和接收波束合成的数据(每阵元所需要的幅度和相位之值)均存储在波束合成器410中。对外，它通过3条控制线420控制各相位幅度调整器611，…，61N；621，…，62N；631，…，63N的相位和幅度，实现接收波束赋形；3条数据线接口430接收来自上述三个解调器451、452和453获得的Eb/I0之值；1条开关控制线440控制选择开关463；此外，还有将当时的DOA发送至发射波束合成器的数据线480。接收波束合成器将比较上述三个波束的接收效果(Eb/I0)，根据此效果来确定DOA，及对下一个波束赋形的控制，并根据上述，确定用哪一路(接收效果最好的一路)的接收数据信号以作为选择开关463的输出信号462。此接收波束合成器也将DOA及波束合成要求通过接口480送至发射波束合成器。在基带信号处理器400中，每码道可能安排2至多个波束赋形器，但在本发明中，其工作方式是一样的。上述实现接收波束赋形的装置可以用硬件(如门阵列电路等)实现，也可以用一段软件来实现。

(二)发射波束赋形：

同样，发射波束赋形按每个码道进行，每码道的发射波束赋形使用多只幅度和相位调整器构成，其数量和发射天线阵天线单元的数量相同。上述幅度和相位调整器的输出按每一天线及射频发射机，用一个合路器来进行合并，此合路器数量和发射天线阵天线单元的数量相同。上述装置由一只公共的发射波束合成器控制。上述幅度和相位调整器是用数字方式改变信号幅度和相位的装置，它根据上述发射波束合成器的控制工作，其功能是形成一个发射波束；上述合路器是进行数字信号合路(相加)的装置，其功能是对多码道进行数字合路。

上述发射波束合成器由微处理器、存储器及相应接口组成，在实时处理软件地支持下工作，完成如下主要功能：

a)存储发射天线阵的波束赋形参数，即形成不同波束时每天线阵单元应当具有的幅度和相位之值；

b)接收来自上述接收波束合成器的，上述终端的DOA，并根据此DOA之值确定发射波束赋形参数；

c)上述微处理器将需要的上述波束赋形参数送至上述波束赋形器，实现发射波束赋形。

d)根据来自上述接收波束合成器的，用户终端的DOA确定发射波束合成时各天线阵元的幅度和相位，并控制上述幅度和相位调整器，以控制每码道的发射波束。

所述接收波束赋形装置，其结构以及与基带信号处理器和射频接收机的连接关系如图6，位于基带信号处理器400内。左边为射频发射机310，共有M只；右边是基带信号处理器400，共处理k条码道491、…49k。每条码道的待发射的数据在相应的调制器651、…、65k中完成信道编码、交织、复接、扩频、调制等等发射处理后，将并行地馈入k组各M只相位幅度调整器711，712，…71M；  …；7k1、7K2、…7km，在这些幅度相位调整器中实现此码道的发射波束赋形。然后，对每只天线及发射机，由合路器671、672、…、67M对所有赋形的码道(总共k条码道)进行数字合并。再通过高速数字总线600分别馈至每只射频发射机311、312、…31M。上述发射波束赋形共需要使用k只调制器、kxM只幅度相位调整器及M只合路器。所有发射天线的校准数据和来自接收波束合成器(图3中410)的发射波束合成的数据(每阵元所需要的幅度和相位之值)均存储在此发射波束合成器411中。对外，它通过控制线412控制各相位幅度调整器711、12、…，71M；…；7k1、7k2、…，7kM的相位和幅度，实现发射波束赋形。显然，发射波束将指向接收时获得的DOA。同样，上述实现发射波束赋形的装置可以用硬件(如门阵列电路等)实现，也可以用一段软件来实现。接收和发射天线阵的校准数据及天线波束赋形数据存储在接收和发射波束合成器内。接收波束合成器和发射波束合成器可以分开，也可以合并在一起。

Claims (13)

