CN1700801A - 一种移动通信智能天线系统中的下行链路波束赋形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种移动通信智能天线系统中的下行链路波束赋形方法，其突出特点在于基站根据移动台对接收的下行链路信号的质量测量及反馈给基站的反馈信息调整下行链路波束赋形的加权向量。采用本发明所述的方法具有以下效果：第一，对无线接收机和发射机的接收通道及发射通道的幅度和相位的一致性要求不高；第二，能适应上、下行链路特性互易性不成立的无线传播环境，适应无线环境能力强；第三，由于不需要严格的接收通道和发射通道校正，具有结构简单，成本低，可靠性高的显著优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型的下行链路波束赋形方法，尤其涉及无线移动通信智能天线系统中的下行链路波束赋形方法。
本发明适用于频分双工-时分多址/码分多址(Frequency DivisionDuplex-Time Division Multiple Access/Code Division Multiple Access)(以下简称FDD-TDMA/CDMA)中采用智能天线进行下行链路波束赋形的所有系统，尤其适用于目前第三代移动通信系统中的时分同步码分多址(Tine Division-Synchronous Code Division Multiple Access)(以下简称TD-SCDMA)和宽带码分多址/时分双工(Wideband Code Division MultipleAccess/Time Division Duplex)(以下简称WCDMA/TDD)系统。
背景技术
作为一种蜂窝移动通信系统，在TD-SCDMA移动通信系统中存在以下几种干扰和噪声：
1、由于在同一个时隙中可能存在多个码分信道同时传输，在移动信道条件下，码分信道之间的正交性将被部分或全部破坏，因此在接收端码分信道之间会形成多址干扰(Multiple Access Interference，简称MAI)；
2、由于信号的多径传播，在接收端会形成符号间干扰(Inter-SymbolInterference，简称ISI)；
3、接收机的热噪声；
4、来自其它小区的干扰；
5、以上4种以外的其它干扰。
TD-SCDMA移动通信系统的解调性能一般由满足一定的服务质量(Quality of Service，简称QoS)时接收机所需要的信干比(Signal toInterference Ratio，简称SIR)或者信噪比(Signal to Noise Ratio，简称SNR)表示。由于在蜂窝CDMA移动通信系统中，干扰具有类似自噪声的统计特性，因此一般不再严格区分干扰和噪声。为了获得良好的解调性能，要求解调算法具有很强的干扰抑制能力。对干扰的抑制能力越强，则系统的性能就越好，其所能提供的频谱利用效率就越高。因此，干扰抑制技术成为提高TD-SCDMA移动通信系统性能的关键因素。
智能天线技术是一种抑制干扰的方法，特别是对于TD-SCDMA移动通信系统这样的时分双工系统来说，由于其上、下行链路的频率相同，并且上、下行链路的双工间隔为5毫秒，因此上、下行链路的无线传播特性具有较高的互易性，这为TD-SCDMA移动通信智能天线系统智能天线利用上行接收信号进行下行波束赋形提供了一定的有利条件。
申请号为97104039.7的中国专利提出了一种下行链路波束赋形的方法，即为在现有的TD-SCDMA移动通信智能天线系统中，利用上、下行链路的互易性，基站根据接收的上行信号估计上行链路的到达角(DirectionOf Arrival)(以下简称DOA)，然后以估计的上行链路的DOA作为下行链路发射的DOA，计算下行链路的波束赋形加权向量。此外，申请号为99101293.3及01131664.0的中国专利也提出了与上述类似的下行链路波束赋形的方法。
但是，上述现有技术方案存在以下两个问题：
1、由于下行波束赋形使用了绝对方向信息，对接收通道和发射通道的一致性要求非常高，要求接收通道和发射通道必须同时满足幅度和相位的一致性，由于无线接收机和发射机的接收通道及发射通道具有时变性，并且由于外界温度、器件老化等许多因素的影响，任何时间保持无线接收机和发射机的接收通道及发射通道的幅度和相位的一致性非常困难；
