一种采用智能天线的信号收发装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及移动通信技术，特别是指一种采用智能天线的信号收发装置和方法。
【背景技术】
[0002] 随着移动通信的普及，频谱成为越来越宝贵的资源。在已有的时分多址（TDMA， Time Division Multiple Access)、步巧分多址(FDMA, Frequency Division Multiple Access)或码分多址（CDMA,Code Division Multiple Access)复用方式基础上，智能天线 (SA, Smart Antenna)技术引入了第四维多址复用方式-空分多址（SDMA, Space Division Multiple Access)，使得用户在相同时隙、相同频率或者相同地址码情况下，仍可W根据其 空间传播路径来区分，从而成倍地扩展了移动通信系统的容量。
[000引智能天线原名自适应天线阵列（AAA，Adaptive Antenna Array)，最初应用于雷 达、声纳和军事方面，主要完成空间滤波和定位，相控阵雷达是一种较简单的自适应天线阵 列。随着移动通信的发展及对移动通信电波传播、组网技术、天线理论等方面的研究，数字 信号芯片的处理能力不断提高，自适应天线阵列开始用于具有复杂电波传播环境的移动通 信。
[0004] 智能天线作为TD-SCDMA的关键技术之一，其应用水平直接决定了 TD网络质量的 优劣。智能天线本质上是一种多天线单元系统，可W通过调整各天线单元的激励（也称权 值）-幅值和相位，使得天线波束方向图形状变为指定波束形状，实现波束赋形，波束赋形 分为；业务波束赋形，广播波束赋形；业务波束赋形是在业务时隙形成的，系统根据用户的 位置信息形成多个高增益窄波束，动态地跟踪多个期望用户，在接收模式下，来自高增益窄 波束之外的信号能够被抑制，在发射模式下，能使期望用户接收的信号功率最大，同时使窄 波束照射范围W外的非期望用户受到的干扰最小。目前业务波束赋形的应用已经比较成 熟，如广泛采用了邸B (特征分解赋形）算法和GOB (固定波束赋形）算法；广播波束赋形则 是通过修改广播波束权值的方法进行广播波束的波束赋形。
[0005] 对于波束赋形增益，大增益对应波瓣宽度窄，小增益对应波瓣宽度宽，可W发现增 益有个平衡点：波瓣宽度过窄，对于移动速度较快用户无法进行有效跟踪，波瓣宽度过宽则 不能有效提高接收端增益，不能有效抑制对其他用户的干扰。
[0006] 现有技术存在如下问题；TD-SCDMA系统中，智能天线8天线，广播波束宽度为65° 时，广播波束赋形增益是15地i，业务波束赋形增益是22地i，由于业务波束赋形和广播波 束赋形差别较大或不一致，极大的影响了 TD-SCDMA网络的覆盖能力和质量；如果采用双极 化高增益天线化5 °，19地i)，虽然可W提升广播波束覆盖能力，但业务波束不是智能天线 赋形，而由于TD-SCDMA同频复用，网络中的干扰有所增加。
【发明内容】
[0007] 本发明要解决的技术问题是提供一种采用智能天线的信号收发装置和方法，解决 现有技术中，业务波束赋形和广播波束赋形差别较大或不一致，极大的影响了 TD-SCDMA网 络的覆盖能力和质量的缺陷，实现业务波束赋形和广播波束赋形之间的一致性。
[0008] 为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种采用智能天线的信号收发装置， 包括；天线阵列，包括N个天线单元，每一个天线单元与M个加权器连接，客户端空间相关矩 阵单元，用于确定所形成的具有M*N个加权器的加权网络；权矢量求解单元，与客户端空间 相关矩阵单元连接，用于基于所述加权网络计算出加权网络权矩阵W，对于客户端k，根据 所述加权网络权矩阵W计算出客户端k的权矢量;广播波束赋形切换单元，用于采用高 增益双极化天线，设置所述高增益双极化天线的权值；业务波束赋形切换单元，用于将权矢 量的转置矩阵W&"与切换矩阵D。相乘，得到业务波束权矢量;加权网络赋形单 元，与广播波束赋形切换单元、业务波束赋形切换单元连接，用于在广播波束时隙里基于所 述高增益双极化天线的权值实现广播波束赋形，在业务时隙里基于业务波束权矢量D"*WWT 实现业务波束赋形。
