专利名称：一种专用信道宽业务波束赋形实现方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种无线通信系统的宽业务波束赋形实现方法及系统，尤
其涉及同步的码分多址(Code Division Multiple Access)，(以下简称 CDMA)通信系统中釆用智能天线技术的专用信道宽业务波束賦形方法及 系统。
背景技术：
智能天线利用信号传输的空间特性和数字信号处理技术，可以实现上 行波达角估计以及下行波束赋形，从而达到降低噪声干扰、增加容量、扩 大覆盖、改善通信质量、降低发射功率和提高无线数据传输速率的目的。
针对釆用智能天线技术的通信系统而言，如时分双工(Time Division Duplexn)(以下简称TDD)方式的同步CDMA通信系统，其上、下行信 道需要满足对称性的要求，然而实际的无线信道环境十分复杂，即使用户 处于静止状态，其多径、角度扩展等影响仍可能较为严重；在随机接入过 程中，通过单次上行导频码而获取的用户方位角的信息通常存在较大误 差；对于非连续发射(Discontinuous Transmission)(以下简称DTX)、高 速下行链路分组接入(High Speed Downlink Package Access)(以下简称 HSDPA)模式，某一用户的上、下行时隙的时间间隔可能较大，在信道环 境变化或用户切向移动速度较快时，上行估计的波达角可能难以对应下行 赋形方向等。上述情况均明显地、直接地影响到下行波束赋形的性能，而 且在釆用线阵的智能天线通信系统中，表现得尤为突出，其中的原因之一 可能是波束宽度(即主瓣宽度)较窄，造成系统的稳健性下降。
解决上述问题的有效措施之一就是增加业务波束宽度，即针对一定的
波束宽度设计不同方向上的賦形权值，使其波束宽度达到设计要求。 一种 解决方法是通过搜索得到不同天线状态(包括天线通道失效等情况)、不 同方向上满足条件的宽业务波束赋形权值，也就是每一天线状态对应一组 不同方向的宽业务波束賦形权值，因此对实际通信系统的存储容量要求很高。
中国发明专利申请"一种用于智能天线基站的宽波束形成的方法"(申
请号200310112369,公开号CN1547333A，
公开日2004年11月17 日)给出了一种通过在预定角度的扇区内形成与天线数相等的、两两正交 的、固定的窄波束，并对其拟合得到公共信道的波束形成权值的方法，但 是该方法无法应用于专用信道宽业务波束赋形的情况，而且可能存在多天 线总下行发射功率超过系统设计要求。
发明内容
本发明的目的在于解决上述技术课题，提供一种无线通信系统的宽业 务波束赋形实现方法及系统，尤其是同步的CDMA通信系统中釆用智能 天线技术的专用信道宽业务波束赋形实现方法及系统。
为了实现上述目的，本发明提供的专用信道宽业务波束賦形实现方法 通过在用户的目标方向(即宽波束赋形方向)附近，即以用户的目标方向 为中心，以预定的角度间隔同时形成多个常规业务波束(简称窄业务波 束)，多个窄业务波束经加权后相互叠加即合成具有预定宽度的宽业务波 束，其包括以下步骤
1) 根据各用户的上行信号信息，进行上行波达角估计，得到各用户 的下行宽波束赋形方向，即目标方向；
2) 以各用户的目标方向为中心，基于波束宽度和展宽系数，以预定 的角度间隔定义多个常规业务波束，即窄业务波束的赋形方向，得到对应 的窄业务波束赋形权矢量；
3) 分别构造各用户的窄业务波束賦形导向矩阵和加权系数矢量，计 算多个窄业务波束賦形导向矢量的加权和；
4)对各用户的多个窄业务波束赋形导向矢量的加权和进行功率归一 化处理，得到宽业务波束赋形权矢量。
上述步骤l)中所述的根据各用户的上行信号信息，进行上行波达角 估计，得到各用户的下行宽波束賦形方向，即目标方向的方法为
对于第&个用户,通过上行波达角估计,得到该用户的目标方向为,"， 对应的窄业务波束导向矢量表示为。
e-《
