CN1879317A - 用于多波束天线系统的方法和设备 - Google Patents

Abstract

无线电节点中的天线阵列包括多个天线单元，用于发射覆盖扇形小区的大部分、包括公共信号的更宽波束和只覆盖该扇形小区的一部分、包括移动用户特定的信号的更窄波束。发射电路耦合到天线阵列，并且处理电路耦合到发射电路。处理电路确保混合波束实施例中的用户特定的信号和公共信号在天线阵列同相且时间对齐。在受控波束实施例中，处理电路确保在扇形小区中的移动台接收时用户特定的信号和公共信号时间对齐且具有受控的相位差。在两个实施例中，还补偿公共信号和用户特定的信号中与其从基带频率变换到射频相关联的失真。而且在受控波束实施例中，波束成形权不仅用于将更窄的波束辐射到期望的移动用户，而且用于引导更宽的公共信号波束以到达小区中的所有移动用户。

Description

用于多波束天线系统的方法和设备

                        背景

本发明一般涉及无线通信节点，并且更具体地说，涉及利用多波束天线系统的无线通信节点。

自适应天线阵列已在例如GSM系统的各种蜂窝通信系统中成功使用。自适应天线阵列将常规的扇形天线替换为两个或更多空间接近的天线单元。天线阵列将窄波束的辐射能量引导到特定的移动用户以将对其它用户的干扰降到最低。与普通扇形覆盖天线相比，在增加的系统容量和/或增大的范围方面测量，自适应天线阵列已在GSM和TDMA系统中示为极大地提高性能。

自适应天线系统可分成两类：固定波束系统，在该系统中辐射能量会被引导到多个固定方向；以及受控波束(steered-beam)系统，在该系统中辐射能量会被引导向任何期望的位置。图2中概括示出这两种类型的窄波束系统，并且还示出覆盖扇形小区的扇形波束。自适应天线系统的优点包括：通过使用用户的空间(角度)分离的频谱资源的高效利用、成本效率、增大的范围或容量及容易集成，即，不需要移动终端更改，而在诸如在终端和基站均采用多个天线的多输入多输出(MIMO)方案的其它方案中会需要更改。

固定波束可以以基带频率或射频(RF)生成。基带生成需要校准部件，该部件估计和补偿在从基带经中间频率(IF)和RF直至阵列中每个天线单元的信号路径中存在的任何信号失真。RF方法例如使用巴特勒(Butler)矩阵在射频生成固定波束。

在一些假设下，例如，其中天线单元相隔半波长的均匀线性阵列，在输入波阵面的某一到达方向(DOA)与在天线单元输出的信号的相移之间存在一一对应。通过在发射(或接收)前适当地将信号相移，自适应天线系统可以将辐射能量指引向期望的移动用户(或指引来自期望的移动用户的辐射能量)，同时将对其它移动用户的干扰降到最低。受控波束需要校准以估计和补偿在从基带到无线单元及相反方向的信号路径中存在的任何信号失真。

随时间变化的多径衰落严重降低在许多无线通信环境中的接收信号的质量。减轻强衰落效应并提供可靠通信的一种方式是在发射的信号中引入冗余(分集)。增加的冗余可以是在时间或空间域。时间分集使用信道编码和交织来实施。空间分集通过在空间分隔的天线上发射信号或使用不同极化的天线来实现。此类策略确保每个天线上的独立衰落。视反馈信息是否从接收器发射回发射器而定，空间发射分集可以再分为闭环或开环发射分集模式。

在自适应天线系统中，用户特定的数据信号使用更窄的波束(固定或可控制)发射。但系统特定的信号或公共信号一般经例如扇形天线的具有更宽覆盖波束的另一天线发射。典型的公共信号是基站(主)导频信号。导频信号包括已知的数据序列，每个移动无线电使用该序列来估计无线电传播信道。在移动台移动时，无线电传播信道也更改。由于为检测用户特定的数据，好的信道估计是必需的，因此，导频信号用作“相位基准”。波束特定的辅助导频信号可存在于每个波束上，并且也可用作相位基准。使用同一波束发射信号的移动用户随后使用同一辅助导频信号。备选地，移动台专用的导频信号可使用与用户特定的信号相同的波束发射，并可用作相位基准。网络指示移动用户应使用的哪个相位基准。

当前多波束体系结构存在若干缺陷。第一个缺陷是成本。在射频形成窄波束的固定波束天线阵列可能需要实施附加的扇形覆盖天线。硬件复杂性和成本与以下项相关：等于波束数量加1的馈线电缆数量(用于扇形覆盖天线)、天线大小确定的物理重量及天线杆的高度和大小。不同的扇形和窄波束天线大大增加基站的成本。

第二个缺陷与相位基准失配和服务质量(QoS)降低相关。扇形覆盖天线发射的主导频信号的无线电信道和通过窄波束发射的用户特定的数据的无线电信道不必相同。如果移动台被指示将主导频信号用作相位基准，则移动台将预计用户特定的数据与主导频信号使用同一无线电信道。但那些信道是不同的。因此，相位基准错误，检测和解码错误增加，并且服务质量(QoS)降低。

第三个缺陷是差的资源利用率。要补偿相位基准失配，移动台可被指示将波束特定的辅助导频信号或用户特定的专用导频信号用作相位基准。在前一情况下，同一波束内的所有用户使用同一导频信号，而在后一情况下，每个用户利用独特的导频信号。QoS被提高，但需要附加的分配资源(例如，功率、代码等)。因此，其它移动用户可用的功率更少，对系统容量和数据吞吐量造成不利影响。

还有的缺陷涉及不灵活性和信令延迟。假设移动台可从每个波束备选的辅助导频接收更佳的信号。网络因此必须定期研究哪个辅助导频最适当，即，以最大功率接收。网络必须发送信号通知天线系统和移动无线电往回报告若干测量报告。如果网络确定应使用新的波束发射用户特定的数据，则天线系统被指示更改波束，并且移动无线电会收到信号通知以开始将备选的辅助导频信道用作相位基准。此类过程导致延迟，并需要相当多的信令开销。

