专利名称：用定向天线实现多波束智能天线的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线通信系统，具体的说是涉及一种蜂窝移动通信系统中用定向天线实现多波束智能天线的方法及装置。
背景技术：
无线通信系统中，用户设备与基站之间是通过无线信道传播信号的。由于无线信道传输条件相对有线信道较为恶劣，存在衰落、多径和同频干扰等诸多不利因素，所以无线通信系统的信号发射、接收和处理方法是直接影响系统性能的一个决定因素。
随着通信技术的飞速发展，人们对网络通信的需求也随之不断提高，特别是第三代移动通信系统3G(Third Generation)通信时代的到来，人们希望打破不同地域或客观条件的制约，能够实现任何人在任何时候的任何地方与任何人进行任何方式的通信的目标。这些标准对无线通信系统信号接收和发射提出了更高的要求。近年来，多用户检测MUD(Multi-User Detection)技术、自适应均衡技术以及智能天线(Smart Antenna)技术的发展，为无线信号的接收和发射性能得到进一步提高提供了可能。
其中，智能天线技术来源于军事技术中的阵列天线(Array Antenna)技术，是一种通过空间角度域划分虚拟信道来进行空间分集控制的方法，即空分多址SDMA(Spatial Division Multiple Access)技术。智能天线利用空间分割的方法，多提供一种多址功能，并应用阵列天线技术，扩展有效信号覆盖而滤掉不希望的干扰以及环境和系统噪声，因此具有较高的增益和较强的抗干扰特性，成为无线通信核心技术之一。
智能天线通常指自适应方向图智能天线和预多波束方向图智能天线。
自适应方向图智能天线，采用天线阵列方向图合成技术，使合成的方向图主瓣对准目标用户，零点对准干扰源的基本原理，使输出信号的信噪比最大。天线阵列权值通过迭代的自适应算法获得。这种智能天线，用户定位需要获得所有的信号源和干扰源的信息。
预多波束方向图智能天线，预先采用方向图合成算法，通过N×M面全向天线形成网络矩阵(巴特勒矩阵butler)综合出指向角度不同的预定形状方向图。在系统实际工作时，它通过测向确定用户信号的到达方向DOA，然后根据信号DOA由查表选取合适的阵元加权，将定向形状方向图的主瓣指向用户，从而提高用户的信噪比，对处于非主瓣区域的干扰，是通过较低的旁瓣电平来确保抑制的。
自适应波束智能天线和预多波束智能天线已经存在很多年，但在实际应用的道路上还存在很大的障碍。
第一，参数估算复杂性和时延在阵列系统设计中是一个很大的问题。自适应阵列天线和预多波束智能天线权值形成是通过迭代算法来实现的，信号处理和波束形成计算量巨大，存在较大的时延扩展，定位和响应速度将受到限制，难以实现快速跟踪。
第二，多通道和相关信号造成的信号对消也是自适应阵列信号处理算法中的一个重要问题。
第三，干扰抑制受限，增加信道容量能力低。在移动通信的实际信道中，复杂的通信环境使接收到的信号中包含有大量目标用户自身的多径信号和同频干扰，阵列天线通过天线综合技术形成的零陷不能超过单元天线个数，而多径及干扰的数目却远大于阵列天线单元数目，又由于自适应智能天线和预多波束智能天线的单元天线全向性使干扰遍布于周围各个方向，自适应算法无法通过有限阵元形成的零陷来进行有效干扰抑制，因此在这种复杂的多径传播环境下，自适应天线零陷抑制作用已经部分失效，且处于主瓣内的干扰同样无法抑制。所以它不是一种最有效增加信道容量的方法，分布式天线、多波束天线或扇区天线增加信道容量的能力远远大于自适应智能天线。
