CN1591973A

CN1591973A - 用于形成移动终端的阵列天线波束的方法和装置

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Publication number: CN1591973A
Application number: CNA2004100686370A
Authority: CN
Inventors: 郑熙锡
Original assignee: LG Electronics Inc
Current assignee: LG Electronics Inc
Priority date: 2003-09-03
Filing date: 2004-09-03
Publication date: 2005-03-09
Anticipated expiration: 2024-09-03
Also published as: KR100585726B1; US20050048921A1; KR20050023879A; CN100443918C; US7457587B2

Abstract

一种用于形成移动终端的阵列天线波束的方法，其周期地比较三维自适应波束的发送/接收特性和全向波束的发送/接收特性。然后选择具有更好发送/接收特性的波束方向。通过以360度角度水平向上或向下旋转阵列天线波束，搜索具有最大信号接收值的方向，并且在已搜索的方向上设置该三维自适应波束。通过使用移动终端的位置信息和已检测到的信息设置波束方向。并且，通过比较朝向最大信号接收方向设置的波束方向信息和基于基站/移动终端位置信息设置的波束方向信息，选择并形成最优波束，由此提高移动终端的发送/接收特性。

Description

用于形成移动终端的阵列天线波束的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于形成移动终端的阵列天线波束的方法和装置。

背景技术

随着无线移动通信用户的迅速增长，在有限的频率信道容量下增加用户的研究已经在海内外引起较大的兴趣。尤其是，通过在移动通信系统中应用阵列天线，根据用户的空间分布，频率可以被有方向地发送/接收，并且因此可以提高功率效率，并减少干扰。所以，为了开发用于增加每基站的终端接受范围和用户容量，已经开展了将阵列天线应用于移动通信系统的重要研究。

根据一种用于形成移动终端阵列天线波束的方法，在从相关基站接收的信号振幅最大的方向上形成二维波束状方向图。更具体地说，通过仅以从基站接收的信号的幅度来调整阵列天线的相位形成二维波束方向图。

这种方法已经被证明有重大的缺陷，在多路径区域，如城市的市区区域，移动终端的波束方向图的精确度会降低。所以，在这些条件下，很难改进移动终端的发送/接收特性。

发明内容

本发明的一个目的是至少解决以上问题和/或缺陷，并至少提供下文中描述的优点。

本发明的另一目的是提供一种用于用于形成移动终端的阵列天线波束的方法和装置，其在多路径区域改进终端的发送/接收特性。

本发明的另一个目的是提供一种用于形成移动终端的阵列天线波束的方法和装置，其在信号源存在的方向上通过使用数目更少的天线形成三维波束。

本发明的另一目的是提供一种用于形成移动终端的阵列天线波束的方法和装置，其不仅应用从相关基站接收的信号的幅度信号，还应用基站和移动终端的位置信息来形成波束。

为了实现上述目的和优点，本发明提供一种用于形成移动终端的阵列天线波束的方法，其包括下面的步骤：比较朝向最大信号接收方向设置的第一波束的方向信息和通过使用基站和移动终端的位置信息设置的第二波束的方向信息；当第一波束方向信息和第二波束方向信息不同时，基于第一波束方向信息的变化程度，在第一波束方向信息和第二波束方向信息之间选择最优波束方向信息。优选的，该第一波束方向信息指示具有在三维自适应波束的发送/接收特性和全向波束的发送/接收特性之间的较好发送/接收特性的波束的方向信息。

根据本发明的另一实施例，本发明提供一种用于形成移动终端阵列天线波束的方法，其包括下面的步骤：周期地比较三维自适应波束的发送/接收特性和全向波束的发送/接收特性；当三维自适应波束的发送/接收特性不比全向波束的发送/接收特性更好时，形成全向波束；并且当三维自适应波束的发送/接收特性比全向波束的发送/接收特性更好时，形成三维自适应波束。