接收器分集在今天的无线基础设施中广泛使用，并且它在上行链路覆盖范围和容量方面提供很多优点。此外，发射分集可用于改善下行链路性能，并且它可成为第三代无线系统中的一个重要特性。但是，即使预期的移动用户位于某个方向，发射分集信号也会在整个小区内发射，导致对其它用户的干扰增加。不过，发射分集与更窄的定向波束组合可提供相当多的优点。

当前多波束体系结构的上述识别的缺陷通过一种天线系统得以克服，该天线系统包括一种天线阵列，用于在覆盖扇形小区的更宽波束中发射公共信号和在只覆盖扇形小区的一部分的更窄波束中发射移动用户特定的信号。发射电路耦合到天线阵列和滤波电路。在第一、“混合波束”实施例中，滤波电路对用户特定的信号和公共信号滤波，以补偿与其从基带频率变换到射频相关联的失真。滤波电路和波束加权电路确保用户特定的信号和公共信号在天线阵列(优选是在中心天线单元)大致时间对齐(time-aligned)并且同相。用户特定的信号权(weight)设计为在移动台方向上辐射更窄波束(与宽的扇形覆盖波束相比)，使得每个移动台可将相同的公共信号用作相位基准以进行信道估计和解调。

在第二、“受控波束”实施例中，滤波电路对用户特定的信号和公共信号滤波，以补偿与其从基带频率变换到射频相关联的失真。滤波电路和波束加权电路确保在小区中的每个移动用户接收时用户特定的信号和公共信号时间对齐且具有受控的相位差。每个移动用户可将公共信号用作相位基准以进行信道估计和解调。优选是控制该相位差以在期望的发射功率、辐射干扰及到用户的服务质量之间获得良好的折衷。波束成形权不仅用于将更窄的波束辐射到期望的移动用户(如在混合波束实施例中)，而且用于引导更宽的公共信号波束以到达小区中的所有移动用户。

在一个示例的受控波束实施中，承载公共信号的宽波束只从天线阵列中的中心天线单元发射。使用中心天线单元生成宽公共波束，这允许在移动用户接收的公共信号与用户特定的信号之间的受控相位差的相关性小于或等于确保期望的服务质量的目标值。备选地，承载公共信号的宽波束可使用天线阵列中的多个天线单元生成。由于天线单元在天线阵列安装期间通常以预定的“观看方向”固定，因此，所有天线单元可结合基带信号处理用于形成具有期望特征的宽波束，这些特征可根据小区规划而随时间更改。施加到用户特定的信号的波束成形权导致将更窄的波束从天线阵列指引向移动用户。为用户特定的信号波束和公共信号波束提供此类波束指引，这允许小区中两种信号类型的更智能引导。

在混合波束实施例更详细的非限制性示例中，天线阵列包括N个天线单元，其中，N是大于1的奇正整数。波束成形网络耦合在天线阵列与发射电路之间。波束成形网络在每个波束中接收用户特定的信号和公共信号，并生成提供到天线阵列的N个信号。在波束成形网络接收N个信号前，每个信号通过波束特定的发射滤波电路。波束发射滤波器在除中心天线单元输出外的波束成形网络的所有输出中取消公共信号。但以相等或大约相等的功率和相位同时在N个波束上发射公共信号。

波束加权电路使用与每个波束对应的波束权对用户特定的信号加权，并将加权的用户特定的信号提供到对应的波束发射滤波器。每个用户特定的波束权可以是对应波束中接收的上行链路平均功率的函数。一个示例函数是平方根。选择用户特定的波束权，以将来自天线阵列的辐射能量以相对窄的波束引导到期望的移动用户。

接收电路耦合到波束成形网络和信号处理器。信号处理器组合在N个波束上接收的信号，以估计接收信号并为每个波束确定平均上行链路功率。那些平均上行链路功率用于确定用户特定的波束权。混合波束实施例可在发射分集支路和/或接收分集支路中实施。

在受控波束实施例更详细的示例中，天线阵列包括N个天线单元，其中，N是正整数-奇数或偶数。滤波电路包括N个天线发射滤波器，并且每个天线发射滤波器与对应的天线单元相关联。公共信号和用户特定的信号可同时从所有N个天线单元发射。用户特定的信号使用N个用户特定的波束权发射，每个用户特定的波束权对应于N个天线单元之一。波束权是用于对用户特定的信号进行相位旋转和放大的复数。公共信号使用N个公共信号波束权发射，每个公共信号波束权对应于N个天线单元之一。这些波束权也可以是用于对公共信号进行相位旋转和放大的复数。备选地，公共信号可只从一个天线发射，如中央天线单元。在此情况下，用于其它天线单元的波束权可设为零。

在受控波束实施例中，用户特定的信号波束成形权和公共信号波束成形权被确定，(1)以产生高天线增益，从而减少生成的干扰，以及(2)以使用户特定的信号与公共信号之间的相位差保持在可接受级别。公共信号是用于小区中所有移动台的相位基准信号，并且公共信号与用户特定的信号之间的受控相位差可视为随机的，其分布受信道的统计及使用的发射器权影响。

在受控波束实施例天线系统的接收端，波束成形网络(在受控波束实施例的发射端不需要)可耦合到N个天线单元用于生成N个接收波束。接收电路耦合到波束成形网络和信号处理器。信号处理器处理在N个接收波束上接收的信号以估计接收信号。信号处理器确定每个用户的上行链路信道统计，并预测对应的下行链路信道统计。受控波束实施例也可在发射和/或接收分集支路中使用。

本发明提供多个优点。第一，可发射公共信号和用户特定的信号而无需单独的扇形天线。第二，不需要辅助或专用的导频信号作为相位基准。第三，发射公共信号和用户特定的信号，不会由于从基带输出到天线单元的遍历/处理而失真。第四，公共信号和用户特定的信号在移动终端接收时大约同相(在混合波束情况下)或受一些受控的随机变化的影响(在受控波束情况下)并且时间对齐，即，受大约相同的信道延迟分布的影响。第五，由于天线阵列在引导到期望的移动用户的更窄波束中辐射用户特定的信道，因此，对空间分隔的移动用户的干扰被抑制。第六，组合波束成形和发射分集或发射/接收分集提供相当多的优点。第七个优点是透明性。移动用户无需知道天线阵列的体系结构或实施。第八，向后兼容性允许迅速的系统集成。无需更改无线电网络中的无线电网络控制器。最后，在可利用下行链路波束成形的任何无线系统中可使用本发明。