第四，兼容能力差，建设费用大。自适应智能天线为完善空域波束形成和时域均衡，在天线设计中需要使用功能强大、价格昂贵的处理器，并且它与现有基站难以兼容，无法适用于现有移动通信系统。
发明内容
本发明目的在于解决上述自适应智能天线和预多波束智能天线存在的问题，提供一种用定向天线实现多波束智能天线的方法，完成空分多址的目标，降低系统复杂性，扩大基站覆盖范围，与现有基站兼容能力强，提高无线通信系统的通信容量和抗干扰能力。
本发明另一目的在于提供一种用定向天线实现多波束智能天线的装置。
本发明的目的是这样实现的一种用定向天线实现多波束智能天线的方法，其特征在于用N面相互独立的定向天线对基站服务区进行空间分割，将基站服务区分割成N个小区，各小区之间满足设定的电磁辐射要求；由N面定向天线按照基站要覆盖的区域组成分层多波束阵列，定向天线预先调整好波束指向，实现空分多址，由主处理器单元、协处理器和天线选择单元控制天线对信号的发射和接收，对移动用户定位跟踪；包括步骤(1)设置由N面相互独立的、调整好波束指向的定向天线组成的、用来实现空间分割的天线阵列，(2)设置与每面定向天线连接的天线选择单元，用于根据协处理器单元和主处理器指令完成天线切换和选择；(3)设置与每面定向天线分别连接的协处理器单元，用于对接收信号进行巡检，将信号高于门限的天线位置和信号强度信息送给主控制器和天线选择单元，指令天线选择单元将该天线接通给主控制器或完成切换任务；(4)设置与天线选择单元连接的主处理器；用于对接收信号高于门限的单元天线信号进行解调，并判断其合法性，确定移动用户空间位置和多径干扰方向，把基站连接到该天线单元上，实现智能天线空间定向的目的。
本发明还提供了一种用定向天线实现多波束智能天线的装置，其特征在于该装置包括，由相互独立的N面定向天线组成的分层天线阵列，天线选择单元，协处理器单元，主处理器；N面定向天线由分别与协处理器单元输入端连接，协处理器输出端由与天线选择单元、主处理器分别连接，主处理器输出端由与天线选择单元、基站分别连接。
本发明的用定向天线实现多波束智能天线的方法可以用广场照明的方法来形象的类比。要实现全广场均匀照明，可以在广场中央的灯塔上设置若干盏定向射灯，对每盏灯的照射区域进行合理的分布；如果广场的活动分散在几个小范围进行，则只需打开对应的几盏灯就可以满足照明要求。这种方法与全广场用一个全向光源照明的方式比较首先，单一全向光源不容易实现均匀照射，近处亮，远处暗，为保证远处的照度，需要增大光源照射强度。类比在移动通信中要提高远区的覆盖电场强度，就要使用较大的功率放大器，这样会大幅度增加基站的建设费用。
其次，单一全向光源照射区域的形状难以控制。类比在移动通信中就是难以实现象公路这样的特殊环境的覆盖，在多基站区域易形成同信道干扰或覆盖弱区和盲区，形成塔下黑。
第三，单一全向光源无法实现局部照明。类比在移动通信中，就是容易造成无效发射带来的干扰和电磁波污染。
本发明的基本方法就是把蜂窝移动通信的基站服务区再用若干面定向天线实现空间分割，实现空分多址，把基站服务区又分成很多新的小区，各小区之间满足一定的电磁辐射隔离要求；在小区之间实现通信信道再用技术，从而可以大幅度地增加用户数目和基站覆盖范围，大幅度地提高用户通信带宽和数据传输速率，大幅度地减小多径干扰和降低对功率放大器的要求。本发明用低旁瓣抑制干扰，用不同形式的组阵方式去实现不同环境下用户区的覆盖，阵列中的多面定向天线只有对应用户所在小区的天线工作，减小了电磁污染和对临近基站的干扰，提高了频谱利用率自适应波束形成系统为了实现其改善系统性能的目标，必须在动态环境下对许多时变参数进行估计和优化，这些系统参数的更新耗费时间长。例如，系统要求实时更新处于快速移动中的移动台的位置信息，而响应时间却受到方向角估计、跟踪算法、收敛至满足水平的波束形成算法所需时间的限制。尽管可以通过算法的并行来增强信号处理能力，但也增加了系统开销，因此在移动环境中采用自适应波束形成方式跟踪用户尚有一定的困难。应用本发明，采用定向天线实现的多波束切换方式对用户跟踪要容易的多。
