CN1882156A - 用于群播业务系统的下行波束赋形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于群播业务系统的下行波束赋形方法，包括步骤：估计系统内群播用户的空间特征参数；根据所述群播用户的空间特征参数及使用的智能天线的性能指标对群内用户分组；确定每组用户的下行波束赋形权系数，实现波束赋形。利用本发明，可以减少群播用户对码道资源的占用，并降低不同用户之间的干扰。

Description

用于群播业务系统的下行波束赋形方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，具体涉及一种用于群播业务系统的下行波束赋形方法。

背景技术

近年来，智能天线技术已经成为移动通信中最具有吸引力的技术之一。智能天线采用空分多址(SDMA)技术，利用信号在传输方向上的差别，将同频率或同时隙、同码道的信号区分开来，最大限度地利用有限的信道资源。与无方向性天线相比较，其上、下行链路的天线增益大大提高，降低了发射功率电平，提高了信噪比，有效地克服了信道传输衰落的影响。同时，由于天线波瓣直接指向用户，减小了与本小区内其它用户之间，以及与相邻小区用户之间的干扰，而且也减少了移动通信信道的多径效应。CDMA(码分多址)系统是个功率受限系统，智能天线的应用达到了提高天线增益和减少系统干扰两大目的，从而显著地扩大了系统容量，提高了频谱利用率。

智能天线在本质上是利用多个天线单元空间的正交性，即空分多址复用功能，来提高系统的容量和频谱利用率。智能天线的功能是由天线阵及与其相连接的基带数字信号处理部分共同完成的。智能天线需要解决的两个关键问题是辨识信号的方向和数字赋形的实现。智能天线的仰角方向辐射图形与每个天线元相同。在方位角的方向图由基带处理器控制，可同时产生多个波束，按照通信用户的分布，在360°的范围内任意赋形。

所谓波束赋形即根据测量以及估算参数，实现信号最优(次优)组合或者最优(次优)分配的过程。在传统波束赋形算法中，根据期望信号的来波角度计算来波在各天线单元上的相位差，赋形系数用来抵消各单元上的相位差使各单元上的来波信号同相叠加。对于传统波束赋形算法来说，对于固定方向的来波，其赋形系统是固定的，因此其波束方向图的形状是固定的。

在数字集群通信系统或具有群播业务特点的移动通信系统中，基站给若干用户发送相同的下行数据，消息发送的覆盖范围可以是一个扇区(cell)，也可以是一个基站(BTS)或由若干个基站组成的既定区域(Area)甚至整个移动通信网。在这些系统中，如果不用波束赋形，通过全向覆盖波束发射广播信息，则会对其他用户造成干扰。

传统的针对用户的波束赋形需要给每个用户分配一个码道，码道和波束一一对应，即每个码道只能用唯一的波束发射出去。对于群播业务来说，无疑造成了资源的浪费。而且由于群播用户的用户数及其空间分布都是不确定的，而传统波束赋形的波束宽度并不一定与用户空间分布的角度范围匹配，如果用户的分布范围大于赋形波束的宽度，就会有用户落在天线辐射电平较低的区域，影响该区域内用户的接收质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于群播业务系统的下行波束赋形方法，以克服现有技术中使用传统波束赋形算法造成的资源浪费，节约码道资源，同时达到赋形效果。