其中，《。表示基站天线阵列天线阵元数， 《)=,2;r.(K。-1)A.sin^)/;i，式中A为天线间距，/1为载波波长。
上述步骤2)中所述以各用户的目标方向为中心，基于主瓣宽度和展 宽系数，以预定的角度间隔定义多个窄业务波束的賦形方向，得到对应的 窄业务波束赋形权矢量的方法为
基站天线阵列由K。个天线阵元所构成，其窄业务波束主瓣宽度为Q ， 参与合成宽业务波束的窄业务波束数为M，对应的展宽系数为",、"2、…、
，即第w个窄业务波束对应的展宽系数为 ，为了保证合成的宽业务 波束的对称性，《m=- M—m+1， 0Sdw",2,…，M;
第A个用户的M个窄业务波束的指向分别为,)+ , Q、 产+A.Q、…、,)+ Q对应的导向矢量分别为a(,)+"广Q)、 a(,)+a2.Q)、…、a(一"+ .Q)。
上述步骤3)中所述的分别构造各用户的窄业务波束赋形导向矩阵和 加权系数矢量，计箅多个窄业务波束赋形导向矢量的加权和的方法为
第A;个用户、目标方向为一"的多个窄业务波束賦形导向矢量的加权 和的表达式为
<formula>formula see original document page 8</formula>为加权系数矢量。
上述步骤4)中所述的对各用户的多个窄业务波束赋形导向矢量的加 权和进行功率归一化处理，得到宽业务波束赋形权矢量的方法为
第^个用户、目标方向为严的多个窄业务波束賦形导向矢量的加权
和经过功率归一化处理，得到宽业务波束赋形权矢量，表示为
<formula>formula see original document page 8</formula>
上式能够保证宽业务波束賦形与常规业务波束賦形二者之间的总下 行发射功率相等。
此外，本发明还提供一种专用信道宽业务波束賦形的实现系统，其包
括天线阵列、多通道放大单元、多通道收发信机单元、上行波达角估计与
基带处理单元、下行宽波束賦形权值生成单元以及下行波束赋形单元；
对于上行链路，线信号由上述天线阵列接收，经过上述多通道放大单 元放大后传送至上述多通道收发信机单元；上述多通道收发信机单元对射 频信号进行滤波、下变频、模数变换处理后转换成数字基带信号；上述多 通道收发信机单元的信号传送至上述上行波达角估计与基带处理单元，上 述上行波达角估计与基带处理单元用来实现各个用户的上行波达角估计 和上行接收数据的解调基带处理工作；上述下行宽波束赋形权值生成单元 根据上行波达角估计结果，计算宽业务波束赋形权值，上述下行波束赋形 单元基于赋形权值对各用户的下行发射基带数据进行波束赋形处理；上述 多通道收发信机单元对上述下行波束赋形单元输出的基带赋形数据进行 数模变换、上变频、滤波处理后转换成模拟射频信号；
对于下行链路，上述多通道放大单元工作在功率放大模式，上述射频 信号经过多通道放大单元放大后由上述天线阵列发射。
釆用本发明的专用信道宽业务波束赋形实现方法及系统，即在用户的 目标方向附近，不同指向的多个窄业务波束经加权后相互叠加合成具有一 定宽度的宽业务波束，而且宽业务波束赋形与单个窄波束赋形二者之间的 总下行发射功率相等。该方法能够有效地增加波束宽度，只需存储一组通 用的不同方向的窄业务波束的賦形权值，并不必区分不同的天线状态，易 于工程实现，从而在一定程度上减弱波束宽度较窄对智能天线性能的影 响，提高系统的稳健性和可靠性。
下面结合附图，对本发明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。
图1是本发明的一较佳实施例的专用信道宽业务波束赋形实现系统的 模块结构框图； 图2是本发明的一较佳实施例的专用信道宽业务波束赋形实现方法的
流程图3是本发明的一较佳实施例所釆用的8天线线阵的结构示意图4是本发明的一较佳实施例所釆用的8天线线阵中单天线的相对功 率方向图5是本发明的一较佳实施例所釆用的8天线线阵利用三个窄业务波 束合成的宽业务波束在0。目标方向上的相对功率方向图6是本发明的一较佳实施例所釆用的8天线线阵利用三个窄业务波 束合成的宽业务波束在天线通道1、 6失效时0。目标方向上的相对功率方 向图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明的一较佳实施例的专用信道宽业务波束赋形实现 系统包括