                     附图简述

图1示出扇形小区中发射的自适应天线系统；

图2示出蜂窝网络，具有发射扇形波束的基站、发射多波束的基站和发射可控波束的基站；

图3示出蜂窝通信系统；

图4示出根据混合波束示例实施例的天线系统；

图5A-5D示出用于合成扇形覆盖波束和窄波束的波束方向图及合成扇形波束与窄波束之间随到达方向变化的相对相位偏移；

图6A-6B示出在接收的公共信号与接收的用户特定的信号之间随移动台方向而变化的相对相位偏移；

图7示出根据受控波束示例实施例的天线系统；

图8示出根据受控波束示例实施例特殊情况的天线系统；

图9A-9B示出混合与受控波束示例实施例的性能；

图10示出示例的混合波束分集实施例；以及

图11示出示例的受控波束分集实施例。

                     详细说明

以下说明是用于解释而不是限制，阐述特定的细节以提供本发明的理解。但本领域的技术人员将理解，本发明可在脱离这些特定细节的其它实施例中实践。在其它情况下，省略熟知方法、装置和技术等的详细说明以免不必要的细节混淆本说明。在一个或更多的图中示出单独的功能块。本领域的技术人员将理解，可使用离散组件或多功能硬件来实施功能。处理功能可使用编程的微处理器或通用计算机、使用一个或更多专用集成电路(ASIC)和/或使用一个或更多数字信号处理器(DSP)来实施。

本发明涉及多波束天线系统。多波束天线系统的非限制性示例是自适应阵列天线，如图1所示的阵列，图1示出从自适应天线发射的示例窄天线波束，在期望的移动台所处扇形小区中包围相对窄的区域。由于旁瓣相对低，因此，窄波束对其它移动台和相邻小区的干扰较小。另外，预期的移动无线电更可能使用图1所示的定向窄波束来接收更高信噪比的期望的传输。

图2示出的蜂窝网络具有在一个扇形小区发射扇形波束的基站、在另一扇形小区发射固定的多波束天线方向图的基站和在第三扇形小区发射可控波束的基站。图1与图2示出自适应天线如何在下行链路方向散布更少的干扰并抑制上行链路方向的空间干扰。这提高在上行链路和下行链路两个方向的信号干扰比，并因此提高整体系统性能。

图3中示出可采用本发明的示例蜂窝系统1。无线电网络控制器(RNC)基站控制器(BSC)4耦合到多个基站8和由云状物2表示的其它网络。每个示出的基站BS1和BS2为多个扇形小区服务。基站BS1为扇形小区S1、S2和S3服务，并且基站BS2为扇形小区S4、S5和S6服务。

现在结合图4描述根据混合波束非限制性示例实施例的天线系统。天线系统10包括具有多个天线单元14的天线阵列12。天线阵列12包括奇整数N个标示为A₁、A₂、......、A_N的天线单元。在图4的示例中，N＝3。单个波束成形网络(BFN)16生成N个窄波束。相同的波束用于上行链路和下行链路两者。波束成形网络是多输入多输出端口装置。每个波束成形网络端口对应于多波束天线系统的窄波束之一。波束成形网络可包括有源或无源组件。使用无源组件时，波束在制造过程期间设计并保持固定。对于有源组件，可自适应控制波束。在射频(RF)范围操作、从均匀间隔的天线单元阵列产生多个窄波束的熟知、适合的无源波束成形网络是巴特勒矩阵。

图4中的波束成形网络在发射和接收两个方向操作。要发射的信号连接到波束成形网络16的输入端口之一，该网络随后引导信号并在所有天线单元上发射信号。视所选的输入端口而定，指定到某一天线单元的每个信号进行某一相位旋转。整体结果是在某个方向生成主瓣或主波束。使用备选波束端口时，波束出现在另一方向。简而言之，天线单元的输出是成形的波束。

输入到波束成形网络的每个波束耦合到对应的双工滤波器(Dx)18。双工滤波器18在发射器与接收器之间提供高度隔离，并允许一个天线用于上行链路接收和下行链路发射。每个波束还具有耦合到对应双工滤波器18的对应发射器(Tx)20。发射器20一般包括功率放大器、频率上变频器和其它熟知的单元。每个双工滤波器18还耦合到对应的接收器(Rx)22。每个接收器22一般包括低噪声放大器、中频下变频器、基带下变频器、模数变换器及其它熟知的单元。来自接收器22的输出被提供到信号处理器32，该处理器将来自移动用户的接收信号解码并生成示为d^UL的输出。信号处理器32还生成如加权框28所示施加到用户特定的信号的N个波束权(w_n)。

示为d^DL的用户特定的信号输入到加权框28，该框包括用于将用户特定的信号与对应的波束权w_n相乘的N个乘法器30。公共信号c^DL被信号分路器29分路为公共信号的N个副本，但在此示例中未加权。每个加权的用户特定的信号和公共信号在对应的加法器26中合计，其中，每个加法器26与波束之一相关联。每个加法器26的输出转发到波束滤波器(F_n)24，每个波束具有其自己的波束滤波器24。每个波束滤波器24的输出随后提供到其对应的发射器20。

从在此示例实施例中为中心单元A₂的一个天线单元生成的波束将为宽波束。在天线阵列中使用两个或更多天线单元时，生成的波束可更窄。与具有最强平均接收功率的单个上行链路波束用于在下行链路中发射用户特定的信号的常规固定波束系统相比，在所有波束上用户特定的信号在下行链路中发射。

混合波束实施例的优点之一是用户特定的信号和公共信号(1)在基站天线阵列中的中心天线单元和(2)在每个移动用户处接收它们时大约同相和时间对齐。主公共导频信号是示例公共信号，一般用于测量和用作相位基准，并因此一般在整个扇形小区上发射它。导频信号包括已知的数据序列，每个移动台使用该序列来估计无线电传播信道。在移动台移动时，无线电传播信道也更改。不管信道的更改，移动台需要准确的无线电信道估计(从接收的公共信号确定)以检测更窄波束中发射的用户特定的数据并将其解码。