为此，本发明提供如下的技术方案：

一种用于群播业务系统的下行波束赋形方法，所述方法包括步骤：

A、估计系统内群播用户的空间特征参数；

B、根据所述群播用户的空间特征参数及使用的智能天线的性能指标对群内用户分组；

C、确定每组用户的下行波束赋形权系数，实现波束赋形。

所述步骤A包括：

A1、所述智能天线根据群内各用户的上行信号估计该用户的空间功率谱；

A2、根据所述空间功率谱获取该用户的空间特征参数。

所述步骤A1包括：

A11、根据智能天线接收的多用户的训练序列进行信道冲激响应估计；

A12、根据信道冲激响应估计结果计算各用户的空间功率谱。

可选地，利用Bartlett谱估计方法或者Capon谱估计方法计算各用户的空间功率谱。

所述群播用户的空间特征参数包括：来波角度、半功率波瓣宽度中心角。

所述步骤B具体为：

B1、获取智能天线的赋形波束宽度；

B2、按用户来波角度确定每组包含的群播用户，使每组用户的来波角度集合小于或等于所述智能天线的赋形波束宽度。

所述步骤C包括：

C1、确定每组用户的来波方向，并将其设定为该组内所有用户来波方向的中心方向；

C2、根据所述每组用户的来波方向对每组用户的下行波束赋形。

可选地，所述步骤C2具体为：

在预设的权矢量中选择与所述每组用户的来波方向最近的赋形权矢量为该组用户下行波束赋形。

可选地，所述步骤C2具体包括：

根据所述每组用户的来波方向设定赋形权矢量初值；

对所述赋形权矢量初值进行实时优化，使赋形波束与该组用户的空间分布范围相匹配。

优选地，所述步骤C还包括：

设定最大波束个数；

当所述群内用户的分组个数大于所述最大波束个数时，选择全向发送波束。

由以上本发明提供的技术方案可以看出，本发明针对群播业务特点，通过在具有群播业务的移动通信系统中，对群播用户的空间特征参数进行估计，根据群内用户的空间特征参数和智能天线的性能指标对群内用户分组，每个组用一个码道进行赋形发送，从而有效地节约了码道资源，同时达到了较好的赋形效果。

附图说明

图1是本发明方法的实现流程图；

图2是本发明方法中对群播用户的分组流程图。

具体实施方式

本发明的核心在于在具有群播业务的移动通信系统中，对群播用户的空间特征参数进行估计，根据群内用户的空间特征参数和智能天线的性能指标群内用户分组，每个组用一个码道进行赋形发送，从而避免使用太多的码道资源。

本技术领域人员知道，智能天线采用两个以上的单天线阵元组成天线阵，每个阵元接收到的信号经过射频处理后用适当的权值进行加权求和，可以达到定向接收的效果，一个权矢量对应着一定的波束方向图。加权的实质是一种空间滤波，智能天线也可以认为是一种SDMA(空分多址)技术。在SDMA中通过天线阵列接收信号，并通过数字信号处理进行数字波束赋形，也就是通过调整天线阵列所接收信号的相位和幅度使所需信号得到加强，而使其他干扰信号得以削弱，最终使所需信号的信噪比最大。

智能天线一般分为两种。一种是预多波束智能天线，即预先设定一些指向不同方向的波束权值，在通信过程中选择接收信号比较好的那些波束权值加权结果进行后续处理。另一种是自适应智能天线，这种天线的权值不需要预先设置，而是根据信号空间分布特性的变化而按一定准则不断更新权值，权值的幅度和相位都可以自由更新，当算法收敛时这种方法能充分利用期望用户信号和干扰信号的空间特性使接收到的信号的信干噪比达到最大。

由于一个波束可以覆盖一个特定的角度范围，如果群播业务的两个用户的空间间隔在一个波束宽度范围内，那么就可以用一个赋形波束同时覆盖这两个用户。正是基于这种特点，本发明根据群内用户的空间特征参数和智能天线的性能指标对群内用户分组，对每组用户通过一个码道进行赋形发送，从而减少群播用户对码道资源的占用。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

参照图1，图1是本发明方法的实现流程图，包括以下步骤：

步骤101：估计系统内群播用户的空间特征参数，比如，来波角度、半功率波瓣宽度中心角等。

首先，由智能天线根据群内各用户的上行信号估计该用户的空间功率谱；然后，根据空间功率谱获取该用户的空间特征参数。

智能天线可以根据群内各用户的上行信号估计该用户空间功率谱。

利用接收的多用户的训练序列部分估计各天线上的信道冲激响应。根据实际需要，可以采用多种信道估计的方式和方法。

假设群内共K个用户，用户k的信道估计矩阵表示如下：

H^(k)＝[h^(k，1),h^(k，2)，L，h^(k，ka)]，k＝1，Λ，K       (1)

其中，h^(k，ka)表示用户k和天线单元k_a之间的信道冲激响应。

空间相关矩阵可以通过下式计算：

$R_{\mathrm{xx}}^{\left(k\right)}=H^{\left(k\right)H}{\·H}^{\left(k\right)},k=1,\mathrm{\Λ},K---\left(2\right)$