1) 天线阵列(101)
2) 多通道放大单元(102)
3) 多通道收发信机单元(103)
4) 上行波达角估计与基带处理单元(104)
5) 下行宽波束賦形权值生成单元(105)
6) 下行波束賦形单元(106)
对于上行链路而言，多通道放大单元(102)工作在低噪放大模式， 无线信号由天线阵列(101)接收，经过多通道放大单元(102)放大后传 送至多通道收发信机单元(103);多通道收发信机单元(103)对射频信 号进行滤波、下变频、模数变换等处理后转换成数字基带信号；多通道收 发信机单元(103)的信号传送至上行波达角估计与基带处理单元(104) 上行波达角估计与基带处理单元(104)用来实现各个用户的上行波达角 估计和上行接收数据的解调等基带处理工作；下行宽波束赋形权值生成单
元(105)根据上行波达角估计结果，计箅宽业务波束賦形权值，下行波 束赋形单元(106)基于赋形权值对各用户的下行发射基带数据进行波束
賦形处理；多通道收发信机单元do"对下行波束赋形单元(106)输出
的基带賦形数据进行数模变换、上变频、滤波等处理后转换成模拟射频信
号；对于下行链路而言，多通道放大单元(102)工作在功率放大模式，
射频信号经过多通道放大单元(102)放大后由天线阵列(101)发射。 如图2所示，本发明一较佳实施例的专用信道宽业务波束赋形实现方
法如下-.
步骤210，根据各用户的上行信号信息，进行上行波达角估计，得到 各用户的下行宽波束賦形方向(即目标方向)。
对于第A:个用户，通过上行波达角估计，得到该用户的目标方向为^"， 对应的窄业务波束导向矢量表示为
e《
(1)
其中，K。表示基站天线阵列天线阵元数， ^"J;r'(^-1)'A'sin^)/;t,式中△为天线间距，A为载波波长。
步骤220,以各用户的目标方向为中心，基于主瓣宽度和展宽系数， 以一定的角度间隔定义多个常规业务波束(简称窄业务波束)的賦形方向， 得到对应的窄业务波束赋形权矢量。
基站天线阵列由K。个天线阵元所构成，其窄业务波束主瓣宽度为D (对于线阵则是指法线方向上的窄业务波束主瓣宽度)，参与合成宽业务
波束的窄业务波束数为M，对应的展宽系数为",、"2、…、 ，即第m
个窄业务波束对应的展宽系数为^ 。为了保证合成的宽业务波束的对称
性，通常"^^-"w、， 0S 《l，w-l，2,…,M。对于任意m，均 =0,则
即为窄业务波束；W值越大，则合成的业务波束越宽，但是主瓣波束增
益越低，而且kl超过一定数值后，主瓣波束的功率将可能随方向角度的
变化存在不同程度的起伏。
第A:个用户的M个窄业务波束的指向分别为<formula>formula see original document page 12</formula>对应的导向矢量分别表示为<formula>formula see original document page 12</formula>步骤230，分别构造各用户的窄业务波束赋形导向矩阵和加权系数矢 量，计算多个窄业务波束赋形导向矢量的加权和。
第&个用户、目标方向为严的多个窄业务波束赋形导向矢量的加权 和的表达式为<formula>formula see original document page 12</formula>式中，
<formula>formula see original document page 12</formula>
称为窄业务波束赋形导向矩阵；
<formula>formula see original document page 12</formula>
称为加权系数矢量。
步镍240,对各用户的多个窄业务波束賦形导向矢量的加权和进行功
:归一化处理，得到宽业务波束賦形权矢量。