诸如主公共导频、寻呼等公共信号同时在所有波束上以相等的功率发射。公共信号由分路器29分路，并经对应的加法器26到相关联的波束特定的发射滤波器24来施加到每条波束路径。在混合波束实施例的一个示例中设计每个滤波器24，使得公共信号只由天线阵列12的中心天线单元14发射。在一个示例实施中，除在此情况下为天线A₂的中心天线的输出外，滤波器24可取消波束成形网络16的所有输出中的公共信号。每个波束特定的发射滤波器24补偿从基带频率开始一直到波束成形网络16输出的无线电链中的失真。发射滤波器24设计为确保用户特定的信号和公共信号在中心天线单元A₂同相并时间对齐。

不同于此实施例中在所有下行链路波束上以相等功率发射的公共信号，使用施加到每个下行链路波束的用户特定的波束权w_n对用户特定的信号加权。施加到下行链路波束n的每个用户特定的发射w_n被选择为是上行链路平均接收功率p_n的函数。此类函数的示例对于n＝1、2、......、N且α、β和 p为正实数时可表示如下：

等式1：w_n＝α(p_n+ p)^β

此处，p₁、p₂和p₃分别表示波束1、2和3上的平均上行链路功率。平均上行链路功率取决于无线电信道统计和天线阵列设计。可假定平均下行链路功率大约与平均上行链路功率相同。作为一个示例，波束权被选择为与接收能量的平方根成比例， p＝0并且β＝1/2。

经波束成形网络16、双工器18和接收器22接收的在上行链路方向来自所有波束的信号在信号处理器32中组合以产生解码的上行链路信号d^UL的估计。另外，每个波束的平均上行链路功率p_n由信号处理器32测量和使用，以根据上述等式计算波束特定的权w_n。平均上行链路波束功率提供有关平均到达角度和在期望的输入信号的无线电环境中散射的信息。平均到达方向大约等于期望的信号的平均离开方向。

此混合波束实施例的示例确保公共信号在天线阵列12的中心宽覆盖天线单元上发射，并且用户特定的信号从天线阵列12中的所有天线单元14发射。波束特定的权w_n将辐射能量经更窄的定向波束引导向期望的用户，这限制由该波束对其它移动用户造成的干扰。无需单独的扇形天线。也无需在每个波束上发射单独的辅助导频信号。并且在专用信道上无需导频。

为示出图4混合波束实施例的优点，图5A-5D中的图形比较扇形覆盖波束与随到达方向变化的固定窄波束之一之间的相对天线增益和相位偏移。如下文概述的一样，图5A和5B采用非优化的随机波束权来发射公共信号：Martinex-Munoz，“AABS智能天线技术的Nortel网络CDMA优点”(“Nortel Networks CDMA Advantages ofAABS Smart Antenna Technology”，The CDG Technology Forum，2002年10月1日)，其内容通过引用结合于本文中。图5C和5D采用根据本发明调谐的波束特定的发射滤波器24，使得公共信号只从中心天线发射。相对相位偏移在天线阵列附近测量，而不在移动用户位置测量。

对于扇形小区，在最佳波束中发射的用户特定的信号与公共信号之间的相对相位偏移在整个到达角度范围内为零。对于非优化波束权，相对相位偏移和幅度随到达角度而大不相同。因此，在无角展度(angular spread)的简单情况下，混合波束实施例提供平滑和稳定的扇形覆盖波束及在公共信号与用户特定的信号之间的相位对齐。使用混合波束实施例时，公共信道可用于信道估计，不会由于相位偏移而产生质量降低。另一方面，实施例解决方案随机波束权将由于更大的相位偏移变化而经受质量降低。

图6A和6B示出从移动终端来看对于5度和10度的角展度在用户特定的信号与公共信号之间的相对相位偏移的平均和标准偏差。信号使用图4的混合波束示例实施例发射。波束权根据上述等式1选择， p＝0并且β＝1/2。不论角展度如何，相位偏移的平均值为零，并且标准偏差较小，从而在公共信道用作信道估计的相位基准时对于扇形小区中的所有移动终端只导致适中的性能降低。

现在结合图7中所示的天线系统40，描述下面称为受控波束实施例的第二、非限制性示例实施例。类似的标号在所有图形中指类似的要素。通过选择波束成形权w₁-w₃(用户特定的)和v₁-v₃(公共)为任意复数，对用户特定的信号和公共信号两者均加权，可在任意方向控制用户特定的信号和公共信号的结果波束方向图，与混合波束实施例相比，这更具灵活性。天线阵列12可包括偶数或奇数N个天线单元14。因此，示出的三个天线单元A1-A3只是示例。

在发射方向，受控波束实施例40中的波束成形网络16不是必需的。因此，波束成形网络16置于双工器18与接收器22之间，并用于形成由接收器22和信号处理器42处理的接收波束B₁、B₂和B₃。发射器20输出的信号经对应的双工器18提供到其对应的天线单元14而无需波束成形网络16处理。在受控波束实施例中对于接收移动用户信号，波束成形网络16是任选的。

与混合波束实施例相比，每个天线A_n直接与对应的天线特定的发射滤波器(F_n)24相关联。指定要在第n个天线单元上发射的信号先通过第n个滤波器(F_n)24。天线特定的发射滤波器24被设计使得公共信号和用户特定的基带信号在每个天线上到达，无其它情况下可能从基带到RF变换产生的增益、相位和定时的失真。滤波电路与用于用户特定的信号的波束成形权一起还确保在小区中的每个移动用户接收时用户特定的信号和公共信号时间对齐并具有受控的相位差。这使得每个移动用户可将公共信号用作相位基准以进行信道估计和解调。记住在混合波束实施例中移动台接收的信号大约同相。在受控波束实施例中，控制在每个移动台接收的用户特定的信号与公共信号之间的相位误差或相位差以在需要的发射功率、辐射干扰及到用户的服务质量之间获得良好的折衷。

受控波束实施例中的相位差效应取决于在信道估计与要解调的用户特定的信号两者中的噪声和干扰。从系统角度而言，如果噪声和干扰的效应对在移动终端如何解调和解码用户特定的信号有决定影响，则将相位差降到最小可能无意义。因此，滤波器和波束成形权优化可将噪声和干扰的效应及预期的操作条件考虑在内。一个示例波束权优化方案选择用户特定的波束权使得在结果信道之间的相关是实的(real)，因此其受在权向量上的范数约束影响的幅度达到最大。更成熟的方案是在确保相关系数等于(或大于)某个目标值的同时将波束权向量的范数降到最低。噪声和干扰级别可以被估计、被设为规划参数或被视为在操作系统的同时可调整的变量。