本发明与现有的智能天线相比有以下优越性1、结构简单，兼容能力强。用定向天线实现的定向多波束智能天线控制使用方便，不存在大的技术难点，实现容易，不需要复杂的算法，不但适合于3G系统，也适合于2G的GSM系统和未来的4G系统。还可以广泛应用于WLAN、PHS等通信系统中。
2、天线间互相关性小，干扰抑制能力强。各定向天线相互独立，互相关性小，方向性强，可抑制绝大多数多径干扰，使接收信噪比搞高。同时，各阵元可采用双极化结构，实现极化分集功能，进一步提高系统抗干扰能力。
3、基站覆盖范围大，电磁波污染小。基站定向天线的高增益特性使手机的通信距离更远，通过分层覆盖可扩大基站的控制范围，降低手机的耗电量；阵列各单元中只有接收信号最强的天线工作，减少电磁污染和系统开销。
4、基站功率低，功率控制容易。在分层覆盖中，利用高增益天线覆盖远区，低增益天线覆盖近区的方法减小远近效应和基站功率，降低发射机与接收机的功率控制难度。天线是无源器件，通过改善天线覆盖效果来提高系统容量是性价比很高的方法。
5、组阵方式灵活，话务均衡能力强。根据需要覆盖区域的形状和用户数量的多少，可组成不同形式的阵列形状。如覆盖高话务区的圆形分层阵，覆盖公路的单面分层阵，覆盖海域的扇形水平极化阵等。定向多波束智能天线可进行话务均衡，将高话务小区的部分话务量转移到容量资源未充分利用的定向天线上，提高了系统的灵活性。
6、通信容量大。由于采用定向天线，降低了同频干扰和同频复用系数，提高了信道容量。
图1是用定向天线实现的多波束智能天线方法及装置的结构原理框图。
图2a是用定向天线实现的多波束智能天线圆形三层阵列结构。
图2b是用定向天线实现的多波束智能天线阵列中单元天线下倾角示意图。
图3是用定向天线实现的多波束智能天线单层圆形阵列方向图。
图4是7×3圆形分层小区区群结构示意图。
图5a是加接边环或吸波圆柱罩筒的抛物面天线结构图。
图5b是加接边环的抛物面天线驻波比图。
图5c是加接边环的抛物面天线方向图。
图6a是高边环圆环长背射天线结构图。
图6b是高边环圆环长背射天线圆环馈电结构图。
图6c是高边环圆环长背射天线驻波比图。
图6d是高边环圆环长背射天线方向图。
图7a是背腔式微带贴片天线结构主视图。
图7b是背腔式微带贴片天线结构俯视图。
图7c是背腔式微带贴片天线驻波比图。
图7d是背腔式微带贴片天线方向图。
图8是用定向天线实现的多波束智能天线与自适应智能天线提高信道容量比较图。
图中101、102、10N-定向天线，1-天线阵列，2-天线选择单元，3-主处理器，4-协处理器单元，5-基站，6-定向天线的第一覆盖层，7-定向天线的第二覆盖层，8-定向天线的第三覆盖层，9-背腔式微带贴片天线，901-筒形背腔，902-通孔，903-金属贴片，904-圆金属片，10-高边环圆环长背射天线，1001-圆桶形反射背腔，1002-副反射器，1003-引向器，11-加接边环或吸波圆柱罩筒的抛物面天线，1101-抛物反射面，1102-边环或吸波圆柱罩筒，12-馈源，1201-开口，1202-引线孔，1203-金属圆环，13-十二单个加接边环或吸波圆柱罩筒的抛物面天线方向图，14-分三层覆盖的一个基站，15-同轴线，16-支杆，17-自适应智能天线系统信道容量与信噪比的关系曲线，18-用定向天线实现的多波束智能天线系统信道容量与信噪比的关系曲线，α-定向天线的下倾角。