2、在某些情况下，上、下行链路的互易性不成立，导致利用估计的上行链路的DOA作为下行链路波束赋形的方向偏离移动台的实际方向。以上问题使得现有下行链路波束赋形技术方案必须付出高昂代价才能满足性能要求，甚至无法满足性能要求。因此现有技术方案具有很大的不足和局限性。
发明内容
为了克服上述缺点，解决现有技术中存在的对无线接收机和发射机的接收通道及发射通道的幅度和相位一致性要求高，不适应上、下行链路互易性不成立的无线传播环境等技术问题。本发明的目的在于提供一种适用于多种蜂窝移动通信标准的高效、快速、低成本的下行链路波束赋形的方法，其主要是：在采用智能天线的基站根据接收到的来自移动台的信号估计接收信号的DOA；上述基站根据上述估计接收信号的DOA计算对该移动台的发射信号的加权向量，并以此加权向量为初始加权向量进行波束赋形；在以上述初始加权向量为中心的一个范围内周期性地调整该加权向量；上述移动台测量接收信号的质量，并将测量结果反馈给基站，基站根据移动台反馈的接收信号的质量确定对移动台的波束赋形的加权向量；在移动台与基站的整个通信过程中，移动台周期性地测量并反馈接收信号的质量，基站根据移动台反馈的接收信号的质量动态调整对移动台的波束赋形的加权向量，使移动台的接收信号质量最佳。
本发明的一种移动通信智能天线系统中的下行链路波束赋形方法，包括如下步骤：
步骤1：采用智能天线的基站根据接收到的移动台发射的上行链路信号估计上行链路信号的DOA；
步骤2：上述基站以上述估计的上行链路信号的DOA作为下行链路波束赋形的初始方向，即为下行链路波束赋形DOA的初始值DOAini，计算初始波束赋形的加权向量；
步骤3：上述基站以上述初始波束赋形的加权向量作为下行链路波束赋形的基准，在以该基准为中心的调整范围内，在每一个调整周期对下行链路波束赋形的加权向量调整一次；
步骤4：上述移动台测量接收的下行链路接收信号的质量，并通过上行链路帧结构的反馈字段在每一个反馈周期向上述基站反馈一次该下行链路接收信号的质量，且上述基站记录该下行链路接收信号的质量及其对应的波束赋性的加权向量；
步骤5：当上述下行链路波束赋形的DOA不在上述调整范围内时，上述基站根据上述移动台反馈回来的下行链路接收信号的质量，用最佳的下行链路波束赋形的加权向量对上述移动台进行下行链路波束赋形。
其中，上述步骤3中的调整范围为[DOAini-θ，DOAini+θ]，其中参数θ由无线传播环境确定，其取值范围为0≤θ≤α，且α与上述基站的天线类型有关；上述步骤4中的反馈周期包含在上述步骤3中的调整周期内，且其均由无线传播环境确定。
在上述每一个调整周期内，上述步骤3及步骤4依次执行且具体包括如下：
1)在第一个调整周期内，计算上述调整范围中DOAini-θ所对应的下行链路波束赋形的加权向量对上述移动台进行下行链路波束赋形；
2)上述移动台测量接收的下行链路接收信号的质量，并通过上行链路帧结构的反馈字段将其反馈给上述基站，且上述基站记录该下行链路接收信号的质量及其对应的波束赋性的加权向量；
3)在第二个调整周期内，在上述DOAini-θ的基础上增加一个调整步长Δ，即以DOAini-θ+Δ作为一个波束赋形方向，重新计算DOAini-θ+Δ所对应的下行链路波束赋形的加权向量对上述移动台进行下行链路波束赋形；
4)上述移动台测量接收的下行链路接收信号的质量，并通过上行链路帧结构的反馈字段将其反馈给上述基站，且上述基站记录该下行链路接收信号的质量及其对应的波束赋性的加权向量；
5)在第三个调整周期内，在上述DOAini-θ+Δ的基础上再增加一个调整步长Δ，即以DOAini-θ+2Δ作为一个波束赋形方向，重新计算DOAini-θ+2Δ所对应的下行链路波束赋形的加权向量对上述移动台进行下行链路波束赋形；
6)上述移动台测量接收的下行链路接收信号的质量，并通过上行链路帧结构的反馈字段将其反馈给上述基站，且上述基站记录该下行链路接收信号的质量及其对应的波束赋性的加权向量；
7)在每一个调整周期内，不断增加调整步长并重复执行上述步骤，直至上述波束赋形的方向DOAini-θ+n*Δ超过DOAini+θ。
另外，对于TD-SCDMA移动通信系统，可以利用每个上行链路时隙结构中保留的同步偏移(Synchronisation Shift)(以下简称SS)字段将上述移动台测量的下行链路信号的质量反馈给上述基站。
上述调整步长Δ可以为固定值或非固定值，其中当该调整步长Δ为固定值时，其取值范围为0.1°≤Δ≤α；当该调整步长Δ为非固定值时，其取值范围为2θ/N，其中上述N的最小值为1，最大值不受限制。