第*个用户、目标方向为,'的多个窄业务波束赋形导向矢量的加权
和经过功率归一化处理，得到宽业务波束赋形权矢量，表示为
<formula>formula see original document page 13</formula>
上式能够保证宽业务波束赋形与常规业务波束(单个窄业务波束)赋 形二者之间的总下行发射功率相等。
为了容易理解本发明，下面通过一个更为具体的实施例进行描述。
如图3所示，基站天线阵列釆用8天线线阵，天线间距为半载波波长； 单天线的相对功率方向图如图4所示；窄业务波束主瓣宽度Qal2.6"利 用三个窄业务波束合成宽业务波束，即M=3;对应的展宽系数分别为 ",=-0.5、 a2 =0和"3 =0.5 。
8天线线阵的导向矢量表示为
<formula>formula see original document page 13</formula>
式中A为天线间距，义为载波波长，
<formula>formula see original document page 13</formula>
第&个用户的目标方向为一"，对应的三个窄业务波束导向矢量分别 为a(," - 0.5. Q) 、 a(,)和a(严+ 0.5. Q)。
加权系数矢量为P-
,则三个窄业务波束賦形导向矢量的加权和为
<formula>formula see original document page 13</formula>
功率归一化处理，则利用三个窄业务波束合成的宽业务波束赋形权矢 量表示为
图5为8天线线阵利用三个窄业务波束合成的宽业务波束在0°目标方 向上的相对功率方向图，相对于常规业务波束主瓣宽度Q"2.6。而言，宽 业务波束宽度明显增加，达到约20°。
在天线通道1、 6同时失效的情况下，8天线线阵利用三个窄业务波束 合成的宽业务波束在0。目标方向上的相对功率方向图如图6所示，可见本 发明的宽业务波束賦形实现方法具有高稳健性、高可靠性等特点。
本发明以8天线线阵为例给出了一种宽业务波束赋形的具体实施例， 但本发明内容并不局限于线阵，同样也适用于其它天线数和阵列流形等情况。
本发明适用于无线通信系统，尤其适用于第三代移动通信系统中的 TDDCDMA系统，包括TD-SCDMA (1.28Mcps TDD)系统和3.84Mcps
TDD系统，但是也同样适用于釆用CDMA的频分多址和时分多址的系统， 任何具有信号处理、通信等知识背景的技术人员，根据本发明设计的等同 的智能天线实现方法，其均应包含在本发明的思想和范围中。
当然，本发明还可有其他实施例，在不背离本发明精神及其实质的情 况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变 形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种专用信道宽业务波束赋形实现方法，其特征是通过以用户的目标方向为中心，以预定的角度间隔同时形成多个窄业务波束，经加权后相互叠加合成宽业务波束，包括以下步骤1)根据各用户的上行信号信息，进行上行波达角估计，得到各用户的下行宽波束赋形方向，即目标方向；2)以各用户的目标方向为中心，基于波束宽度和展宽系数，以预定的角度间隔定义多个常规业务波束，即窄业务波束的赋形方向，得到对应的窄业务波束赋形权矢量；3)分别构造各用户的窄业务波束赋形导向矩阵和加权系数矢量，计算多个窄业务波束赋形导向矢量的加权和；4)对各用户的多个窄业务波束赋形导向矢量的加权和进行功率归一化处理，得到宽业务波束赋形权矢量。
2. 根据权利要求1所述的专用信道宽业务波束賦形实现方法，其特征 是上述步骤l)中所述的根据各用户的上行信号信息，进行上行波达角 估计，得到各用户的下行宽波束赋形方向，即目标方向的方法为对于第^个用户，通过上行波达角估计，得到该用户的目标方向为一"， 对应的窄业务波束导向矢量表示为<formula>formula see original document page 2</formula>(1)其中，X。表示基站天线阵列天线阵元数， ;^)=,2;r'(X。-l)'A'sin,)M，式中△为天线间距，A为载波波长。