具体实施例方式
下面结合实施例及附图对本发明的方法与装置进一步说明。
参见图1，图中示出了本发明的用定向天线实现的多波束智能天线的基本结构，包括由相互独立的N面定向天线101、102…10N组成天线阵列1，主处理器3，协处理器单元4和天线选择单元2四部分；N面定向天线101、102…10N由分别与协处理器4输入端连接，协处理器4输出端由与天线选择单元2、主处理器3分别连接，主处理器3输出端由与天线选择单元2、基站5分别连接。
定向天线的具体数量和种类根据所覆盖区域的环境及远场、近场电场强度的要求确定，可以选择不同增益和波瓣宽度或赋形波束的定向天线，要求旁瓣较低，增益可从6dB到20dB，数量在几十到几百面之间选择，完成基站覆盖区的空间分址。
协处理器单元由若干个协处理器组成，协处理器的数量可以与定向天线的数量相同，一个处理器连接一面定向天线，即一个处理器管理一面定向天线；协处理器的数量也可以少于定向天线的数量，一个处理器连接几面定向天线即一个协处理器管理几面定向天线。
本发明对移动用户定位跟踪的方法是由协处理器单元的若干个协处理器分别对接收到的信号强度进行巡检，当检测到接收的信号强度高于给定门限时，协处理器将向主处理器发送这些天线的位置和信号强度信息，并指令天线选择单元将接收信号高于门限的天线接通到主处理器中，设置协处理器的作用是降低主处理器负荷，提高系统处理速度。主处理器对通过协处理器筛选的信号进行解调，判断信号的合法性，并对从不同接收天线接收到的信号再次进行强度和时延判别，以确定各移动用户的确切位置和多径干扰方向，即移动用户所处位置使接收信号最强且时延最短的那面单元天线覆盖区，由天线的可逆性确定移动用户空间位置之后，把基站连接到该天线单元上，从而实现了智能天线空间定向的目的。为了达到对用户的移动跟踪，主处理器指令协处理器检测比较该工作天线相邻天线信号强度的变化趋势，并与协处理器设置的导频检测门限、导频比较门限、导频丢失门限进行对比，给主处理器提供切换信息，将信号及时切换到移动用户所处覆盖区域的单元天线上，实现对移动用户移动跟踪。
导频检测门限，该门限值反映了导频信号是否具有足够的功率用于相关解调，当一个波束的导频信号强度超过此门限时，此波束可以列为候选波束；导频比较门限，当候选波束的导频信号强度与当前有效波束的导频强度的差值大于此门限时才进行波束切换；导频丢失门限，该门限值反映导频信号功率降低到了无法使用它们进行相关解调的水平，当波束的导频强度低于此门限时，此波束被从候选波束中删除。
本发明用定向天线实现多波束智能天线的SDMA技术允许在一个基站服务区内，用相同的频率、相同的时隙、相同的扩频码，通过不同的波束为不同的用户服务。通过使用分层覆盖阵列天线，提供对空间的动态控制，从而增加了一个维度。
本发明的用定向天线实现多波束智能天线的组阵形式的实施例之一是圆形分层阵列结构，它是最基本的组阵形式。如图2a所示该组阵形式是在垂直面内用不同增益的定向天线实现波束不同半径区域覆盖的圆形分层小区结构，参见图2b每面定向天线均有一定量的下倾角α，下倾角α是指天线波瓣轴线与水平的夹角，其大小根据所覆盖区域的形状及天线的波瓣大小决定。
这种组阵结构就是把每一基站覆盖区域用增益和波瓣宽度不同的定向天线分为m层，图2中所示为三层，即m为三，其特征是从上层到下层，其分布为第m层用波瓣宽度角小、高增益的定向天线覆盖，第m-1层用波瓣宽度角比第m层的大的、增益比第m层低的定向天线覆盖，随着层数的向下，定向天线波瓣宽度角加大、增益降低，以次类推，第1层用波瓣宽度较大、增益相对较低的定向天线覆盖，每层所用定向天线面数为2π/θ′面；所述m是正整数，1，2，3，…，m；所述θ′为该层所用定向天线半功率波瓣宽度角。