公共信号可在所有天线单元上发射。在图8所示特殊情况下，它们可备选地只在中央无线单元上发射。例如，这可通过将公共信号波束权v₁和v₃设为零而实现。在此特殊情况下，经公共信号c^DL的对应加法器26到中心天线单元A₂，将公共信号c^DL只提供到天线单元路径之一。在图7和图8的受控波束实施中，用户特定的信号在所有天线单元上发射，并使用对应的用户特定的波束权w_n对其加权。

波束成形权w_n和v_n例如可以是用于将其相应的用户特定的信号或公共信号进行相位旋转和放大的复数。每个移动用户具有其自己的波束权w_n集。从在上行链路中接收的信号中，信号处理器估计小区中移动用户的方向和信道统计，并且从此信息中决定在下行链路中要使用的宽波束形状，以确保小区中的所有移动用户接收具有满意的信号强度的公共信号。该更宽的波束形状取决于波束权v_n。本领域的技术人员熟知用于设计波束形状的各种方法。例如参阅“用于无线通信的智能天线：IS-95和第三代CDMA应用”(Smart Antennasfor Wireless Communications：IS-95 and Third Generation CDMAApplications，J.C.Liberti和T.S.Rappaport，Rentice Hall PTR，1999)。最终，波束成形波束权w_n和v_n允许用户特定的信号被明确引导到移动用户，并且公共信号被发射到小区中的所有用户。

优选是对这些波束权优化使得天线阵列增益达到最大，干扰散布降到最低，并且公共信号可由小区中的所有移动用户用作相位基准。可选择波束权w_n，n＝1、2、......、N和v_n，n＝1、2、......、N，使得用户特定的信号和公共信号经历的信道之间的相关是实的，并且使得受在权上的范数约束影响的相关幅度达到最大。该示例方案在下面的等式(9)中阐述。

另一波束成形权优化技术是将天线阵列的增益最大化，这可视为使用有关在移动台的在移动台接收的公共信号与用户特定的信号之间的相位差上的约束，将生成的干扰降到最低。下面的等式(13)描述此优化问题。根据由移动台反馈或基站测量确定的在下面等式(7)中给出的信道协方差矩阵、用于公共信号的波束权和来自移动台的可能其它反馈，如块错误率(BLER)、噪声级别和干扰级别，信号处理器42基于下行链路信道的统计模型预测在移动台的相位误差。

图9A和9B中的图形示出在5度的角展度下混合波束和受控波束示例实施例的性能。在图9A中，假定具有三个天线单元的天线阵列，示出相对于扇形天线的混合和受控波束实施例两者的天线增益。用于受控波束实施例的天线增益在整个扇形小区几乎是恒定的，并且与混合波束实施例的增益一样高或高得多。图9B示出在移动台的接收公共信号与用户特定的信号之间的相对相位偏移。相位差的标准偏差一般比用于混合波束实施例更平滑和更低。与混合波束实施例相比，受控波束实施例因此提供与其一样好且在多数情况下更好的性能。

现在将描述用于为受控波束实施例优化波束成形权的两个详细的示例方案。当然，可采用其它的权优化方案。

假设2N+1表示在均匀线性天线阵列中的天线单元数。为简单起见，考虑奇数个天线单元以易于标记，但方案和优化并不限于此情况。两个相邻的单元相隔表示为λ/2的半个波长。公共信号r_c和用户特定的信号r_d经历的信道被建模为：

等式2：r_c＝v^Hh

等式3：r_d＝w^Hh

其中，v和w是分别包含用于公共信号和用户特定的信号的发射天线权的列向量。从多个发射天线到移动台的信号表示为h。具体而言，h被建模为

等式4： $h=\underset{p=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{p}a\left({\mathrm{\θ}}_p\right)$

其中，P、θ_p和α_p分别表示传播路径的数量、第p条路径的到达(或离开)角度及第p条路径的复路径增益。来自以θ_p入射的波的天线阵列响应由以下等式给出

等式5： $a\left({\mathrm{\θ}}_p\right)=\left[\begin{array}{c}{e}^{-\mathrm{j\π}N\sin {\mathrm{\θ}}_p}\\ \·\\ \·\\ \·\\ e^{-\mathrm{j\π}\sin {\mathrm{\θ}}_p}\\ 1\\ e^{\mathrm{j\π}(N-1)\sin {\mathrm{\θ}}_p}\\ \·\\ \·\\ \·\\ e^{\mathrm{j\π}N\sin {\mathrm{\θ}}_p}\end{array}\right]$

假设：到达角度θ_p是独立且一致分布(i.i.d.)的随机变量，具有平均值θ₀和方差σ_θ ²。假设f(θ_p|θ₀，σ_θ ²)表示θ_p的概率密度函数(pdf)。θ的pdf通常假设为高斯型、单值型或拉普拉斯型。复路径增益α_p为i.i.d.复高斯随机变量，具有零平均值和方差σ_α ²。此外，假设路径增益和到达角度是静态独立的，并且其联合分布表示如下：

等式6： $f({\mathrm{\θ}}_1,\·\·\·,{\mathrm{\θ}}_P,{\mathrm{\α}}_1,\·\·\·,{\mathrm{\α}}_P)=\underset{p=1}{\overset{P}{\mathrm{\Π}}}f\left({\mathrm{\θ}}_p\right|{\mathrm{\θ}}_0{,\mathrm{\σ}}_p^2)\mathrm{CN}({\mathrm{\α}}_p;O,{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\α}}^2)$