[0009] 所述的装置中，N为8,包含6单元智能天线W及2单元高增益双极化天线。
[0010] 所述的装置中，客户端空间相关矩阵单元包括矩阵构造模块；矩阵构造模块，用于 根据如下公式确定加权网络；采用矩阵X(t)表示天线阵列接收的信号，采用矩阵w(t)表示 加权网络，采用矩阵Y(t)表示天线阵列输出的信号，天线阵列的输入和输出之间存在关系 Y(t) = W(t)X(t),
[0011]
【主权项】
1. 一种采用智能天线的信号收发装置，其特征在于，包括： 天线阵列，包括N个天线单元，每一个天线单元与M个加权器连接， 客户端空间相关矩阵单元，用于确定所形成的具有M*N个加权器的加权网络； 权矢量求解单元，与客户端空间相关矩阵单元连接，用于基于所述加权网络计算出加 权网络权矩阵W，对于客户端k，根据所述加权网络权矩阵W计算出客户端k的权矢量W(k); 广播波束赋形切换单元，用于采用高增益双极化天线，设置所述高增益双极化天线的 权值； 业务波束赋形切换单元，用于将权矢量W(k)的转置矩阵W(k)T与切换矩阵Dn相乘，得到 业务波束权矢量Dn*W(k)T ; 加权网络赋形单元，与广播波束赋形切换单元、业务波束赋形切换单元连接，用于在广 播波束时隙里基于所述高增益双极化天线的权值实现广播波束赋形，在业务时隙里基于所 述业务波束权矢量Dn*W (k)T实现业务波束赋形。
2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于， N为8,包含6单元智能天线以及2单元高增益双极化天线。
3. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，客户端空间相关矩阵单元包括矩阵构造 模块； 矩阵构造模块，用于根据如下公式确定加权网络； 采用矩阵X(t)表示天线阵列接收的信号， 采用矩阵W (t)表示加权网络， 采用矩阵Y(t)表示天线阵列输出的信号， 天线阵列的输入和输出之间存在关系Y(t) = W(t)X(t)
4. 根据权利要求3所述的装置，其特征在于，客户端空间相关矩阵单元与信道估计单 元连接，信道估计单元与所对应的天线单元的M个加权器连接； 信道估计单元，用于建立接收信号X(t)和各个客户端的原始发送信号之间的关系，包 括： 各个客户端的原始发送信号是sm(t)，m = 1，…，M， 各个原始发送信号sm(t)经历的无线信道响应是h(m，n)(t)，m= 1，···，Μ，η= 1，···，Ν， 对于所述天线阵列中第η个天线单元，接收信号X(t)和原始发送信号之间的关系是
天线阵列接收的输入信号xn(t) ;n = 1，…，N是多个客户端的多径信号叠加所形成的； 每个原始发送信号在不同天线单元的信道响应具有相关性，
其中,a(0m))表示所述到达角度对应的方向矢量，方向矢量反映了不同天线单元之间 因信号传播距离不同而引起的相关系数，表示客户端m的第1条多径的到达角度， 表示在采用单天线接收情况下，客户端m的第1条多径经历的无线信道响应。
5. 根据权利要求4所述的装置，其特征在于，权矢量求解单元包括： 权矢量计算模块，用于根据天线阵列输出的信号Y(t)应当等于或接近于客户端的原 始发送信号S(t)，计算出加权网络W(t)的加权网络权矩阵W。
6. 根据权利要求5所述的装置，其特征在于，权矢量求解单元包括： 特征向量算法模块，用于获取信号空间协方差矩阵Rs ; 获取干扰和噪声空间协方差矩阵Rn ; 对加权网络W(t)执行运
基于最大功率准则寻找一个权矢量W(k)，权矢量W(k)使得上述公式达到最大值