这里由半径范围
，
，
，…，
所界定的m个同心环形结构的区域，表示了该基站分为m层结构。基于这类小区可以由多基站组成n×m区群结构，所述n为同频复用系数，区群结构m是天线层数。
图4所示是圆形分层小区区群结构示意图。基站14为三层结构，这样的基站14组成n×m是7×3区群结构，7×3表示同频利用系数为7，每一基站采用3层圆形阵列结构，考虑小区间的重叠覆盖，圆形用六边形表示，在两个同频基站中使用的是相同的信道组，但这两个信道组在各分层中的分布序列采用逆向分配方案。对于m层阵列结构而言，同频信道组所在的基站之一从内向外的m个分层分别分配子信道组为(f1，f2，…fm)，则相邻同信道组干扰层基站的m个分层从内向外的子信道组的分配为(fm，fm-1，…f1)这就是前面提到的天线的可逆性。
这种组阵结构主要是利用了不同增益的定向天线的互相关性小，定向性强的特性，可扩大基站的覆盖范围，消除塔下黑，降低多径干扰。所以这种组阵方式主要用于郊区大面积覆盖或高话务区增加信道容量及信号质量，其中，在郊区时，尽可能采用高增益的定向天线并增加覆盖层数，在高话务区，可适当降低增益并减少覆盖层数，在增加信道容量和减少同频干扰及多径干扰中寻求最佳。
本发明的用定向天线实现多波束智能天线的组阵形式还可以是线形阵列结构，用于公路、铁路沿线；还可以是扇形分层阵列结构，用于村庄、海域等。
为了减少旁瓣带来的干扰，可采用各种定向天线，本发明以高增益的抛物面天线，背射天线和中等增益的微带贴片天线为实施例进行说明，但这并不构成对本发明所能使用的定向天线方案的限制，本研究领域的技术人员应该理解。为了降低旁瓣，以便更好的应用到定向多波束智能天线阵中，对这些天线做了适当的改进，如增加边环或吸波罩筒等，为了得到不同的增益，可适当改变抛物面的直径。
本实施例图2是定向天线实现多波束智能天线圆形三层阵列结构，但并不限制本发明的定向天线实现多波束智能天线的多层结构或单层结构。其中X方向为水平方向，Z方向为垂直方向。图中定向天线的第一覆盖层6，用背腔式微带贴片天线9覆盖，背腔式微带贴片天线9半功率波束宽度为60°，覆盖本分层用六面这种天线；定向天线的第二覆盖层7，用高边环圆环长背射天线10覆盖，高边环圆环长背射天线10的半功率波束宽度为30°，覆盖本分层用十二面这种天线；定向天线的第三覆盖层8，用加接边环或吸波圆柱罩筒的抛物面天线11覆盖，加接边环或吸波圆柱罩筒的抛物面天线11半功率波束宽度为12°，覆盖本分层共用三十面这种天线。
图3是用定向天线实现的多波束智能天线单层圆形阵列方向图，是用高边环圆环长背射天线10完成覆盖的方向图，图中13是十二个高边环圆环长背射天线10的方向图，高边环圆环长背射天线10均匀分布在同一圆周上。
所述的背腔式微带贴片天线9、高边环圆环长背射天线10、加接边环或吸波圆柱罩筒的抛物面天线11只是本发明中实验使用的部分定向天线，它们的结构并不构成对本发明的限制。
如图7a和图7b所示背腔式微带贴片天线9由筒形背腔901、支杆16、金属贴片903及馈源12组成；支杆16固定在筒形背腔901中央，支杆16上端固定金属贴片903，筒形背腔901底面上偏离中心处设有通孔902，馈源12由同轴线15与同轴线15的内导体顶端固定的圆金属片904构成，同轴线15位于通孔902，同轴线15的内导体与圆金属片904构成电容加载，同轴线15的外导体与筒形背腔901连接。
为了展宽频带，背腔式微带贴片天线9，采用电容加载，选用筒形背腔901是为了控制方向图和提高增益，筒形背腔901、金属贴片903可为正方形、矩形、圆形或三角形。