其中，CN(x:μ，σ²)表示x作为复高斯随机变量分布，具有平均值μ和方差σ²。在未失去一般性的情况下，我们假定σ_α ²＝1/P。

专用信道与公共信道之间的相关表示如下：

等式7： $\mathrm{\ρ}=E\left\{r_c{r}_d^H\right\}=v^H\mathrm{Rw}$

其中，R表示信道协方差矩阵，该矩阵表示如下：

等式8：R＝E{hh^H}＝E{a(θ)a^H(θ)}

相关取决于θ₀的角度和角展度。仅作为示例，假设公共信号在中心天线上发射。也就是v＝[0_1xN，1，0_1xN]^H。

可选择发射天线权w使得相关ρ是实的并且对于在权上的范数约束达到最大。这会导致以下等式：

等式9：w＝kRv

其中，k是被选择来实现所选范数约束的正实值。

两个相关的零平均值高斯随机变量X和Y之间的相对相位θ的pdf、f(θ)已在下文中分析得出：J.G.Proakis，Digital Communications，3^rd Ed.，McGraw-Hill，1995。假设μ表示X与Y之间的相关系数，即：

等式10： $\mathrm{\μ}=\frac{E\left\{X{Y}^H\right\}}{\sqrt{E\left\{\right|X{|}^2\left\}E\right\{\left|{Y|}^2\right\}\}}}=\left|\mathrm{\μ}\right|e^{-j{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\μ}}}$

随后，如刚引用的Proakis文章中所示：

等式11： $f\left(\mathrm{\θ}\right|\mathrm{\μ})=\frac{1-{\left|\mathrm{\μ}\right|}^2}{2\mathrm{\π}}\{\frac{1}{1-{\left|\mathrm{\μ}\right|}^2{\cos }^2(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\μ}})}+\frac{\left|\mathrm{\μ}\right|\cos (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\μ}})}{{(1-{\left|\mathrm{\μ}\right|}^2{\cos }^2(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\μ}}))}^{3/2}}{\cos }^{-1}(-|\mathrm{\μ}\left|\cos (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\μ}})\right)\}$

分别用r_c和r_d替换X和Y，并说明信道估计中的噪声及解调过程中的噪声，专用信道与公共信道之间的相关系数表示如下：

等式12： $\mathrm{\μ}\left(w\right)=\frac{E\left\{r_c{r}_d^H\right\}}{\sqrt{E\left\{{\left|r_c\right|}^2\right\}+{\mathrm{\σ}}_c^2\sqrt{E\left\{{\left|r_d\right|}^2\right\}+{\mathrm{\σ}}_d^2}}}=\frac{v^{H}R\left({\mathrm{\θ}}_0\right)w}{\sqrt{(v^{H}R\left({\mathrm{\θ}}_0\right)v+{\mathrm{\σ}}_c^2)(w^{H}R\left({\mathrm{\θ}}_0\right)w+{\mathrm{\σ}}_d^2)}}$

其中，σ_c ²和σ_d ²表示信道估计中的噪声和要解调的接收用户特定的信号中的噪声。可估计噪声级别或将其作为参数并更新。显然，相位偏移的标准偏差由相关系数确定。此外，对于PSK信令，系数还确定比特差错概率。可能的优化过程随后将受约束影响的w的范数降到最小，使得互相关系数是实的并且使得幅度等于或大于确定标准偏差和比特差错概率的目标值μ_target：

等式13： $\begin{array}{c}\min w^{H}w\\ s.t.\mathrm{\μ}{\left(w\right)}^2\≥{\mathrm{\μ}}_{t\arg \mathrm{et}}^2,\mathrm{Im\μ}=0\end{array}$

使用拉格朗日乘子，这是直接的。还可能包括其它约束，例如，将某些方向散布的干扰降到最低。

如图10所示，第三个示例的非限制性实施例组合混合波束实施例和发射与接收分集。但混合波束实施例可只与发射分集或只与接收分集组合。分集可使用不同极化、空间分离的天线或其它熟知的技术实施。将发射分集与波束成形组合，这减少在其它情况下在整个小区发射分集信号时会产生的干扰。因此，可能从分集增益和天线增益中均获益。

类似的标号表示上面已述的类似要素，存在以下例外。图10的左侧包括发射分集支路1(TxDB1)和接收分集支路1(RxDB1)。图10的右侧示出第二发射和接收分集支路TxDB2和RxDB2。公共信号分配框36将公共信号分配到两条发射分集支路。类似地，用户特定的信号分配框37将特定的信号分配到两条发射分集支路。复用器34和35将所有接收信号复用到两个接收信号流中，信号流由信号处理器32处理以生成解码的移动用户信号d^UL及波束特定的波束权w_n。

图11示出第四个非限制性示例实施例，它是包括发射分集和接收分集两者的受控波束实施例。但受控波束实施例可只与发射分集或只与接收分集组合。分集可使用不同极化、空间分离的天线或其它熟知的技术实施。图11中标记各种分集支路。

虽然结合目前视为最可行和优选的实施例描述了本发明，但要理解，本发明并不限于公开的实施例，而是相反，旨在涵盖包括在所附权利要求书的精神和范围内的各种修改和等同布置。

Claims (50)

1.包括天线阵列(12)和耦合到所述天线阵列的发射电路(20)的设备，所述天线阵列包括多个天线单元(14)，用于发射覆盖扇形小区的大部分、包括公共信号的宽波束和只覆盖所述扇形小区的一部分、包括移动用户特定的信号的至少一个窄波束，所述设备的特征还在于：

耦合到所述发射电路(20)的电路(24、26、28、29)，用于确保所述用户特定的信号和所述公共信号在所述天线阵列大致同相且大致时间对齐。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述电路(24、26、28、29)包括被配置使得所述公共信号只从所述天线阵列中的中心天线单元发射的滤波电路(24)。

3.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述电路(24、26、28、29)配置为确保所述用户特定的信号与所述公共信号在所述天线阵列(12)中的中心天线单元同相且时间对齐。

4.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述电路包括配置为补偿所述公共信号和所述用户特定的信号中与所述公共信号和所述用户特定的信号从基带频率变换到射频相关联的失真的滤波电路(24)。

5.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述天线阵列(12)包括奇数N个天线单元(14)，其中，N是大于1的正整数，所述设备还包括：

波束成形网络(16)，耦合在所述天线阵列(12)与发射电路(20)之间，用于接收所述用户特定的信号和所述公共信号并生成要提供到所述天线阵列(12)的N个窄波束。

6.如权利要求5所述的设备，其特征在于所述波束成形网络(16)配置为同时在所述N个波束上以相等或大约相等的功率发射所述公共信号。

7.如权利要求6所述的设备，其特征在于所述波束成形网络(16)配置为同时在所述N个波束上以使用N个用户特定的波束权(W)确定的功率发射所述用户特定的信号，每个用户特定的波束权对应于所述N个波束之一，使得比辐射所述公共信号的波束更窄的波束在所述用户的方向上辐射。