1、一种频分双工无线通讯系统部分实现智能天线技术的装置，包括内含智能天线阵列的天馈线系统，其特征在于，还包括相干工作的多个射频接收机、相干工作的多个射频发射机以及内含接收波束合成器和发射波束合成器的基带信号处理器；

所述装置针对用户终端的专用信道发射指向该用户终端的窄波束，其工作过程如下：

1)所述智能天线阵列的每个阵元都接收所有的多路上行信号；

2)多个相干工作的所述射频接收机分别接收与各自连接的所述阵元接收的由所述天馈线系统传过来的所述多路上行信号，并对所述多路上行信号分别进行射频和中频信号处理；所述阵元向各自的射频接收机传送信号所需时间相同；

3)所述基带信号处理器分解所述多路上行信号，所述接收波束合成器分别对每路上行信号进行最优化处理获得所需的每路上行信号；然后，根据最优化处理对应的具体算法所使用的波束赋形参数得到最佳接收角度值并把该值传给所述发射波束合成器；

4)所述发射波束合成器以下行频率要求，根据所述最佳接收角度值，对下行信号进行波束赋形，再经所述基带信号处理器、相干工作的所述射频发射机和所述天馈线系统以的窄波形式发射每路下行信号；所述窄波方向等于所述最佳入射角值；

所述相干工作是指每个所述射频接收机或每个所述射频发射机对其输入信号处理后产生的输出信号的相位与所述输入信号的相位之间差值为0或恒定相等。

2、根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述装置针对公共信道发射全向或者扇区覆盖的波束。

3、根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述智能天线阵列包括接收天线阵列和发射天线阵列；所述射频接收机的数量和接收天线阵列阵元的数量相同；射频发射机的数量和发射天线阵列阵元的数量相同；所有射频接收机和射频发射机均使用同一时钟源。

4、根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述接收波束合成器包括一个接收波束合成控制器和分为多组的多个接收波束赋形器，每组接收波束赋形器对应于一路上行信号，每组接收波束赋形器包括多个接收波束赋形器，所述每个接收波束赋形器都包括顺序电连接的一个幅度相位调制器和一个解调器以及一个一组内所有接收波束赋形器共有的选择开关，每组的每个解调器都产生一路解调接收信号，所述选择开关用于选择一路输出。

5、根据权利要求4所述装置，其特征在于，所述接收波束合成控制器包括用于存储主瓣方向与接收天线阵列的波束赋形参数对应关系表的存储器、用于连接控制所述接收波束赋形器和所述选择开关的微处理器以及实时处理软件，所述微处理器检测每路所述解调接收信号基于一定准则选择一路从所述选择开关输出，所述微处理器使用所述对应关系表和比较方法获得最佳入射角，所述微处理器与所述存储器和所述发射波束赋形器连接；所述一定准则是最大信噪比准则，即检测每路所述解调接收信号的Eb/IO值选通最高者输出。

6、根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述发射波束赋形器包括发射波束合成控制器和多个发射波束赋形器；每个发射波束赋形器对应于一路下行信号，每个发射波束赋形器包括与所述发射天线阵列阵元一一对应的发射幅度相位调制器；对应同一所述发射天线阵列阵元的所有的发射幅度相位调制器的输出端连接至同一个合路器；所述发射波束合成控制器包括用于存储主瓣方向与发射天线阵列的波束赋形参数对应关系表的存储器、用于连接控制所述发射波束赋形器的微处理器以及实时处理软件；所述微处理器与所述存储器连接，读取所述存储器中与最佳入射角值对应的发射天线阵列的波束赋形参数控制所述发射波束赋形器对每路下行信号进行幅度相位调制后合并输出。

7、根据权利要求5或6所述装置，其特征在于，所述天馈线系统包括校正单元，所述接收波束合成控制器和所述发射波束合成控制器可以合并为一个波束合成控制器，包括存储器、微处理器和实时处理软件；所述存储主瓣方向与接收天线阵列的波束赋形参数对应关系表和所述主瓣方向与发射天线阵列的波束赋形参数对应关系表可以合并为一张表，所述表是频率和波束赋形参数与波束宽度和主瓣方向之间的对应表；所述波束赋形参数是幅度和相位加权值。