根据本发明的另一实施例，本发明提供一种用于形成移动终端阵列天线波束的装置，根据本发明，该装置包括阵列天线；调制解调器，用于朝向最大三维信号接收方向设置波束方向图，根据基站和移动终端的位置信息设置波束方向图，并且通过比较基于位置信息设置的波束方向信息和在最大信号接收方向中设置的波束方向信息选择最优波束方向图；阵列天线波束控制器/开关，通过调整阵列天线的相位形成在调制解调器中设置的波束方向图；及RF单元，用于处理通过阵列天线波束控制器/开关接收的RF(射频)信号。

本发明的其它优点、目的和特征将在随后的说明中部分地描述，经过以下检验或从本发明的实践中学习，上述优点、目的和特征对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的。本发明的目的和优点可以如所附权利要求书中所特别指出的来实现和获得。

附图说明

图1示出了半波长偶极天线的结构和半波长偶极天线的整波束方向图。

图2A示出在与半波长偶极天线的元件平行的平面上的方向性。

图2B示出了在y-z平面上半波长偶极天线的方向性。

图3示出了在排列轴线上排列的两个半波长偶极天线的结构。

图4示出了在排列轴线上排列的两个半波长偶极天线的电场和。

图5示出了在排列轴线上排列的两个半波长偶极天线的合成波束方向图。

图6示出了移动终端的天线阵列的结构。

图7示出了另一移动终端的天线阵列的结构。

图8示出了用于形成移动终端的阵列天线波束的装置的结构框图。

图9是流程图，示出了阵列天线波束朝向最大信号接收方向的三维搜索方法。

图10A示出了设置向“上”的阵列天线波束。

图10B示出了水平旋转360度的向“上”方向的阵列天线波束。

图10C示出了设置向“下”的阵列天线波束。

图10D示出了水平旋转360度的向“下”方向的阵列天线射波束。

图11是流程图，示出了通过使用最大信号接收方向和基站/移动终端的位置信息形成移动终端的阵列天线波束的方法。

具体实施方式

半波长(λ/2)偶极天线是普通的基础天线。如图1所示，同轴电缆在等长的两电线的中心连接，并且半波长偶极天线的两电线的整个长度是操作频率的波长的一半。在平行于偶极天线元件的平面，即，在x-y平面上的方向性具有如图2A所示的圆形形状，并且在y-z平面上的方向性具有如图2B所示的数字8的形状。在垂直于偶极天线元件的方向，即，z轴方向上无方向性。

参照图3，在两个半波长偶极天线被以某一预定间隔排列在排列轴线上的情况中形成波束。更具体地说，第一半波长偶极天线1和第二半波长偶极天线2被在相同相位上以相同的幅度馈电，并且第一和第二半波长偶极天线分开距离“d”。如果从排列轴线的θ角方向上存在信号源，那么根据第二半波长偶极天线的信号具有一相位延迟，在计算关于信号源的复合场中，和根据第一半波长偶极天线的信号相比，该相位延迟对应于距离“r”。

通过图4中所示的向量和计算第一和第二半波长偶极天线1和2的电场(复合场)和，其是第一半波长偶极天线的场(E1，第一场向量)和第二半波长偶极天线的场(E2，第二场向量)的和。

当第一场向量(E1)和第二场向量(E2)之间的角度为φ时，可由方程式(1)表示φ，并且可由方程式(2)表示距离“r”，方程式如下：

φ＝2πr/λ (1)

r＝d·cosθ (2)

所以，φ可由如下所示的方程式(3)表示：

φ＝2π·d·cosθ (3)

此时，如果d＝λ/2，φ那么可由如下所示的方程式(4)表示：

φ＝π·cosθ (4)

因此，如果θ＝π/2，那么由方程式(4)φ＝0。更具体地说，如果与第一和第二半波长偶极天线1和2的排列轴线垂直的方向上同相存在信号源，那么复合场(E1+E2)最大化。