图7c是背腔式微带贴片天线的驻波比图，从图中可以看出，该天线在WLAN频段驻波小于1.34，驻波等于1.5的频带宽度为130MHz。在WLAN频段的一个实验中，圆筒形背腔901的直径为1λo，金属贴片903的边长为0.45λo，λo是中心频率波长(以下同)，测得该天线增益为7.8dB，旁瓣电平低于-21dB。本发明WLAN频段内所做的实验，但这不限制在其它无线通信系统中的应用。
图7d是背腔式微带贴片天线的方向图，从图中可以看出，该天线半功率波束宽度为60°，旁瓣小于-21dB。
如图5a所示加接边环或吸波圆柱罩筒的抛物面天线11由抛物反射面1101、馈源12、支杆16与边环或吸波圆柱罩筒1102组成，边环或吸波圆柱罩筒1102与抛物反射面1101边缘连接，支杆16固定在抛物反射面1101的焦点处，馈源12固定在支杆16上并与抛物反射面1101的焦点处对应。采用边环时必须为金属材料，采用吸波圆柱罩筒时可为非金属或金属材料，内壁涂吸收材料，为了减小抗风系数，边环可用金属网结构。馈源用背腔式微带贴片天线，抛物面的大小可根据要求的增益来设定，增益高时面积大，增益小时面积小。边环或吸波圆柱罩筒的高度越高，旁瓣越小。
图5b是加接边环或吸波圆柱罩筒的抛物面天线的驻波比图，从图中可以看出，该天线在WLAN频段驻波小于1.35，驻波等于1.5的频带宽度为150MHz。
图5c是加接边环或吸波圆柱罩筒的抛物面天线的方向图，从图中可以看出该天线半功率波束宽度为12°，旁瓣小于-38dB。
如图6a所示高边环圆环长背射天线10由圆桶形反射背腔1001、馈源12、副反射器1002、引向器1003和支杆16组成，馈源12、副反射器1002和引向器1003从下到上依次固定在支杆16上，支杆16位于反射背腔1001中央。参见图6b馈源12为金属管制成的设有开口1201的金属圆环1203，开口1201正对面设引线孔1202，同轴线15位于半圆环，同轴线15一端从引线孔1202引出，同轴线15另一端的外导体与开口1201一边电连接，内导体与开口1201另一边电连接。
采用圆环作为馈源是为了得到较大的带宽和较高的增益。圆环馈源周长为1.03λo。天线输入阻抗为50Ω。反射器和多个引向器的作用是进一步提高天线增益。为了进一步降低旁瓣，边环高度从0.25λo增加到0.5λo，为了提高天线效率，反射背腔直径为2.24λo。
图6c是高边环圆环长背射天线驻波比图。从图中可以看出，该天线在WLAN频段驻波小于1.25，驻波等于1.5的频带宽度为400MHz。
图6d是高边环圆环长背射天线方向图。从图中可以看出该天线半功率波束宽度为30°，旁瓣小于-32dB。
图8是用定向天线实现的多波束智能天线与自适应智能天线提高信道容量比较图。依据相关文献，自适应智能天线中各天线相互关联，因此是多入多出(MIMO)信道模型。平均信道容量表示为C‾TBA=1MEθEWlog2det[IM+ρFWWHFH]]]>式中TBA表示自适应智能天线用定向天线实现的多波束智能天线系统中各定向天线独立接收，因此信道变成了多入单出(MISO)模型，平均信道容量表示为C‾SBA=Ehlog2[1+ρΣk=1K/M|hk|2]]]>式中SBA表示定向天线实现的多波束智能天线经过分析运算得出用定向天线实现的多波束智能天线与自适应智能天线提高信道容量比较图，将用定向天线实现的多波束智能天线系统信道容量与信噪比的关系曲线18，与自适应智能天线系统信道容量与信噪比的关系曲线17进行比较，可以看出在相同的信噪比下，本发明的用定向天线实现的多波束智能天线的信道容量数量比自适应智能天线的信道容量高的多，并且随着信噪比的进一步提高，信道容量增加幅度能力更大。