8.如权利要求7所述的设备，其特征在于每个用户特定的波束权与所述对应波束上接收的上行链路平均信号功率的函数成比例。

9.如权利要求1所述的设备，其特征在于还包括：

波束加权电路(28)，用于使用与每个波束对应的用户特定的信号波束滤波器权对所述用户特定的信号加权并将每个加权的用户特定的信号提供到对应的波束滤波器。

10.如权利要求9所述的设备，其特征在于所述用户特定的信号波束滤波器权被配置使得来自所述天线单元的辐射能量被引导到期望的移动用户。

11.如权利要求5所述的设备，其特征在于还包括：

耦合到所述波束成形网络的接收电路(22)；

耦合到所述接收电路(22)的信号处理器(32)，用于处理在所述N个波束上接收的信号以估计接收信号并用于为每个波束确定平均上行链路接收信号功率。

12.如权利要求6所述的设备，其特征在于还包括：

第一和第二天线阵列(12)，各包括奇数N个天线单元，其中，N是大于1的正整数，用于发射覆盖扇形小区的大部分、包括所述公共信号的更宽波束和只覆盖所述扇形小区的一部分、包括移动用户特定的信号的至少一个更窄波束；

耦合到所述第一天线阵列的第一发射电路(20)；

耦合到所述第二天线阵列的第二发射电路(20)；

第一波束成形网络(16)，耦合在所述第一天线阵列与所述第一发射电路之间，用于接收所述用户特定的信号和所述公共信号并生成要提供到所述第一天线阵列的N个窄波束；

第二波束成形网络(16)，耦合在所述第二天线阵列与所述第二发射电路之间，用于接收所述用户特定的信号和所述公共信号并生成要提供到所述第二天线阵列的N个窄波束；

耦合到所述第一发射电路的第一电路(24、26、28、29)，用于确保在所述第一天线阵列单元的用户特定的信号和所述公共信号同相且时间对齐；以及

耦合到所述第二发射电路的第二电路(24、26、28、29)，用于确保在所述第二天线阵列的用户特定的信号和所述公共信号同相且时间对齐。

13.如权利要求12所述的设备，其特征在于还包括：

耦合到所述第一波束成形网络的第一接收电路(22)；

耦合到所述第二波束成形网络的第二接收电路；

耦合到所述第一和第二接收电路的信号处理器(32)，用于处理在所述N个波束上从所述第一波束成形网络和在所述N个波束上从所述第二波束成形网络接收的信号，以估计接收信号。

14.包括天线阵列(12)和耦合到所述天线阵列(12)的发射电路(20)的设备，所述天线阵列包括多个天线单元，用于发射覆盖扇形小区的大部分、包括公共信号的更宽波束和只覆盖所述扇形小区的一部分、包括移动用户特定的信号的至少一个更窄波束，所述设备的特征在于：

耦合到所述发射电路的电路(24、26、28、29)，用于确保在所述扇形小区中的移动台接收时所述用户特定的信号和所述公共信号大致时间对齐且具有受控的相位差。

15.如权利要求14所述的设备，其特征在于所述电路(24、26、28、29)包括被配置使得所述公共信号只从所述天线阵列中的中心天线单元发射的滤波电路(24)。

16.如权利要求14所述的设备，其特征在于所述电路(24、26、28、29)被配置使得使用所述天线阵列中的多个天线单元(14)生成承载所述公共信号的宽波束。

17.如权利要求14所述的设备，其特征在于所述电路(24、26、28、29)包括配置为补偿所述公共信号和所述用户特定的信号中与所述公共信号和所述用户特定的信号从基带频率变换到射频相关联的失真的滤波电路(24)。

18.如权利要求14所述的设备，其特征在于还包括：

波束加权电路(28)，用于使用与每个天线对应的用户特定的信号波束滤波器权对所述用户特定的信号加权并将每个加权的用户特定的信号提供到对应的天线发射滤波器(24)。

19.如权利要求18所述的设备，其特征在于所述用户特定的信号波束滤波器权被配置使得来自所述天线单元的辐射能量被引导到期望的移动用户。

20.如权利要求18所述的设备，其特征在于还包括：

波束加权电路(29)，用于使用与每个天线对应的公共信号波束滤波器权对所述公共信号加权并将每个加权的公共信号提供到对应的天线发射滤波器。

21.如权利要求20所述的设备，其特征在于所述公共信号波束滤波器权被配置使得来自所述天线单元的辐射能量在所述扇形小区中以期望的形状被引导。

22.如权利要求20所述的设备，其特征在于所述用户特定的信号和公共信号波束权是用于分别对所述用户特定的信号和公共信号进行相位旋转和放大的复数。

23.如权利要求18所述的设备，其特征在于选择所述用户特定的波束滤波器权以匹配平均空间特征，所述平均空间特征是平均接收信号的随所述接收信号被接收时的角度而变化的复值测量。

24.如权利要求18所述的设备，其特征在于选择所述用户特定的波束权以将分配到移动用户的发射功率降到最低，使得在所述移动用户接收的公共信号与用户特定的信号之间的相位差的标准偏差小于或等于确保期望服务质量的目标值。

25.如权利要求14所述的设备，其特征在于还包括：

耦合到所述N个天线单元(14)用于生成N个接收波束的波束成形网络(16)；

耦合到所述波束成形网络(16)的接收电路(22)；

耦合到所述接收电路(22)的信号处理器(32)，用于处理在所述N个接收波束上接收的信号以估计接收信号并用于确定所述接收信号传播通过的信道的统计。

26.如权利要求14所述的设备，其特征在于还包括：

第一和第二天线阵列(14)，各包括N个天线单元(12)，用于发射覆盖扇形小区的大部分、包括公共信号的更宽波束和只覆盖所述扇形小区的一部分、包括移动用户特定的信号的至少一个更窄波束；