如果Ifθ＝0°，φ＝π(弧度).也就是说，如果在第一和第二半波长偶极天线1和2的排列轴线上反相存在信号源，那么复合场(E1+E2)变为0。因此，如图5所示，第一和第二半波长偶极天线1和2的复合波束方向图在与排列轴线垂直的方向上具有方向性。

阵列中天线的数目越大，方向性或方向控制越强。阵列天线的波波束方向图根据同相以相同幅度馈电的半波长偶极天线的排列改变。在此，包括半波长偶极天线，四分之一波长单极天线的波束方向图也是相同的，所以省略其描述。

根据本发明至少一个实施例，以数目更少的半波长偶极天线或四分之一波长单极天线构建能够形成三维波束的天线阵列。参照图6，在本实施例中用于移动终端的阵列天线中，布置五个半波长偶极天线10-18形成三维立方体。更具体地说，一个半波长偶极天线10位于移动终端的上部，一个偶极天线12在它的底部，并且三个偶极天线14，16和18位于它的中部。优选的，位于移动终端中部的三个半波长偶极天线14，16和18保持相等的间隔，由此形成一等腰三角形。该半波长偶极天线可被四分之一波长单极天线替换。

另外，如图7所描述，可由一个全方向天线20和多个半波长偶极天线22～30，如五个半波长偶极天线构建移动终端的阵列天线。优选的，该全方向天线20包括负载天线。可以以翻转的矩形角形状排列五个半波长偶极天线22～30，并且全方向天线20位于包括四个半波长偶极天线24，26，28，30的矩形面的中心上。优选的，四个半波长偶极天线彼此形成为正方形表面。也可以应用其它排列和几何形状，例如，根据有意的应用和/或想得到的性能需求。半波长偶极天线22～30可由四分之一单极天线替换。

本发明的阵列天线可有各种形式，而不限于图6和7中示出的阵列天线，但是优选的具有能够以较少数目的天线形成三维波束的形式。

图8是示出了根据本发明的另一实施例的形成移动终端阵列天线波束的装置框图。该装置包括阵列天线10-18，调制解调器50，阵列天线波束控制器/开关40和RF单元60。调制解调器朝向三维最大信号接收方向设置波束方向图，基于基站和移动终端的位置信息设置波束方向图，并且通过比较基于位置信息设置的波束方向信息和在最大信号接收方向上设置的波束方向信息，来选择最优波束方向图。阵列天线波束控制器/开关40通过调整阵列天线10-18的相位形成调制解调器中设置的波束方向图。RF单元60处理通过阵列天线波束控制器/开关40接收的RF(射频)信号。

现在将详细描述根据本发明的前述实施例的用于形成移动终端阵列天线波束的装置的操作。在最大信号接收方向中能够设置并形成以较少数目的天线构建的阵列天线的三维波束方向图。另外，根据本发明的实施例，使用由基站周期性地广播的基站位置信息和使用移动终端的位置信息，能够设置并形成阵列天线的波束方向图。另外，根据本发明的实施例，通过比较基于最大信号接收方向的设置的三维波束方向图和基于基站及移动终端位置信息的设置三维波束方向图，能够形成最优波束方向图。

图9是流程图，示出了根据本发明实施例的，朝向最大信号接收方向的阵列天线波束三维搜索方法。首先，移动终端自适应地搜索阵列天线的波束方向(步骤S11～S17)。更具体地说，移动终端设置阵列天线波束向“上”，如图10A所示，检查并存储发送/接收特性(步骤S11)，并且移动终端设置阵列天线波束向“下”，如图10C所示，检查和存储发送/接收特性(步骤S13)。

例如，参考图8中所示的阵列天线，通过调整天线10的信号的相位，在位于移动终端上部的五个天线10～18中，阵列天线波束控制器/开关40设置波束在如图10A所示的。由天线10设置在“向上”方向上的波束方向图在以y-z平面为中心的z轴线中心(z＝0)的上侧具有数字8的形状。