本发明所述方法是对一个用户的操作步骤，对所有的用户重复执行上述操作步骤以对所有用户进行下行链路波束赋形。并且结合接收机的有关测量过程，上述参数θ、调整步长Δ、调整周期和反馈周期能自适应地根据工作环境动态调整。
与现有技术相比，本发明的突出特点在于基站根据移动台对接收的下行链路信号的质量测量及反馈给基站的反馈信息调整下行链路波束赋形的加权向量，因此采用本发明所述的方法具有以下效果：
第一，对无线接收机和发射机的接收通道及发射通道的幅度和相位的一致性要求不高；
第二，能适应上、下行链路特性互易性不成立的无线传播环境，适应无线环境能力强；
第三，由于不需要严格的接收通道和发射通道校正，具有结构简单，成本低，可靠性高的显著优点。
下面结合附图，对本发明所述方法的具体实施作进一步的详细说明。对于熟悉本技术领域的人员而言，从对本发明方法的详细说明中，本发明的上述和其他目的、特征和优点将显而易见。
附图说明
图1为本发明所述方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所述的方法的实施作进一步的详细说明。
图1为本发明所述方法的流程图。如图1所示，其主要是：在采用智能天线的基站根据接收到的来自移动台的信号估计接收信号的DOA；首先以上述估计接收信号的DOA作为下行链路波束赋形DOA的初始值DOAini，计算DOAini-θ所对应的下行链路波束赋形的加权向量对该移动台进行下行链路波束赋形；当下一个调整周期到达时，在DOAini-θ基础上增加一个调整步长Δ作为一个新的波束赋形方向，重新计算新的波束赋形的加权向量，对该移动台进行下行链路波束赋形；在移动台方面，移动台测量接收信号的质量，并将测量结果反馈给基站，基站记录移动台反馈的接收信号的质量及其对应的下行链路波束赋形的加权向量，上述操作不断重复直到新的波束赋形方向达到DOAini+θ，基站根据从移动台反馈的接收信号的质量确定对移动台的波束赋形的加权向量；在移动台与基站的整个通信过程中，移动台周期性地测量并反馈接收信号的质量，基站根据移动台反馈的接收信号的质量动态调整对移动台的波束赋形的加权向量，使移动台的接收信号质量最佳。其具体实施步骤如下：
步骤1：采用智能天线的基站根据接收的移动台发射的上行链路信号估计上行链路信号的DOA；
步骤2：基站以上述估计的上行链路信号的DOA作为下行链路波束赋形DOA的初始值DOAini，计算初始波束赋形的加权向量；
步骤3：基站以上述初始波束赋形的加权向量作为下行链路波束赋形的基准，在以该基准为中心的一定调整范围内，即[DOAini-θ，DOAini+θ]内周期性地调整下行链路波束赋形的加权向量；其中上述调整范围由无线传播环境确定，其取值范围为[DOAini-0°，DOAini+0°]～[DOAini-α，DOAini+α]，且α与基站天线类型有关；对于全向基站，α＝180°，对于3扇区基站，α＝60°，在一具体实施例中，上述调整范围的取值为[DOAini-0°，DOAini+0°]～[DOAini-10°，DOAini+10°]；上述下行链路波束赋形的加权向量的调整周期由无线传播环境确定，对于WCDMA/FDD、WCDMA/TDD或者TD-SCDMA移动通信系统，其最小取值为1个时隙，最大取值不受限制，在一具体实施例中，上述调整周期的取值范围为1个时隙～15个时隙；上述下行链路波束赋形的调整步长Δ可以是固定值，其取值范围为[0.1°～α]，在一具体实施例中，上述调整步长Δ的取值为1°；上述下行链路波束赋形的调整的步长Δ也可以是非固定值，其取值为范围为2θ/N，其中N的最小取值为1，最大取值不受限制，在一具体实施例中，N取值为2～10；
步骤4：移动台周期性地测量接收的下行链路接收信号的质量，并通过上行链路帧结构的反馈字段将其反馈给基站；对于TD-SCDMA移动通信系统来说，可以利用每个上行链路时隙结构中保留的SS字段将移动台测量的下行链路信号的质量反馈给基站；其中，反馈周期与步骤3的波束赋形的加权向量的调整周期一致，且由无线传播环境确定；对于WCDMA/FDD、WCDMA/TDD或者TD-SCDMA移动通信系统，其最小为取值1个时隙，最大取值不受限制，在一具体实施例中，上述反馈周期的取值范围为1个时隙～15个时隙；
步骤5：基站根据移动台反馈回来的下行链路接收信号的质量，用最佳的下行链路波束赋形的加权向量对移动台进行下行链路波束赋形。