权利要求
1.一种用定向大线实现多波束智能天线的方法，其特征在于用N面相互独立的定向天线对基站服务区进行空间分割，将基站服务区分割成N个小区，各小区之间满足设定的电磁辐射要求；由N面定向天线按照基站要覆盖的区域组成分层多波束阵列，定向天线预先调整好波束指向，实现空分多址，由主处理器单元、协处理器和天线选择单元控制天线对信号的发射和接收，对移动用户定位跟踪；包括步骤(1)设置由N面相互独立的、调整好波束指向的定向天线组成的、用来实现空间分割的天线阵列，(2)设置与每面定向天线连接的天线选择单元，用于根据协处理器和主处理器指令完成天线切换和选择；(3)设置与每面定向天线分别连接的协处理器单元，用于对接收信号进行巡检，将信号高于门限的天线位置和信号强度信息送给主控制器和天线选择单元，指令天线选择单元将该天线接通给主控制器或完成切换任务；(4)设置与天线选择单元、连接的主处理器；用于对接收信号高于门限的单元天线信号进行解调，并判断其合法性，确定移动用户空间位置和多径干扰方向，把基站连接到该天线单元上，实现智能天线空间定向的目的。
2.如权利要求1所述的用定向天线实现多波束智能天线的方法，其特征在于所述由主处理器单元、协处理器和天线选择单元控制天线对信号的发射和接收，是由协处理器单元的若干个协处理器分别对接收到的信号强度进行巡检，当检测到接收的信号强度高于给定门限时，协处理器将向主处理器发送这些天线的位置和信号强度信息，并指令天线选择单元将接收信号高于门限的天线接通到主处理器中，主处理器对通过协处理器筛选的信号进行解调，判断信号的合法性，并对从不同接收天线接收到的相同信号再次进行强度和时延判别，来确定各移动用户的确切位置和多径干扰方向，由天线的可逆性确定移动用户空间位置之后，把基站连接到该天线单元上；所述对移动用户定位跟踪，是主处理器指令协处理器检测比较该工作天线相邻天线信号强度的变化趋势，并与协处理器设置的导频检测门限、导频比较门限、导频丢失门限进行对比，给主处理器提供切换信息，将信号及时切换到移动用户所处覆盖区域的单元天线上。
3.一种用定向天线实现多波束智能天线的装置，其特征在于该装置包括，由相互独立的N面定向天线(101、102…10N)组成的分层天线阵列(1)，天线选择单元(2)，协处理器单元(4)，主处理器(3)；所述N面定向天线(101、102、…10N)由分别与所述协处理器单元(4)输入端连接，所述协处理器单元(4)输出端由与所述天线选择单元(2)、所述主处理器(3)分别连接，所述主处理器(3)输出端由与所述天线选择单元(2)、基站(5)分别连接。
4.根据权利要求3所述用定向天线实现多波束智能天线的装置，其特征在于所述定向天线(101、102、…、10N)是旁瓣较低，增益从6dB到20dB的天线，所述定向天线(101、102、10N)的数量在几十到几百面之间。
5.根据权利要求3所述用定向天线实现多波束智能天线的装置，其特征在于所述协处理器单元(4)由若干个协处理器组成，一个所述处理器连接一面所述定向天线或几面所述定向天线。
6.根据权利要求3所述的用定向天线实现多波束智能天线的装置，其特征在于所述天线阵列(1)是圆形多、单层阵列，或线形多、单层阵列，或扇形多、单层阵列；所述定向天线(101、102、…、10N)是加接边环或吸波圆柱罩筒的抛物面天线(11)，或/和背腔式微带贴片天线(9)，或/和高边环圆环长背射天线(10)，或/和赋形波束天线。