阵列天线波束控制器/开关40通过调整位于移动终端下部的天线12的信号的相位设置波束在如图10C所示的“向下”方向上。由天线12设置在“向下”方向上的波束方向图在以y-z平面为中心的z轴线中心(z＝0)的下侧具有数字8的形状。

另外，参照如图7中所示的阵列天线，可使用负载天线20设置在“向上”方向上的波束，通过使用天线22设置在“向下”方向上的波束，使用天线20，24，26，28和30可设置具有如图10B所示形状的阵列天线波束，并且使用天线22，24，26，28和30可设置具有如图10D所示形状的阵列天线波束。

发送/接收特性可包括传输功率，接收信号大小，等。通过比较已存储的两个发送/传输特性，移动终端朝向具有较大发送/接收特性值的方向设置阵列天线(步骤S15)。

如果在“向上”方向上的波束的发送/接收特性大于在“向下”方向上的波束的发送/接收特性，那么移动终端在阵列天线10～18中选择天线10，14，16和118，使用已选择的天线12，14，16和18，通过旋转在图10D所示的“向下”方向上形成的三维波束，搜索具有最大发送/接收特性的特定方向。

当确定具有最大发送/接收特性的特定方向时，移动终端设置阵列天线三维波束朝向这个方向(步骤S17)。

同时，移动终端检查并存储设置为全方向的波束方向图的发送/接收特性(步骤S19)。在图6所示的阵列天线情况中，点天线1用在波束的全方向设置中，并且在图7所示的阵列天线情况中，可使用负载天线20。

然后，移动终端比较由自适应阵列天线设置的波束的发送/接收特性和由全方向天线设置的波束的接收/发送特性(步骤S21)。当自适应阵列天线的发送/接收特性比全方向天线的接收/发送特性更好时，移动终端保持基于自适应阵列天线设置的预定方向图(步骤S23)。

但是，当自适应阵列天线的发送/接收特性不比全方向天线的接收/发送特性更好时，移动终端设置全方向天线的波束方向图，即，全向波束(步骤S23)。因此，移动终端可以在三维波束方向图和全向波束方向图之间选择并形成具有更好发送/接收特性的波束方向图。

周期地执行在三维波束方向图和全向波束方向图之间选择具有更好发送/接收特性的波束方向图的过程。

同时，基站的位置信息和移动终端的位置信息可用于形成波束。基站周期地和系统信息一起通过广播频道广播位置信息。并且，移动终端可以通过广播频道周期地获得基站的位置信息。

移动终端获得这个位置信息有几种方法。如果移动终端具有GPS(全球定位系统)单元，那么可通过使用GPS单元计算移动终端的位置信息。

如果从多个基站接收位置信息，那么该移动终端可通过使用多个基站接收到的位置信息计算该移动终端的位置信息。

如果多个基站接收特定移动终端的信号，那么多个基站可以向移动开关中心或向基站控制器发送特定终端的信号和每个基站的位置信息。然后，移动开关中心或基站控制器可以基于每个基站的位置信息和已接收到的移动终端的信号信息计算特定移动终端的位置，并通过基站向特定的移动终端提供计算出的移动终端的位置信息。

当移动终端获得基站的位置信息时，基于基站的位置信息和移动终端的位置信息设置阵列天线的波束方向，并在设置的波束方向中形成波束。

图11是流程图，示出了根据本发明实施例的一种通过使用最大信号接收方向和基站/移动终端的位置信息形成移动终端阵列天线波束的方法。

移动终端比较基于图11中示出的最大信号接收方向设置的波束方向信息和基于基站和移动终端的位置信息设置的波束方向信息(步骤S31)。

当两个波束方向信息相同时，移动终端形成朝向设置方向的波束(步骤S33和S35)。

但是，当两个波束方向信息不相同时，移动终端检查基于最大信号接收方向设置的波束方向信息的列表(步骤S37)。该列表包括基于某一时期的最大信号接收方向设置的波束方向信息。因此，移动终端可以知道某一时期设置的方向信息的变化程度。当已检查的变化程度很大时(例如，超出预先确定的范围或再预先确定的阈值之上)，最后移动终端朝向基于基站位置信息和移动终端位置信息设置的方向形成波束(步骤S39和S41)。