8、一种频分双工无线通讯系统实现智能天线技术的方法，包括针对用户终端的专用信道则发射指向该用户终端的窄波束的过程，该发射窄波束的过程包括：

8.2)从上行信号中获得该信号主传播路径方向的估值；

8.3)合成一个下行发射波束，所述下行发射波束的主瓣方向等于所述估值。

其特征在于，在发射窄波束的过程的步骤8.2)前还包括步骤8.1)：接收波束赋形；所述接收波束赋形是指以一定原则用自适应的方法获取最佳波束赋形参数调整接收上行信号的智能天线阵列的方向图使所述系统获得最佳接收效果同时获得了接收波束的宽度；在步骤8.2)中根据所述波束赋形参数获得所述主传播路径方向的估值，也可以同时获得接收波束的宽度；所述波束赋形参数是指所述智能天线阵列各个阵元的幅度和相位加权值；在步骤8.3)中根据步骤8.1)或步骤8.2)获得的接收波束的宽度和步骤8.2)获得的所述估值合成一个下行发射波束；所述发射窄波束的过程包括：

8.1)接收波束赋形和获取波束宽度；以一定原则用自适应的方法获取最佳波束赋形参数调整接收上行信号的智能天线阵列的方向图使所述系统获得最佳接收效果同时获得了最佳接收波束的宽度；

8.2)获取方向估值和获取波束宽度：根据所述波束赋形参数和特定对应关系获得所述主传播路径方向的估值，也可以同时获得最佳接收波束的宽度；

8.3)发射波束赋形：根据步骤8.1)或步骤8.2)获得的所述接收波束的宽度和步骤8.2)获得的所述估值以及特定对应关系获取波束赋形参数调整发射下行信号的智能天线阵列的方向图合成一个下行发射波束，所述下行发射波束的主瓣方向等于所述估值，所述下行发射波束的宽度等于所述接收波束的宽度。

9、根据权利要求8所述方法，其特征在于，在步骤8.1)中，所述自适应的方法是波束搜索法，包括：

8.1.1)用一定方法形成多个波束并以多个波束分割覆盖移动用户在的空间，按所述原则选取效果最好的一个或二个波束；

按标准判断该波束覆盖的空间是否可以再分，如果可以，以上面所述波束覆盖空间为所述移动用户在的空间再进一步细分或对最好的二个波束进一步细分重复步骤8.1.1)；如果不可以，以最好的一个或二个波束为中心旋转步骤8.1.1)所述空间重复步骤8.1.1)；

所述原则是最大信噪比原则。

10、根据权利要求9所述方法，其特征在于，所述对最好的二个波束进一步细分是以二个所述波束覆盖空间为所述移动用户在的空间或以一个所述波束覆盖空间宽度为所述移动用户在的空间的宽度，该空间在所述二个波束覆盖空间的中央；所述标准是指是否完成了对于同一空间规定的允许分割的次数和是否到达所述智能天线阵列所限制的波束宽度；所述一定方法是指用预先合成方法或实时计算方法得出与特定波束主瓣方向和波束宽度对应的幅度和相位加权值改变所述智能天线阵列的方向图。

11、根据权利要求8所述方法，其特征在于，所述特定关系存储在频率和波束赋形参数与波束宽度和主瓣方向之间的对应表中；在步骤1.2)中根据步骤1.1)获得的最佳波束赋形参数通过查询所述对应表获得所述估值，在步骤1.3)中根据所述估值和所述接收波束的宽度通过查询所述对应表获得发射波束赋形参数，用该波束赋形参数合成下行发射波束。

12、根据权利要求8所述方法，其特征在于，包括实时校准方法；所述接收波束赋形分别对每一路上行信号进行；多路所述下行发射波束合在一起由所述智能天线阵列一同发射。

13、根据权利要求8所述方法，其特征在于，还包括针对公共信道发射全向或者扇区覆盖的波束的过程。

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