其中，H^(k)H表示矩阵H^(k)的共扼转置运算；则用户的空间功率谱通过Bartlett谱估计方法计算如下：

其中，a()表示阵列响应矢量，即来自方向的信号在天线阵列上的响应，一般表示为不同天线之间的相位差。

通过Capon谱估计方法计算如下：

其中，a()表示阵列响应矢量，即来自方向的信号在天线阵列上的响应，一般表示为不同天线之间的相位差。

当然，本发明并不限于上述这两种空间功率谱算法，根据实际应用需要，还可以选择其他的计算方法得到用户的空间功率谱。

有了用户的空间功率谱，则可以方便地得到各用户的来波角度和半波瓣宽度中心角。

根据Bartlett谱估计方法得到的用户的空间功率谱计算各用户的来波角度：

其中， 表示离散谱的最大值，即P_B ^(k)()的最大值。

还可以通过下式来计算各用户的半功率波瓣宽度中心角，当然也可以采用其他表征用户方位信息的空间特征参数：

比如，使离散谱值比最大值下降3个分贝的角度为：

其中，P^(i，k)()表示用户k在第i帧的离散谱，P_max ^(i，k)表示该离散谱的最大值。或者半功率角的中心方向为：

其中，max(_3dB ^(i，k))和min(_3dB ^(i，k))分别表示离散谱值比最大值下降了3个分贝的两个角度。

步骤102：根据群播用户的空间特征参数及使用的智能天线的性能指标对群内用户分组。

设智能天线的赋形波束宽度为_HPBW，分组的用户来波角度集合为Ω，为了以最小的波束覆盖，组内用户的来波角度是相邻的，并且保证第1组的第1个用户和最后一组的最后一个用户之间的角度间隔在所有相邻用户的角度间隔之中是最大的。

因此，分组时应满足下列原则：

使得组的波束宽度Δ，即组内用户的来波角度的最大值与最小值之差恰好小于或等于_HPBW，也就是说，如果Ω增加一个用户就会使Δ大于_HPBW。

步骤103：确定每组用户的下行波束赋形权系数，实现波束赋形。

如果使用预存储波束，则可以预先设定最大波束个数，如果按照上述分组原则分出的群内用户的分组个数大于设定的最大波束个数时，由于预存储波束不能满足该群播组内用户的码道分配，这时可选择全向发送波束。

赋形发送时，将组的来波方向定义为组内所有用户来波方向的中心方向，例如，如果组内用户来波方向为{355°，3°，15°}，则组的来波方向为10°。在预设的权矢量中，找出与组来波方向最近的方向的赋形权矢量作为下行赋形权矢量，实现不同用户组的波束赋形。

还可以根据每组用户的来波方向设定赋形权矢量初值；然后对赋形权矢量初值进行实时优化，使赋形波束与该组用户的空间分布范围相匹配，以得到精度更高的赋形波束。

图2示出了本发明方法中对群内用户分组的实现流程：

步骤201：根据智能天线的性能指标确定天线的赋形波束宽度_HPBW；

步骤202：创建新组，组内按顺序选择未分组的第一个用户；

步骤203：按照用户的来波角度，在该组内增加一个相邻的用户，并计算组内用户的分布范围；

步骤204：判断该组内用户的分布范围是否小于赋形波束宽度_HPBW；

如果该组内用户的分布范围小于赋形波束宽度，则进到步骤205：该组接受该新增加的用户；

然后，进到步骤206：判断该用户是否为最后一个用户；

如果是，则进到步骤207：结束分组过程；

否则，返回步骤203：在该组内按顺序增加一个相邻用户；

如果该组内用户的分布范围大于赋形波束宽度，则进到步骤208：该组拒绝接受该用户；

然后，返回步骤202：继续创建新组。

当然，也可以根据实际需要，按其他方式对群播用户进行分组，比如，将整个空间分为固定的若干波束，判断用户角度落在哪个波束范围则属于哪个组。只要使每组用户的来波角度集合小于或等于系统使用的智能天线的赋形波束宽度即可。

下面将结合具体实例进一步说明本发明方法的实现过程。

假设使用的智能天线为M＝8单元的均匀环形阵列，圆环的半径为0.65λ，λ为载波波长，智能天线的赋形波束宽度_HPBW＝35°。预设权矢量为阵列响应矢量的共轭，每隔1°设置一个赋形波束，共8个用户，波束数量限制为3，即大于3组则改为全向发射。