但是，当已检查的变化不大时(例如，不在预先确定的范围内或在预先确定的阈值之下)，最后移动终端朝向基于最大信号接收方向设置的方向形成波束(步骤S43)。

周期地执行使用最大信号接收方向和基站/移动的终端位置信息在阵列天线波束方向之间选择最优波束方向的过程。

如上所述，在本发明中，可以通过搜索具有最大发送/接收特性值的方向而同时以360度角度水平旋转“向上”或“向下”方向的波束来形成三维波束。

同时，通过在自适应波束和全向波束之间选择具有更好发送/接收特性的最优波束，根据比如具有多路径和广阔地域的区域的位置，可以形成具有更好发送/接收特性的波束，这里自适应波束通过以360度角度水平旋转“向上”或“向下”方向的波束来决定波束方向。

同时，通过使用基站/移动终端的位置信息形成波束，可能朝向具有更好发送/接收特性的方向快速形成波束。

同时，可以在朝向最大信号接收方向设置的波束方向信息和基站/移动终端的位置信息之间选择最优的波束方向信息。

同时，通过排列移动终端中的阵列天线以便于具有某一三维形状，可以以最小数目的天线形成三维阵列天线波束。

前述的实施例和优势仅是示例性的，不能解释为限定本发明。本发明的教导可以很容易地应用到其它类型的装置。本发明的描述是示例性的，并且不限定权利要求书的范围。对于本领域的技术人员来说，很多变换，修改和变化是明显的。在权利要求书中，装置加功能的条款意在覆盖在此描述的执行所引证功能的结构，不仅包括结构的等效物，也包括等效的结构。