7.根据权利要求6所述的用定向天线实现多波束智能天线的装置，其特征在于所述圆形多层阵列是圆形m层阵列，从上层到下层，其分布为第m层用波瓣宽度角小的、高增益定向天线覆盖，第m-1层用波瓣宽度角比第m层的大的、增益比第m层低的定向天线覆盖，随着层数的向下，定向天线波瓣宽度角加大、增益降低，第1层用波瓣宽度较大、增益相对较低的定向天线覆盖，每层所用定向天线面数为2π/θ′面；所述圆形m层阵列，两个同频基站中使用的是相同的信道组，但这两个信道组在各分层中的分布序列采用逆向分配方案；对于m层阵列结构而言，同频信道组所在的基站之一从内向外的m个分层分别分配子信道组为(f1，f2，…fm)，则相邻同信道组干扰层基站的m个分层从内向外的子信道组的分配为(fm，fm-1，…f1)
8.根据权利要求6所述的用定向天线实现多波束智能天线的装置，其特征在于所述背腔式微带贴片天线(9)由筒形背腔(901)、支杆(16)、金属贴片(903)及馈源(12)组成；所述支杆(16)固定在所述筒形背腔(901)中央，所述支杆(16)上端固定金属贴片(903)，所述筒形背腔(901)底面上偏离中心处设有通孔(902)，所述馈源(12)由同轴线(15)与所述同轴线(15)的内导体顶端固定的圆金属片(904)构成，所述同轴线(15位于所述通孔(902)，所述同轴线(15)的内导体与所述圆金属片(904)构成电容加载，所述同轴线(15)的外导体与所述筒形背腔(901)连接。
9.根据权利要求6所述的用定向天线实现多波束智能天线的装置，其特征在于所述高边环圆环长背射天线(10)由圆桶形反射背腔(1001)、馈源(12)、副反射器(1002)、引向器(1003)和支杆(16)组成，所述馈源(12)、所述副反射器(1002)和所述引向器(1003)从下到上依次固定在所述支杆(16)上，所述支杆(16)位于所述反射背腔(1001)中央；所述馈源(12)为金属管制成的设有开口(1201)的金属圆环(1203)，所述开口(1201)正对面设引线孔(1202)，同轴线(15)位于半圆环，所述同轴线(15)一端从所述引线孔(1202)引出，所述同轴线(15)另一端的外导体与所述开口(1201)一边电连接，内导体与所述开口(1201)另一边电连接。
10.根据权利要求6所述的用定向天线实现多波束智能天线的装置，其特征在于所述加接边环或吸波圆柱罩筒的抛物面天线(11)由抛物反射面(1101)、馈源(12)、支杆(16)与边环或吸波圆柱罩筒(1102)组成，所述边环或吸波圆柱罩筒(1102)与所述抛物反射面(1101)边缘连接，所述支杆(16)固定在所述抛物反射面(1101)的焦点，所述馈源(12)固定在所述支杆(16)上并与所述抛物反射面(1101)的焦点对应。
全文摘要
移动通信系统中用定向天线实现多波束智能天线的方法及装置。方法是用N面相互独立的定向天线对基站服务区进行空间分割，将基站服务区分割成N个小区，各小区之间满足设定的电磁辐射要求；由N面定向天线按照基站要覆盖的区域组成分层多波束阵列，定向天线预先调整好波束指向，实现空分多址，由主处理器单元、协处理器和天线选择单元控制天线对信号的发射和接收，对移动用户定位跟踪。装置包括由相互独立的N面定向天线组成的分层天线阵列，天线选择单元，协处理器单元，主处理器；N面定向天线分别与协处理器单元输入端连接，协处理器输出端与天线选择单元、主处理器分别连接，主处理器输出端与天线选择单元、基站分别连接。其通信容量和抗干扰能力强。
文档编号H04W16/28GK101056451SQ200610042700
公开日2007年10月17日 申请日期2006年4月15日 优先权日2006年4月15日
发明者张金生, 韩贵杰, 李柏年, 常蓬彬 申请人:兰州大学电子技术开发应用研究所