首先，对8个用户的来波角度进行估计：

在本实施例中，分别为33°，45°，61°，63°，66°，91°，102°，110°，116°；

然后，对8个用户进行分组：

寻找起始用户，准则是使其与前一个用户的角度差最大，用户1和用户8的角度差是83°，为最大，所以将用户1作为起始用户；

按照图2所示流程对这8个用户分组，在本实施例中分组结果是第1组包括用户1至用户5，第2组包括用户6至用户8；

根据分组结果，确定各组来波方向中心角度，并确定赋形权系数：

判断组数小于波束数量限制，则赋形发送。

在本实施例中，第1组的中心角度是49.5°，归到赋形角度，即根据赋形角度间隔找到其最靠近的赋形角度，为50°；第2组的中心角度为109°。

查表查得到两个中心角度对应的波束赋形系数为：

$w^{\left(1\right)}=\left[\begin{array}{c}-0.7987+0.6017i\\ -0.7474-0.6644i\\ -0.9861+0.1663i\\ 0.9433+0.3320i\\ -0.7987-0.6017i\\ -0.7474+0.6644i\\ -0.9861-0.1663i\\ 0.9433-0.3320i\end{array}\right]{---w}^{\left(2\right)}\left[\begin{array}{c}0.3018-0.9534i\\ -0.1310+0.9914i\\ -0.8629-0.5054i\\ -0.9399-0.3414i\\ 0.3018+0.9534i\\ -0.1310-0.9914i\\ -0.8629+0.5054i\\ -0.9399+0.3414i\end{array}\right]$

当然，也可以根据智能天线的赋形波束宽度及各组来波方向中心角度，通过实时优化来确定各组中心角度对应的波束赋形系数。

虽然通过实施例描绘了本发明，本领域普通技术人员知道，本发明有许多变形和变化而不脱离本发明的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本发明的精神。

Claims (10)

1、一种用于群播业务系统的下行波束赋形方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

A、估计系统内群播用户的空间特征参数；

B、根据所述群播用户的空间特征参数及使用的智能天线的性能指标对群内用户分组；

C、确定每组用户的下行波束赋形权系数，实现波束赋形。

2、根据权利要求1所述的用于群播业务系统的下行波束赋形方法，其特征在于，所述步骤A包括：

A1、所述智能天线根据群内各用户的上行信号估计该用户的空间功率谱；

A2、根据所述空间功率谱获取该用户的空间特征参数。

3、根据权利要求2所述的用于群播业务系统的下行波束赋形方法，其特征在于，所述步骤A1包括：

A11、根据智能天线接收的多用户的训练序列进行信道冲激响应估计；

A12、根据信道冲激响应估计结果计算各用户的空间功率谱。

4、根据权利要求3所述的用于群播业务系统的下行波束赋形方法，其特征在于，所述步骤A12具体为：

利用Bartlett谱估计方法或者Capon谱估计方法计算各用户的空间功率谱。

5、根据权利要求1至4任一项所述的用于群播业务系统的下行波束赋形方法，其特征在于，所述群播用户的空间特征参数包括：来波角度、半功率波瓣宽度中心角。

6、根据权利要求1所述的用于群播业务系统的下行波束赋形方法，其特征在于，所述步骤B具体为：

B1、获取智能天线的赋形波束宽度；

B2、按用户来波角度确定每组包含的群播用户，使每组用户的来波角度集合小于或等于所述智能天线的赋形波束宽度。

7、根据权利要求6所述的用于群播业务系统的下行波束赋形方法，其特征在于，所述步骤C包括：

C1、确定每组用户的来波方向，并将其设定为该组内所有用户来波方向的中心方向；

C2、根据所述每组用户的来波方向对每组用户的下行波束赋形。

8、根据权利要求7所述的用于群播业务系统的下行波束赋形方法，其特征在于，所述步骤C2具体为：

在预设的权矢量中选择与所述每组用户的来波方向最近的赋形权矢量为该组用户下行波束赋形。

9、根据权利要求7所述的用于群播业务系统的下行波束赋形方法，其特征在于，所述步骤C2具体包括：

根据所述每组用户的来波方向设定赋形权矢量初值；

对所述赋形权矢量初值进行实时优化，使赋形波束与该组用户的空间分布范围相匹配。

10、根据权利要求1所述的用于群播业务系统的下行波束赋形方法，其特征在于，所述步骤C还包括：

设定最大波束个数；

当所述群内用户的分组个数大于所述最大波束个数时，选择全向发送波束。

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