Claims

1.一种用于形成移动终端的阵列天线波束的方法，其包括：

比较朝向最大信号接收方向设置的第一波束的方向信息和使用基站和移动终端的位置信息设置的第二波束的方向信息；及

当第一波束的方向信息和第二波束的方向信息不同时，根据第一波束方向信息的预先确定的变化程度选择第一和第二波束方向信息之一。

2.如权利要求1所述的方法，其中，该选择的步骤包括：

检查第一波束的方向信息的变化程度；

当已检查的变化程度大于预先确定的变化程度时，选择第二波束的方向信息；及

当已检查的变化程度小于预先确定的变化程度时，选择第一波束的方向信息。

3.如权利要求2所述的方法，其中，基于某一时间设置的第一波束的方向信息列表，检查该第一波束的方向信息的变化程度。

4.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

当该第一波束方向信息和该第二波束方向信息相同时，随机选择第一和第二波束方向信息之一。

5.如权利要求1所述的方法，其中，该第一波束方向信息指示在三维自适应波束的发送/接收特性和全向波束的发送/接收特性之间具有更好发送/接收特性的波束的方向信息。

6.如权利要求5所述的方法，其中，该三维自适应波束设置包括：

在多个阵列天线中使用第一天线在第一方向中设置波束，并且检查和存储第一发送/接收特性；

在多个阵列天线中使用第二天线在第二方向中设置波束，并且检查和存储第二发送/接收特性；

在第一和第二发送/接收特性之间，朝向具有较大发送/接收特性值的方向设置阵列天线波束；

在预先确定的角程度范围内，通过在设置方向中旋转阵列天线波束，搜索具有最大发送/接收特性值的方向。

7.如权利要求6所述的方法，其中，在设置方向中的该阵列天线射波束以360度角度范围水平旋转。

8.如权利要求6所述的方法，其中，该第一方向是“向上”方向，并且该第二方向是“向下”方向。

9.如权利要求6所述的方法，其中，该阵列天线包括某一数目的半波长偶极天线。

10.如权利要求6所述的方法，其中，该第一天线位于移动终端的上部，该第二天线位于移动终端的下部，并且第三、第四和第五天线位于移动终端的中部。

11.如权利要求10所述的方法，其中，该第三、第四和第五天线等间隔布置。

12.如权利要求10所述的方法，其中，设置该阵列天线波束的步骤包括：

如果第一发送/接收特性大于第二发送/接收特性，那么通过调整第一、第三、第四和第五天线的每一信号的相位，设置阵列天线波束；以及

如果第一发送/接收特性不大于第二发送/接收特性，那么通过调整第二、第三、第四和第五天线的每一信号的相位，设置阵列天线波束。

13.如权利要求6所述的方法，其中，该阵列天线包括某一数目的四分之一波长的单极天线。

14.如权利要求6所述的方法，其中，该第二天线位于移动终端的第一部分，该第三至第六天线位于移动终端的第二部分，并且该第一天线位于包括第三至第六天线的移动终端的第三部分。

15.如权利要求14所述的方法，其中，该第一部分是移动终端下部，该第二部分是移动终端的上部，并且该第三部分是移动终端的正方形表面的中心。

16.如权利要求14所述的方法，其中，该设置阵列天线波束的步骤包括：

如果第一发送/接收特性大于第二发送/接收特性，那么通过调整第一、第三、第四、第五和第六天线的每一信号的相位，设置阵列天线波束；以及

如果第一发送/接收特性不大于第二发送/接收特性，那么通过调整第二、第三、第四、第五和第六天线的每一信号的相位，设置阵列天线波束。

17.如权利要求1所述的方法，其中，该基站的位置信息是通过前向信道周期性地广播的。

18.如权利要求1所述的方法，其中，该移动终端的位置信息是通过包括GPS(全球定位系统)的移动终端计算的。

19.如权利要求1所述的方法，其中，该移动终端的位置信息是使用从至少一个基站接收到的基站位置信息由移动终端计算的。

20.一种用于形成移动终端的阵列天线波束的装置，包括：

阵列天线；

调制解调器，其用于朝向最大三维信号接收方向设置波束方向图，基于基站和移动终端的位置信息设置波束方向图，并且通过比较基于位置信息设置的波束方向信息和在最大信号接收方向中设置的波束方向信息选择波束方向图；

阵列天线波束控制器/开关，其通过调整阵列天线的相位形成在调制解调器中设置的波束方向图；及

RF单元，其用于处理通过阵列天线波束控制器/开关接收的RF(射频)信号。

21.如权利要求20所述的装置，其中，该在最大信号接收方向中设置的波束方向信息表示在三维自适应波束的发送/接收特性和全向波束的发送/接收特性之间具有较好的发送/接收特性的波束的方向信息。

22.如权利要求21所述的装置，其中，该三维自适应波束是用于通过以360度角度水平向“上”或向“下”旋转阵列天线波束，以搜索具有最大发送/接收特性值的方向的自适应波束。

23.如权利要求20所述的装置，其中，该第一天线位于移动终端的第一部分，该第二天线位于第二部分，并且该第三至第五天线位于移动终端的第三部分，并保持相同的间隔。

24.如权利要求23所述的装置，其中，该第一部分在上部，该第二部分在下部，并且该第三部分在移动终端的中部。

25.如权利要求20所述的装置，其中，该第二天线位于移动终端的第一部分，该第三至第六天线在第二部分，以及该第一天线在由第三至第六天线组成的第三部分。

26.如权利要求25所述的装置，其中，该第一部分是下部，该第二部分是上部，并且该第三部分是移动终端正方形表面的中心。