以上详细说明了本发明的工作原理，但这只是为了便于理解而举的一个形象化的实例，不应被视为是对本发明范围的限制。虽然本发明主要针对的是TD-SCDMA移动通信系统，但是也同样适用于采用类似传输结构的FDD-TDMA/CDMA移动通信系统，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可做些许更动与改进，但其均应属于本发明的权利要求的保护范围。
Claims (7)
1、一种移动通信智能天线系统中的下行链路波束赋形方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：采用智能天线的基站根据接收到的移动台发射的上行链路信号估计上行链路信号的到达角；
步骤2：上述基站以上述估计的上行链路信号的到达角作为下行链路波束赋形的初始方向，即为下行链路波束赋形到达角的初始值DOAini，计算初始波束赋形的加权向量；
步骤3：上述基站以上述初始波束赋形的加权向量作为下行链路波束赋形的基准，在以该基准为中心的调整范围内，在每一个调整周期对下行链路波束赋形的加权向量调整一次；
步骤4：上述移动台测量接收的下行链路接收信号的质量，并通过上行链路帧结构的反馈字段在每一个反馈周期向上述基站反馈一次该下行链路接收信号的质量，且上述基站记录该下行链路接收信号的质量及其对应的波束赋性的加权向量；
步骤5：当上述下行链路波束赋形的到达角不在上述调整范围内时，上述基站根据上述移动台反馈回来的下行链路接收信号的质量，用最佳的下行链路波束赋形的加权向量对上述移动台进行下行链路波束赋形。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于上述步骤3中的调整范围为[DOAini-θ，DOAini+θ]，其中参数θ由无线传播环境确定，其取值范围为0≤θ≤α，且α与上述基站的天线类型有关；上述步骤4中的反馈周期包含在上述步骤3中的调整周期内，且其均由无线传播环境确定。
3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于在上述每一个调整周期内，上述步骤3及步骤4依次执行且具体包括：
1)在第一个调整周期内，计算上述调整范围中DOAini-θ所对应的下行链路波束赋形的加权向量对上述移动台进行下行链路波束赋形；
2)上述移动台测量接收的下行链路接收信号的质量，并通过上行链路帧结构的反馈字段将其反馈给上述基站，且上述基站记录该下行链路接收信号的质量及其对应的波束赋性的加权向量；
3)在第二个调整周期内，在上述DOAini-θ的基础上增加一个调整步长Δ，即以DOAini-θ+Δ作为一个波束赋形方向，重新计算DOAini-θ+Δ所对应的下行链路波束赋形的加权向量对上述移动台进行下行链路波束赋形；
4)上述移动台测量接收的下行链路接收信号的质量，并通过上行链路帧结构的反馈字段将其反馈给上述基站，且上述基站记录该下行链路接收信号的质量及其对应的波束赋性的加权向量；
5)在第三个调整周期内，在上述DOAini-θ+Δ的基础上再增加一个调整步长Δ，即以DOAini-θ+2Δ作为一个波束赋形方向，重新计算DOAini-θ+2Δ所对应的下行链路波束赋形的加权向量对上述移动台进行下行链路波束赋形；
6)上述移动台测量接收的下行链路接收信号的质量，并通过上行链路帧结构的反馈字段将其反馈给上述基站，且上述基站记录该下行链路接收信号的质量及其对应的波束赋性的加权向量；
7)在每一个调整周期内，不断增加调整步长Δ并重复执行上述步骤，直至上述波束赋形的方向DOAini-θ+n*Δ超过DOAini+θ。
4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于对于时分同步码分多址移动通信系统，利用每个上行链路时隙结构中保留的同步偏移字段将上述移动台测量的下行链路信号的质量反馈给上述基站。
5、根据权利要求3所述的方法，其特征在于上述调整步长Δ为固定值或非固定值，其中当该调整步长Δ为固定值时，其取值范围为0.1°≤Δ≤α；当该调整步长Δ为非固定值时，其取值范围为2θ/N，其中上述N的最小值为1，最大值不受限制。
6、根据权利要求3所述的方法，其特征在于该方法是对一个用户的操作步骤，对所有的用户重复执行上述操作步骤以对所有用户进行下行链路波束赋形。
7、根据权利要求3所述的方法，其特征在于结合接收机的有关测量过程，上述参数θ、调整步长Δ、调整周期和反馈周期能自适应地根据工作环境动态调整。
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