则权矢量W(k)是信号空间协方差矩阵Rs的最大特征值对应的特征矢量；其中，（.）*表 示复数矢量的共轭，（.）H表示矢量矩阵的共轭转置。
7. -种采用智能天线的信号收发方法，其特征在于，应用于具有天线阵列的装置，天线 阵列包括N个天线单元，每一个天线单元与M个加权器连接，方法包括： 确定所形成的具有M*N个加权器的加权网络； 基于所述加权网络计算出加权网络权矩阵W，根据所述加权网络权矩阵W计算出客户 端k的权矢量W(k); 对于广播波束赋形，设置所述高增益双极化天线的权值；对于业务波束赋形，将权矢量 W(k)的转置矩阵W(k)T与切换矩阵Dn相乘，得到业务波束权矢量D n*W(k)T ; 在广播波束时隙里基于所述高增益双极化天线的权值实现广播波束赋形，在业务时隙 里基于所述业务波束权矢量实现业务波束赋形。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于， N为8,包含6单元智能天线，以及2单元所述高增益双极化天线。
9. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，基于所述加权网络计算出加权网络权矩 阵W具体包括： 采用矩阵X(t)表示天线阵列接收的信号， 采用矩阵W(t)表示加权网络， 采用矩阵Y(t)表示天线阵列输出的信号， 天线阵列的输入和输出之间存在关系：Y(t) = W(t)*X(t)，
各个客户端的原始发送信号是Sm(t)，m = 1，…，M， 各个原始发送信号sm(t)经历的无线信道响应是h(m，n)(t)，m= 1…Μ，η= 1，···，Ν， 对于所述天线阵列中第η个天线单元，接收信号X(t)和原始发送信号之间的关系是
天线阵列接收的输入信号xn(t)，η = 1，…，N是多个客户端的多径信号叠加所形成的； 每个原始发送信号在不同天线单元的信道响应具有相关性，
其中,3(6^)表示所述到达角度对应的方向矢量，方向矢量反映了不同天线单元之间 因信号传播距离不同而引起的相关系数，崎m)表示客户端m的第1条多径的到达角度， 表示在采用单天线接收情况下，客户端m的第1条多径经历的无线信道响应； 根据天线阵列输出的信号Y(t)应当等于或接近于客户端的原始发送信号S(t)，计算 出加权网络W(t)的加权网络权矩阵W。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，根据所述加权网络权矩阵W计算出客户 端k的权矢量W(k)具体包括： 获取信号空间协方差矩阵Rs ; 获取干扰和噪声空间协方差矩阵Rn ; 对加权网络W(t)执行运算
基于最大功率准则寻找一个权矢量W(k)，权矢量W(k)使得上述公式达到最大值
则权矢量W(k)是信号空间协方差矩阵Rs的最大特征值对应的特征矢量； 其中，（.）*表示复数矢量的共轭，（.）H表示矢量矩阵的共轭转置。
【专利摘要】本发明实施例提供一种采用智能天线的信号收发装置和方法，包括：天线阵列，包括N个天线单元，每一个天线单元与M个加权器连接，客户端空间相关矩阵单元，确定所形成的具有M*N个加权器的加权网络；权矢量求解单元，与客户端空间相关矩阵单元连接，基于加权网络计算出加权网络权矩阵，对于客户端，根据加权网络权矩阵计算出客户端的权矢量；广播波束赋形切换单元，采用高增益双极化天线，设置高增益双极化天线的权值；业务波束赋形切换单元，将权矢量的转置矩阵与切换矩阵相乘，得到业务波束权矢量；加权网络赋形单元，在广播波束时隙里基于高增益双极化天线的权值实现广播波束赋形，在业务时隙里基于业务波束权矢量实现业务波束赋形。
【IPC分类】H04B7-08, H04B7-06, H04B7-10
【公开号】CN104639220
【申请号】CN201310549574
【发明人】沈赤兵
【申请人】中国移动通信集团广东有限公司
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2013年11月7日