3.根据权利要求2所述的专用信道宽业务波束赋形方法，其特征是: 上述步骤2)中所述以各用户的目标方向为中心，基于主瓣宽度和展宽系数，以预定的角度间隔定义多个窄业务波束的赋形方向，得到对应的窄业务波束賦形权矢量的方法为基站天线阵列由^。个天线阵元所构成，其窄业务波束主瓣宽度为Q ， 参与合成宽业务波束的窄业务波束数为M,对应的展宽系数为",、《2、...、"M，即第m个窄业务波束对应的展宽系数为 ，为了保证合成的宽业务波束的对称性，H +1， 0Sc^l，附"，2，…,M;第A:个用户的M个窄业务波束的指向分别为^) +cvQ、 ,"+"2Q、…、一"+"MQ对应的导向矢量分别为a(,"+a,Q)、 aC)+a2.Q)、…、a(,)+c^.Q)。
4.根据权利要求3所述的专用信道宽业务波束賦形方法，其特征是 上述步骤3)中所述的分别构造各用户的窄业务波束赋形导向矩阵和加权 系数矢量，计算多个窄业务波束賦形导向矢量的加权和的方法为第A:个用户、目标方向为,)的多个窄业务波束赋形导向矢量的加权 和的表达式为,))(WW)=A . a(-(*) + a,. Q) + A . a(-w + a2 Q) +…+ & . a(-w + "M . Q)=1,2,…,K。(2)式中，为窄业务波束赋形导向矩阵; 为加权系数矢量。
5.根据权利要求4所述的专用信道宽业务波束賦形方法，其特征是: 上述步骤4)中所述的对各用户的多个窄业务波束賦形导向矢量的加权和 进行功率归一化处理，得到宽业务波束赋形权矢量的方法为第A个用户、目标方向为^)的多个窄业务波束賦形导向矢量的加权 和经过功率归一化处理，得到宽业务波束賦形权矢量，表示为上式能够保证宽业务波束賦形与常规业务波束賦形二者之间的总下 行发射功率相等。
6. —种专用信道宽业务波束賦形系统，包括天线阵列、多通道放大单 元、多通道收发信机单元、上行波达角估计与基带处理单元、下行宽波束 赋形权值生成单元以及下行波束賦形单元；对于上行链路，线信号由上述天线阵列接收，经过上述多通道放大单 元放大后传送至上述多通道收发信机单元；上述多通道收发信机单元对射频信号进行滤波、下变频、模数变换处理后转换成数字基带信号；上述多通道收发信机单元的信号传送至上述上行波达角估计与基带处理单元，上 述上行波达角估计与基带处理单元用来实现各个用户的上行波达角估计和上行接收数据的解调基带处理工作；上述下行宽波束赋形权值生成单元 根据上行波达角估计结果，计算宽业务波束賦形权值，上述下行波束赋形 单元基于赋形权值对各用户的下行发射基带数据进行波束赋形处理；上述 多通道收发信机单元对上述下行波束赋形单元输出的基带赋形数据进行 数模变换、上变频、滤波处理后转换成模拟射频信号；对于下行链路，上述多通道放大单元工作在功率放大模式，上述射频 信号经过多通道放大单元放大后由上述天线阵列发射。
全文摘要
一种专用信道宽业务波束赋形实现方法及装置，该方法通过以用户的目标方向为中心，以一定的角度间隔同时形成多个窄业务波束，经加权后相互叠加合成宽业务波束；该装置包括天线阵列、多通道放大单元、多通道收发信机单元、上行波达角估计与基带处理单元、下行宽波束赋形权值生成单元以及下行波束赋形单元。采用本发明的专用信道宽业务波束赋形实现方法及系统，能够有效地增加波束宽度，只需存储一组通用的不同方向的窄业务波束的赋形权值，并不必区分不同的天线状态，易于工程实现，从而在一定程度上减弱波束宽度较窄对智能天线性能的影响，提高系统的稳健性和可靠性。
文档编号H04J13/00GK101098178SQ20061008665
公开日2008年1月2日 申请日期2006年6月27日 优先权日2006年6月27日
发明者斌 李, 强 王, 秦洪峰, 昕 郭 申请人:中兴通讯股份有限公司