耦合到所述第一天线阵列的第一发射电路(20)，用于将所述用户特定的信号和所述公共信号提供到所述第一天线阵列；

耦合到所述第二天线阵列的第二发射电路(20)，用于将所述用户特定的信号和所述公共信号提供到所述第二天线阵列；

耦合到所述第一发射电路的第一电路(24、26、28、29)，用于确保在所述扇形小区中的移动台接收时来自所述第一天线单元的用户特定的信号和公共信号大致时间对齐且具有受控的相位差；以及

耦合到所述第二发射电路的第二电路(24、26、28、29)，用于确保在所述扇形小区中的移动台接收时来自所述第二天线单元的用户特定的信号和公共信号大致时间对齐且具有受控的相位差。

27.如权利要求26所述的设备，其特征在于还包括：

耦合到所述天线阵列(12)的第一波束成形网络(16)；

耦合到所述第一波束成形网络(16)的第一接收电路(22)；

耦合到所述天线阵列(12)的第二波束成形网络(16)；

耦合到所述第二波束成形网络的第二接收电路(22)；

耦合到所述第一和第二接收电路的信号处理器(32)，用于处理在所述N个波束上从所述第一波束成形网络和在所述N个波束上从所述第二波束成形网络接收的信号，以估计接收信号。

28.一种在包括天线阵列(12)的无线电节点中使用的方法，所述天线阵列包括多个天线单元(14)，其特征在于：

对用户特定的信号和公共信号滤波以确保所述用户特定的信号和所述公共信号在所述天线阵列(12)大致同相且大致时间对齐，以及

从所述天线阵列(12)同时发射覆盖扇形小区的大部分、包括所述公共信号的更宽波束和只覆盖所述扇形小区的一部分、包括所述用户特定的信号的至少一个更窄波束。

29.如权利要求28所述的方法，其特征在于还包括：

只从所述天线阵列(12)中的中心天线单元(14)发射所述公共信号。

30.如权利要求29所述的方法，其特征在于所述处理包括补偿所述公共信号和所述用户特定的信号中与所述公共信号和所述用户特定的信号从基带频率变换到射频相关联的失真。

31.如权利要求29所述的方法，其特征在于所述处理包括对所述用户特定的信号加权以确保所述用户特定的信号与所述公共信号在所述天线阵列(12)的中心单元(14)大致同相且大致时间对齐。

32.如权利要求29所述的方法，其特征在于所述天线阵列(12)包括奇数N个天线单元(14)，其中，N是大于1的正整数，并且所述无线电基站中的波束成形网络接收所述用户特定的信号和所述公共信号并生成要提供到所述天线阵列(12)的N个窄波束。

33.如权利要求32所述的方法，其特征在于还包括：

同时在所述N个波束上以使用N个用户特定的波束权确定的功率发射所述用户特定的信号，每个用户特定的波束权对应于所述N个波束之一，使得比辐射所述公共信号的波束更窄的波束在所述用户的方向上辐射。

34.如权利要求33所述的方法，其特征在于每个用户特定的波束权与所述对应波束上接收的上行链路平均信号功率的函数成比例。

35.如权利要求33所述的方法，其特征在于还包括：

处理在所述N个波束上接收的信号以估计接收信号，并为每个波束确定平均上行链路信号功率。

36.在两条发射分集支路中实施的如权利要求33所述的方法。

37.在两条接收分集支路中实施的如权利要求33所述的方法，其特征在于还包括：

处理所述N个波束上从所述两条接收分集支路接收的信号以估计接收信号。

38.一种在包括天线阵列(12)的无线电节点中使用的方法，所述天线阵列包括多个天线单元(14)，其特征在于：

处理用户特定的信号和公共信号以确保在所述扇形小区中的移动台接收时所述用户特定的信号和所述公共信号大致时间对齐且具有受控的相位差，以及

从所述天线阵列(12)同时发射覆盖扇形小区的大部分、包括所述公共信号的更宽波束和只覆盖所述扇形小区的一部分、包括所述用户特定的信号的至少一个更窄波束。

39.如权利要求38所述的方法，其特征在于还包括：

只从所述N个天线单元(14)之一发射所述公共信号。

40.如权利要求38所述的方法，其特征在于所述用户特定的信号同时从所述N个天线单元(14)发射。

41.如权利要求40所述的方法，其特征在于通过使用N个用户特定的天线权(W)确定的功率和相位旋转，发射所述用户特定的信号。

42.如权利要求41所述的方法，其特征在于所述用户特定的信号天线权被配置使得来自所述天线单元(14)的辐射能量被引导到所述扇形小区中期望的移动用户。

43.如权利要求41所述的方法，其特征在于通过使用N个天线权(W)确定的功率和相位旋转，发射所述公共信号。

44.如权利要求43所述的方法，其特征在于所述公共信号波束权被配置使得来自所述天线单元的辐射能量在所述扇形小区中以期望的形状被引导。

45.如权利要求43所述的方法，其特征在于所述用户特定的信号波束权和公共信号波束权是用于分别对所述用户特定的信号和公共信号进行相位旋转和放大的复数。

46.如权利要求41所述的方法，其特征在于还包括：

选择所述用户特定的权以匹配平均空间特征，所述平均空间特征是平均接收信号的随所述接收信号被接收时的角度而变化的复值测量。

47.如权利要求41所述的方法，其特征在于还包括：

选择所述用户特定的波束权以将分配到移动用户的发射功率降到最低，使得在所述移动用户接收的公共信号与用户特定的信号之间的相位差的标准偏差小于或等于确保期望服务质量的目标值。

48.如权利要求44所述的方法，其特征在于通过分别使用N个用户特定的信号波束权和N个公共信号波束权确定的功率，同时从所述N个天线单元(14)发射所述用户特定的信号和公共信号，每个用户特定的波束权和每个公共信号波束权对应于所述N个天线单元之一；其特征在于还包括：

选择所述用户特定的波束权以将来自所述天线阵列的辐射能量引导到期望的移动用户，以及

选择所述公共信号波束权以将来自所述天线阵列的辐射能量以期望形状引导。

49.如权利要求38所述的方法，其特征在于所述处理包括补偿所述公共信号和用户特定的信号中与所述公共信号和用户特定的信号从基带频率变换到射频相关联的失真。

50.在两条发射分集支路中实施的如权利要求38所述的方法。

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